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基于RUSLE模型的重庆市土壤流失方程研究

陈正发  
【摘要】:重庆市处于三峡库区主体地位,以低矮丘陵地貌为主,土壤侵蚀模数高达3798-9831 t/(km2.a),坡耕地水土流失是地区主要的泥沙策源地,水土流失关系到重庆市农业生态环境可持续发展、三峡水库安全稳定运行。土壤侵蚀预测模型是进行水土流失预测、水土保持规划的有效手段,在紫色土坡面水土流失规律研究基础上,建立适用于重庆市水土流失预测的土壤侵蚀预测模型十分必要。 本研究采用人工模拟降雨试验、标准径流小区定位观测、土壤理化性质分析以及文献数据分析等研究方法,在重庆市紫色丘陵区坡面侵蚀过程特征分析基础上,对降雨侵蚀力因子(R)、土壤可蚀性因子(K)、地形因子(LS)、植被覆盖与管理因子(C)以及水土保持措施因子(P)的区域性参数因子取值进行系统研究,以此为基础建立基于RUSLE模型的重庆市土壤流失方程,采用Vc++程序语言设计编写完成重庆市土壤流失方程程序模型,并分析重庆市不同降雨侵蚀力分布区、不同土地利用类型、不同水土保持措施条件坡面的土壤侵蚀模数和土层流失厚度变化。主要研究结论如下: (1)紫色土坡面侵蚀土壤剥蚀率与降雨历时、雨量、坡面初始含水率、坡长成负相关,与雨强、产流量、产沙量、径流含沙量以及坡度成正相关,其中坡度与坡面侵蚀剥蚀率之间可用二次函数较好拟合,紫色土坡面侵蚀剥蚀率的临界坡度值为23.4°。模拟降雨过程中随着坡长增加,产流量增加很快,4m坡长小区的产流量大约为2m坡长的2.7倍,坡面产流的临界坡度为20.6°。平均处理后4m坡长小区产沙量约为2m小区的1.3倍,不同坡长条件下坡度与流失量可拟合为二次关系,紫色土坡耕地土壤侵蚀的临界坡度为22°。 (2)随着降雨进行坡面地表石砾化程度加快,地表石砾覆盖度与累积产沙量正相关;在相同产沙量条件下,后期降雨侵蚀产沙造成的石砾化程度更为显著。在降雨集中时期,随着降雨量增大坡面侵蚀的流失土层厚度增加很快,4场降雨后降雨量增大导致的流失土层厚度增长率减少;在不同地形因子组合下,累积降雨量与流失土层厚度间存在较好线性关系。 (3)不同降雨场次紫色土表土结皮存在“无结皮→弱结皮→强结皮→弱结皮”的动态发育过程,持续降雨过程不同降雨场次土壤表土结皮对溅蚀影响不明显,而与坡面产流存在显著的动态响应关系,结皮强度越大产流量也越大,结皮对坡面产流的影响随着降雨场次的进行而有增大趋势。不同场次降雨过程土壤表士结皮对坡面侵蚀产沙的影响存在差异,前4场降雨表土结皮与坡面侵蚀产沙有相同的变化趋势,4次降雨后土壤表土结皮表现为对坡面侵蚀的抑制作用。 (4)重庆市土壤流失方程采用RUSLE模型的基本结构,在对不同因子计算模型筛选和参数取值系统分析基础上建立重庆市土壤流失方程。采用模型确定性系数Ef,评价模型预测结果精度,Ef值达到0.802,说明重庆市土壤流失方程参数取值合理,该模型可运用于重庆地区土壤流失量预测、土壤侵蚀调查和水土保持规划。模型中参数敏感性大小顺序为:年降雨量植被覆盖于管理因子水土保持措施因子极细砂百分含量坡度土壤入渗系数黏粒百分含量土壤结构系数坡长有机质含量砂粒百分含量,参数敏感性以中度敏感为主。 (5)重庆地区降雨侵蚀力分布在3500-1500 MJ·mm·hm-2.h-1·a-1之间,年内降雨侵蚀力主要分布在4至10月份。不同水土保持模式的土壤可蚀性大小为:梯平地模式横坡耕作模式草地模式顺坡耕作模式水土保持林模式经济果林模式植物篱模式经济林模式,不同种植模式的红苕地、苜蓿地、桑树林地土壤可蚀性都大于0.042,玉米+红苕、李树地、油松地土壤可蚀性较小,分别为0.028、0.026、0.024,菜地、玉米地、草地、枇杷林地、杨树林地等模式土壤可蚀性K值分布在0.031~0.036之间。在不同种植模式下小麦年C值变化范围为0.4185~0.4635,甘薯年C值变化范围为0.3587~0.4173,“小麦与甘薯”轮作的年C值变化范围为0.3963~0.4177。耕作措施P值的取值范围为0.18-0.763,主要集中分布在0.4~0.5,生物林草措施P值变化范围为0.126~0.730,主要集中分布在0.3~0.5。 (6)根据重庆地区水土保持生态环境建设对侵蚀预测模型的需求,以用户土壤流失量计算和分析为中心,编程实现重庆市土壤流失方程程序模型(CQSLE),该模型可实现重庆市特定土地利用情景模式下土壤流失量计算。 (7)重庆地区土壤流失量与降雨侵蚀力分布具有高度一致性,坡耕地平均侵蚀模数为30.72t/(hm2a),远大于林地和草地;不同种植模式的坡耕地侵蚀模数大小为:小麦+红苕红苕地小麦地玉米地玉米/红苕小麦+玉米/红苕。重庆市三大水土保持措施中,林草措施的水土流失防治效果最优,其次为工程措施,耕作措施情景坡面水土流失量最大。耕作措施中水土流失防治效果最明显的是粮经果复合垄作(侵蚀模数为8.48 t/(hm2a),其次为免耕措施(侵蚀模数为8.75 t/(hm2a),防治效果最差的是横坡耕作(侵蚀模数为20.64 t/(hm2a) (8)重庆地区无任何防护措施的裸露坡耕地年均土层流失厚度为4.479mm,远大于2.46mm的年成土厚度,其他土地利用类型年流失土层厚度均小于成士厚度,重庆市土层流失厚度大小分区为:渝东南地区渝中部区渝东北区重庆主城区渝西地区。


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