黄土区土壤水文物理特性及流域产汇流机制变化对植被恢复的响应

发布时间：2020-06-12 23:28

【摘要】：土壤及其地表植被是影响降雨入渗、蒸发及产汇流等水文循环的重要界面。为了控制水土流失,黄土高原地区一直重视植被的建设和恢复,特别是1999年以来的退耕还林草措施的实施,区域植被盖度已从二十世纪80年代的28.8%增长到2012年的43.8%;与此同时,黄河花园口站径流量及输沙量由1980年之前的446亿立方米和12.8亿吨减少到2000年以来的251亿立方米和1.0亿吨。黄土高原规模化的植被建设与恢复不仅有效减少了坡面的土壤侵蚀量,同时改变了土壤水文物理性质,进而对坡面产流产沙和流域产汇流机制产生重大影响。植被恢复在黄河水沙变化中的所起的作用强度已经受到极大关注,亦是科学回答黄河水沙减少的关键之一。本研究以位于黄河中游且经历长期植被恢复的延河流域为研究区,选择不同恢复年限的刺槐林、柠条林和草地为研究对象,通过野外和室内试验,研究了植被恢复对土壤水文物理性质、坡面产流产沙和流域产汇流机制的影响。主要结论如下:(1)植被恢复显著降低土壤容重、增加团聚体含量和通气孔隙度、提高土壤持水和供水能力、增大土壤饱和导水率。与农地相比,刺槐林土壤容重减小4.8%,柠条林减小8.2%,草地减小7.4%,且土壤容重减小比例随植被恢复年限的增加而增大;植被恢复样地0.25 mm土壤团聚体含量相比农地增加73.1%,且刺槐林柠条林草地;除刺槐林外,柠条林和草地土壤通气孔隙度分别较农地增加39.7%和35.1%;植被恢复地的土壤持水和供水能力在低压力水头(100 cm H_2O)下均高于农地,且表现为柠条林草地刺槐林;研究区10个样地平均土壤饱和导水率介于10.7~18.6 mm h~(-1)之间,刺槐林、柠条林和草地分别是农地的1.2、1.6和1.3倍,且随植被恢复年限增加而增大。(2)植被恢复显著提高土壤入渗能力。植被恢复样地的土壤初始入渗率、稳定入渗率和平均入渗率分别是农地的1.5、2.1和2.5倍,表现为柠条林草地刺槐林,且随植被恢复年限的增加呈增大趋势;相同条件下,植被恢复样地表层平均入渗深度是农地的1.22倍,20 cm以下土层是农地的1.16倍;基于主成分分析综合评价土壤入渗能力表明,表层土壤入渗能力排序为40年柠条林40年草地20年草地15年柠条林25年刺槐林农地35年刺槐林;20 cm以下土层入渗能力排序为40年柠条林40年草地15年柠条林25年刺槐林35年刺槐林20年草地农地。入渗模型对研究区土壤入渗过程的拟合优度为蒋定生模型Horton模型Philip模型Kostiakov方程。(3)植被恢复具有延长坡面产流时间,增加入渗,减少产流产沙量的作用,且土壤容重和0.25 mm团聚体含量是影响植被减流和减沙效益的主要土壤水文物理参数。与农地相比,植被地上部分延长产流时间140%,减少径流量15%,植被恢复地原状坡面不产沙;植被地上部分的滞时效益和减流效益均表现为草地柠条林刺槐林;植被恢复原状和根系坡面降雨入渗补给系数分别是农地1.32和1.24倍,且整体表现为柠条林草地刺槐林;植被地下部分能延长产流时间120%,减少径流量50%,减少产沙量94%;地下部分滞时效益和减流效益表现为柠条林草地刺槐林,减沙效益刺槐林草地柠条林;地下生物量显著影响植被地下部分的滞时效益,而土壤容重和0.25 mm团聚体含量显著影响植被减流和减沙效益。(4)土壤容重变化显著影响坡面产流产沙及坡面流水动力学特性。坡面产流时间随容重增大而缩短、产流量随容重增大递增;产沙量在60和90 mm h~(-1)雨强下随容重增大递增,但在120 mm h~(-1)雨强下随容重增大先减少后增加。坡面平均流速、径流深、雷诺数、弗劳德数和水流功率均随土壤容重增大而增大,达西阻力系数和曼宁糙率系数随容重增大而减小;水流剪切力在60和90 mm h~(-1)雨强下随容重增大先增大后减小,在120 mm h~(-1)雨强下随容重增大先减小后增大。土壤坡面产沙量与平均流速呈指数关系,与径流深呈二次函数关系,与雷诺数和弗劳德数呈幂函数关系,与达西阻力系数呈幂函数关系,与曼宁系数呈指数函数关系,与水流剪切力呈线性关系,与水流功率呈幂函数关系,雷诺数和水流功率是表征坡面产沙量的最优水动力学参数。(5)长期的植被恢复影响流域产汇流特征,使流域产流机制存在由超渗产流向混合及蓄满产流转变的趋势。辨析延河支流西川河流域不同时期流域产汇流机制表明,随流域内植被变化,尽管西川河流域仍以超渗产流为主,但其比例逐渐减少,而超渗和蓄满产流的比例增加。西川河91场洪水降雨量和降雨强度均具有上升倾向,径流深、地表径流占比和径流系数均呈下降趋势,洪水历时、洪峰滞时和消退时间有增加趋势而洪峰流量有减小趋势。径流深与降雨量(P)和前期影响雨量(Pa)之和呈幂函数关系,与平均降雨强度无显著关系,与最大降雨强度呈幂函数关系,且2008年后径流深对P+Pa的依赖性增强而对降雨强度的依赖性减弱。相比1974-1979年,洪水径流成分以地表径流和壤中流的洪水比例在1980-1988年和2008-2016年有所减少,而以地表径流、壤中流、地下径流和饱和地表径流的洪水比例增加。流域植被覆盖度的增加,耕地的减少,林草地的增加导致流域地下水出流能力和土壤入渗能力增强、流域蓄水容量增大、调蓄能力增强是引起产汇流机制变化的根本原因。
【图文】：

过程图,流域汇流,过程

西北农林科技大学博士学位论文10包括坡地汇流和河网汇流（图1-1）。坡地汇流指降落在坡面上的雨水形成地面径流和地下径流（壤中流和地下径流），再经过坡地调蓄向河槽汇注的过程。河网汇流指注入河槽的坡地水流和降雨在河流水面上的雨水经过河槽调蓄，汇集至流域出口断面的过程。坡地汇流的地面径流受到地面阻力大于河道水流，，流速小，但流程短，汇流时间短；坡地壤中流和地下径流的流速极小，汇流时间较长。河网汇流由于其路径长，可能存在几小时、甚至几天的汇流时间。图1-1 流域汇流过程Fig. 1-1 The process of runoff confluence in a basin十九世纪开始出现汇流理论研究，进一步发展时期是在二十世纪中叶（于维忠和芮孝芳 1981）。1871年，圣维南方程组的提出为汇流理论研究提供了基础。J.A塞当于1900年提出洪水波和波速公式。1921年，Ross提出等流时线法（面积—时间曲线）。1931年

技术路线图

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【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S157

【参考文献】