坡耕地农作物套种模式的水土保持机理模拟研究

摘要

在我国南方土石山区，耕地资源中坡耕地占有很大比例，是山区重要的农业资源，也是水土流失的策源地。水土流失一方面淤积河道、水库等水利工程，缩短工程使用寿命；另一方面引起土层变薄、养分流失、地力下降等问题，尤其是在碳酸盐岩广泛分布的西南山区，水土流失引起的土地石漠化问题已经受到政府、科研团体和人民的高度关注。坡耕地水土流失问题有别于林地、草地等其它地类的水土流失，除去土壤特性、地形和降雨等不易控制的因素，农作物的类型和种植模式成为影响水土流失的可变因素。针对这一可变因素，本研究拟通过野外考察，设计不同雨强、坡度和种植模式的水土流失模拟实验，以期揭示不同种植模式的水土保持机制，提出最佳水土保持套种模式。实验设置三个雨强（60mm/h、90mm/h、120mm/h），三个坡度（15°、20°、25°），和七种不同的模拟种植模式进行相互交叉模拟实验。具体为平均高度为15cm的单种模式、60cm的单种模式、200cm的单种模式，平均高度为15+60cm的套种模式、15+200cm的套种模式、60+200cm的套种模式、15+60+200cm的套种模式。对实验数据的统计分析，初步得出以下结论： （1）在降雨初期，土壤含水量较低，入渗能力较强，坡面难以产生径流；随着降雨历时的增加，土壤含水量提高，入渗能力下降并趋于稳定，坡面开始产流。地表开始产流后的5min至10min内径流量迅速增加，之后，土壤含水量达到饱和，入渗能力基本不变，从而形成较稳定的坡面径流。在60mm/h、90mm/h、120mm/h条件下，20 0cm单种模式的平均径流量分别为12.99ml/s、18.69ml/s、23.83ml/s；60cm单种模式的平均径流量分别为10.09ml/s、14.98ml/s、20. 97ml/s；15cm单种模式的平均径流量分别为8.75ml/s、13.54ml/s、18.31ml/s；15+60cm套种模式的平均径流量分别为8.49ml/s、12.6 8ml/s、17.17ml/s；15+200cm套种模式的平均径流量分别为9.06ml/s、13.54ml/s、18.41ml/s；60+200cm套种模式的平均径流量分别为10.54ml/s、15.22ml/s、19.43ml/s；15+60+200cm套种模式的平均径流量分别为7.5ml/s、11.78ml/s、16.64ml/s；七种种植模式的总径流量从大到小依次为：200cm单种模式>60cm单种模式>60+200c m套种模>15+200cm套种模式>15cm单种模式>15+60cm套种模式>1 5+60+200cm套种模式；高杆作物单种模式的径流量较大，高杆与低矮作物套种模式的径流量较小。 （2）套种与单种模式相比，高杆与低矮作物套种模式的含沙量变化最小。200cm单种模式、60cm单种模式、60+200cm套种模式，随着降雨历时的增加，整个过程的径流含沙量及变化幅度均较大，其中，200cm单种模式的径流含沙量在0.0074-0.064g/ml之间、60cm单种模式的径流含沙量在0.0013-0.027g/ml之间、60+200cm的径流含沙量在0.0028-0.041g/ml之间；15cm的单种模式、15+60cm的套种模式、15+200cm的套种模式、15+60+200cm的套种模式的径流含沙量及变化幅度均很小，且随着降雨历时的增加，径流含沙量呈现先下降，后逐渐趋于稳定的状态；其中，15+60+200cm的多种作物套种模式的含沙量变化最小，在0.00001-0.005g/ml之间。 （3）套种与单种模式相比，次降雨条件下高杆作物单种模式的总侵蚀量较大，套种低矮作物模式的侵蚀量较小。其中200cm单种模式侵蚀量最大，15+60+200cm套种模式侵蚀量最小。在雨强为60mm/h、90mm/h、120mm/h时，不同坡度下，200cm单种模式的总侵蚀量分别在464-770g、704-1997g、1024-2890g之间；60+200cm套种模式的总侵蚀量分别在111-368g、279-832g、518-1139g之间；60c m单种模式的总侵蚀量分别在14-131g、207-449g、649-1428g之间；15+200cm套种模式的总侵蚀量分别在60-100g、90-299g、126-183g之间；15+60cm套种模式的总侵蚀量分别在23-52g、28-75g、42-63 g之间；15cm单种模式的总侵蚀量分别在4-21g、54-26g、65-86g之间；15+60+200cm套种模式的总侵蚀量分别在3-9g、14-37g、54-119g之间。表明高杆作物单种模式（60cm单种，200单种）和60+2 00cm套种模式的总侵蚀量均较大，而15cm单种模式、15+60cm套种、15+200cm套种和15+60+200cm套种模式的总侵蚀量均较小，所以，套种低矮作物是控制坡耕地水土流失的关键。（4）套种与单种模式相比，单种模式的产流时刻较早，200cm单种模式的开始产流时刻最早。在60mm/h、90mm/h、120mm/h雨强下和不同坡度下，200cm单种模式的开始产流时间的平均值约为1.5 min、1.27min、1min；其次是60cm单种模式和60+200cm套种模式的开始产流时间较早；15cm单种、15+60cm套种、15+200cm套种、15+60+200cm套种等模式的开始产流时间均较慢；其中，15+60+200c m套种模式的开始产流时间的平均值约为2.65min，2min、1.82min，该套种模式开始产流时间最慢。 （5）套种与单种模式相比，在侵蚀泥沙颗粒组成方面，低矮单种作物和高低搭配套种模式下侵蚀泥沙以粉粒为主；单种高杆作物侵蚀泥沙以砂粒为主。200cm单种和60cm单种模式的侵蚀土壤颗粒组成均以砂粒为主，且细砂所占比例最高，分别占47.89%、40.83%。15cm单种、15+60cm套种、15+200cm套种和15+60+200cm套种模式侵蚀土壤颗粒组成均以粗粉或细粉为主。在整个土壤侵蚀过程中，土壤侵蚀颗粒在变化，前半阶段的土壤侵蚀颗粒中的粘粒和细粉粒的所占比例均比后半阶段高；所对应的砂粒比后半阶段低。 （6）通过系统分析认为，与单种模式相比，套种模式具有较好的水土保持效益，而在套种模式中，套种低矮作物是控制坡耕地水土流失的关键。结合西南山区的耕种习惯，在玉米地中套种豆类、马铃薯和红薯等作物，既有利于该区域水土流失的防治，又有利于提高土地利用率，提高作物产量。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 农作物水土保持功能与作用机理

