黃土坡耕地地表粗糙度對(duì)入滲、產(chǎn)流及養(yǎng)分流失的影響研究.pdf

1、黃土高原是我國(guó)坡耕地的主要分布區(qū)之一。由于降雨集中、坡度大、土壤抗侵蝕性弱及人們耕作管理活動(dòng)等因素，該區(qū)也是水土流失主要的策源地。坡耕地嚴(yán)重水土流失，導(dǎo)致土壤及養(yǎng)分流失，降低土壤肥力和土地生產(chǎn)力，流失養(yǎng)分造成水體富營(yíng)養(yǎng)化。坡耕地經(jīng)耕作管理后形成的高低起伏、凹凸不平的微地形，稱(chēng)之為地表粗糙度，其特征與坡面土壤侵蝕密切相關(guān)。研究坡耕地地表粗糙度對(duì)入滲、產(chǎn)匯流過(guò)程及養(yǎng)分流失的特征，有助于探明地表粗糙度對(duì)土壤侵蝕機(jī)理的影響以及為坡耕地水土流失治

2、理提供科技支撐。因此，本研究在系統(tǒng)總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究資料基礎(chǔ)上，以點(diǎn)種、鋤耕、等高耕作和犁耕等4種耕作措施形成的地表粗糙度為研究對(duì)象，并以平整直線(xiàn)坡為對(duì)照組，采用室內(nèi)外人工模擬降雨試驗(yàn)的方法，觀測(cè)了不同耕作方式下粗糙坡面微地形特征，以及對(duì)入滲、產(chǎn)流產(chǎn)沙與養(yǎng)分流失及泥沙顆粒機(jī)械組成特征等。獲取了以下主要結(jié)論。
　　(1)通過(guò)三維激光掃描儀獲取耕作后粗糙坡面高程模型(DEM)，利用Arc GIS分別提取了微地形坡度與坡向因子。分析表明

3、相對(duì)于平整坡面，粗糙坡面微地形坡度分在范圍為0°-80°之間。其中，點(diǎn)種坡面微地形坡度主要集中在10°-15°、20°-40°范圍內(nèi)，其臨界坡度分別為20°;同樣地，鋤耕坡面微地形坡度主要集中在10°-15°、20°-40°范圍內(nèi)，其臨界坡度分別為20°;犁耕坡面微地形坡度主要集中在5°-30°，其臨界坡度為15°。等高耕作坡面微地形坡度主要集中在5°-30°，其臨界坡度為30°。隨著坡面坡度的增加，小于臨界坡度的柵格數(shù)隨坡面坡度的增大

4、而減少，而大于臨界坡度的柵格數(shù)增加。另外，點(diǎn)種、鋤耕、等高耕作和犁耕坡面微地形坡向柵格數(shù)主要以南、西南或東南為主，即與試驗(yàn)徑流小區(qū)出流口方向一致。同時(shí)隨坡面坡度增加，粗糙坡面微地形南、西南或東南坡向的柵格數(shù)逐漸增加，而其他坡向的柵格數(shù)逐漸減小。
　　(2)通過(guò)室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，利用土壤水分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取微地形特征點(diǎn)(凸處、凹處、平整處)、微坡面(cm2)與平整坡面(m2)的土壤含水量變化過(guò)程。研究結(jié)果表明粗糙坡面上凸處、洼處

5、、平整處等在降雨過(guò)程中洼處穩(wěn)定土壤含水量高于凸處與平整處?？梢?jiàn)，低洼處具有蓄積、促進(jìn)降水入滲的能力。另外不同深度的土壤水分變化趨勢(shì)表明降雨過(guò)程中粗糙坡面土壤水分活動(dòng)層為0-15cm，而平整坡面為0-10cm，進(jìn)一步說(shuō)明粗糙度促進(jìn)坡面降水入滲深度。同時(shí)粗糙坡面上微坡面(cm2)與平整坡面(m2)的土壤水分變化過(guò)程相類(lèi)似，這表明了微坡面與平整坡面產(chǎn)流方式一致。與平整坡面不同的是，粗糙坡面上微坡面產(chǎn)生的薄層徑流匯集在低洼處，從而延遲了坡面初始

