黃土坡耕地地表粗糙度對入滲、產(chǎn)流及養(yǎng)分流失的影響研究.pdf

1、黃土高原是我國坡耕地的主要分布區(qū)之一。由于降雨集中、坡度大、土壤抗侵蝕性弱及人們耕作管理活動等因素，該區(qū)也是水土流失主要的策源地。坡耕地嚴(yán)重水土流失，導(dǎo)致土壤及養(yǎng)分流失，降低土壤肥力和土地生產(chǎn)力，流失養(yǎng)分造成水體富營養(yǎng)化。坡耕地經(jīng)耕作管理后形成的高低起伏、凹凸不平的微地形，稱之為地表粗糙度，其特征與坡面土壤侵蝕密切相關(guān)。研究坡耕地地表粗糙度對入滲、產(chǎn)匯流過程及養(yǎng)分流失的特征，有助于探明地表粗糙度對土壤侵蝕機(jī)理的影響以及為坡耕地水土流失治

2、理提供科技支撐。因此，本研究在系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究資料基礎(chǔ)上，以點種、鋤耕、等高耕作和犁耕等4種耕作措施形成的地表粗糙度為研究對象，并以平整直線坡為對照組，采用室內(nèi)外人工模擬降雨試驗的方法，觀測了不同耕作方式下粗糙坡面微地形特征，以及對入滲、產(chǎn)流產(chǎn)沙與養(yǎng)分流失及泥沙顆粒機(jī)械組成特征等。獲取了以下主要結(jié)論。
　　(1)通過三維激光掃描儀獲取耕作后粗糙坡面高程模型(DEM)，利用Arc GIS分別提取了微地形坡度與坡向因子。分析表明

3、相對于平整坡面，粗糙坡面微地形坡度分在范圍為0°-80°之間。其中，點種坡面微地形坡度主要集中在10°-15°、20°-40°范圍內(nèi)，其臨界坡度分別為20°;同樣地，鋤耕坡面微地形坡度主要集中在10°-15°、20°-40°范圍內(nèi)，其臨界坡度分別為20°;犁耕坡面微地形坡度主要集中在5°-30°，其臨界坡度為15°。等高耕作坡面微地形坡度主要集中在5°-30°，其臨界坡度為30°。隨著坡面坡度的增加，小于臨界坡度的柵格數(shù)隨坡面坡度的增大

4、而減少，而大于臨界坡度的柵格數(shù)增加。另外，點種、鋤耕、等高耕作和犁耕坡面微地形坡向柵格數(shù)主要以南、西南或東南為主，即與試驗徑流小區(qū)出流口方向一致。同時隨坡面坡度增加，粗糙坡面微地形南、西南或東南坡向的柵格數(shù)逐漸增加，而其他坡向的柵格數(shù)逐漸減小。
　　(2)通過室內(nèi)人工模擬降雨試驗，利用土壤水分實時監(jiān)測技術(shù)獲取微地形特征點(凸處、凹處、平整處)、微坡面(cm2)與平整坡面(m2)的土壤含水量變化過程。研究結(jié)果表明粗糙坡面上凸處、洼處

5、、平整處等在降雨過程中洼處穩(wěn)定土壤含水量高于凸處與平整處?？梢?，低洼處具有蓄積、促進(jìn)降水入滲的能力。另外不同深度的土壤水分變化趨勢表明降雨過程中粗糙坡面土壤水分活動層為0-15cm，而平整坡面為0-10cm，進(jìn)一步說明粗糙度促進(jìn)坡面降水入滲深度。同時粗糙坡面上微坡面(cm2)與平整坡面(m2)的土壤水分變化過程相類似，這表明了微坡面與平整坡面產(chǎn)流方式一致。與平整坡面不同的是，粗糙坡面上微坡面產(chǎn)生的薄層徑流匯集在低洼處，從而延遲了坡面初始

