黄土坡耕地地表粗糙度对入渗、产流及养分流失的影响研究

摘要

黄土高原是我国坡耕地的主要分布区之一。由于降雨集中、坡度大、土壤抗侵蚀性弱及人们耕作管理活动等因素，该区也是水土流失主要的策源地。坡耕地严重水土流失，导致土壤及养分流失，降低土壤肥力和土地生产力，流失养分造成水体富营养化。坡耕地经耕作管理后形成的高低起伏、凹凸不平的微地形，称之为地表粗糙度，其特征与坡面土壤侵蚀密切相关。研究坡耕地地表粗糙度对入渗、产汇流过程及养分流失的特征，有助于探明地表粗糙度对土壤侵蚀机理的影响以及为坡耕地水土流失治理提供科技支撑。因此，本研究在系统总结国内外相关研究资料基础上，以点种、锄耕、等高耕作和犁耕等4种耕作措施形成的地表粗糙度为研究对象，并以平整直线坡为对照组，采用室内外人工模拟降雨试验的方法，观测了不同耕作方式下粗糙坡面微地形特征，以及对入渗、产流产沙与养分流失及泥沙颗粒机械组成特征等。获取了以下主要结论。
　　(1)通过三维激光扫描仪获取耕作后粗糙坡面高程模型(DEM)，利用Arc GIS分别提取了微地形坡度与坡向因子。分析表明相对于平整坡面，粗糙坡面微地形坡度分在范围为0°-80°之间。其中，点种坡面微地形坡度主要集中在10°-15°、20°-40°范围内，其临界坡度分别为20°;同样地，锄耕坡面微地形坡度主要集中在10°-15°、20°-40°范围内，其临界坡度分别为20°;犁耕坡面微地形坡度主要集中在5°-30°，其临界坡度为15°。等高耕作坡面微地形坡度主要集中在5°-30°，其临界坡度为30°。随着坡面坡度的增加，小于临界坡度的栅格数随坡面坡度的增大而减少，而大于临界坡度的栅格数增加。另外，点种、锄耕、等高耕作和犁耕坡面微地形坡向栅格数主要以南、西南或东南为主，即与试验径流小区出流口方向一致。同时随坡面坡度增加，粗糙坡面微地形南、西南或东南坡向的栅格数逐渐增加，而其他坡向的栅格数逐渐减小。
　　(2)通过室内人工模拟降雨试验，利用土壤水分实时监测技术获取微地形特征点(凸处、凹处、平整处)、微坡面(cm2)与平整坡面(m2)的土壤含水量变化过程。研究结果表明粗糙坡面上凸处、洼处、平整处等在降雨过程中洼处稳定土壤含水量高于凸处与平整处。可见，低洼处具有蓄积、促进降水入渗的能力。另外不同深度的土壤水分变化趋势表明降雨过程中粗糙坡面土壤水分活动层为0-15cm，而平整坡面为0-10cm，进一步说明粗糙度促进坡面降水入渗深度。同时粗糙坡面上微坡面(cm2)与平整坡面(m2)的土壤水分变化过程相类似，这表明了微坡面与平整坡面产流方式一致。与平整坡面不同的是，粗糙坡面上微坡面产生的薄层径流汇集在低洼处，从而延迟了坡面初始产流时间。
　　(3)通过室内人工模拟降雨试验，粗糙坡面与平整坡面产流点位沿径流方向的分布范围分别为12-181 cm、42-180cm之间。同时两处理坡面产流点位沿径流方向上的变异系数分别为34.4％-52.1％、15.5％-31.1％。研究表明粗糙坡面产流点位较平整坡面在坡面空间分布更为分散。通过径流小区人工模拟降雨试验，可以看出相比于平整坡面，地表粗糙度具有推迟坡面初始产流时间的效应。但是推迟产流效应随着坡度、雨强的增大而逐渐减弱。预测初始产流时间与实测初始产流时间比值为2.2％-36.2％，表明地表粗糙度影响坡面初始产流时间的主导过程为通过增加入渗的间接作用，从而确定了地表粗糙度延迟坡面初始产流主导作用。
　　(4)通过三维激光扫描仪获取降雨后各粗糙坡面高程模型(DEM)，利用ArcGIS提取坡面汇流流向、汇流密度等特征。结果表明在平整坡面汇流方向均为连续沿坡面向下流动，汇流密度值为13.08-17.06 m/m2之间。且随着降雨强度、坡度的增大而增大。粗糙坡面汇流流向多变，增加了汇流的蜿蜒度，汇流密度较小，其值为6.85-11.44 m/m2之间。相比于平整坡面，粗糙坡面汇流密度降低了31.7-51.5％。另外，由坡面径流系数变化过程可知，粗糙坡面的径流系数均少于平整坡面。将坡面汇流流向、汇流密度结合坡面径流系数变化过程可知地表粗糙度通过蓄积水分，促进降水入渗和增加坡面汇流流向多样，降低汇流密度，从而造成坡面径流连通性降低，径流系数减少。但是随着降雨强度、坡度增加，地表粗糙度聚集坡面径流，有利于坡面径流连通的作用，导致粗糙坡面与平整坡面的径流系数差异逐渐减少。因此，该结果为解释地表粗糙度对坡面径流连通的影响提供依据。
　　(5)通过室内人工模拟降雨试验，对比研究3种粗糙坡面处理分别为凸地、凹地和平整坡面上产流产沙、泥沙颗粒机械组成及其随径流和泥沙流失的可溶态和吸附态养分流失过程。结果表明总体而言，粗糙坡面可溶态养分流失量为凸地＞洼地＞平整坡;吸附态养分流失量为凸地＞平整坡＞洼地。径流中养分流失主要以吸附态为主，可溶态养分流失总量与坡面总产流量呈幂函数关系，吸附态氮流失总量与总产沙量呈幂函数关系，吸附态磷流失总量与总产沙量呈线性正相关关系。同时泥沙颗粒中粘粒含量为洼地＞凸地＞平整坡，相对于试验原土，具有明显的富集特征。粉粒、沙粒含量大小为凸地＞平整坡＞洼地。产沙过程中粘粒部分逐渐减少，粉粒和沙粒部分含量逐渐增加，随着降雨历时进行，泥沙颗粒组成趋近于原土壤，进一步阐明了粗糙度对坡面泥沙颗粒的侵蚀、搬运与沉积过程的影响。另外，吸附态氮、磷与泥沙颗粒中粘粒富集率(Er)、中值粒径(d50)、比表面积(SSA)成相关性，因此，粗糙坡面中吸附态养分流失差异主要受泥沙颗粒分布特征影响。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 地表粗糙度概念

