复合坡面土壤侵蚀与养分流失及其调控模拟试验研究

发布时间：2017-12-09 13:28

  本文关键词：复合坡面土壤侵蚀与养分流失及其调控模拟试验研究

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【摘要】：坡形和坡度是影响坡面降雨入渗、地表产流和土壤侵蚀的重要因子,是坡面土壤侵蚀研究的重要内容。深入理解不同坡形及坡度条件下土壤侵蚀机理是水土保持研究与实践的迫切需求。本文针对复合坡面降雨产流及其水动力特性、土壤侵蚀以及养分流失研究相对薄弱的现状,采用室内土槽冲刷试验与人工模拟降雨试验相结合的研究方法,研究了不同坡度大小和坡度类型条件下复合坡面降雨产流、径流水动力特征、土壤侵蚀和养分流失过程以及聚丙烯酰胺应用对其的影响,分析了坡度、坡形和聚丙烯酰胺浓度对坡面径流水动力特性和坡面土壤侵蚀过程的影响机理,揭示了土壤养分-氮和磷元素的迁移机制。主要结论如下:(1)直面坡的径流流速随流程增加而增大并趋于稳定,且径流流速随流量或坡度的增大而显著增大;直面坡的径流深度沿流程逐渐减小直至趋于稳定,但径流深度随流量的增加或坡度的减小而增大。凸型坡下坡面的径流流速大于上坡面,而凹型坡下坡面的径流流速小于上坡面。试验条件下雷诺数沿流程为一常数。雷诺数随径流量增加而显著增大,坡度及坡度组合对其影响较小。试验条件下,25 L/(min·m)的单宽径流量可以作为判别径流运动型态的临界流量。直面坡的径流弗劳德数随流程增加而增大,径流量或坡度越大,弗劳德数越大。在试验条件下,凸型坡上坡面的径流为缓流而下坡面则为急流;而凹型坡径流流态大部分属于急流。(2)当上坡坡度15°时,无论是凸型坡还是凹型坡,均比直面坡更易产流且产流量更大。凸型坡的降雨径流系数随着坡度的增大而增大。当上坡坡度≥10°时凸型坡的径流系数在整个降雨过程中持续增大;凹型坡的降雨径流系数随着降雨时间的延长逐渐趋于稳定,且上、下坡段的坡度差值越大,径流系数越大。大坡度凸型坡在降雨过程中会出现细沟侵蚀,其径流含沙量会急剧增大。除大坡度凸型坡外,凸型坡和凹型坡土壤侵蚀速率均随着降雨历时逐渐减小直至趋于稳定。(3)随径流流失的氮素以硝态氮为主。径流中铵态氮浓度和硝态氮浓度随降雨历时变化不大。侵蚀泥沙中的硝态氮浓度随降雨历时呈先增大后减小趋势。随径流流失的硝态氮总量远大于随侵蚀泥沙中的流失量。坡形对泥沙中硝态氮含量影响较为显著,坡形改变了泥沙中硝态氮含量随降雨过程的变化规律。泥沙中速效磷浓度随降雨历时先减小后增大,坡形对其影响不显著。(4)聚丙烯酰胺(PAM)应用显著缩短了初始降雨产流时间,坡形和坡度对降雨初始产流时间影响不显著。PAM应用增大了降雨径流系数,且径流系数随着PAM施用量的增大而增大。在试验条件下,当PAM施用量为0.5、1.0和2.0 g/m2时,凸型坡的坡面径流量平均比对照处理增加了 16.6%、69.3%和108.9%,凹型坡的坡面径流量比对照处理增加了 55.7%、100.2%和147.3%。(5)PAM应用显著增大了小坡度凸型坡和凹型坡的径流含沙量和土壤流失量,但在细沟侵蚀发生时减小了大坡度凸型坡的径流含沙量和土壤流失量。PAM施用量对凸型坡土壤流失量影响不显著,而凹型坡土壤流失量基本随PAM施用量的增加而增大。PAM应用后坡度对凸型坡和凹型坡土壤流失量无明显影响。当PAM施用量为0.5、1.0和2.0 g/m2时,凸型坡和凹型坡的平均土壤流失量分别为1.34±0.30、1.89±0.77、1.53±0.57kg/m2和0.91±0.38、1.52±0.59、1.56±0.49kg/m2。本研究表明,坡形和坡度对黄土复合坡面径流水动力学特征、降雨产流、土壤侵蚀和养分运移影响显著。研究结果将为深入理解自然条件下坡面土壤侵蚀过程和有效防止农业非点源污染提供科学依据。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S157.1

【参考文献】

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本文编号：1270564