發(fā)布時(shí)間：2017-12-19 09:36

  本文關(guān)鍵詞：北京山區(qū)坡面土壤顆粒分離和輸移過(guò)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(guò)程是研究水力侵蝕的重要內(nèi)容,也是研究坡面土壤侵蝕規(guī)律與侵蝕機(jī)理的基礎(chǔ)。本研究以北京山區(qū)淋溶褐土坡面為研究對(duì)象,基于土壤侵蝕學(xué)、水力學(xué)、侵蝕動(dòng)力學(xué)等相關(guān)理論,采用人工模擬降雨試驗(yàn),結(jié)合野外坡面試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)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(chǎn)流產(chǎn)沙的主要因素,通過(guò)降雨條件下不同尺度樣地坡面和草本結(jié)構(gòu)坡面模擬試驗(yàn),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(dòng)力對(duì)土壤流失過(guò)程的影響,對(duì)侵蝕過(guò)程模型的建立和坡面水土流失治理具有重要的理論和實(shí)踐意義。主要研究結(jié)論如下：(1)研究了降雨強(qiáng)度、坡度、植被覆蓋度對(duì)雨滴擊濺侵蝕的影響。坡面雨滴擊濺侵蝕量與降雨強(qiáng)度和坡度呈正相關(guān)關(guān)系,而隨植被覆蓋度增加呈指數(shù)形式降低。雨滴擊濺侵蝕量與濺蝕距離呈負(fù)指數(shù)函數(shù)形式,本試驗(yàn)條件下,主要分布于距離侵蝕區(qū)域0-30 cm范圍內(nèi),濺蝕土粒躍移距離隨降雨強(qiáng)度的增加相應(yīng)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(shì)；當(dāng)坡面存在草本植物時(shí),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(nèi)。雨滴擊濺對(duì)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(jí)內(nèi),其中細(xì)砂粒(0.25～0.05mm)最易被濺蝕,隨著降雨強(qiáng)度和坡度的增加,雨滴對(duì)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(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系,濺蝕土粒的平均重量直徑隨降雨強(qiáng)度的增加呈增大趨勢(shì),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(dòng)態(tài)變化以及有無(wú)雨滴擊濺作用對(duì)坡面泥沙團(tuán)粒結(jié)構(gòu)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(guò)程中泥沙粒徑集中在0.1～0.002mm粒級(jí)范圍內(nèi),隨著降雨歷時(shí)的增加,雨滴擊濺泥沙顆粒中砂粒含量呈減小趨勢(shì),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(shì),粉粒含量變化波動(dòng)較小,粘粒含量呈減小趨勢(shì)。該區(qū)坡面侵蝕泥沙團(tuán)粒結(jié)構(gòu)變化過(guò)程表明,在坡面產(chǎn)流初始階段粗砂、細(xì)砂、細(xì)粉粒和粘粒以團(tuán)聚體形式存在,而粗粉砂多以初級(jí)粒子形式存在,隨著降雨歷時(shí)延長(zhǎng),各粒級(jí)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(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分離程度,坡面產(chǎn)流前雨滴擊濺作用對(duì)土壤的分離貢獻(xiàn)比占總分離程度的28.09%,而無(wú)雨滴打擊坡面土壤團(tuán)聚體分離程度較低,其分形維數(shù)增量是有雨滴打擊坡面土壤團(tuán)聚體增量的48.43%。土壤團(tuán)粒輸移過(guò)程中各粒級(jí)顆粒表現(xiàn)不同,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差的砂粒逐漸被分解為細(xì)小顆粒,粗粉粒在侵蝕過(guò)程中多以初級(jí)粒子形式被輸移,而粘粒在侵蝕坡面逐漸富集,多以團(tuán)粒結(jié)構(gòu)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(dòng)力學(xué)特性及其產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律。對(duì)不同降雨強(qiáng)度、坡度和植被覆蓋度下地表徑流的流型流態(tài)進(jìn)行劃分,發(fā)現(xiàn)地表徑流流型以緩層流、緩過(guò)渡流和急過(guò)渡流為主。坡面有無(wú)雨滴擊濺作用和植被覆蓋對(duì)徑流水動(dòng)力學(xué)特性及產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程具有較大影響,當(dāng)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(shì)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(diào)控坡面土壤分離的侵蝕動(dòng)力機(jī)理。不同試驗(yàn)組合中草本植物對(duì)坡面土壤分離的影響主要是通過(guò)草冠、根系對(duì)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(xiàn)率均高于其冠層；在降雨過(guò)程中,草本植物葉面對(duì)降落雨滴動(dòng)能的削弱作用明顯,而草本植物根系主要通過(guò)根徑d≤1mm的須根發(fā)揮固持土壤的作用。對(duì)坡面阻力特征分析發(fā)現(xiàn),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(xiàn)增加趨勢(shì),坡面土壤分離率與阻力系數(shù)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。坡面草本植物對(duì)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(duì)降雨和徑流侵蝕力的減弱系數(shù)分別為22.75～84.02%和19.68～63.97%。
【學(xué)位授予單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：S157.1
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本文編號(hào)：1307743