降雨和汇流对典型黑土区农耕地侵蚀过程的影响研究
发布时间：2020-10-25 23:20
防治东北黑土区农耕地土壤侵蚀对保证我国粮食安全具有重要的意义。据此,本文以黑龙江省宾县和吉林省榆树市侵蚀严重区农耕地为研究对象,以水蚀过程中两种主要侵蚀动力—降雨和汇流为切入点,采用田间定位模拟试验和室内模拟降雨及汇流冲刷相结合的研究方法,研究了侵蚀性降雨雨型对典型黑土区农耕地土壤侵蚀过程的影响,分析了降雨和汇流作用对侵蚀方式以片蚀或沟蚀为主的农耕地侵蚀的影响和贡献,分别建立了适用于典型黑土区农耕地包含降雨和汇流双重作用的侵蚀产沙模型,评价了秸秆覆盖措施对农耕地坡面侵蚀和沟蚀的防治效果。主要结论如下:(1)揭示了降雨强度对黑土区农耕地侵蚀产沙过程及团聚体流失的影响。次降雨过程中降雨强度对农耕地径流量和侵蚀量具有显著的影响。90 mm h-1降雨强度下径流量分别为30和60 mm h-1降雨强度下径流量的11.1和1.75倍,侵蚀量分别为1364.9和3.50倍。次降雨前20 min的侵蚀量占整个降雨过程总侵蚀量的比例随着降雨强度的增加而增大,30、60和90 mm h-1降雨强度下,其比例分别为29.1%、48.9%和63.1%。侵蚀泥沙中流失团聚体粒级分布主要受雨强的影响,30 mm h-1降雨强度下,侵蚀泥沙中团聚体流失以0.25 mm粒级团聚体为主,占团聚体流失总量的90%;90 mm h-1降雨强度下,侵蚀泥沙中团聚体流失以0.25 mm粒级和2~5 mm粒级团聚体为主,二者分别占团聚体流失总量的31.7%和31.2%。(2)阐明了侵蚀性降雨雨型对黑土区农耕地侵蚀过程的影响。试验设计了3种变雨强雨型和1种均匀雨强雨型,其中减弱型降雨(雨强由大到小)引起的侵蚀量最大,其分别是均匀型、延迟型(雨强由小到大)和峰值型(最大降雨强度分布在降雨历时中间阶段)降雨侵蚀量的1.03、1.36和2.68倍。当中大雨强位于次降雨过程初始时段时,与位于其他时段相比其侵蚀量对总侵蚀量的贡献率更大。(3)分析了降雨和汇流作用对侵蚀方式以片蚀或沟蚀为主的农耕地侵蚀产沙的影响及其贡献。两种侵蚀方式下,在总水量相同的降雨汇流组合试验中,坡面径流量和侵蚀量随着降雨强度增加的幅度皆明显大于随着汇流强度增加的幅度。在侵蚀方式为以片蚀为主时,增加50 mm h-1降雨强度,坡面径流的增加率和侵蚀的增加率分别为45.10%和95.28%;增加50 mm h-1汇流强度,坡面径流的增加率和侵蚀的增加率分别为35.61%和48.38%。当侵蚀方式为以沟蚀为主时,增加50 mm h-1降雨强度,坡面径流的增加率和侵蚀的增加率分别为50.49%和95.50%;增加50 mm h-1汇流强度,坡面径流的增加率和侵蚀的增加率分别为43.83%和67.95%;两种侵蚀方式下,降雨和汇流对坡面侵蚀的影响大于对坡面径流的影响,且降雨作用对侵蚀的贡献大于汇流作用对侵蚀的贡献。片蚀为主时,汇流作用对侵蚀的贡献仅为降雨作用对侵蚀贡献的50.77%;沟蚀为主时,汇流作用对侵蚀的贡献仅为降雨作用对侵蚀贡献的71.15%,反映了汇流作用对沟蚀为主农耕地侵蚀的影响大于对片蚀为主农耕地侵蚀的影响。(4)建立了适用于我国东北黑土区的农耕地侵蚀模型。基于降雨和汇流双重作用下两种侵蚀方式农耕地侵蚀产沙特征及水动力学机理分析,分别建立了侵蚀方式以片蚀和沟蚀为主的农耕地产流模型和侵蚀模型,且模型具有较高的预报精度。