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典型黑土区坡面土壤侵蚀影响因素与动力学机理研究

李桂芳  
【摘要】:研究黑土区坡面侵蚀影响因素将为黑土区侵蚀防治和黑土资源保护提供重要的科学依据。本文以吉林省榆树市典型黑土区坡面土壤为研究对象,以降雨和汇流两种侵蚀动力为切入点,采用模拟降雨和上方汇流试验相结合的研究方法,阐明侵蚀动力条件(降雨能量、降雨强度和上方汇流)和地表条件(坡度、坡长、土壤结皮和翻耕深度)对黑土区坡面侵蚀过程的影响,揭示黑土区坡面侵蚀的水动力学机理。主要研究结论如下:(1)分析了降雨能量、降雨强度和汇流强度对黑土区坡面土壤侵蚀的影响。与消除降雨能量的试验条件相比,有降雨能量试验条件下的坡面径流量仅增加了12.8%~39.7%,而坡面侵蚀量则增加了1.7~1.9倍。降雨强度由50 mm h-1增加到100mm h-1时,坡面径流量和侵蚀量分别增加了1.4~12.4和4.2~6.1倍。汇流强度对坡面侵蚀过程的影响受坡面侵蚀方式的影响。当坡面以片蚀为主时,汇流强度由50 L min-1增加到150 L min-1,坡面侵蚀量无显著性变化,而当汇流强度由150 L min-1增加到300 L min-1,坡面侵蚀量呈明显增加趋势。而当坡面以细沟侵蚀为主时,坡面侵蚀量随汇流强度的增加而呈明显的增加趋势;与汇流强度50 L min-1相比,汇流强由100 L min-1增加到300 L min-1时,坡面侵蚀量增加了6.2~61.7倍。(2)剖析了降雨和汇流两种侵蚀动力条件下地形因子和地表条件对坡面侵蚀特征的影响。降雨侵蚀动力条件下,坡长由5 m增加到10 m时,在相同降雨强度和坡度试验条件下,坡面径流量和侵蚀量分别增加了0.1~3.1和2.1~2.9倍;坡度由5°增加到10°时,在相同降雨强度和坡长试验条件下,坡面侵蚀量增加了0.4~0.9倍。汇流侵蚀动力条件下,汇流强度由50 L min-1增加到300 L min-1时,坡度由5°增加到10°引起坡面侵蚀量增加了2.6~201.0倍。地表结皮对坡面侵蚀的影响受降雨强度、坡度和坡长的综合影响。翻耕深度由5 cm增加到20 cm时,坡面侵蚀量变化受降雨强度和坡度的综合影响;而汇流侵蚀动力条件下坡面侵蚀量变化随翻耕深度的变化受坡面侵蚀方式的影响。(3)分析了降雨和汇流两种侵蚀动力条件下影响黑土区坡面侵蚀的主要因素。降雨侵蚀动力条件下影响坡面侵蚀的主要因素是坡长;并建立了坡面侵蚀量与坡长、降雨强度—坡长交互作用的经验关系式。汇流侵蚀动力条件下影响坡面侵蚀的主要因素是汇流强度—坡度交互作用;建立了坡面侵蚀量与汇流强度—坡度交互作用的经验关系式;汇流侵蚀动力条件下坡面侵蚀量与径流量相关关系受侵蚀方式的影响较为明显。(4)探究了降雨侵蚀动力条件下的坡面侵蚀的水动力学机理。随降雨强度、坡度和坡长的增加,径流流速、雷诺数和弗汝德数均呈增加趋势,而Darcy-Weisbach阻力系数则呈减少趋势。土壤结皮的存在使得坡面Darcy-Weisbach阻力系数降低了25.6%~40.3%。翻耕深度由5 cm增加到20 cm时,坡面平均流速降低了36.8%~40.2%,Darcy-Weisbach阻力系数则分别增加了1.5~1.8倍。降雨侵蚀动力条件下坡面侵蚀量与径流剪切力、径流功率以及单位径流功率间无显著的线性关系;而坡面侵蚀量与径流流速和弗汝德数呈极显著正相关关系,与Darcy-Weisbach阻力系数呈显著负相关关系。(5)探讨了上方汇流侵蚀动力条件下的坡面侵蚀水动力学机理。随汇流强度和坡度的增大,径流平均流速、雷诺数和弗汝德数均有所增加;Darcy-Weisbach阻力系数则逐渐降低。翻耕深度对坡面水力学参数的影响受坡度和汇流强度的综合影响。分别建立了坡面侵蚀侵蚀量与径流剪切力、径流功率和单位径流功率的关系式。径流流速和单位水流功率是表征坡面侵蚀的最佳水力学和水动力学参数。


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