本文關鍵詞：北京山區(qū)坡面土壤顆粒分離和輸移過程研究

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【摘要】：降雨條件下坡面土壤顆粒的分離和輸移過程是研究水力侵蝕的重要內容,也是研究坡面土壤侵蝕規(guī)律與侵蝕機理的基礎。本研究以北京山區(qū)淋溶褐土坡面為研究對象,基于土壤侵蝕學、水力學、侵蝕動力學等相關理論,采用人工模擬降雨試驗,結合野外坡面試驗和室內試驗土槽系統(tǒng),選擇降雨、坡度、植被覆蓋度等作為影響雨滴擊濺作用和坡面產流產沙的主要因素,通過降雨條件下不同尺度樣地坡面和草本結構坡面模擬試驗,系統(tǒng)研究了侵蝕性降雨坡面土壤顆粒的分離和輸移規(guī)律以及水蝕環(huán)境下侵蝕動力對土壤流失過程的影響,對侵蝕過程模型的建立和坡面水土流失治理具有重要的理論和實踐意義。主要研究結論如下：(1)研究了降雨強度、坡度、植被覆蓋度對雨滴擊濺侵蝕的影響。坡面雨滴擊濺侵蝕量與降雨強度和坡度呈正相關關系,而隨植被覆蓋度增加呈指數形式降低。雨滴擊濺侵蝕量與濺蝕距離呈負指數函數形式,本試驗條件下,主要分布于距離侵蝕區(qū)域0-30 cm范圍內,濺蝕土粒躍移距離隨降雨強度的增加相應增大；隨著坡度的增加雨滴擊濺侵蝕主要以下坡為主,上坡濺蝕量和土粒最大濺蝕距離呈顯著降低趨勢；當坡面存在草本植物時,能夠有效降低濺蝕土粒的躍移距離,使其分布于距離濺蝕區(qū)域較近范圍內。雨滴擊濺對侵蝕土壤顆粒具有粒徑分選作用,濺蝕土壤顆粒粒徑主要集中于0.25～0.002mm粒級內,其中細砂粒(0.25～0.05mm)最易被濺蝕,隨著降雨強度和坡度的增加,雨滴對坡面土壤顆粒的分選作用明顯,各粒徑濺蝕顆粒含量與濺蝕距離呈負指數函數關系,濺蝕土粒的平均重量直徑隨降雨強度的增加呈增大趨勢,隨濺蝕距離的增加逐漸降低。(2)揭示了雨滴擊濺和徑流沖刷2種侵蝕方式下泥沙顆粒粒徑的動態(tài)變化以及有無雨滴擊濺作用對坡面泥沙團粒結構變化的影響。不同侵蝕方式下泥沙顆粒粒徑分布規(guī)律表明,侵蝕過程中泥沙粒徑集中在0.1～0.002mm粒級范圍內,隨著降雨歷時的增加,雨滴擊濺泥沙顆粒中砂粒含量呈減小趨勢,粉粒和粘粒含量逐漸增加；在徑流沖刷泥沙顆粒中砂粒含量呈增加趨勢,粉粒含量變化波動較小,粘粒含量呈減小趨勢。該區(qū)坡面侵蝕泥沙團粒結構變化過程表明,在坡面產流初始階段粗砂、細砂、細粉粒和粘粒以團聚體形式存在,而粗粉砂多以初級粒子形式存在,隨著降雨歷時延長,各粒級侵蝕泥沙顆粒的分離程度增加。雨滴擊濺作用影響坡面土壤團粒結構的分離程度,坡面產流前雨滴擊濺作用對土壤的分離貢獻比占總分離程度的28.09%,而無雨滴打擊坡面土壤團聚體分離程度較低,其分形維數增量是有雨滴打擊坡面土壤團聚體增量的48.43%。土壤團粒輸移過程中各粒級顆粒表現不同,結構穩(wěn)定性較差的砂粒逐漸被分解為細小顆粒,粗粉粒在侵蝕過程中多以初級粒子形式被輸移,而粘粒在侵蝕坡面逐漸富集,多以團粒結構方式輸移。(3)分析了雨滴擊濺作用和植被覆蓋條件下坡面徑流水動力學特性及其產流產沙規(guī)律。對不同降雨強度、坡度和植被覆蓋度下地表徑流的流型流態(tài)進行劃分,發(fā)現地表徑流流型以緩層流、緩過渡流和急過渡流為主。坡面有無雨滴擊濺作用和植被覆蓋對徑流水動力學特性及產流產沙過程具有較大影響,當消除或降低雨滴擊濺作用后,坡面徑流率、含沙量和土壤分離率均顯著降低,坡面穩(wěn)定徑流率和含沙量均明顯減小,而植被覆蓋坡面輸沙率變化趨勢較為緩和,處于“先增加再減小后穩(wěn)定”的狀態(tài),隨著植被覆蓋度的增加,坡面輸沙率較早趨于穩(wěn)定。(4)明確了草本植物調控坡面土壤分離的侵蝕動力機理。不同試驗組合中草本植物對坡面土壤分離的影響主要是通過草冠、根系對降雨和徑流的阻滯作用。其中,兩種草本植物根系的減沙貢獻率均高于其冠層；在降雨過程中,草本植物葉面對降落雨滴動能的削弱作用明顯,而草本植物根系主要通過根徑d≤1mm的須根發(fā)揮固持土壤的作用。對坡面阻力特征分析發(fā)現,裸露坡面阻力包括顆粒阻力、形態(tài)阻力和波阻力,在草本植物覆蓋坡面,隨著植物覆蓋度的增加坡面顆粒阻力和波阻力均呈現增加趨勢,坡面土壤分離率與阻力系數呈指數函數關系。坡面草本植物對降雨和徑流侵蝕力具有明顯的削弱作用,隨著植被覆蓋度的增加對降雨和徑流侵蝕力的減弱系數分別為22.75～84.02%和19.68～63.97%。
【學位授予單位】：北京林業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S157.1
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本文編號：1307743