季节性冻融对黄土高原风水蚀交错区土壤可蚀性作用机理研究

发布时间：2020-09-07 17:55

　　 土壤可蚀性是评价土壤对侵蚀敏感程度的重要指标,是土壤侵蚀预报模型的重要参数,土壤可蚀性参数的量化表达及其影响因素一直是土壤侵蚀研究的前沿科学问题。针对黄土高原季节性冻融区土壤可蚀性变化及响应机制不足的研究现状,本论文以黄土高原风水侵蚀交错区三种壤土为研究对象,结合野外调查和气象资料,在室内模拟冻融过程,通过土壤理化性质测试、放水冲刷、模拟降雨和风洞试验,对冻融条件下土壤理化性质变化进行了研究,量化不同侵蚀营力作用下土壤可蚀性变化,揭示了冻融对土壤可蚀性的作用机理。研究结果可为黄土高原风水侵蚀交错区和季节性冻融区解冻期土壤侵蚀治理及预报提供科学参考。主要研究结论如下:(1)明确了冻融条件下不同土壤理化性质的变化。冻融使不同质地土壤结构遭到破坏,容重降低,孔隙度增大,质地粗化,水稳性团聚体含量减少,抗剪强度和坚实度降低。土壤理化性质变化幅度与土壤质地、冻融循环次数和土壤冻融前初始含水量显著相关(p0.05)。相同条件下,室外自然冻融后土壤理化性质变化趋势与室内模拟冻融相同,但是变化幅度总体小于室内模拟冻融。冻融条件下,同一类别因子的信息重叠,互相解释度较高,不同类别因子间相互作用和影响,且具有较强的相关性,其中,土壤质地类因子与其它因子相关性最强。土壤质地、结构、团聚体和强度类因子对冻融具有中高敏感性,而有机质对冻融属于弱敏感级因子。(2)揭示了冻融对土壤水蚀可蚀性影响,建立了冻融条件下土壤水蚀可蚀性的估算方法。基于EPIC和Dg模型,灌淤土和黄绵土可蚀性K值均与冻融循环次数呈显著正相关关系,随冻融环循环次数对数或线性函数的增加趋势与初始含水量有关。风沙土含水量较低时,K_(EPIC)值与冻融次数无显著相关关系(p0.05),而风沙土K_(Dg)值随冻融循环次数的增加呈减小趋势。冻融条件下,容重是影响K值最主要因素,土壤质地类因子中的粘粒含量(CLA)和颗粒几何平均直径(D_g)对土壤可蚀性直接或间接作用均较大,但对K值均存在双效应作用。冻融后土壤分离率与坡度、流量、初始含水量和冻融循环次数均呈显著正相关关系(p0.05)。冻融10次后,风沙土、灌淤土和黄绵土的分离率比未冻融土壤分别显著增加了0.59,0.58和0.96 kg m~(-2)s~(-1)(p0.05)。土壤水蚀可蚀性参数(K_r)随冻融循环次数的增加而增加并逐渐趋于稳定。冻融前,风沙土的平均K_r(0.28 s m~(-1))黄绵土(0.26 s m~(-1))灌淤土(0.25 s m~(-1));冻融10次后,黄绵土的平均K_r(0.65 s m~(-1))灌淤土(0.54 s m~(-1))风沙土(0.52 s m~(-1))。冻融后,3种土壤的临界剪切力(τ_c)均呈显著减小趋势(p0.05),不同初始含水条件下,平均τ_c大小为:灌淤土(0.54 Pa)黄绵土(0.52 Pa)风沙土(0.20 Pa)。冻融条件下,影响土壤可蚀性的关键指标包括:冻融循环次数(FT)、土壤粘粒含量(CLA)、土壤颗粒几何平均直径(D_g)、大于0.25 mm水稳性团聚体含量(WSA_(0.25))、容重(ρ_B)和土壤抗剪强度(τ)。以上指标也是影响冻融过程中土壤水蚀可蚀性参数(K_r)和临界剪切力(τ_c)的关键因素,可较好的用来估算土壤可蚀性参数:K_r=0.35e~(0.57FT)CLA~(-0.016)WSA~(-0.067)τ~(-0.03)ρ_B~(-0.189)(R~2=0.88,NSE=0.85);τ_c=0.0083e~(-0.128FT)CLA~(-0.174)D_g~(0.378)WSA~(0.099)τ~(1.132)(R~2=0.84,NSE=0.81)。(3)阐明了冻融对土壤风蚀可蚀性的影响,提出了土壤风蚀可蚀性参数的估算方法。