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坡耕地地表糙度及其作用研究

郑子成  
【摘要】: 坡耕地地表糙度是由于人为土地管理和土壤侵蚀共同作用的结果,它常常造成地表高低起伏和凹凸不平,严重地影响着地表径流和侵蚀过程。本文以黄土高原安塞、淳化两县的坡耕地为对象,利用侵蚀学、土壤学、水力学的原理和方法,在室内外人工模拟降雨试验的基础上,研究地表糙度特征及影响因素和其对径流、侵蚀的作用,分析其作用过程和演化机理;并通过分形原理,建立坡耕地地表糙度的描述模型,以期服务于土壤侵蚀预报和退耕还林(草)的生态环境建设。 1.通过地表糙度特征的分析,提出了黄土区坡耕地地表糙度的定义,即一定质地土壤的坡耕地,由于地表土块和团聚体大小、作物种植和人为管理或降雨击溅、径流冲刷或其它因素的影响下,导致凹凸不平的一种地表状况。并提出黄土区地表糙度的测定及计算方法,结合地表起伏数量特征,理论上推导出地表糙度的界限为0.109~28.003。 2.地表糙度的影响因素主要体现在:(1)人为耕作管理,随着人为耕作管理强度的增加,地表糙度明显增加。(2)降雨,在降雨作用下,随机糙度的变化呈增加趋势,而有向糙度则呈减小趋势。在小雨强作用下,变化平缓;当雨强大于0.99mm/min时,变化幅度增加,不同坡度,相同雨强下糙度变化也具有同样的规律。随着降雨组合因子(PI)的增大,随机糙度的变化量(R/R_0)呈增加的趋势,而有向糙度则呈幂函数递减。(3)降雨径流,随着单宽径流量的增加,随机糙度的变化量递增,随着径流量的增加,这种递增趋势增强;而有向糙度的变化量则减小。(4)土壤性质,随着土壤物理性粘粒含量的增加,地表糙度变化呈增大的趋势;随着土壤含水量和容重的增加,地表糙度的变化呈减小趋势。通过场降雨实验,分析了影响糙度各因子相互作用下地表糙度的变化,得出:随机糙度变化与前期土壤含水量、土壤容重成负相关,与坡度、人为管理措施、降雨组合因子、单宽径流成正相关;有向糙度变化与前期土壤含水量、土壤容重、降雨组合因子、单宽径流成负相关,与坡度和人为管理措施成正相关。 3.降雨侵蚀过程中,随机糙度变化呈递增趋势,而有向糙度则呈递减趋势;随着雨强增加,上述变化幅度增大。从侵蚀演化机理的角度,将这一过程中地表的变化分为三阶段,即地表密闭过程、凹凸交错过程和地表骤变过程。 4.地表糙度对径流和侵蚀的作用影响很大,主要表现为(1)地表糙度有延缓产流时间的作用;随着坡度的增加,这种作用更加明显。(2)在同一雨强作用下,随着糙度的增大,径流量呈减小的趋势,随着雨强和坡度的增大,径流量增加,且随着降雨的进行,地表径流先增大后减小并趋于稳定;在同一坡度下,随着雨强的增加,径流量递增,当雨强超过1.08mm/min时,变化更加明显。(3)在小雨强作用下,不同糙度的地表,侵蚀量的变化较平稳;当雨强超过1.41mm/min时,侵蚀量明显增大, 且随着地表糙度的增大,侵蚀量减小。在降雨过程中,随着雨强的增加,不同糙度的 地表,含沙量总的变化是先增大,后减小,最终趋于稳定,且愈来愈不明显。通过多 因子回归分析发现:降雨侵蚀与坡度(S)、降雨组合因子(PI)、土壤前期土壤含水 量(e)成正相关,与地表糙度成负相关,对径流的影响更为显著。 5.研究坡耕地地表糙度与水力学上曼宁糙率系数间的关系,得出了随机糙度的计 算模型,即当地表随机糙度小于1.053,其与曼宁糙率系数呈幂函数关系:并寻得了 人为管理措施下形成的糙度与曼宁糙率系数较一致的临界值为0.979。 6.地表糙度具有随机的本质和自相似的特性,结合统计学与分形理论,得出了地 表糙度描述模型,即地表糙度可通过分维布朗函数模拟,经实验检验,模型合理。并1 通过大量组合实验,初步得出地表糙度的划分界限,即HX6<0.335为随机糙度,H X 6川.335为有向糙度。


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