6、產(chǎn)流時間。
　　(3)通過室內(nèi)人工模擬降雨試驗，粗糙坡面與平整坡面產(chǎn)流點位沿徑流方向的分布范圍分別為12-181 cm、42-180cm之間。同時兩處理坡面產(chǎn)流點位沿徑流方向上的變異系數(shù)分別為34.4％-52.1％、15.5％-31.1％。研究表明粗糙坡面產(chǎn)流點位較平整坡面在坡面空間分布更為分散。通過徑流小區(qū)人工模擬降雨試驗，可以看出相比于平整坡面，地表粗糙度具有推遲坡面初始產(chǎn)流時間的效應(yīng)。但是推遲產(chǎn)流效應(yīng)隨著坡度、雨強(qiáng)的增大而逐

7、漸減弱。預(yù)測初始產(chǎn)流時間與實測初始產(chǎn)流時間比值為2.2％-36.2％，表明地表粗糙度影響坡面初始產(chǎn)流時間的主導(dǎo)過程為通過增加入滲的間接作用，從而確定了地表粗糙度延遲坡面初始產(chǎn)流主導(dǎo)作用。
　　(4)通過三維激光掃描儀獲取降雨后各粗糙坡面高程模型(DEM)，利用ArcGIS提取坡面匯流流向、匯流密度等特征。結(jié)果表明在平整坡面匯流方向均為連續(xù)沿坡面向下流動，匯流密度值為13.08-17.06 m/m2之間。且隨著降雨強(qiáng)度、坡度的增大而

8、增大。粗糙坡面匯流流向多變，增加了匯流的蜿蜒度，匯流密度較小，其值為6.85-11.44 m/m2之間。相比于平整坡面，粗糙坡面匯流密度降低了31.7-51.5％。另外，由坡面徑流系數(shù)變化過程可知，粗糙坡面的徑流系數(shù)均少于平整坡面。將坡面匯流流向、匯流密度結(jié)合坡面徑流系數(shù)變化過程可知地表粗糙度通過蓄積水分，促進(jìn)降水入滲和增加坡面匯流流向多樣，降低匯流密度，從而造成坡面徑流連通性降低，徑流系數(shù)減少。但是隨著降雨強(qiáng)度、坡度增加，地表粗糙度聚

9、集坡面徑流，有利于坡面徑流連通的作用，導(dǎo)致粗糙坡面與平整坡面的徑流系數(shù)差異逐漸減少。因此，該結(jié)果為解釋地表粗糙度對坡面徑流連通的影響提供依據(jù)。
　　(5)通過室內(nèi)人工模擬降雨試驗，對比研究3種粗糙坡面處理分別為凸地、凹地和平整坡面上產(chǎn)流產(chǎn)沙、泥沙顆粒機(jī)械組成及其隨徑流和泥沙流失的可溶態(tài)和吸附態(tài)養(yǎng)分流失過程。結(jié)果表明總體而言，粗糙坡面可溶態(tài)養(yǎng)分流失量為凸地＞洼地＞平整坡;吸附態(tài)養(yǎng)分流失量為凸地＞平整坡＞洼地。徑流中養(yǎng)分流失主要以吸附

10、態(tài)為主，可溶態(tài)養(yǎng)分流失總量與坡面總產(chǎn)流量呈冪函數(shù)關(guān)系，吸附態(tài)氮流失總量與總產(chǎn)沙量呈冪函數(shù)關(guān)系，吸附態(tài)磷流失總量與總產(chǎn)沙量呈線性正相關(guān)關(guān)系。同時泥沙顆粒中粘粒含量為洼地＞凸地＞平整坡，相對于試驗原土，具有明顯的富集特征。粉粒、沙粒含量大小為凸地＞平整坡＞洼地。產(chǎn)沙過程中粘粒部分逐漸減少，粉粒和沙粒部分含量逐漸增加，隨著降雨歷時進(jìn)行，泥沙顆粒組成趨近于原土壤，進(jìn)一步闡明了粗糙度對坡面泥沙顆粒的侵蝕、搬運與沉積過程的影響。另外，吸附態(tài)氮、磷與