黄土坡面牧草植被过滤带降雨径流调控效应模拟研究

发布时间：2020-09-02 18:08

　　 坡面牧草植被过滤带通常沿坡线垂直方向分段布设。不仅可阻止坡面径流、泥沙、污染物下移,且其生物量还可作为饲料、燃料、生物质能源等原材料,是一种兼顾生态与经济双重功能的水土保持措施。揭示坡面牧草植被过滤带降雨调控效应及其机理,并建立科学的评价方法,是实施该项措施的理论基础,对提升其综合效益具有重要作用。本研究以黄绵土为供试土壤,选取黄土高原四种典型牧草品种(白三叶、鸡脚草、小冠花和百脉根),构建牧草植被过滤带,采用土箱人工降雨—放水模拟试验和数值模拟方法,对上述问题进行了较为系统的研究,初步取得以下进展:(1)阐明了牧草植被过滤带对土壤物理性质的改良作用。牧草植被过滤带对其土壤物理性质有显著影响,牧草品种及其生长阶段是产生差异的主要原因。生长3年的牧草植被过滤带(2014-2016年)为例,4种牧草植被过滤带土壤持水性能均有所改善,土壤有效水含量提高1.7-2.4%;土壤残余含水量、饱和含水量均无规律性变化;白三叶、鸡脚草和小冠花处理土壤容重降低2.9-4.4%,百脉根处理土壤容重提高0.7%。三年内百脉根处理土壤饱和导水率连续下降,幅度达1.3 cm h~(-1),白三叶和小冠花处理则连续提高,幅度分别达1.8 cm h~(-1)和1.1 cm h~(-1),鸡脚草处理在2016年返青期(5月份)土壤饱和导水率最大,为4.3 cm h~(-1)。(2)考虑土壤物理参数,对植被过滤带物质迁移模型(VFSMOD)进行了修正,模型可信度较高。以往植被过滤带坡面减流减沙效益研究多从植被形态和植被过滤带几何尺寸角度展开,未考虑植被过滤带对土壤物理性质的改良作用。本文基于试验观测,修改模型参数,构建了考虑土壤物理性质的坡面牧草植被过滤带减流减沙数值模拟新方法。模拟结果可信,决定系数在0.80以上,纳什系数在0.85以上。PAWN和EET敏感性分析一致表明牧草植被过滤带坡面减流主要受土壤饱和导水率、土壤初始含水量和牧草植被过滤带宽度影响,敏感性系数为0.67、0.31和0.17;坡面减沙主要受土壤饱和导水率,植被茎秆间距和牧草植被过滤带宽度影响,敏感性系数为0.16、0.17和0.84。饱和导水率等土壤物理性质参数对坡面径流、泥沙输出有显著影响。(3)初步揭示了坡面牧草植被过滤带降雨径流调控效应机理,发展了相应的评价指标与方法。研究提出将一定时段内,降雨径流调控后土壤储水下降量减去调控前(裸地)土壤储水下降量作为土壤储水损失量(Ws)。以调控后泥沙输出减少量(Sr)为分母,以调控后蒸散增量(Wet)、截留增量(Wint)、径流减少量(Wr)和土壤储水损失量(Ws)为分子,分别得到蒸散增量减沙比(WSet)、截留增量减沙比(WSint)、用水减沙比(WSr)和储水损失减沙比(WSs)。相较以往WSr等指标,WSs考虑了降雨间隔时期降雨径流调控效应。WSs将调控前后土壤储水变化和减沙效益结合起来,其土壤储水变化由土壤水补给变化和消耗变化共同决定,即:WSs=WSet+WSint-WSr,为同步缓解水土流失和干旱缺水提供了新评价指标。基于模拟试验得出:2016年生长季4种牧草植被过滤带和裸地土壤储水量均下降。相对裸地,4种牧草植被过滤带2016年生长季径流减少88.2-144.9 mm,其幅度小于蒸散增量与截留增量之和,导致4种牧草植被过滤带处理土壤储水下降量大于裸地土壤储水下降量16.0-50.8 mm。4种牧草植被过滤带WSs为9.4-36.5 m~3 t~(-1),即相比裸地,牧草植被过滤带每拦蓄1 t泥沙需多消耗9.4-36.5 m~3土壤水,不同牧草品种WSs值差异明显。(4)建立了综合考虑生态与经济指标的牧草植被过滤带综合效益评价模型。2014-2016年生长季内牧草植被过滤带植被叶片净光合速率在6-24μmol CO_2 m~(-2) s~(-1)之间波动,鸡脚草平均值最大,为17.4μmol CO_2 m~(-2) s~(-1)。随土壤水分降低,白三叶光合作用受胁迫最为明显且发生非气孔胁迫,这主要与根系分布和土壤水利用来源有关。鸡脚草、百脉根、小冠花和白三叶植被过滤带2014-2016年生长季平均生物量分别为:0.88、0.39、0.35和0.30 kg m~(-2)。在结合牧草植被过滤带植被生理生态特征基础上,综合考虑坡面减流量、坡面减沙量、土壤蓄水量、生物量及光合作用等5类观测指标,以牧草植被过滤带生态效益为主,兼顾经济效益,构建多目标评价模型。结果表明:本试验条件下白三叶、鸡脚草和小冠花综合效益为“良”,百脉根为“差”,4种牧草品种中,白三叶生态效益最优,鸡脚草经济效益最优。建议在黄土坡面构建牧草植被过滤带时优先考虑白三叶、鸡脚草和小冠花三个牧草品种。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S157.43
【部分图文】：

