【摘要】：土壤及其地表植被是影響降雨入滲、蒸發(fā)及產(chǎn)匯流等水文循環(huán)的重要界面。為了控制水土流失,黃土高原地區(qū)一直重視植被的建設(shè)和恢復(fù),特別是1999年以來(lái)的退耕還林草措施的實(shí)施,區(qū)域植被蓋度已從二十世紀(jì)80年代的28.8%增長(zhǎng)到2012年的43.8%;與此同時(shí),黃河花園口站徑流量及輸沙量由1980年之前的446億立方米和12.8億噸減少到2000年以來(lái)的251億立方米和1.0億噸。黃土高原規(guī)模化的植被建設(shè)與恢復(fù)不僅有效減少了坡面的土壤侵蝕量,同時(shí)改變了土壤水文物理性質(zhì),進(jìn)而對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙和流域產(chǎn)匯流機(jī)制產(chǎn)生重大影響。植被恢復(fù)在黃河水沙變化中的所起的作用強(qiáng)度已經(jīng)受到極大關(guān)注,亦是科學(xué)回答黃河水沙減少的關(guān)鍵之一。本研究以位于黃河中游且經(jīng)歷長(zhǎng)期植被恢復(fù)的延河流域?yàn)檠芯繀^(qū),選擇不同恢復(fù)年限的刺槐林、檸條林和草地為研究對(duì)象,通過(guò)野外和室內(nèi)試驗(yàn),研究了植被恢復(fù)對(duì)土壤水文物理性質(zhì)、坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙和流域產(chǎn)匯流機(jī)制的影響。主要結(jié)論如下:(1)植被恢復(fù)顯著降低土壤容重、增加團(tuán)聚體含量和通氣孔隙度、提高土壤持水和供水能力、增大土壤飽和導(dǎo)水率。與農(nóng)地相比,刺槐林土壤容重減小4.8%,檸條林減小8.2%,草地減小7.4%,且土壤容重減小比例隨植被恢復(fù)年限的增加而增大;植被恢復(fù)樣地0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量相比農(nóng)地增加73.1%,且刺槐林檸條林草地;除刺槐林外,檸條林和草地土壤通氣孔隙度分別較農(nóng)地增加39.7%和35.1%;植被恢復(fù)地的土壤持水和供水能力在低壓力水頭(100 cm H_2O)下均高于農(nóng)地,且表現(xiàn)為檸條林草地刺槐林;研究區(qū)10個(gè)樣地平均土壤飽和導(dǎo)水率介于10.7~18.6 mm h~(-1)之間,刺槐林、檸條林和草地分別是農(nóng)地的1.2、1.6和1.3倍,且隨植被恢復(fù)年限增加而增大。(2)植被恢復(fù)顯著提高土壤入滲能力。植被恢復(fù)樣地的土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率和平均入滲率分別是農(nóng)地的1.5、2.1和2.5倍,表現(xiàn)為檸條林草地刺槐林,且隨植被恢復(fù)年限的增加呈增大趨勢(shì);相同條件下,植被恢復(fù)樣地表層平均入滲深度是農(nóng)地的1.22倍,20 cm以下土層是農(nóng)地的1.16倍;基于主成分分析綜合評(píng)價(jià)土壤入滲能力表明,表層土壤入滲能力排序?yàn)?0年檸條林40年草地20年草地15年檸條林25年刺槐林農(nóng)地35年刺槐林;20 cm以下土層入滲能力排序?yàn)?0年檸條林40年草地15年檸條林25年刺槐林35年刺槐林20年草地農(nóng)地。入滲模型對(duì)研究區(qū)土壤入滲過(guò)程的擬合優(yōu)度為蔣定生模型Horton模型Philip模型Kostiakov方程。(3)植被恢復(fù)具有延長(zhǎng)坡面產(chǎn)流時(shí)間,增加入滲,減少產(chǎn)流產(chǎn)沙量的作用,且土壤容重和0.25 mm團(tuán)聚體含量是影響植被減流和減沙效益的主要土壤水文物理參數(shù)。與農(nóng)地相比,植被地上部分延長(zhǎng)產(chǎn)流時(shí)間140%,減少?gòu)搅髁?5%,植被恢復(fù)地原狀坡面不產(chǎn)沙;植被地上部分的滯時(shí)效益和減流效益均表現(xiàn)為草地檸條林刺槐林;植被恢復(fù)原狀和根系坡面降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)分別是農(nóng)地1.32和1.24倍,且整體表現(xiàn)為檸條林草地刺槐林;植被地下部分能延長(zhǎng)產(chǎn)流時(shí)間120%,減少?gòu)搅髁?0%,減少產(chǎn)沙量94%;地下部分滯時(shí)效益和減流效益表現(xiàn)為檸條林草地刺槐林,減沙效益刺槐林草地檸條林;地下生物量顯著影響植被地下部分的滯時(shí)效益,而土壤容重和0.25 mm團(tuán)聚體含量顯著影響植被減流和減沙效益。(4)土壤容重變化顯著影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙及坡面流水動(dòng)力學(xué)特性。坡面產(chǎn)流時(shí)間隨容重增大而縮短、產(chǎn)流量隨容重增大遞增;產(chǎn)沙量在60和90 mm h~(-1)雨強(qiáng)下隨容重增大遞增,但在120 mm h~(-1)雨強(qiáng)下隨容重增大先減少后增加。坡面平均流速、徑流深、雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)和水流功率均隨土壤容重增大而增大,達(dá)西阻力系數(shù)和曼寧糙率系數(shù)隨容重增大而減小;水流剪切力在60和90 mm h~(-1)雨強(qiáng)下隨容重增大先增大后減小,在120 mm h~(-1)雨強(qiáng)下隨容重增大先減小后增大。土壤坡面產(chǎn)沙量與平均流速呈指數(shù)關(guān)系,與徑流深呈二次函數(shù)關(guān)系,與雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系,與達(dá)西阻力系數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系,與曼寧系數(shù)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,與水流剪切力呈線性關(guān)系,與水流功率呈冪函數(shù)關(guān)系,雷諾數(shù)和水流功率是表征坡面產(chǎn)沙量的最優(yōu)水動(dòng)力學(xué)參數(shù)。(5)長(zhǎng)期的植被恢復(fù)影響流域產(chǎn)匯流特征,使流域產(chǎn)流機(jī)制存在由超滲產(chǎn)流向混合及蓄滿產(chǎn)流轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。辨析延河支流西川河流域不同時(shí)期流域產(chǎn)匯流機(jī)制表明,隨流域內(nèi)植被變化,盡管西川河流域仍以超滲產(chǎn)流為主,但其比例逐漸減少,而超滲和蓄滿產(chǎn)流的比例增加。西川河91場(chǎng)洪水降雨量和降雨強(qiáng)度均具有上升傾向,徑流深、地表徑流占比和徑流系數(shù)均呈下降趨勢(shì),洪水歷時(shí)、洪峰滯時(shí)和消退時(shí)間有增加趨勢(shì)而洪峰流量有減小趨勢(shì)。徑流深與降雨量(P)和前期影響雨量(Pa)之和呈冪函數(shù)關(guān)系,與平均降雨強(qiáng)度無(wú)顯著關(guān)系,與最大降雨強(qiáng)度呈冪函數(shù)關(guān)系,且2008年后徑流深對(duì)P+Pa的依賴性增強(qiáng)而對(duì)降雨強(qiáng)度的依賴性減弱。相比1974-1979年,洪水徑流成分以地表徑流和壤中流的洪水比例在1980-1988年和2008-2016年有所減少,而以地表徑流、壤中流、地下徑流和飽和地表徑流的洪水比例增加。流域植被覆蓋度的增加,耕地的減少,林草地的增加導(dǎo)致流域地下水出流能力和土壤入滲能力增強(qiáng)、流域蓄水容量增大、調(diào)蓄能力增強(qiáng)是引起產(chǎn)匯流機(jī)制變化的根本原因。
【圖文】：