初始含水量为2%和8%时,冻融前后不同土壤起动风速无显著差异(p0.05),含水量为4%和6%时,冻融后的不同土壤起动风速显著小于未冻融土壤(p0.05),其中黄绵土起动风速最小。冻融前后输沙率均随高度增加呈指数函数递减,风速对输沙率的贡献率(29.60%)土壤初始含水量(14.69%)土样类型(14.29%)冻融循环次数(7.10%)。土壤初始含水量是影响土壤风蚀强度最主要因素,贡献率为41.05%,风速、土壤类型和冻融循环次数对风蚀强度的贡献率相对较小,均在14%左右。相同条件下,融化后3种土壤风蚀强度显著大于未冻融土壤大于冻结后土壤(p0.05)。当含水量由4%增加到8%,相同冻融状态和风速条件下的黄绵土平均风蚀模数(8.42 g(m~2 min)~(-1))灌淤土(6.02 g(m~2 min)~(-1))风沙土(2.91 g(m~2 min)~(-1))。土壤风蚀可蚀性参数(K_风)与土壤冻融后含水量(DW)、冻融循环次数(FT)、土壤中值粒径(d_(50))、团聚体平均几何直径(MWD)、0.05-0.5 mm颗粒含量(WT _(0.05-0.5))、土壤抗剪强度(τ)和容重(ρ_B)之间存在良好的非线性关系:K_风=e~(0.015FT+14.97)DW~(-3.219)d_(50)~(0.456)MWD~(-0.103)WT0.05-0.5~(0.401)τ-1.389ρ_B-8.641(R~2=0.89,NSE=0.87)。(4)揭示了不同营力复合对土壤可蚀性的作用机制,建立了复合营力作用的土壤可蚀性估算方法。不同质地土壤冻融前后风沙流结构无显著差异(p0.05),冻融后的黄绵土和灌淤土0.7 mm颗粒含量风蚀后显著大于未冻融土样,冻融作用加剧了风蚀过程中下垫面的粗化。不同处理方式下,风沙土坡面平均产流开始时间(9.97 min)黄绵土(9.12 min)灌淤土(5.02 min)。相对于对照坡面,冻融和风蚀复合作用后,灌淤土坡面产流开始时间增加幅度(84.75%)黄绵土(72.13%)风沙土(44.75%)。产流稳定后,不同处理条件下的灌淤土坡面产流速率均大于黄绵土和风沙土,而入渗率与此相反。对照、风力作用后和冻融风力复合作用后的风沙土坡面累积产沙量(4.03、4.16和5.82 kg m~-22 h~(-1))黄绵土(3.50、4.11和5.54 kg m~-22 h~(-1))灌淤土(0.54、0.62和0.79 kg m~-22 h~(-1),p0.05)。而冻融后黄绵土坡面累积产沙量(5.56 kg m~-22 h~(-1))风沙土(5.24 kg m~(-2)h~(-1))灌淤土(0.65 kg m~-22 h~(-1))。不同质地土壤坡面冻融和风力复合作用后的土壤可蚀性最大,其次是冻融和风蚀单独作用后坡面,未做处理坡面土壤可蚀性最小。不同处理方式的风沙土和黄绵土坡面平均土壤可蚀性分别是灌淤土的7.10和6.74倍。复合作用下坡面土壤可蚀性参数(K_复)与单一营力作用下的土壤可蚀性参数呈较好的非线性相关关系:K_复=1.31K_0~(0.078)K_w~(-0.16)K_(FT)~(1.044)(R~2=0.96,NSE=0.92)。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S157.1
【部分图文】：

图 2-4 研究区冻土类型（左）及土壤类型和采样点位置（右）Fig 2-4 The type of freeze soil (left) and soil types and the location of sampling points (right)2.5 研究方法

图 2-5 土样装填、洒水及冻融处理Fig 2-5 Loading, sprinkling and freeze-thaw treatment of soil samples.5.2 冲刷试验1）土样装填及冻融处理

冲刷试验装置示意图

本文编号：2813653