图 1-1 VFSMOD 植被过滤带模型交互界面Figure 1-1 The interface of VFSMOD被过滤带土壤水分效应植被过滤带是一种水土保持植被措施，植被通过蒸腾作用和根系吸，维持自身生长。坡面布设植被过滤带后，土壤水分消耗、补给、储被过滤带土壤水分可持续利用的重要问题。在我国南方等水资源相植被过滤带较少遭遇土壤水分亏缺，而对于黄土高原等季节性干旱土壤水分效应研究显得尤为必要。坡面植被过滤带作为一种坡面降其自身目的在于同步解决干旱缺水与水土流失并存两大难题（吴普。通过促进雨水入渗过程，其实现了水土保持功能，而坡面植被过滤水问题，目前研究结论尚不一致。其原因在于土壤水分储量不但与壤水分补给有关，且与蒸散发等土壤水分消耗过程有关。研究坡面沙效益同时探讨其对土壤水分的影响能够全面认识其降雨径流调控降雨径流调控功能。研究关注到植被过滤带对土壤水分消耗情况。通常而言，良好的植

第二章 研究内容与研究方法第二章 研究内容与研究方法究方法与技术路线试验采取试验研究和模型定量模拟相结合的基本思路。选择四种代表性箱内建造植被过滤带，2014-2016 三年内连续开展试验。在不同时期开展和单独放水试验。试验中设置不同坡面上方来水来沙情景，观测各时期带对坡面降雨减流减沙特征。同时长期定期监测植被过滤带调控后土壤被形态特征、土壤水分和牧草干物质变化情况。从土壤学、水文学、植物学等角度出发，结合模拟试验与数值模型，发展相应评价指标，从坡面牧降雨调控中减流减沙效益、缓解干旱缺水效益及植被过滤带经济效益等牧草植被过滤带降雨调控效应及其机理并建立科学评价方法，以期为提滤带生态、经济综合效益提供理论依据。研究技术路线如图 2-1 所示：

图 2-2 微型径流小区装填Figure 2-2 Soil Flume Filling表 2-2 试验安排和编号Table 2-2 Experiment design ofts输入径流速率Runoff-in（m3/h）径流泥沙浓度Sedimentconcentration(g cm-3)降雨量Rainfall depth（mm）牧草Spn0.2016 0.07 - 白0.2016 0.07-鸡0.2016 0.07-百0.2016 0.07-小0.2016 0.04-白0.2016 0.04-鸡0.2016 0.04-百0.2016 0.04-小0.1008 0.07-白

本文编号：2810924