退耕坡面产流产沙对植被刈割强度的响应

发布时间：2020-06-12 01:13

【摘要】：时至今日,黄土高原水蚀风蚀交错区退耕还林还草生态工程实施已达20年,植被覆盖度显著提高,土壤侵蚀得到有效控制。近几年来,相关研究表明该区部分地方出现因封育时间过长而导致的植被群落生长受到抑制,植物多样性下降,草地逐步退化,生态服务功能下降等问题,以及因植被盖度过高而出现的流域产流减少和土壤干层现象。相关研究也表明合理利用退耕坡面植被,可维持退耕坡面生态系统的良性发展。结合该区为我国北方农牧交错带的主要组成部分,是传统的畜牧业区域,植被的合理刈割将是草地利用与管理及解决牧草供需矛盾的有效手段,兼顾发挥植被的生态效益和经济效益。然而,该区域的首要问题是水土流失,研究退耕坡面植被刈割条件下坡面的产流产沙特征及植被的水沙的调控效应将是合理利用植被的科学前提。基于此,本研究采用野外人工模拟降雨的方法,研究退耕坡面在不同降雨强度(60mm/h、90mm/h和120mm/h)以及坡度(10°、20°和30°)条件下,坡面产流产沙过程、坡面流水动力学特性以及植被的水沙调控效应对植被刈割强度(完全刈割、重度刈割、轻度刈割、不刈割)的响应特征。主要结论如下:(1)关于刈割强度对坡面产流产沙特征的影响:不同刈割强度坡面的径流率与侵蚀速率随降雨历时的变化均可用幂函数方程进行拟合,且在较高刈割强度条件下拟合较好,决定系数较高。累积产流量、累积产沙量与降雨历时之间幂函数关系显著(P0.05)。降雨强度、坡度、刈割强度以及雨强与刈割强度的交互作用均对坡面产流量影响显著(P0.01)。其中,降雨强度和刈割强度对坡面产流量变化的贡献率分别为43.50%和37.20%。相同降雨强度和刈割强度条件下各坡度坡面产沙量表现为20°30°10°,存在临界坡度现象。降雨强度、坡度、刈割强度、雨强与坡度交互作用以及雨强与刈割强度的交互作用等均对坡面产沙量影响显著(P0.05)。其中,刈割强度、降雨强度与坡度因子对坡面产沙量变化的贡献率分别为33.61%、21.05%和16.40%。刈割强度对产流量变化的影响稍大于对产沙量变化的影响。(2)关于刈割强度对坡面流水动力学参数的影响:在相同条件下断面平均流速与降雨强度和坡度均呈正相关关系。相同降雨强度和坡度条件下断面平均流速随刈割强度的增加而增加,且与降雨历时之间幂函数关系显著(P0.05)。相同坡度、刈割强度条件下径流深、径流剪切力、水流功率随降雨强度的增加而增加。径流深、径流剪切力随刈割强度的变化则因降雨强度和坡度的不同而存在差异。相同降雨强度或坡度条件下,阻力系数f和曼宁糙率系数n均随刈割强度减小而增加。降雨强度、坡度和刈割强度及其交互作用对各坡面流水动力学参数变化的贡献率各有不同。(3)关于刈割强度对坡面流水动力学参数与水沙响应关系的影响:断面流速、径流深、径流剪切力和水流功率与坡面产流量间相关性显著(P0.05)。径流深、径流剪切力及水流功率与产流量之间存在较好地幂函数关系。各坡面流水动力学参数与产沙量间的相关关系因植被刈割强度条件的不同而有所差异。各坡面流水动力参数与产沙量之间的关系基本可用幂函数关系进行描述。本试验不同处理条件下单位面积产流量与单位面积产沙量之间正相关关系显著(P0.01),且单位面积产流量与单位面积产沙量之间满足线性回归关系,决定系数为0.704。(4)关于刈割强度对植被水沙调控效应的影响:相同坡度和降雨强度条件下,植被减水效益与刈割强度间负相关关系显著(P0.01),相关系数为-0.732。各刈割强度条件下植被减水效率介于13.93%~79.55%之间。在相同坡度和刈割强度条件下,坡面植被减水效益与降雨强度间负相关关系显著(P0.05),相关系数为-0.380。各降雨强度条件下植被减水效率介于40.43%~69.27%之间。坡面植被的减沙效率在各试验处理条件下均可达80%以上的较高水平。减沙效益随降雨强度和刈割强度的增长均呈现减小趋势。各坡度条件下减沙效率的大小表现为10°30°20°。相同坡度和降雨强度条件下,植被减流速效益与刈割强度间负相关关系显著(P0.01),相关系数为-0.873。各降雨强度条件下植被减流速效率介于38.17%~82.98%之间。
【图文】：

模拟降雨,试验过程,图片,喷头

为下喷式降雨器，由控制台、水压传感器、水箱、水泵，支架、喷头和软管组成。喷头为美国 SPAYING SYSTEMS CO 公司生产的 FULLJET 旋转下喷式降雨喷头，本降雨器所用的为 2#、3#和 4#共 3 种规格的喷头。该人工模拟降雨系统由控制台中的微处理器控制水泵（图 1），对水箱中的水恒压输出压力，再经几何中心供水法等分压力后通过软管输送于按一定距离布置的喷头喷出。不仅能稳定给予水滴一定的初始动能，有效模拟自然降雨打击力度，而且通过 3 种喷头的不同组合及供水压力变化达到动态调整降雨强度的目的，模拟雨强范围为 10～200 mm/h，模拟精度±5 mm/h且均匀度大于 80%。（7）降雨试验过程在每场降雨试验前，先用测钎长度 12 cm 的 TDR（Time Domain Reflectometer）对径流小区的表层土壤含水量进行测定，通过预降雨或晾晒等方式保证每场降雨试验前期含水量大致相同后进行试验。根据以往室内降雨试验资料和野外实测土壤含水量值，，将本试验的前期土壤含水量控制在 10%～15%之间。每场试验降雨历时为 60 min，试验尽量安排在无风的天气下进行，为尽可能降低风的干扰，试验时在小区两侧搭有防风篷布。

刈割强度,均值,坡面产流

图 3-2 20°坡面径流率均值随刈割强度变化由图 3-2 可知，在坡度条件一定时，径流率均值随刈割强度的增加而增大，说明植被地上部分的刈割促进了坡面产流进程，使得坡面产流状况加剧。并且，径流率均值的标准差也随刈割强度的增加而增加，说明刈割强度的增加使得径流率更易受到雨强因素的影响，随降雨历时变化波动加剧，径流率波动范围增加。换言之，随着坡面植被地上部分覆盖的增加，植被对坡面产流过程的调控作用也将逐渐增强。从图 3-2中径流率均值折线斜率还可知，当径流率均值在刈割强度 HU 与 CU 之间增幅最大，径流率增长较其他刈割强度之间更为显著。需要说明的是为便于研究不同降雨强度条件下坡面产流过程变化特征
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S157

【相似文献】