所建立的模型不仅适用于侵蚀方式以片蚀为主和沟蚀为主的区域,且模型中还包含降雨和汇流双重侵蚀动力因子,更适用于东北黑土区长坡长侵蚀环境下降雨和汇流共同作用的农耕地侵蚀预报。(5)初步探索了东北黑土区沟蚀发育过程。侵蚀沟发育初期,以溯源侵蚀为主并伴随一定程度的沟壁崩塌,侵蚀沟长度较原始形态增加了105.1%。侵蚀率较大且随降雨历时波动较强。侵蚀沟发育中后期,溯源侵蚀减弱,侵蚀沟发育以沟壁崩塌为主,侵蚀沟宽度随汇流坡长变化的波动幅度增大。尽管不同沟蚀发育阶段径流量的变化相对稳定,但是随着沟蚀发育程度的增加,坡面总侵蚀量、沟蚀量和沟蚀比例呈现下降的趋势。(6)探讨了秸秆覆盖措施对农耕地坡面片蚀和沟蚀的防治效果。随着秸秆覆盖量的增加,坡面径流量和侵蚀量呈降低趋势。大雨强条件下(90 mm h-1),坡面覆盖1 kg m-2玉米秸秆(低覆盖处理)可使坡面径流量减少76.08%,侵蚀量减少99.98%;高覆盖处理(4 kg m-2)对侵蚀的减少量达100%。沟头秸秆覆盖能显著减少坡面总侵蚀量和沟蚀量,两种沟蚀发育阶段下,与沟头无秸秆覆盖处理相比,沟头秸秆覆盖处理坡面总侵蚀量分别减少67.5%和76.7%,沟蚀量分别减少72.3%和69.1%。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：S157.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究进展
1.2.1 坡面土壤侵蚀过程研究
1.2.2 沟蚀发育过程研究
1.2.3 秸秆覆盖措施防蚀效果研究
1.3 亟需解决的科学问题
第二章 研究内容与方法
2.1 研究目标与内容
2.1.1 研究目标
2.1.2 研究内容
2.2 技术路线
2.3 研究方法
2.3.1 典型黑土区农耕地侵蚀过程定位模拟试验研究
2.3.2 降雨和汇流对典型黑土区农耕地侵蚀过程的影响研究
2.3.3 秸秆覆盖对典型黑土区农耕地侵蚀过程的影响分析
2.3.4 典型黑土区农耕地沟蚀发育过程研究
2.3.5 数据分析与处理
第三章 典型黑土区农耕地侵蚀过程的定位模拟试验研究
3.1 不同降雨强度下农耕地侵蚀产沙特征
3.1.1 不同雨强下农耕地侵蚀产沙对比
3.1.2 降雨强度对农耕地侵蚀过程的影响
3.2 不同雨型下农耕地侵蚀产沙特征
3.2.1 不同雨型下的农耕地侵蚀产沙对比
3.2.2 次降雨过程中雨强分布对农耕地径流和侵蚀的贡献
3.2.3 雨型对农耕地侵蚀过程的影响
3.3 农耕地团聚体流失特征分析
3.3.1 侵蚀泥沙团聚体粒级分布
3.3.2 表征团聚体流失的特征指标
3.4 小结
第四章 降雨和汇流对片蚀为主农耕地侵蚀过程的影响
4.1 降雨和汇流对农耕地侵蚀产沙的影响
4.2 不同降雨汇流组合下农耕地侵蚀过程对比
4.2.1 产流过程分析
4.2.2 侵蚀过程分析
4.3 降雨和汇流对农耕地侵蚀产沙的贡献分析
4.3.1 降雨侵蚀的贡献分析
4.3.2 汇流作用的贡献分析
4.3.3 降雨和汇流共同作用的侵蚀贡献分析
4.4 降雨汇流双重作用下径流水力学特征及水动力学机制
4.4.1 降雨汇流双重作用下的径流水力学特性
4.4.2 农耕地侵蚀发生时径流临界水动力学条件定量分析
4.5 降雨汇流双重作用下农耕地侵蚀模型构建
4.5.1 产流模型的建立
4.5.2 侵蚀模型的建立
4.5.3 模型验证
4.6 小结
