北京山区坡面土壤颗粒分离和输移过程研究

发布时间：2017-12-19 09:36

  本文关键词：北京山区坡面土壤颗粒分离和输移过程研究

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【摘要】：降雨条件下坡面土壤颗粒的分离和输移过程是研究水力侵蚀的重要内容,也是研究坡面土壤侵蚀规律与侵蚀机理的基础。本研究以北京山区淋溶褐土坡面为研究对象,基于土壤侵蚀学、水力学、侵蚀动力学等相关理论,采用人工模拟降雨试验,结合野外坡面试验和室内试验土槽系统,选择降雨、坡度、植被覆盖度等作为影响雨滴击溅作用和坡面产流产沙的主要因素,通过降雨条件下不同尺度样地坡面和草本结构坡面模拟试验,系统研究了侵蚀性降雨坡面土壤颗粒的分离和输移规律以及水蚀环境下侵蚀动力对土壤流失过程的影响,对侵蚀过程模型的建立和坡面水土流失治理具有重要的理论和实践意义。主要研究结论如下：(1)研究了降雨强度、坡度、植被覆盖度对雨滴击溅侵蚀的影响。坡面雨滴击溅侵蚀量与降雨强度和坡度呈正相关关系,而随植被覆盖度增加呈指数形式降低。雨滴击溅侵蚀量与溅蚀距离呈负指数函数形式,本试验条件下,主要分布于距离侵蚀区域0-30 cm范围内,溅蚀土粒跃移距离随降雨强度的增加相应增大；随着坡度的增加雨滴击溅侵蚀主要以下坡为主,上坡溅蚀量和土粒最大溅蚀距离呈显著降低趋势；当坡面存在草本植物时,能够有效降低溅蚀土粒的跃移距离,使其分布于距离溅蚀区域较近范围内。雨滴击溅对侵蚀土壤颗粒具有粒径分选作用,溅蚀土壤颗粒粒径主要集中于0.25～0.002mm粒级内,其中细砂粒(0.25～0.05mm)最易被溅蚀,随着降雨强度和坡度的增加,雨滴对坡面土壤颗粒的分选作用明显,各粒径溅蚀颗粒含量与溅蚀距离呈负指数函数关系,溅蚀土粒的平均重量直径随降雨强度的增加呈增大趋势,随溅蚀距离的增加逐渐降低。(2)揭示了雨滴击溅和径流冲刷2种侵蚀方式下泥沙颗粒粒径的动态变化以及有无雨滴击溅作用对坡面泥沙团粒结构变化的影响。不同侵蚀方式下泥沙颗粒粒径分布规律表明,侵蚀过程中泥沙粒径集中在0.1～0.002mm粒级范围内,随着降雨历时的增加,雨滴击溅泥沙颗粒中砂粒含量呈减小趋势,粉粒和粘粒含量逐渐增加；在径流冲刷泥沙颗粒中砂粒含量呈增加趋势,粉粒含量变化波动较小,粘粒含量呈减小趋势。该区坡面侵蚀泥沙团粒结构变化过程表明,在坡面产流初始阶段粗砂、细砂、细粉粒和粘粒以团聚体形式存在,而粗粉砂多以初级粒子形式存在,随着降雨历时延长,各粒级侵蚀泥沙颗粒的分离程度增加。雨滴击溅作用影响坡面土壤团粒结构的分离程度,坡面产流前雨滴击溅作用对土壤的分离贡献比占总分离程度的28.09%,而无雨滴打击坡面土壤团聚体分离程度较低,其分形维数增量是有雨滴打击坡面土壤团聚体增量的48.43%。土壤团粒输移过程中各粒级颗粒表现不同,结构稳定性较差的砂粒逐渐被分解为细小颗粒,粗粉粒在侵蚀过程中多以初级粒子形式被输移,而粘粒在侵蚀坡面逐渐富集,多以团粒结构方式输移。(3)分析了雨滴击溅作用和植被覆盖条件下坡面径流水动力学特性及其产流产沙规律。对不同降雨强度、坡度和植被覆盖度下地表径流的流型流态进行划分,发现地表径流流型以缓层流、缓过渡流和急过渡流为主。坡面有无雨滴击溅作用和植被覆盖对径流水动力学特性及产流产沙过程具有较大影响,当消除或降低雨滴击溅作用后,坡面径流率、含沙量和土壤分离率均显著降低,坡面稳定径流率和含沙量均明显减小,而植被覆盖坡面输沙率变化趋势较为缓和,处于“先增加再减小后稳定”的状态,随着植被覆盖度的增加,坡面输沙率较早趋于稳定。(4)明确了草本植物调控坡面土壤分离的侵蚀动力机理。不同试验组合中草本植物对坡面土壤分离的影响主要是通过草冠、根系对降雨和径流的阻滞作用。其中,两种草本植物根系的减沙贡献率均高于其冠层；在降雨过程中,草本植物叶面对降落雨滴动能的削弱作用明显,而草本植物根系主要通过根径d≤1mm的须根发挥固持土壤的作用。对坡面阻力特征分析发现,裸露坡面阻力包括颗粒阻力、形态阻力和波阻力,在草本植物覆盖坡面,随着植物覆盖度的增加坡面颗粒阻力和波阻力均呈现增加趋势,坡面土壤分离率与阻力系数呈指数函数关系。坡面草本植物对降雨和径流侵蚀力具有明显的削弱作用,随着植被覆盖度的增加对降雨和径流侵蚀力的减弱系数分别为22.75～84.02%和19.68～63.97%。
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S157.1
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本文编号：1307743