本文關鍵詞：黃土丘陵區(qū)小流域土壤分離能力空間變異

  更多相關文章： 坡面 小流域 土壤分離 細溝可蝕性 空間變異 黃土丘陵區(qū)

【摘要】：土壤侵蝕包括土壤分離、泥沙輸移和泥沙沉積三大過程。土壤分離作為土壤侵蝕的初始階段,是指在降雨擊濺和徑流沖刷作用下,土壤顆粒脫離土體,離開原始位置的過程,因而為泥沙輸移和沉積過程提供物質準備。土壤分離過程發(fā)生在土壤表面,從而土壤屬性對土壤分離過程影響較大。由于土壤是連續(xù)的時空變異體,具有高度的空間異質性,所以土壤屬性在空間分布上的這種不均質性可能會引起土壤分離能力空間分布上的差異性,但是關于土壤分離能力的空間變異情況及其影響機制尚不明確,有待進一步研究。論文以黃土丘陵區(qū)紙坊溝小流域為研究對象,在淺溝發(fā)育坡面設置202個采樣點,采集土壤分離樣品606個,在流域上選擇不同土壤類型、土地利用方式和植被類型相組合下的樣點29個,采集土壤分離樣品696個,同時測定每個采樣點的土壤質地、容重、粘結力、水穩(wěn)性團聚體、有機質、根重密度和枯落物密度。利用變坡試驗水槽,借助經典統(tǒng)計學、地統(tǒng)計學、狀態(tài)空間模擬等理論和方法,系統(tǒng)研究了淺溝發(fā)育、土壤類型和土地利用方式對土壤分離能力的影響,分析土壤分離能力和細溝可蝕性的空間變異及其影響機制,主要研究結果如下:(1)明確了淺溝發(fā)育坡面土壤分離能力的空間變異及其影響機制。淺溝發(fā)育坡面土壤分離能力變化范圍為0.0004-1.25 kg m-2 s-1,均值為0.22 kg m-2 s-1,變異系數(shù)表明土壤分離能力在坡面尺度上屬于強變異;坡面不同坡位土壤分離能力存在顯著性差異,然而這種差異并不是由淺溝發(fā)育引起的,主要是由淺溝形成前坡面原本的土壤性狀和后期的植被恢復造成的;地統(tǒng)計分析表明,土壤分離能力具有中等程度空間依賴性,采樣間距對其空間結構影響顯著,隨著采樣間距的減小,塊金值在減小,而系統(tǒng)變異、變程和空間依賴性增大;土壤分離能力空間分布圖表明,下坡土壤分離能力顯著大于坡頂、上坡和中坡,因而成為水土流失治理的重點區(qū)域;土壤分離能力與粘粒、砂粒含量、土壤顆粒中值直徑、容重、粘結力、水穩(wěn)性團聚體和枯落物密度呈顯著相關關系,主成分和最小數(shù)據(jù)組分析結果表明,土壤顆粒中值直徑、容重和枯落物密度是影響坡面土壤分離能力的主控因子。(2)運用狀態(tài)空間方程對2m和10m采樣間距下土壤分離能力進行了較好的模擬。在2m采樣間距下,土壤分離能力與砂粒含量和有機質呈顯著正相關,與粘粒含量、容重、粘結力、水穩(wěn)性團聚體和枯落物密度呈顯著負相關;而在10m采樣間距下,土壤分離能力僅與砂粒含量呈顯著正相關,與粘粒含量、容重、粘結力、水穩(wěn)性團聚體和枯落物密度呈顯著負相關。2m采樣間距下,各變量均存在顯著空間自相關性,土壤分離能力同時與各變量(粉粒含量除外)存在顯著交互相關關系;10m采樣間距下,空間關系發(fā)生了變化,粉粒含量、有機質和枯落物密度的空間自相關性不顯著,土壤分離能力僅與粘粒、砂粒含量、容重和粘結力存在顯著交互相關性;在2m和10m采樣間距下,使用相同的變量,狀態(tài)空間方程在模擬土壤分離能力空間變異時均要優(yōu)于經典統(tǒng)計的線性回歸模型,尤其是在2m采樣間距下的模擬結果更好,狀態(tài)空間方程是一種模擬黃土高原坡面土壤分離能力的有效工具。(3)不同土壤類型和土地利用方式下土壤分離能力存在顯著性差異。對于紅膠土和黃綿土兩種土壤類型,黃綿土土壤分離能力均值是紅膠土的1.49倍;紅膠土耕地的土壤分離能力最大,其值分別是灌木、果園和草地的5.57、5.85和34.08倍;黃綿土耕地也是最易侵蝕的土地利用類型,其土壤分離能力均值分別是果園、灌木、林地、草地和荒地的7.14、12.29、25.78、28.45和46.43倍;土壤分離能力主要受土壤屬性、根系和耕作方式的影響,相關分析表明,土壤分離能力與水流剪切力、水流功率和粉粒含量呈顯著正相關,與砂粒含量、粘結力、水穩(wěn)性團聚體、中值直徑、有機質和根重密度呈顯著負相關;土壤分離能力可由水流功率、坡度、容重、中值直徑、粉粒含量、粘結力和根重密度進行較好的模擬(r2=0.89,nse=0.89)。(4)細溝可蝕性受土壤類型和土地利用方式的顯著影響。不同土壤類型下細溝可蝕性差異顯著,黃綿土細溝可蝕性是紅膠土的1.5倍;紅膠土耕地的細溝可蝕性最大,其后依次為果園、灌木和草地;黃綿土耕地也具有最大的細溝可蝕性,其值分別是果園、灌木、林地、草地和荒地的9.31、11.68、26.32、29.10和42.41倍;粉粒含量、土壤粘結力、水穩(wěn)性團聚體、有機質和根重密度對細溝可蝕性具有顯著性影響,隨著粉粒含量的增大,細溝可蝕性呈增大的趨勢,而隨著粘結力、水穩(wěn)性團聚體、有機質和根重密度的增大,呈變小的趨勢;WEPP模型預測方程對細溝可蝕性的模擬結果偏小,由粘結力、水穩(wěn)性團聚體和根重密度組成的非線性方程可對細溝可蝕性進行較好的預測(R2=0.86,NSE=0.83)。(5)自1938-2010年,紙坊溝小流域細溝可蝕性經歷了先迅速增大后逐漸減小的過程,表現(xiàn)出顯著的年際變化。細溝可蝕性隨年份呈開口向下的二次拋物線形狀,其數(shù)值自1938年的0.047 s m-1迅速增加到1958年的0.192 s m-1,隨后逐漸遞減,到2010年細溝可蝕性降至0.039 s m-1。1938年流域細溝可蝕性整體較小,侵蝕嚴重區(qū)域僅零星分布;1958到1978年的流域細溝可蝕性普遍較大,特別是流域中上游地區(qū);1987和1990年流域下游的細溝可蝕性較1978年變化不大,而上游的細溝可蝕性有所減弱;隨著退耕還林(草)工程的實施,2000和2010年流域細溝可蝕性的格局發(fā)生了根本性變化,流域細溝可蝕性整體較小。細溝可蝕性受土地利用變化的影響較大,細溝可蝕性與耕地面積呈顯著正相關,而與灌木和林地面積呈顯著負相關。
【關鍵詞】：坡面 小流域 土壤分離 細溝可蝕性 空間變異 黃土丘陵區(qū)
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：S157.1
【目錄】：