第五章 降雨和汇流对沟蚀为主农耕地侵蚀过程的影响
5.1 降雨和汇流对农耕地侵蚀产沙的影响
5.2 不同降雨汇流组合下的农耕地侵蚀过程对比
5.2.1 产流过程分析
5.2.2 侵蚀过程分析
5.3 降雨和汇流对农耕地侵蚀产沙的贡献分析
5.3.1 降雨侵蚀的贡献分析
5.3.2 汇流作用的贡献分析
5.4 降雨汇流双重作用下径流水力学特征及水动力学机制
5.4.1 降雨汇流双重作用下的径流水力学特性
5.4.2 侵蚀发生时径流临界水动力学条件定量分析
5.5 降雨汇流双重作用下农耕地侵蚀模型构建
5.5.1 产流模型建立
5.5.2 侵蚀模型建立
5.5.3 模型验证
5.6 小结
第六章 两种侵蚀方式下农耕地侵蚀产沙特征对比分析
6.1 两种侵蚀方式下降雨与汇流侵蚀产沙对比
6.2 两种侵蚀方式下降雨与汇流侵蚀过程对比
6.2.1 降雨和汇流作用下两种侵蚀方式的侵蚀产沙过程
6.2.2 降雨和汇流双重作用下两种侵蚀方式的侵蚀产沙过程
6.3 两种侵蚀方式下降雨和汇流对侵蚀产沙的贡献分析
6.3.1 降雨侵蚀的贡献分析
6.3.2 汇流作用的贡献分析
6.4 两种侵蚀方式下侵蚀发生时径流临界水动力条件对比
6.5 基于降雨和汇流双重作用的农耕地片蚀和沟蚀模型对比
6.6 小结
第七章 农耕地沟蚀发育过程的模拟试验研究
7.1 沟蚀发育过程分析
7.2 沟蚀发育不同阶段坡面侵蚀产沙特征
7.3 沟蚀发育不同阶段侵蚀沟形态特征
7.4 沟蚀发育不同阶段径流水动力参数变化
7.5 小结
第八章 秸秆覆盖对典型黑土区农耕地侵蚀的防蚀效果研究
8.1 秸秆覆盖对农耕地侵蚀产沙特征的影响
8.1.1 秸秆覆盖对农耕地产流时间的影响
8.1.2 不同秸秆覆盖水平下农耕地侵蚀产沙对比
8.1.3 秸秆覆盖对农耕地侵蚀过程的影响
8.2 沟头秸秆覆盖对沟蚀发育的影响
8.2.1 沟头秸秆覆盖对不同发育阶段侵蚀沟侵蚀产沙的影响
8.2.2 沟头秸秆覆盖对不同发育阶段侵蚀沟侵蚀产沙过程的影响
8.2.3 沟头秸秆覆盖下不同发育阶段侵蚀沟径流水动力学机理分析
8.3 小结
第九章 主要结论与研究展望
9.1 主要结论
9.2 主要创新点
9.3 研究展望
参考文献
致谢
作者简介
【参考文献】
本文编号：2856113
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：S157.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究进展
1.2.1 坡面土壤侵蚀过程研究
1.2.2 沟蚀发育过程研究
1.2.3 秸秆覆盖措施防蚀效果研究
1.3 亟需解决的科学问题
第二章 研究内容与方法
2.1 研究目标与内容
2.1.1 研究目标
2.1.2 研究内容
2.2 技术路线
2.3 研究方法
2.3.1 典型黑土区农耕地侵蚀过程定位模拟试验研究
2.3.2 降雨和汇流对典型黑土区农耕地侵蚀过程的影响研究
2.3.3 秸秆覆盖对典型黑土区农耕地侵蚀过程的影响分析
2.3.4 典型黑土区农耕地沟蚀发育过程研究
2.3.5 数据分析与处理
第三章 典型黑土区农耕地侵蚀过程的定位模拟试验研究
3.1 不同降雨强度下农耕地侵蚀产沙特征
3.1.1 不同雨强下农耕地侵蚀产沙对比
3.1.2 降雨强度对农耕地侵蚀过程的影响
3.2 不同雨型下农耕地侵蚀产沙特征
