枯落物覆盖及混入对黄土坡面产流产沙过程的影响

摘要

近年来，黄土高原植被得以显著恢复，地表枯落物大量蓄积，而有关枯落物对土壤侵蚀过程影响的研究相对滞后。目前，有关枯落物对土壤侵蚀过程影响的研究多集中于不同植被枯落物覆盖对坡面产流产沙过程的影响，而枯落物蓄积量影响坡面流水动力参数及产流产沙的定量研究相对缺乏；此外，枯落物混入土壤也可显著影响土壤侵蚀过程，但对坡面产流产沙过程的影响相对较少，尤其是枯落物混入土壤影响坡面产流产沙的定量研究更是鲜有报道。因此，本文选取了黄土高原丘陵沟壑区铁杆蒿（菊科）和白羊草（禾本科）枯落物为研究对象，依据野外调查枯落物分布特征，分别设置了7个枯落物梯度（铁杆蒿覆盖量为0、100、200、400、600、800、1000g m-2；白羊草覆盖量为0、50、100、150、200、350、600g m-2；铁杆蒿和白羊草混入量分别与其覆盖量一致），采用人工模拟降雨试验，系统研究了典型草地枯落物覆盖及混入对坡面产流产沙过程的影响。取得了以下主要结论： （1）枯落物覆盖和混入均可显著影响坡面流水动力参数。随着枯落物覆盖量的增加，雷诺数、弗汝德数和平均流速呈幂函数减小（p＜0.01），阻力系数呈幂函数增大（p＜0.01）；随着枯落物混入量的增加，弗汝德数、平均流速呈幂函数减小（p＜0.01），阻力系数呈幂函数增加（p＜0.01）。对于铁杆蒿和白羊草枯落物，覆盖条件下坡面流流速均小于混入，分别减少了68.79和60.29%，而阻力系数均大于混入，是其144.21和14.65倍。枯落物生物量相同条件下，铁杆蒿覆盖和混入平均流速均低于白羊草，分别减少了24.42和13.63%，阻力系数均高于白羊草，分别是白养草的9.27和1.78倍。 （2）枯落物覆盖和混入均能有效延迟初始产流时间。相对于裸地对照，铁杆蒿枯落物覆盖和混入初始产流时间分别是裸地的8.49和2.51倍，白羊草则分别是4.97和1.77倍，且随着枯落物覆盖量和混入量的增加，初始产流时间均整体增大。铁杆蒿和白羊草枯落物覆盖初始产流时间均高于其枯落物混入，分别是混入的3.38和2.81倍。枯落物覆盖和混入条件下产流速率随降雨历时均表现为先增加后趋于稳定的变化趋势。随覆盖量的增加，产流量呈幂函数减小（p＜0.01）；而随混入量的增加，产流量无明显变化趋势。枯落物覆盖条件下铁杆蒿和白羊草的产流量均低于其混入条件下的产流量，分别减少了4.21和7.21%。 （3）枯落物覆盖和混入条件下，产沙速率随降雨历时变化整体呈增加趋势，但受降雨强度和枯落物覆盖量或混入量的影响，其增加幅度存在差异。枯落物可显著减小产沙量，相对于裸地对照，铁杆蒿枯落物覆盖和混入条件下产沙量分别减少了91.44和44.22%，白羊草则分别减少了52.36和34.34%，且随枯落物量的增加，产沙量均呈幂函数减小（p＜0.01）。枯落物覆盖量相同时，铁杆蒿产沙量较白羊草减少了56.55%；枯落物混入量相同时，白羊草产沙量较铁杆蒿减少了15.62%。 （4）水动力参数和枯落物特征与产沙量关系密切。枯落物覆盖条件下，产沙量随雷诺数、弗汝德数、平均流速和产流量的增加呈幂函数增大，随阻力系数的增加呈幂函数减小（p＜0.01），产沙量可表征为产流量和枯落物茎秆质量的幂函数关系（p＜0.01）；枯落物混入条件下，产沙量随弗汝德数、平均流速的增加呈幂函数增大，随阻力系数的增加呈幂函数减小（p＜0.01），产沙量可表征为产流量和枯落物体积的幂函数关系（p＜0.01）。 （5）枯落物覆盖和混入具有较好的减流减沙效益。枯落物覆盖条件下，减流和减沙效益随覆盖量的增加而增强；枯落物混入条件下，虽具有一定减流效益，但与枯落物混入量无显著关系，而减沙效益则随混入量的增加而增强。白羊草和铁杆蒿枯落物的减流减沙效益存在显著差异。枯落物覆盖量相同时，铁杆蒿减流和减沙效益分别是白羊草的1.22和1.36倍；枯落物混入量相同时，铁杆蒿减流效益是白羊草的2.20倍，而减沙效益则是其65.28%。

目录

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主要符号对照表

第一章 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2.1 枯落物蓄积量及其分布特征

1.2.2 枯落物对坡面流水动力学特性的影响

1.2.3 枯落物对土壤侵蚀过程的影响

1.2.4 枯落物在土壤侵蚀预报模型中的应用

1.3 存在问题与不足

第二章 研究内容与方法

2.1 研究内容

2.2.1 试验设备

2.2.2 试验处理

2.2.3 试验过程

2.2.4 指标计算

2.2.5 数据处理

2.3 技术路线

第三章 枯落物覆盖及混入对坡面流水动力特性影响

3.1.1 枯落物覆盖对流态的影响

3.1.2 枯落物覆盖对流速的影响

3.1.3 枯落物覆盖对阻力系数的影响

3.2.1 枯落物混入对流态的影响

3.2.2 枯落物混入对流速的影响

3.2.3枯落物混入对阻力系数的影响

3.3 枯落物量与水动力参数的关系

3.4 小结

第四章 枯落物覆盖及混入对产流过程的影响

4.1 枯落物覆盖对产流过程的影响

4.1.1 枯落物覆盖对初始产流时间的影响

4.1.2 枯落物覆盖对产流速率的影响

4.1.3 枯落物覆盖对产流量的影响

4.2 枯落物混入对产流过程的影响

4.2.1 枯落物混入对初始产流时间的影响

4.2.2 枯落物混入对产流速率的影响

4.2.3 枯落物混入对产流量的影响

4.3 枯落物量与产流量的关系

4.4 小结

第五章 枯落物覆盖及混入对产沙过程的影响

5.1.1 枯落物覆盖对产沙速率的影响

5.1.2 枯落物覆盖对产沙量的影响

5.2.1 枯落物混入对产沙速率的影响

5.2.2 枯落物混入对产沙量的影响

5.3 枯落物量与产沙量的关系

5.4 小结

第六章 枯落物覆盖及混入条件下产沙模拟

6.1 枯落物覆盖条件下产沙量的模拟

6.1.1 水动力参数及产流量与产沙量的关系

6.1.2 枯落物覆盖下产沙方程的建立

6.2 枯落物混入条件下产沙量的模拟

6.2.1 水动力参数及产流总量与产沙总量的关系

6.2.2 枯落物混入条件下产沙方程的建立

6.3 小结

第七章 枯落物的水土保持效益分析

7.1枯落物减流效益分析

7.2枯落物减沙效益分析

7.3 枯落物覆盖及混入的减流减沙效益比较

7.4 小结

第八章 结论与展望

8.1主要结论

8.2展望

参考文献

致谢

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