• 致謝4-6
• 摘要6-9
• ABSTRACT9-16
• 第1章 緒論16-43
• 1.1 選題背景及意義16-17
• 1.2 國內外研究進展17-42
• 1.2.1 土壤分離能力影響因素17-27
• 1.2.2 土壤分離能力預測27-28
• 1.2.3 細溝可蝕性影響因素28-34
• 1.2.4 土壤分離能力空間變異34-42
• 1.3 存在不足42-43
• 第2章 研究內容與方法43-55
• 2.1 研究區(qū)概況43-44
• 2.2 研究目標44
• 2.3 研究內容44-45
• 2.3.1 淺溝發(fā)育坡面土壤分離能力空間變異44
• 2.3.2 不同土壤類型和土地利用方式對土壤分離能力的影響44
• 2.3.3 不同土壤類型和土地利用方式對細溝可蝕性的影響44-45
• 2.3.4 小流域細溝可蝕性時空變異45
• 2.4 研究方法45-55
• 2.4.1 試驗設計45-48
• 2.4.2 土壤分離能力試驗48-51
• 2.4.3 細溝可蝕性計算51-52
• 2.4.4 土壤理化性質測定52-54
• 2.4.5 技術路線54-55
• 第3章 淺溝發(fā)育坡面土壤分離能力空間變異55-70
• 3.1 材料與方法56-58
• 3.2 土壤分離能力描述性統(tǒng)計分析58-62
• 3.2.1 土壤分離能力及影響因素的統(tǒng)計特征值58
• 3.2.2 不同坡位和淺溝部位土壤分離能力差異58-62
• 3.3 土壤分離能力空間變異特征62-66
• 3.3.1 地統(tǒng)計學分析62-64
• 3.3.2 土壤分離能力空間分布特征64-66
• 3.4 土壤分離能力影響因素66-68
• 3.4.1 相關分析66
• 3.4.2 主成分與最小數(shù)據(jù)組分析66-68
• 3.5 本章小結68-70
• 第4章 淺溝發(fā)育坡面土壤分離能力狀態(tài)空間模擬70-87
• 4.1 狀態(tài)空間模擬方法70-72
• 4.2 土壤分離能力變異程度72-73
• 4.3 土壤分離能力自相關和交互相關分析73-78
• 4.3.1 自相關分析73-76
• 4.3.2 交互相關分析76-78
• 4.4 土壤分離能力狀態(tài)空間模擬78-83
• 4.4.1 2m采樣間距下狀態(tài)空間方程78-81
• 4.4.2 10m采樣間距下狀態(tài)空間方程81-83
• 4.5 狀態(tài)空間模擬與線性回歸模擬比較83-86
• 4.6 本章小結86-87
• 第5章 土壤類型和土地利用方式對土壤分離能力的影響87-102
• 5.1 材料和方法87-89
• 5.1.1 樣點布設和樣品測定87
• 5.1.2 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析87-89
• 5.2 不同土壤類型下土壤分離能力的差異89-90
• 5.3 不同土地利用方式下土壤分離能力的差異90-92
• 5.3.1 紅膠土上不同土地利用方式下土壤分離能力的差異90
• 5.3.2 黃綿土上不同土地利用方式下土壤分離能力的差異90-92
• 5.4 小流域土壤分離能力空間變異影響因素92-98
• 5.4.1 水動力學參數(shù)92-94
• 5.4.2 土壤屬性94-97
• 5.4.3 根系97-98
• 5.5 土壤分離能力模擬98-100
• 5.6 本章小結100-102
• 第6章 土壤類型和土地利用方式對細溝可蝕性的影響102-117
• 6.1 細溝可蝕性的計算102-108
• 6.2 不同土壤類型下細溝可蝕性的差異108-109
• 6.3 不同土地利用方式下細溝可蝕性的差異109-111
• 6.3.1 紅膠土上不同土地利用方式下細溝可蝕性的差異109
• 6.3.2 黃綿土上不同土地利用方式下細溝可蝕性的差異109-111
• 6.4 細溝可蝕性空間變異影響因素111-114
• 6.5 細溝可蝕性模擬114-116
• 6.6 本章小結116-117
• 第7章 小流域細溝可蝕性時空變異117-124
• 7.1 數(shù)據(jù)與方法117-118
• 7.2 細溝可蝕性空間分布及其變化118-120
• 7.3 細溝可蝕性年際變化120-121
• 7.4 土地利用變化對細溝可蝕性的影響121-123
• 7.5 本章小結123-124
• 第8章 主要結論、進展及有待進一步研究的問題124-127
• 8.1 主要結論124-125
• 8.2 主要進展125-126
• 8.3 有待進一步研究的問題126-127
• 主要參考文獻127-150
• 作者簡介150-151

