土壤可蝕性是評(píng)價(jià)土壤對(duì)侵蝕敏感程度的重要指標(biāo),是土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的重要參數(shù),土壤可蝕性參數(shù)的量化表達(dá)及其影響因素一直是土壤侵蝕研究的前沿科學(xué)問題。針對(duì)黃土高原季節(jié)性凍融區(qū)土壤可蝕性變化及響應(yīng)機(jī)制不足的研究現(xiàn)狀,本論文以黃土高原風(fēng)水侵蝕交錯(cuò)區(qū)三種壤土為研究對(duì)象,結(jié)合野外調(diào)查和氣象資料,在室內(nèi)模擬凍融過程,通過土壤理化性質(zhì)測(cè)試、放水沖刷、模擬降雨和風(fēng)洞試驗(yàn),對(duì)凍融條件下土壤理化性質(zhì)變化進(jìn)行了研究,量化不同侵蝕營(yíng)力作用下土壤可蝕性變化,揭示了凍融對(duì)土壤可蝕性的作用機(jī)理。研究結(jié)果可為黃土高原風(fēng)水侵蝕交錯(cuò)區(qū)和季節(jié)性凍融區(qū)解凍期土壤侵蝕治理及預(yù)報(bào)提供科學(xué)參考。主要研究結(jié)論如下:(1)明確了凍融條件下不同土壤理化性質(zhì)的變化。凍融使不同質(zhì)地土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞,容重降低,孔隙度增大,質(zhì)地粗化,水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量減少,抗剪強(qiáng)度和堅(jiān)實(shí)度降低。土壤理化性質(zhì)變化幅度與土壤質(zhì)地、凍融循環(huán)次數(shù)和土壤凍融前初始含水量顯著相關(guān)(p0.05)。相同條件下,室外自然凍融后土壤理化性質(zhì)變化趨勢(shì)與室內(nèi)模擬凍融相同,但是變化幅度總體小于室內(nèi)模擬凍融。凍融條件下,同一類別因子的信息重疊,互相解釋度較高,不同類別因子間相互作用和影響,且具有較強(qiáng)的相關(guān)性,其中,土壤質(zhì)地類因子與其它因子相關(guān)性最強(qiáng)。土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、團(tuán)聚體和強(qiáng)度類因子對(duì)凍融具有中高敏感性,而有機(jī)質(zhì)對(duì)凍融屬于弱敏感級(jí)因子。(2)揭示了凍融對(duì)土壤水蝕可蝕性影響,建立了凍融條件下土壤水蝕可蝕性的估算方法�；贓PIC和Dg模型,灌淤土和黃綿土可蝕性K值均與凍融循環(huán)次數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系,隨凍融環(huán)循環(huán)次數(shù)對(duì)數(shù)或線性函數(shù)的增加趨勢(shì)與初始含水量有關(guān)。風(fēng)沙土含水量較低時(shí),K_(EPIC)值與凍融次數(shù)無顯著相關(guān)關(guān)系(p0.05),而風(fēng)沙土K_(Dg)值隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈減小趨勢(shì)。凍融條件下,容重是影響K值最主要因素,土壤質(zhì)地類因子中的粘粒含量(CLA)和顆粒幾何平均直徑(D_g)對(duì)土壤可蝕性直接或間接作用均較大,但對(duì)K值均存在雙效應(yīng)作用。凍融后土壤分離率與坡度、流量、初始含水量和凍融循環(huán)次數(shù)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p0.05)。凍融10次后,風(fēng)沙土、灌淤土和黃綿土的分離率比未凍融土壤分別顯著增加了0.59,0.58和0.96 kg m~(-2)s~(-1)(p0.05)。土壤水蝕可蝕性參數(shù)(K_r)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加并逐漸趨于穩(wěn)定。凍融前,風(fēng)沙土的平均K_r(0.28 s m~(-1))黃綿土(0.26 s m~(-1))灌淤土(0.25 s m~(-1));凍融10次后,黃綿土的平均K_r(0.65 s m~(-1))灌淤土(0.54 s m~(-1))風(fēng)沙土(0.52 s m~(-1))。凍融后,3種土壤的臨界剪切力(τ_c)均呈顯著減小趨勢(shì)(p0.05),不同初始含水條件下,平均τ_c大小為:灌淤土(0.54 Pa)黃綿土(0.52 Pa)風(fēng)沙土(0.20 Pa)。凍融條件下,影響土壤可蝕性的關(guān)鍵指標(biāo)包括:凍融循環(huán)次數(shù)(FT)、土壤粘粒含量(CLA)、土壤顆粒幾何平均直徑(D_g)、大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(WSA_(0.25))、容重(ρ_B)和土壤抗剪強(qiáng)度(τ)。以上指標(biāo)也是影響凍融過程中土壤水蝕可蝕性參數(shù)(K_r)和臨界剪切力(τ_c)的關(guān)鍵因素,可較好的用來估算土壤可蝕性參數(shù):K_r=0.35e~(0.57FT)CLA~(-0.016)WSA~(-0.067)τ~(-0.03)ρ_B~(-0.189)(R~2=0.88,NSE=0.85);τ_c=0.0083e~(-0.128FT)CLA~(-0.174)D_g~(0.378)WSA~(0.099)τ~(1.132)(R~2=0.84,NSE=0.81)。