3.2.1 不同雨型下的农耕地侵蚀产沙对比
3.2.2 次降雨过程中雨强分布对农耕地径流和侵蚀的贡献
3.2.3 雨型对农耕地侵蚀过程的影响
3.3 农耕地团聚体流失特征分析
3.3.1 侵蚀泥沙团聚体粒级分布
3.3.2 表征团聚体流失的特征指标
3.4 小结
第四章 降雨和汇流对片蚀为主农耕地侵蚀过程的影响
4.1 降雨和汇流对农耕地侵蚀产沙的影响
4.2 不同降雨汇流组合下农耕地侵蚀过程对比
4.2.1 产流过程分析
4.2.2 侵蚀过程分析
4.3 降雨和汇流对农耕地侵蚀产沙的贡献分析
4.3.1 降雨侵蚀的贡献分析
4.3.2 汇流作用的贡献分析
4.3.3 降雨和汇流共同作用的侵蚀贡献分析
4.4 降雨汇流双重作用下径流水力学特征及水动力学机制
4.4.1 降雨汇流双重作用下的径流水力学特性
4.4.2 农耕地侵蚀发生时径流临界水动力学条件定量分析
4.5 降雨汇流双重作用下农耕地侵蚀模型构建
4.5.1 产流模型的建立
4.5.2 侵蚀模型的建立
4.5.3 模型验证
4.6 小结
第五章 降雨和汇流对沟蚀为主农耕地侵蚀过程的影响
5.1 降雨和汇流对农耕地侵蚀产沙的影响
5.2 不同降雨汇流组合下的农耕地侵蚀过程对比
5.2.1 产流过程分析
5.2.2 侵蚀过程分析
5.3 降雨和汇流对农耕地侵蚀产沙的贡献分析
5.3.1 降雨侵蚀的贡献分析
5.3.2 汇流作用的贡献分析
5.4 降雨汇流双重作用下径流水力学特征及水动力学机制
5.4.1 降雨汇流双重作用下的径流水力学特性
5.4.2 侵蚀发生时径流临界水动力学条件定量分析
5.5 降雨汇流双重作用下农耕地侵蚀模型构建
5.5.1 产流模型建立
5.5.2 侵蚀模型建立
5.5.3 模型验证
5.6 小结
第六章 两种侵蚀方式下农耕地侵蚀产沙特征对比分析
6.1 两种侵蚀方式下降雨与汇流侵蚀产沙对比
6.2 两种侵蚀方式下降雨与汇流侵蚀过程对比
6.2.1 降雨和汇流作用下两种侵蚀方式的侵蚀产沙过程
6.2.2 降雨和汇流双重作用下两种侵蚀方式的侵蚀产沙过程
6.3 两种侵蚀方式下降雨和汇流对侵蚀产沙的贡献分析
6.3.1 降雨侵蚀的贡献分析
6.3.2 汇流作用的贡献分析
6.4 两种侵蚀方式下侵蚀发生时径流临界水动力条件对比
6.5 基于降雨和汇流双重作用的农耕地片蚀和沟蚀模型对比
6.6 小结
第七章 农耕地沟蚀发育过程的模拟试验研究
7.1 沟蚀发育过程分析
7.2 沟蚀发育不同阶段坡面侵蚀产沙特征
7.3 沟蚀发育不同阶段侵蚀沟形态特征
7.4 沟蚀发育不同阶段径流水动力参数变化
7.5 小结
第八章 秸秆覆盖对典型黑土区农耕地侵蚀的防蚀效果研究
8.1 秸秆覆盖对农耕地侵蚀产沙特征的影响
8.1.1 秸秆覆盖对农耕地产流时间的影响
8.1.2 不同秸秆覆盖水平下农耕地侵蚀产沙对比
8.1.3 秸秆覆盖对农耕地侵蚀过程的影响
8.2 沟头秸秆覆盖对沟蚀发育的影响
8.2.1 沟头秸秆覆盖对不同发育阶段侵蚀沟侵蚀产沙的影响
8.2.2 沟头秸秆覆盖对不同发育阶段侵蚀沟侵蚀产沙过程的影响
8.2.3 沟头秸秆覆盖下不同发育阶段侵蚀沟径流水动力学机理分析
8.3 小结
第九章 主要结论与研究展望
9.1 主要结论
9.2 主要创新点
9.3 研究展望
参考文献
致谢
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