西北農(nóng)林科技大學(xué)博士學(xué)位論文10包括坡地匯流和河網(wǎng)匯流（圖1-1）。坡地匯流指降落在坡面上的雨水形成地面徑流和地下徑流（壤中流和地下徑流），再經(jīng)過(guò)坡地調(diào)蓄向河槽匯注的過(guò)程。河網(wǎng)匯流指注入河槽的坡地水流和降雨在河流水面上的雨水經(jīng)過(guò)河槽調(diào)蓄，匯集至流域出口斷面的過(guò)程。坡地匯流的地面徑流受到地面阻力大于河道水流，，流速小，但流程短，匯流時(shí)間短；坡地壤中流和地下徑流的流速極小，匯流時(shí)間較長(zhǎng)。河網(wǎng)匯流由于其路徑長(zhǎng)，可能存在幾小時(shí)、甚至幾天的匯流時(shí)間。圖1-1 流域匯流過(guò)程Fig. 1-1 The process of runoff confluence in a basin十九世紀(jì)開始出現(xiàn)匯流理論研究，進(jìn)一步發(fā)展時(shí)期是在二十世紀(jì)中葉（于維忠和芮孝芳 1981）。1871年，圣維南方程組的提出為匯流理論研究提供了基礎(chǔ)。J.A塞當(dāng)于1900年提出洪水波和波速公式。1921年，Ross提出等流時(shí)線法（面積—時(shí)間曲線）。1931年

技術(shù)路線圖
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S157

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2710265