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 蔡強國,劉紀根;關于我國土壤侵蝕模型研究進展[J];地理科學進展;2003年03期

2 張光輝,劉國彬;黃土丘陵區(qū)小流域土壤表面特性變化規(guī)律研究[J];地理科學;2001年02期

3 傅伯杰,陳利頂,邱揚,王軍;黃土丘陵小流域土壤物理性質的空間變異[J];地理學報;2002年05期

4 蔡強國，，陸兆熊，王貴平;黃土丘陵溝壑區(qū)典型小流域侵蝕產沙過程模型[J];地理學報;1996年02期

5 張宗祜;;黃土高原土壤侵蝕基本規(guī)律[J];第四紀研究;1993年01期

6 張信寶,李少龍,王成華,潭萬沛,趙慶昌,張一云,嚴美瓊,劉亞倫,蔣錦江,肖舉樂,周杰;黃土高原小流域泥砂來源的~(137)C_S法研究[J];科學通報;1989年03期

7 張光輝;坡面薄層流水動力學特性的實驗研究[J];水科學進展;2002年02期

8 蔡強國,朱遠達,王石英;幾種土壤的細溝侵蝕過程及其影響因素[J];水科學進展;2004年01期

9 龐國偉;謝紅霞;李銳;楊勤科;;70多年來紙坊溝小流域土壤侵蝕演變過程[J];中國水土保持科學;2012年03期

10 江忠善;宋文經;;坡面流速的試驗研究[J];中國科學院西北水土保持研究所集刊;1988年01期

本文編號：889836