【摘要】：時至今日,黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)退耕還林還草生態(tài)工程實施已達20年,植被覆蓋度顯著提高,土壤侵蝕得到有效控制。近幾年來,相關(guān)研究表明該區(qū)部分地方出現(xiàn)因封育時間過長而導(dǎo)致的植被群落生長受到抑制,植物多樣性下降,草地逐步退化,生態(tài)服務(wù)功能下降等問題,以及因植被蓋度過高而出現(xiàn)的流域產(chǎn)流減少和土壤干層現(xiàn)象。相關(guān)研究也表明合理利用退耕坡面植被,可維持退耕坡面生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展。結(jié)合該區(qū)為我國北方農(nóng)牧交錯帶的主要組成部分,是傳統(tǒng)的畜牧業(yè)區(qū)域,植被的合理刈割將是草地利用與管理及解決牧草供需矛盾的有效手段,兼顧發(fā)揮植被的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。然而,該區(qū)域的首要問題是水土流失,研究退耕坡面植被刈割條件下坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及植被的水沙的調(diào)控效應(yīng)將是合理利用植被的科學(xué)前提�；诖�,本研究采用野外人工模擬降雨的方法,研究退耕坡面在不同降雨強度(60mm/h、90mm/h和120mm/h)以及坡度(10°、20°和30°)條件下,坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程、坡面流水動力學(xué)特性以及植被的水沙調(diào)控效應(yīng)對植被刈割強度(完全刈割、重度刈割、輕度刈割、不刈割)的響應(yīng)特征。主要結(jié)論如下:(1)關(guān)于刈割強度對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響:不同刈割強度坡面的徑流率與侵蝕速率隨降雨歷時的變化均可用冪函數(shù)方程進行擬合,且在較高刈割強度條件下擬合較好,決定系數(shù)較高。累積產(chǎn)流量、累積產(chǎn)沙量與降雨歷時之間冪函數(shù)關(guān)系顯著(P0.05)。降雨強度、坡度、刈割強度以及雨強與刈割強度的交互作用均對坡面產(chǎn)流量影響顯著(P0.01)。其中,降雨強度和刈割強度對坡面產(chǎn)流量變化的貢獻率分別為43.50%和37.20%。相同降雨強度和刈割強度條件下各坡度坡面產(chǎn)沙量表現(xiàn)為20°30°10°,存在臨界坡度現(xiàn)象。降雨強度、坡度、刈割強度、雨強與坡度交互作用以及雨強與刈割強度的交互作用等均對坡面產(chǎn)沙量影響顯著(P0.05)。其中,刈割強度、降雨強度與坡度因子對坡面產(chǎn)沙量變化的貢獻率分別為33.61%、21.05%和16.40%。刈割強度對產(chǎn)流量變化的影響稍大于對產(chǎn)沙量變化的影響。(2)關(guān)于刈割強度對坡面流水動力學(xué)參數(shù)的影響:在相同條件下斷面平均流速與降雨強度和坡度均呈正相關(guān)關(guān)系。相同降雨強度和坡度條件下斷面平均流速隨刈割強度的增加而增加,且與降雨歷時之間冪函數(shù)關(guān)系顯著(P0.05)。相同坡度、刈割強度條件下徑流深、徑流剪切力、水流功率隨降雨強度的增加而增加。徑流深、徑流剪切力隨刈割強度的變化則因降雨強度和坡度的不同而存在差異。相同降雨強度或坡度條件下,阻力系數(shù)f和曼寧糙率系數(shù)n均隨刈割強度減小而增加。降雨強度、坡度和刈割強度及其交互作用對各坡面流水動力學(xué)參數(shù)變化的貢獻率各有不同。(3)關(guān)于刈割強度對坡面流水動力學(xué)參數(shù)與水沙響應(yīng)關(guān)系的影響:斷面流速、徑流深、徑流剪切力和水流功率與坡面產(chǎn)流量間相關(guān)性顯著(P0.05)。徑流深、徑流剪切力及水流功率與產(chǎn)流量之間存在較好地冪函數(shù)關(guān)系。各坡面流水動力學(xué)參數(shù)與產(chǎn)沙量間的相關(guān)關(guān)系因植被刈割強度條件的不同而有所差異。各坡面流水動力參數(shù)與產(chǎn)沙量之間的關(guān)系基本可用冪函數(shù)關(guān)系進行描述。本試驗不同處理條件下單位面積產(chǎn)流量與單位面積產(chǎn)沙量之間正相關(guān)關(guān)系顯著(P0.01),且單位面積產(chǎn)流量與單位面積產(chǎn)沙量之間滿足線性回歸關(guān)系,決定系數(shù)為0.704。(4)關(guān)于刈割強度對植被水沙調(diào)控效應(yīng)的影響:相同坡度和降雨強度條件下,植被減水效益與刈割強度間負相關(guān)關(guān)系顯著(P0.01),相關(guān)系數(shù)為-0.732。各刈割強度條件下植被減水效率介于13.93%~79.55%之間。在相同坡度和刈割強度條件下,坡面植被減水效益與降雨強度間負相關(guān)關(guān)系顯著(P0.05),相關(guān)系數(shù)為-0.380。各降雨強度條件下植被減水效率介于40.43%~69.27%之間。坡面植被的減沙效率在各試驗處理條件下均可達80%以上的較高水平。減沙效益隨降雨強度和刈割強度的增長均呈現(xiàn)減小趨勢。各坡度條件下減沙效率的大小表現(xiàn)為10°30°20°。相同坡度和降雨強度條件下,植被減流速效益與刈割強度間負相關(guān)關(guān)系顯著(P0.01),相關(guān)系數(shù)為-0.873。各降雨強度條件下植被減流速效率介于38.17%~82.98%之間。
【圖文】：

