【摘要】：闡明東北黑土區(qū)土壤侵蝕特征,可為黑土區(qū)土壤侵蝕防治和黑土資源持續(xù)利用提供重要的科學依據。本論文針對東北黑土區(qū)土壤侵蝕關鍵驅動因子研究的不足,采用野外調查、模擬降雨和模擬徑流相結合的方法,對比研究了自由下滲和壤中流條件下黑土坡面土壤侵蝕特征,探究了自由下滲和壤中流條件下坡面侵蝕—沉積分布特征,分析了上方匯流匯沙對黑土坡面侵蝕—沉積過程的影響,揭示了兩種近地表土壤水文條件下的坡面侵蝕水動力學機理。主要研究結論如下:(1)分析了自由下滲和壤中流條件下雨滴打擊對黑土坡面侵蝕的影響。與無雨滴打擊試驗處理相比,有雨滴打擊試驗處理下的坡面侵蝕速率在自由下滲和壤中流條件下分別增加了2.7 7.0倍和1.7 3.4倍。自由下滲和壤中流條件下,雨滴打擊對坡面侵蝕的貢獻分別為72.7% 87.4%和42.4% 70.5%。在有/無雨滴打擊處理下,壤中流對坡面侵蝕的貢獻分別達到20.8% 69.3%和54.9% 85.5%,且無雨滴打擊試驗處理下壤中流對坡面侵蝕的貢獻大于有雨滴打擊試驗處理下壤中流對坡面侵蝕的貢獻。在有/無雨滴打擊處理下,壤中流條件下的坡面平均流速、雷諾數(shù)和弗汝德數(shù)較自由下滲條件下分別增加了17.5% 33.5%、27.4% 58.4%和12.9% 25.9%;而壤中流條件下的Darcy-Weisbach阻力系數(shù)較自由下滲條件下減少了21.5% 37.1%。(2)研究了自由下滲和壤中流條件下降雨強度對黑土坡面侵蝕的影響。隨著降雨強度的增加,兩種近地表土壤水文條件下的坡面侵蝕速率均隨之顯著增大。壤中流條件下的坡面侵蝕率是自由下滲條件下的1.7 3.6倍。在50和100 mm h~(-1)降雨強度下,壤中流對坡面侵蝕的貢獻分別為41.3% 72.4%和50.8% 69.3%。兩種近地表土壤水文條件下,坡面平均流速、雷諾數(shù)和弗汝德數(shù)均隨降雨強度的增加而明顯增大,且不同降雨強度下,坡面徑流雷諾數(shù)的變化比坡面平均流速的變化更加明顯;而兩種近地表土壤水文條件下Darcy-Weisbach阻力系數(shù)則隨著降雨強度的增加而減小。與自由下滲條件相比,不同降雨強度下,壤中流條件下的坡面平均流速、雷諾數(shù)和弗汝德數(shù)分別增加了17.8% 28.5%、27.3% 42.6%和14.3% 23.1%,而壤中流條件下的Darcy-Weisbach阻力系數(shù)較自由下滲條件下減少了21.5% 29.9%。(3)剖析了自由下滲和壤中流條件下坡度對黑土坡面侵蝕的影響。兩種近地表土壤水文條件下,坡面徑流速率、侵蝕速率和徑流含沙量均隨坡度的增加而增大。在2.5°和5°處理下,壤中流對坡面侵蝕的貢獻分別為41.3% 72.4%和50.8% 69.3%。兩種近地表土壤水文條件下,坡面平均流速、雷諾數(shù)和弗汝德數(shù)均隨著坡度的增加呈增大趨勢,而Darcy-Weisbach阻力系數(shù)則呈減小趨勢。(4)討論了自由下滲和壤中流條件下坡面侵蝕—沉積分布特征。自由下滲條件下,在坡度為2.5°處理下,坡面侵蝕狀態(tài)隨坡長的增加由以侵蝕—搬運過程為主轉為以侵蝕—沉積過程為主;當坡度增加到5°和10°時,隨著降雨強度的增加,坡面侵蝕狀態(tài)由以侵蝕—沉積過程為主轉為以侵蝕—搬運過程為主。壤中流條件下,在2.5°處理下,隨著降雨強度的增加,坡面侵蝕狀態(tài)由以侵蝕—沉積過程為主轉為以侵蝕—搬運過程為主。當坡度為5°時,坡面以侵蝕—搬運為主;且隨著降雨強度的增加,坡面各坡段凈侵蝕速率增大1.7 8.2倍。(5)揭示了自由下滲和壤中流條件下上方匯流匯沙與黑土坡面侵蝕—沉積過程。兩種近地表土壤水文條件下,Sd和Sud均隨降雨強度和坡度的增加而增大,但是Sd和Sud的增幅在不同近地表土壤水文條件下表現(xiàn)不同。在有雨滴打擊的自由下滲條件下,上方匯流匯沙明顯影響坡下方的侵蝕—沉積過程。在坡度為2.5°,與坡度為5°和降雨強度為50 mm h~(-1)條件下,隨著上方匯流匯沙的增加,坡面侵蝕狀態(tài)由侵蝕—搬運主導過程轉變?yōu)榍治g—沉積主導過程;而在5°和100 mm h~(-1)降雨強度下,隨著上方匯流匯沙的增加,坡下方坡面侵蝕狀態(tài)以侵蝕—搬運過程占主導地位。在無雨滴打擊的自由下滲條件下,坡上方匯流匯沙導致坡面侵蝕狀態(tài)以侵蝕—沉積過程為主。分別建立了自由下滲和壤中流條件下,上方匯流匯沙在坡下方試驗土槽引起的侵蝕產沙量與上方匯流量和上方匯流含沙量的關系式。上方匯流匯沙對坡下方侵蝕產沙過程的影響程度受上方匯水流量及其含沙量、降雨強度和坡度的共同作用。同時,坡下方試驗土槽接受坡上方匯流后增加了降雨強度和坡度對坡面侵蝕的影響。(6)揭示了自由下滲和壤中流條件下黑土坡面侵蝕的水動力學機理。分別建立了兩種近地表土壤水文條件下坡面單寬侵蝕量與徑流剪切力、水流功率和單位水流功率的關系式,發(fā)現(xiàn)壤中流條件下的臨界徑流剪切力、臨界水流功率和臨界單位水流功率較自由下滲條件下分別減小了10.3%、19.2%和14.7%。自由下滲和壤中流條件下,水流功率是最佳的水動力學參數(shù)。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S157.1

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本文編號：2367176