不同农田植被条件下黑土区坡耕地产流、产沙特征

摘要

东北黑土区是世界三大黑土区之一，是我国重要的粮食生产基地，近几十年该地区水土流失严重，成为限制地区可持续发展与粮食安全的重要因素。农业生产会增加土壤侵蚀的强度、加速侵蚀的发生使得当地水资源缺乏与对农业产业发展的需求这一矛盾日益突出，掌握东北黑土区坡耕地主要作物对土壤侵蚀影响特征是保证当地农业可持续发展与粮食安全的主要方法之一。因此，本研究针对黑土区坡耕地水土流失现状，于2013年和2014年在黑龙江省农垦北安分局红星农场试验基地进行径流小区试验观测，探索不同植被对降雨侵蚀的影响。小区为3°的坡耕地小区，长20m，宽5m，并且利用径流自动记录系统、泥沙收集系统和数字图片采集来进行数据收集。试验作物为当地广泛种植的大豆和玉米。通过对大豆单作、玉米单作、大豆-玉米间作小区在天然降雨下次降雨产流、产沙过程及降雨量，年降雨、产流及产流分布以及土壤含水量变化、叶面积指数和植被覆盖率变化进行观测研究，分析了不同作物及耕作模式对水土侵蚀量的影响特征，并建立了不同植被和耕作模式的USLE模型及基于数量化理论的次降雨侵蚀模型，以期为当地实现农业可持续发展提供作物选育参考，实现保护黑土资源、科学发展的目标。初步结论如下:
　　(1)三种农田植被的降雨径流拦蓄效果由高至低依次为玉米、间作和大豆。在次降雨小区径流中玉米和间作小区产流较大豆小区减少了15％和10％以上，玉米和间作小区的年径流量分别减少了12.84mm和5.91mm。
　　(2)三种农田植被对土壤侵蚀控制作用由高至低排列为玉米、间作和大豆。和其径流拦蓄作用一致。试验区内玉米和间作小区生育期内土壤侵蚀量分别比大豆小区减少0.58t/hm2和0.24 t/hm2。玉米和间作控制径流和土壤侵蚀能力均比大豆更好。
　　(3)在土壤侵蚀的年内分布上，不同处理小区侵蚀量主要随月份降雨量变化而变化。7月及8月的土壤侵蚀量占全年80％左右，而4月及5月侵蚀量不高，降雨量相似时年际变化不大。其中，玉米对土壤侵蚀的的控制效果最好，间作次之。玉米、大豆、间作小区年土壤侵蚀量分别为4.25、4.84和4.6t/hm2·a。在相同的生育期来讲，大豆、玉米和间作三者差异性较大。
　　(4)在用于衡量不同农田植被（玉米、大豆）冠层对土壤侵蚀的影响上，叶面积指数LAI相比植被覆盖率VGE具有较好的体现两种植被冠层对土壤侵蚀控制作用的代表性。各植被叶面积指数由大至小依次为玉米、间作、大豆，和各植被径流拦蓄和土壤侵蚀控制排列一致。植被覆盖度上各植被差异规律性不明显，部分生育期甚至与径流拦蓄和土壤侵蚀控制能力差异相反。目前对于黑土区破耕地种植大豆、玉米的叶面积指数和植被覆盖度之间的数量关系鲜有研究，而其对雨滴动能的影响直接与土壤侵蚀相关，这些方面有待今后的研究可探索。
　　(5)三种农田植被中玉米小区土壤水分蒸散发较快，土壤水转化率较高有利于径流的拦蓄。间作模式下土壤水转化率在玉米和大豆单作模式之间，表层土壤水消耗较快，同时土壤水向深层的运移也比较明显。从结果上看大豆-玉米间作模式对于土壤水的转化、消耗和运移更接近玉米单作模式。部分指标甚至优于玉米单作。
　　(6)建立了以大豆、玉米和间作植被为基础的黑龙江西部丘陵漫岗区坡耕地土壤侵蚀量USLE预测模型。模拟精度较高。
　　(7)建立了基于通过数量化理论Ⅰ的次降雨侵蚀拟合模型，弥补了USLE对于次降雨难以适用的缺陷。模拟精度较高。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 课题的来源

1．2 研究的目的及意义

1．3 国内外研究动态

1．3．1 国外研究动态

1．3．2 国内研究动态

1．4 研究内容和技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究技术路线

2 材料与方法

2．1 试区概况

2．2 试验设计

2．3 观测指标与方法

2．3．1 降雨产沙过程及土壤侵蚀总量

2．3．2 土壤机械组成

2．3．3 土壤有机质

2．3．4 土壤含水量

2．3．5 大豆、玉米叶面积指数

2．3．6 大豆、玉米及间作植被覆盖率

2．3．7 饱和含水率与容重

2．4 数据处理方法

2．5 降雨侵蚀量预测模拟方法

2．5．1 年降雨侵蚀量模拟

2．5．2 次降雨侵蚀量模拟

3 结果与分析

3．1 不同植被叶面积指数及植被覆盖率

3．1．1 不同农田植被条件下叶面积指数分析

3．1．2 不同农田植被条件下植被覆盖率分析

3．1．3 不同农田植被LAI和VGE差异性与侵蚀差异性对比分析

3．2 不同农田植被对降雨径流的影响

3．2．1 不同农田植被条件下的次降雨径流特征

3．2．2 不同农田植被条件下降雨径流量年内分布

3．3 不同农田植被对降雨侵蚀的影响

3．3．1 不同农田植被条件下的次降雨侵蚀特征

3．3．2 不同农田植被条件下土壤侵蚀量的年内分布

3．4 不同农田植被条件下土壤水分再分布特征

3．4．1 大豆小区土壤水再分布过程

3．4．2 玉米小区土壤水分再分布过程

3．4．3 间作小区土壤水分再分布过程

3．4．4 不同植被土壤水再分布与产流分析

4 不同农田植被条件下的土壤侵蚀模拟

4．1 基于USLE模型的年土壤流失量模拟

4．1．1 降雨侵蚀力R

4．1．2 土壤可蚀性因子(k)

4．1．3 地形因子(LS)

4．1．4 水保措施因子(P)

4．1．5 植被覆盖因子(C)

4．1．6 USLE模型验证

4．2 基于数量化理论的次土壤侵蚀量模拟

4．2．1 数量化理论Ⅰ、Ⅱ简介

4．2．2 研究区次降雨侵蚀数量化模型项目类目划分

4．2．3 研究区次降雨侵蚀数量化模型建立与验证

5 结论

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文