為下噴式降雨器，由控制臺、水壓傳感器、水箱、水泵，支架、噴頭和軟管組成。噴頭為美國 SPAYING SYSTEMS CO 公司生產(chǎn)的 FULLJET 旋轉(zhuǎn)下噴式降雨噴頭，本降雨器所用的為 2#、3#和 4#共 3 種規(guī)格的噴頭。該人工模擬降雨系統(tǒng)由控制臺中的微處理器控制水泵（圖 1），對水箱中的水恒壓輸出壓力，再經(jīng)幾何中心供水法等分壓力后通過軟管輸送于按一定距離布置的噴頭噴出。不僅能穩(wěn)定給予水滴一定的初始動能，有效模擬自然降雨打擊力度，而且通過 3 種噴頭的不同組合及供水壓力變化達到動態(tài)調(diào)整降雨強度的目的，模擬雨強范圍為 10～200 mm/h，模擬精度±5 mm/h且均勻度大于 80%。（7）降雨試驗過程在每場降雨試驗前，先用測釬長度 12 cm 的 TDR（Time Domain Reflectometer）對徑流小區(qū)的表層土壤含水量進行測定，通過預(yù)降雨或晾曬等方式保證每場降雨試驗前期含水量大致相同后進行試驗。根據(jù)以往室內(nèi)降雨試驗資料和野外實測土壤含水量值，，將本試驗的前期土壤含水量控制在 10%～15%之間。每場試驗降雨歷時為 60 min，試驗盡量安排在無風(fēng)的天氣下進行，為盡可能降低風(fēng)的干擾，試驗時在小區(qū)兩側(cè)搭有防風(fēng)篷布。

圖 3-2 20°坡面徑流率均值隨刈割強度變化由圖 3-2 可知，在坡度條件一定時，徑流率均值隨刈割強度的增加而增大，說明植被地上部分的刈割促進了坡面產(chǎn)流進程，使得坡面產(chǎn)流狀況加劇。并且，徑流率均值的標(biāo)準(zhǔn)差也隨刈割強度的增加而增加，說明刈割強度的增加使得徑流率更易受到雨強因素的影響，隨降雨歷時變化波動加劇，徑流率波動范圍增加。換言之，隨著坡面植被地上部分覆蓋的增加，植被對坡面產(chǎn)流過程的調(diào)控作用也將逐漸增強。從圖 3-2中徑流率均值折線斜率還可知，當(dāng)徑流率均值在刈割強度 HU 與 CU 之間增幅最大，徑流率增長較其他刈割強度之間更為顯著。需要說明的是為便于研究不同降雨強度條件下坡面產(chǎn)流過程變化特征
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S157

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本文編號：2708773