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黄土高塬沟壑区退耕草地沟头溯源侵蚀及形态演化特征

郭明明  
【摘要】:自国家退耕还林还草工程实施以来,黄土高原植被建设的群落种类及植被覆盖度发生了根本性变化,植被根系固土作用逐步加强,土壤理化性质和土体结构得到改善,尤其是植被对沟头溯源侵蚀发生的控制效应显著。以往,溯源侵蚀研究薄弱,仅有的研究也多利用流域和区域遥感影像解译方法分析退耕前后侵蚀沟的发育变化、前进速率,并未从退耕前后土壤和植被的变化角度,采用试验手段对溯源侵蚀影响因素进行系统性研究,从而揭示沟头溯源侵蚀的发生机制及控制途径。因此,本文以黄土高塬沟壑区退耕草地沟头溯源侵蚀为研究对象,以农耕地为对照,在黄土高塬南小河沟径流试验场建立沟头溯源侵蚀试验小区,采用野外“人工模拟降雨+放水冲刷试验”相结合的方法,研究在不同覆盖度条件下退耕草地沟头溯源侵蚀过程及沟头形态演化特征,阐明土壤理化性质和植物根系对溯源侵蚀过程中径流产沙、径流动力特征的影响,分析重力侵蚀在沟头溯源侵蚀及沟头形态演化中的作用,研究结果可为黄土高塬沟壑区流域治理和生态环境建设提供科学指导和生产性参数依据。获得以下主要结论:(1)与农耕地(CK)相比,各种覆盖度条件下塬面和沟头退耕草地土壤理化性质均有所改善,塬面和沟头土壤抗冲系数分别增加0.78~7.57倍和0.99~7.12倍。土壤容重、水稳性团聚体、土壤有机质含量、根系生物量及根系密度对土壤抗冲性影响显著,其中5mm水稳性团聚体是影响退耕草地土壤抗冲性的关键参数。(2)沟头土体中1~2mm和0.5mm植物根系是影响退耕草地溯源侵蚀产流产沙的主要因素,3°和6°坡农耕地(CK)、0%、20%、50%及80%覆盖度的退耕草地沟头溯源过程中径流率和产沙率变化剧烈。与CK相比,3°和6°坡条件下0%~80%覆盖度退耕草地的减沙效应分别为58.19%、58.71%、65.07%、65.31%和58.75%、60.34%、66.85%、71.08%。土壤容重和0~20cm土层中1~2mm根长密度对产流影响最显著,产沙量与5mm团聚体及0~20cm土层中0.5mm根长密度关系最密切。(3)沟头溯源侵蚀泥沙富集的临界粒级是0.02~0.05mm。3°坡CK、50%和80%覆盖度退耕草地在各次试验中0.02mm颗粒较侵蚀前减少,0.02mm颗粒富集;0%和20%覆盖度退耕草地则相反。6°坡各退耕草地侵蚀泥沙富集率随泥沙粒径增大而增大,0.02mm颗粒较侵蚀发生前减少,0.02mm颗粒则富集。(4)退耕草地和农耕地(CK)在各次试验条件下,其沟头的径流流态均属紊流;且随着植被覆盖度变大,径流紊动性减弱;当覆盖度高于20%后,径流流态由急流变为缓流。沟头径流流速、剪切力、径流功率、单位径流功率及断面能量均随植被覆盖度增大而越小,而阻力系数和糙率系数则覆盖度增大而变大。沟头产沙速率与流速、雷诺数、弗汝德数、阻力系数、糙率系数、剪切力、径流功率、单位径流功率及断面比均呈现显著相关。(5)植被覆盖度引起的土体结构差异是重力侵蚀强度和形式的决定因素,而降雨和径流是重力侵蚀的触发因素。由于植物根系的存在,退耕草地沟头溯源过程以20cm土层为界线出现侵蚀分层现象,当0~20cm根土体形成临空面后失稳产生沟头崩塌,地表径流对20~120cm土层冲淘发生陡坡面崩塌。而对于农耕地沟头溯源侵蚀,陡坡面崩塌和沟壁崩塌是其主要崩塌形式。(6)首次试验揭示了退耕草地、农耕地(CK)溯源侵蚀过程中重力侵蚀时空分布、发生频次特征。3°和6°坡农耕地崩塌频率分别为11次和13次,由于土体中根系网对沟头保护作用,3°和6°坡0%覆盖度退耕草地仅崩塌5次和0次;与CK相比,3°和6°坡20%、50%及80%覆盖度退耕草地发生崩塌的频率分别增加1.36~3.0倍和0.38~1.69倍。研究发现,50%以上的沟头崩塌发生在试验后期(30~45min),64.3%以上的崩塌发生在沟头的中上部。(7)阐明了退耕草地抑制沟头前进的效应大小均随着植物覆盖度增加而增大。与CK相比,3°坡0%~80%覆盖度退耕草地沟道发育长度分别减小52.41%、66.97%、78.37%和79.18%,而6°坡0%~80%覆盖度退耕草地分别减少44.34%、78.94%、85.38%和83.42%。农耕地沟道深度随径流下切逐渐增大,0%覆盖度小区沟道下切不明显,沟深仅在20cm左右,20%~80%覆盖度退耕草地在第Ⅰ~Ⅲ次试验中,由于发生沟头崩塌而造成沟深突增至100cm左右。除0%覆盖度退耕草地外,3°和6°坡20%、50%及80%覆盖度退耕草地沟深分别为农耕地沟深的1.98倍、1.88倍、2.07倍和1.12倍、1.13倍、1.07倍。(8)与CK相比,3°坡和6°坡条件下0%~80%覆盖度的退耕草地抑制沟道发育面积效应分别为66.36%~76.88%和69.26%~86.92%。退耕草地覆盖度大小直接影响沟道发育形状,农耕地和0%覆盖度为尖峰状,20%~80%覆盖度为弧形状。3°和6°坡0%退耕草地沟道呈宽浅型,宽深比分别为3.08和3.75;3°坡20%~80%退耕草地沟道宽深比均小于农耕地,而6°坡各覆盖度退耕草地沟道宽深比则与农耕地接近。(9)研究揭示了根系影响溯源侵蚀发生与形态发育的机制。0~20cm土体中2mm根系密度对沟深和沟道形状影响最显著,溯源侵蚀切割度主要受20~120cm土体中0.5~1mm根系生物量的影响,沟道发育长度则与0~120cm土体中2mm根系生物量关系最密切。土壤理化性质对沟道宽深比和沟深无显著影响,切割度与0.25mm团聚体关系最密切,土壤崩解性能对沟道形状系数和沟道发育长度影响最大。


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