(3)闡明了凍融對(duì)土壤風(fēng)蝕可蝕性的影響,提出了土壤風(fēng)蝕可蝕性參數(shù)的估算方法。初始含水量為2%和8%時(shí),凍融前后不同土壤起動(dòng)風(fēng)速無顯著差異(p0.05),含水量為4%和6%時(shí),凍融后的不同土壤起動(dòng)風(fēng)速顯著小于未凍融土壤(p0.05),其中黃綿土起動(dòng)風(fēng)速最小。凍融前后輸沙率均隨高度增加呈指數(shù)函數(shù)遞減,風(fēng)速對(duì)輸沙率的貢獻(xiàn)率(29.60%)土壤初始含水量(14.69%)土樣類型(14.29%)凍融循環(huán)次數(shù)(7.10%)。土壤初始含水量是影響土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度最主要因素,貢獻(xiàn)率為41.05%,風(fēng)速、土壤類型和凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)風(fēng)蝕強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率相對(duì)較小,均在14%左右。相同條件下,融化后3種土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度顯著大于未凍融土壤大于凍結(jié)后土壤(p0.05)。當(dāng)含水量由4%增加到8%,相同凍融狀態(tài)和風(fēng)速條件下的黃綿土平均風(fēng)蝕模數(shù)(8.42 g(m~2 min)~(-1))灌淤土(6.02 g(m~2 min)~(-1))風(fēng)沙土(2.91 g(m~2 min)~(-1))。土壤風(fēng)蝕可蝕性參數(shù)(K_風(fēng))與土壤凍融后含水量(DW)、凍融循環(huán)次數(shù)(FT)、土壤中值粒徑(d_(50))、團(tuán)聚體平均幾何直徑(MWD)、0.05-0.5 mm顆粒含量(WT _(0.05-0.5))、土壤抗剪強(qiáng)度(τ)和容重(ρ_B)之間存在良好的非線性關(guān)系:K_風(fēng)=e~(0.015FT+14.97)DW~(-3.219)d_(50)~(0.456)MWD~(-0.103)WT0.05-0.5~(0.401)τ-1.389ρ_B-8.641(R~2=0.89,NSE=0.87)。(4)揭示了不同營(yíng)力復(fù)合對(duì)土壤可蝕性的作用機(jī)制,建立了復(fù)合營(yíng)力作用的土壤可蝕性估算方法。不同質(zhì)地土壤凍融前后風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)無顯著差異(p0.05),凍融后的黃綿土和灌淤土0.7 mm顆粒含量風(fēng)蝕后顯著大于未凍融土樣,凍融作用加劇了風(fēng)蝕過程中下墊面的粗化。不同處理方式下,風(fēng)沙土坡面平均產(chǎn)流開始時(shí)間(9.97 min)黃綿土(9.12 min)灌淤土(5.02 min)。相對(duì)于對(duì)照坡面,凍融和風(fēng)蝕復(fù)合作用后,灌淤土坡面產(chǎn)流開始時(shí)間增加幅度(84.75%)黃綿土(72.13%)風(fēng)沙土(44.75%)。產(chǎn)流穩(wěn)定后,不同處理?xiàng)l件下的灌淤土坡面產(chǎn)流速率均大于黃綿土和風(fēng)沙土,而入滲率與此相反。對(duì)照、風(fēng)力作用后和凍融風(fēng)力復(fù)合作用后的風(fēng)沙土坡面累積產(chǎn)沙量(4.03、4.16和5.82 kg m~-22 h~(-1))黃綿土(3.50、4.11和5.54 kg m~-22 h~(-1))灌淤土(0.54、0.62和0.79 kg m~-22 h~(-1),p0.05)。而凍融后黃綿土坡面累積產(chǎn)沙量(5.56 kg m~-22 h~(-1))風(fēng)沙土(5.24 kg m~(-2)h~(-1))灌淤土(0.65 kg m~-22 h~(-1))。不同質(zhì)地土壤坡面凍融和風(fēng)力復(fù)合作用后的土壤可蝕性最大,其次是凍融和風(fēng)蝕單獨(dú)作用后坡面,未做處理坡面土壤可蝕性最小。不同處理方式的風(fēng)沙土和黃綿土坡面平均土壤可蝕性分別是灌淤土的7.10和6.74倍。復(fù)合作用下坡面土壤可蝕性參數(shù)(K_復(fù))與單一營(yíng)力作用下的土壤可蝕性參數(shù)呈較好的非線性相關(guān)關(guān)系:K_復(fù)=1.31K_0~(0.078)K_w~(-0.16)K_(FT)~(1.044)(R~2=0.96,NSE=0.92)。
【學(xué)位單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S157.1
【部分圖文】：

圖 2-4 研究區(qū)凍土類型（左）及土壤類型和采樣點(diǎn)位置（右）Fig 2-4 The type of freeze soil (left) and soil types and the location of sampling points (right)2.5 研究方法

圖 2-5 土樣裝填、灑水及凍融處理Fig 2-5 Loading, sprinkling and freeze-thaw treatment of soil samples.5.2 沖刷試驗(yàn)1）土樣裝填及凍融處理

沖刷試驗(yàn)裝置示意圖

本文編號(hào)：2813653