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基于不同耕作措施下土壤结皮的形成及其对侵蚀的影响研究

吴秋菊  
【摘要】:土壤结皮是干旱半干旱地区降雨打击、径流压实或灌溉条件下形成的一种常见的地表现象。与原状土相比,其孔隙率小,抗剪切强度高,故在降雨时常降低雨水入渗量,增加地表径流量,造成严重的径流损失和农田生态问题。坡耕地生产管理过程中,人们常常采取各种耕作措施来实现减少水土流失,促进作物稳产和高产。但是在耕作措施基础上,当形成土壤结皮时,两者对土壤侵蚀的影响及机制目前尚不清楚。为此,本研究以黄土高原坡耕地常采用的等高耕作和人工掏挖为基础,以裸露的直线坡为对照,通过室内人工模拟降雨试验和放水冲刷试验,探讨不同类型土壤结皮的形成、特征以及侵蚀效应,并且深入研究土壤结皮与农业耕作措施共同作用下的土壤侵蚀机理,得出了以下主要结论:1.耕作措施造成的地表高低起伏的微地形对形成土壤结皮的类型有很大影响。地势较低的洼地形成沉积性结皮,地势较高的坎上形成结构性结皮。通过对两种类型土壤结皮性质的测定,发现结构性结皮在结皮厚度和密度方面较沉积性结皮略低,在孔隙度和抗剪强度方面较沉积性结皮略高。然而,结构性结皮和沉积性结皮在性质上差异不显著。沉积性结皮相对于无结皮坡面增加径流75.80%,减少侵蚀和入渗分别为38.15%和33.74%;结构性结皮相对于无结皮坡面增加径流26.87%,减少侵蚀和入渗分别为55.08%和28.92%。2.通过室内放水冲刷试验,研究表明结皮坡面的土壤侵蚀量在任何流量条件下均较无结皮坡面低;土壤结皮对坡面流水动力学参数存在显著的影响,土壤结皮增大坡面流流速,减小坡面流深度,使坡面流处于层流状态,并且结皮坡面的水流剪切力、阻力系数、水流功率小于无结皮坡面。土壤侵蚀量与水动力学特征参数相关性显著,与雷诺数呈线性正相关;与水流剪切力、水流功率的对数呈线性正相关;与阻力系数呈线性负相关。因此,可以通过坡面水动力学参数的变化情况说明土壤结皮减小坡面土壤侵蚀量。3.通过室内人工模拟降雨试验,研究发现土壤结皮坡面较无结皮坡面产流时间早。结皮坡面与无结皮坡面径流曲线、侵蚀曲线和入渗曲线的变化规律基本上接近。土壤结皮坡面的径流强度始终高于无结皮坡面的径流强度,而侵蚀强度和入渗率则低于无结皮坡面。累积径流量在结皮坡面和无结皮坡面均呈线性增加,结皮坡面累积径流量的增长速率高于无结皮坡面的累积径流量增长速率;累积侵蚀量和累积入渗量曲线在结皮坡面和无结皮坡面呈分段线性函数,在开始一段时间增长速率较快,当侵蚀量或入渗量达到稳定时,累积曲线增长速率变缓,低于第一段增长速率,结皮坡面的累积侵蚀量和累积入渗量低于无结皮坡面。4.不同耕作措施的产流时间表现为等高耕作人工掏挖直线坡。任意降雨强度下坡面径流强度和侵蚀强度的规律与任意坡度下一致,即等高耕作人工掏挖直线坡,土壤入渗率则遵循着等高耕作人工掏挖直线坡的规律。累积径流量在各耕作措施条件下均呈线性增加,并且遵循着等高耕作人工掏挖直线坡的增长趋势;累积侵蚀量和累积入渗量曲线在各耕作措施条件下呈分段线性函数,在开始一段时间增长速率较快,当侵蚀量或入渗量达到稳定时,累积曲线增长速率变缓,低于第一段增长速率。然而,仍然可以看出等高耕作的累积侵蚀量最低,直线坡的累积侵蚀量最高;累积入渗量的增长趋势为等高耕作人工掏挖直线坡。5.通过相关分析发现,径流量、侵蚀量和入渗量与降雨强度、坡度、耕作措施和土壤结皮因子显著相关(p0.01),其中,径流量和入渗量与降雨强度因子相关性最大;侵蚀量与坡度因子相关性最大。通过多因素方差分析发现,降雨强度、坡度、耕作措施和土壤结皮因子的单因子对坡面径流量、侵蚀量和入渗量作用极为显著(p0.001);当这些因子两两结合的时候,降雨强度和坡度、土壤结皮的组合对径流量、侵蚀量和入渗量的影响不显著;当三个因子交互作用下,降雨强度和坡度、土壤结皮的组合对径流量、侵蚀量和入渗量的影响不显著;四个因子共同作用对坡面径流量、侵蚀量和入渗量影响不显著。通过逐步回归分析发现,降雨因子组合、坡度和地表粗糙度与径流量、泥沙量和入渗量的线性方程达到显著水平(p0.01)。通过通径分析发现,降雨和坡度因子对坡面径流侵蚀的影响较为严重,而耕作措施与降雨因子和坡度因子之间几乎不存在相互关联。结皮坡面的降雨强度、坡度和耕作措施因子与坡面径流量、泥沙量和入渗量相关系数值高于无结皮坡面,而结皮坡面的入渗主要受到降雨因子影响,无结皮坡面入渗主要受到耕作措施因子影响。6.通过对比坡度的影响发现,坡面径流强度和侵蚀强度遵循着5°条件下最低,20°条件下最高的原则。入渗强度的变化趋势与径流强度和侵蚀强度的变化相反,随着坡度的增加,入渗强度逐渐减小,即5°10°15°20°。各个降雨强度条件下,径流强度、侵蚀强度和入渗强度随时间变化的趋势基本一致,即随降雨强度的增加而逐渐增加。耕作措施条件下,随着坡度和降雨强度的增加,等高耕作和人工掏挖坡面径流量、泥沙量和入渗量变化明显,而对照直线坡变化不明显。随着坡度和降雨强度的增加,沉积性结皮和结构性结皮对坡面径流、产沙和入渗的影响均逐渐减小。


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