6、產(chǎn)流時(shí)間。
　　(3)通過(guò)室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，粗糙坡面與平整坡面產(chǎn)流點(diǎn)位沿徑流方向的分布范圍分別為12-181 cm、42-180cm之間。同時(shí)兩處理坡面產(chǎn)流點(diǎn)位沿徑流方向上的變異系數(shù)分別為34.4％-52.1％、15.5％-31.1％。研究表明粗糙坡面產(chǎn)流點(diǎn)位較平整坡面在坡面空間分布更為分散。通過(guò)徑流小區(qū)人工模擬降雨試驗(yàn)，可以看出相比于平整坡面，地表粗糙度具有推遲坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的效應(yīng)。但是推遲產(chǎn)流效應(yīng)隨著坡度、雨強(qiáng)的增大而逐

7、漸減弱。預(yù)測(cè)初始產(chǎn)流時(shí)間與實(shí)測(cè)初始產(chǎn)流時(shí)間比值為2.2％-36.2％，表明地表粗糙度影響坡面初始產(chǎn)流時(shí)間的主導(dǎo)過(guò)程為通過(guò)增加入滲的間接作用，從而確定了地表粗糙度延遲坡面初始產(chǎn)流主導(dǎo)作用。
　　(4)通過(guò)三維激光掃描儀獲取降雨后各粗糙坡面高程模型(DEM)，利用ArcGIS提取坡面匯流流向、匯流密度等特征。結(jié)果表明在平整坡面匯流方向均為連續(xù)沿坡面向下流動(dòng)，匯流密度值為13.08-17.06 m/m2之間。且隨著降雨強(qiáng)度、坡度的增大而

8、增大。粗糙坡面匯流流向多變，增加了匯流的蜿蜒度，匯流密度較小，其值為6.85-11.44 m/m2之間。相比于平整坡面，粗糙坡面匯流密度降低了31.7-51.5％。另外，由坡面徑流系數(shù)變化過(guò)程可知，粗糙坡面的徑流系數(shù)均少于平整坡面。將坡面匯流流向、匯流密度結(jié)合坡面徑流系數(shù)變化過(guò)程可知地表粗糙度通過(guò)蓄積水分，促進(jìn)降水入滲和增加坡面匯流流向多樣，降低匯流密度，從而造成坡面徑流連通性降低，徑流系數(shù)減少。但是隨著降雨強(qiáng)度、坡度增加，地表粗糙度聚

9、集坡面徑流，有利于坡面徑流連通的作用，導(dǎo)致粗糙坡面與平整坡面的徑流系數(shù)差異逐漸減少。因此，該結(jié)果為解釋地表粗糙度對(duì)坡面徑流連通的影響提供依據(jù)。
　　(5)通過(guò)室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，對(duì)比研究3種粗糙坡面處理分別為凸地、凹地和平整坡面上產(chǎn)流產(chǎn)沙、泥沙顆粒機(jī)械組成及其隨徑流和泥沙流失的可溶態(tài)和吸附態(tài)養(yǎng)分流失過(guò)程。結(jié)果表明總體而言，粗糙坡面可溶態(tài)養(yǎng)分流失量為凸地＞洼地＞平整坡;吸附態(tài)養(yǎng)分流失量為凸地＞平整坡＞洼地。徑流中養(yǎng)分流失主要以吸附

10、態(tài)為主，可溶態(tài)養(yǎng)分流失總量與坡面總產(chǎn)流量呈冪函數(shù)關(guān)系，吸附態(tài)氮流失總量與總產(chǎn)沙量呈冪函數(shù)關(guān)系，吸附態(tài)磷流失總量與總產(chǎn)沙量呈線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)泥沙顆粒中粘粒含量為洼地＞凸地＞平整坡，相對(duì)于試驗(yàn)原土，具有明顯的富集特征。粉粒、沙粒含量大小為凸地＞平整坡＞洼地。產(chǎn)沙過(guò)程中粘粒部分逐漸減少，粉粒和沙粒部分含量逐漸增加，隨著降雨歷時(shí)進(jìn)行，泥沙顆粒組成趨近于原土壤，進(jìn)一步闡明了粗糙度對(duì)坡面泥沙顆粒的侵蝕、搬運(yùn)與沉積過(guò)程的影響。另外，吸附態(tài)氮、磷與