1．2．2 地表粗糙度测定与量化

1．2．3 地表粗糙度与土壤侵蚀

1．3 存在的问题与解决方法

第二章 研究内容与方法

2．1 研究区概况

2．2 研究内容

2．2．1 地表粗糙度微地形特征

2．2．2 地表粗糙度对坡面水分入渗的影响

2．2．3 地表粗糙度对坡面产流的影响

2．2．4 地表粗糙度对坡面汇流及径流连通的影响

2．2．5 地表粗糙度对坡面养分流失的影响

2．3 研究方法

2．4 试验方案

2．4．1 室内土槽人工横拟降雨试验

2．4．2 室外径流小区人工模拟降雨试验

2．4．3 室内养分流失人工模拟降雨试验

2．5 数据处理与分析方法

2．6 技术路线

第三章 地表粗糙度微地形特征

3．1 粗糙坡面微地形坡度特征分析

3．2 粗糙坡面微地形坡向特征分析

3．3 小结

第四章 地表粗糙度对坡面水分入渗的影响

4．1 坡面微地形点位土壤含水量变化特征

4．2 平整坡面与粗糙坡面土壤含水量变化特征

4．3 微坡面(cm2)与平整坡面(m2)土壤含水量变化特征

4．4 地表粗糙度与坡面水分入渗

4．4．1 粗糙坡面水分入渗特征

4．4．2 粗糙坡面土壤入渗模型的评价

4．4．3 粗糙坡面累积入渗量特征分析

4．5 小结

第五章 地表粗糙度对坡面产流的影响

5．1 坡面产流点位空间分布特征

5．2 地表粗糙度与坡面初始产流

5．2．2 粗糙坡面初始产流时间

5．3 地表粗糙度影响坡面初始产流分析

5．4 小结

第六章 地表粗糙度对坡面汇流及径流连通的影响

6．1 地表粗糙度对坡面汇流流向及汇流密度的影响

6．2 地表粗糙度对坡面径流连通的影响

6．3 小结

第七章 地表粗糙度对坡面养分流失的影响

7．1 地表粗糙度与可溶态养分流失

7．1．1 粗糙坡面产流过程

7．1．2 地表粗糙度对可溶态养分流失的影响

7．2 地表粗糙度与吸附态养分流失

7．2．1 粗糙坡面产沙过程

7．2．2 地表粗糙度对吸附态养分流失的影响

7．3 粗糙坡面泥沙颗粒机械组成分析

7．3．1 粗糙坡面泥沙颗粒机械组成的总体特征

7．3．2 粗糙坡面泥沙颗粒机械组成的变化过程

7．4 泥沙颗粒机械组成与吸附态养分流失

7．4．1 泥沙粘粒富集率(Er)及其与吸附态养分流失

7．4．2 泥沙中值粒径(d50)的及其与吸附态养分流失

7．4．3 泥沙比表面积(SSA)及其与吸附态养分流失

7．5 结论

第八章 结论

8．1．2 地表粗糙度对坡面水分入渗的影响

8．1．3 地表粗糙度对坡面产流的影响

8．1．4 地表粗糙度对坡面汇流及径流连通的影响

8．1．5 地表粗糙度对坡面养分流失的影响

8．2 创新点

8．3 不足与展望

参考文献

附录

致谢

作者简介