1.2.2 农作物套种模式的水土保持功能和效果

1.2.3西南山区坡耕地土壤侵蚀研究进展

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法

1.4 技术路线

2研究区域概况

2.1地质地貌

2.2气象气候

2.3土壤状况

2.4水文状况

2.5土壤侵蚀现状

2.6本章小结

3 实验设计

3.1野外调查

3.1.1 植被覆盖度的测定

3.1.2 农作物高度的测定

3.2试验设备

3.2.1人工模拟降雨器

3.2.2 马尔文粒度分析仪

3.2.3其他设备

3.3 试验设计

3.3.1 实验小区设计

3.3.2 模拟种植模式

3.4.1试验准备

3.4.2试验过程

3.4.3数据处理

3.5本章小结

4.1.1 60mm/h雨强下单种和套种模式的地表径流过程及特征

4.1.2 90mm/h雨强下单种和套种模式的地表径流过程及特征

4.1.3 120mm/h雨强下单种和套种模式的地表径流过程及特征

4.2不同条件下单种和套种模式的总径流量分析

4.2.1 60mm/h雨强下单种和套种模式的总径流量分析

4.2.2 90mm/h雨强下单种和套种模式的总径流量分析

4.2.3 120mm/h雨强下单种和套种模式的总径流量分析

4.3本章小结

5.1.1 60mm/h雨强下单种和套种模式的产沙过程及特征

5.1.2 90mm/h雨强下单种和套种模式的产沙过程及特征

5.1.3 120mm/h雨强下单种和套种模式的产沙过程及特征

5.2.1 60mm/h雨强下单种和套种模式的总侵蚀量分析

5.2.2 90mm/h雨强下单种和套种模式的总侵蚀量分析

5.2.3 120mm/h雨强下单种和套种模式的总侵蚀量分析

5.3侵蚀泥沙粒径分析

5.4本章小结

6.1主要研究结论

6.2不足与展望

参考文献：

致谢