黄土高原旱坡地秋作入渗蓄水与防蚀作用特征研究

发布时间：2018-04-02 02:31

本文选题：坡耕地　切入点：秋作物　出处：《西安理工大学》2016年博士论文

【摘要】：植被是陆地生态系统中地表物质的保护者。就土壤侵蚀的形成过程而言,许多研究证实植被及覆盖能够拦截降水、增加土壤入渗率,直接影响地表径流和土壤流失的强度和频率,同时,地表径流量和土壤流失量在很大程度上都随着植被覆盖度的增加而降低。作物坡地和林、灌、草地有着本质的区别,耕作频度高且无凋落层,而在苗期还与裸地基本相同,因此坡地作物对土壤侵蚀的影响有其自身的特征。然而,这种特征的研究目前还处在相对薄弱的状态。为此,本研究以黄土高原秋作物(玉米、谷子和大豆)种植坡地为研究对象,采用室内外人工模拟降雨,结合数学、土壤学、计算机等理论和技术方法,开展了黄土高原旱坡地秋作物降雨入渗蓄水及防蚀作用特征实验研究,取得以下主要结论:(1)谷子、玉米和大豆种植对坡耕地产流产沙有明显的影响,而影响作用的强弱不但与作物的生长阶段、叶面积指数的大小有关,而且受制于降雨强度和坡面坡度的作用。当试验条件基本相同时,苗期作物种植的影响程度低,而后期的影响作用不断加强。当谷子的叶面积指数为0.78时,坡耕地产流量、产沙量的平均值分别为32.64L/m~2和167.65g/m~2,分别为对照裸地的95.33%和73.56%;叶面积指数为3.05时,平均值为19.86L/m~2和38.65g/m~2,分别为对照裸地的57.88%和16.96%。玉米叶面积指数为1.24时,平均值分别为29.30L/m~2和164.61g/m~2,是对照裸地的87.88%和69.16%;当玉米叶面积指数为4.30时,坡耕地产流量、产沙量的平均值分别为19.97L/m~2和60.59g/m~2,为对照裸地的57.88%和16.96%;当大豆的叶面积指数1.85时,坡耕地产流量、产沙量平均值分别为30.18L/m~2,163.91g/m~2,为对照裸地的88.58%和74.48%;当大豆的叶面积指数为6.28时,坡耕地产流量、产沙量的平均值分别为21.14L/m~2,51.46 g/m~2,为对照裸地的62.05%和23.38%。(2)谷子、玉米和大豆三种秋作物均具有良好的蓄水保土功能。在试验条件下,谷子的蓄水效应的最大值、最小值和平均值分别为53.7%、4.6%和28.1%,保土效益的最大值、最小值和均值分别为92.8%、24.8%和65.1%;玉米为49.7%、4.9%、26.9%和87.1%、22.4%、55.4%;大豆为51.3%、5.2%、24.0%和87、3%、22.7%、54.1%。三种作物蓄水效益的大小排序为谷子大豆玉米,而减沙效益为谷子玉米大豆。降雨强度、坡度和作物覆盖度对蓄水保土作用的综合影响可用通用公式△W=A(PI)~aS~bC~(-c)和△S=A(PI)~aS~bC~(-c)进行预测与估算。作物对蓄水保土作用的贡献可用植被减水系数和植被减沙公式CW=1.324(PI)~(0.33)S~(0.057)C~(-0.27)和CS=1.795(PI)~(0.105)S~(0.164)C~(-0.757)表示。经计算,谷子、玉米和大豆三种作物的减水系数平均值分别为0.72、0.73和0.76,而减沙系数的平均值分别为0.35、0.45和0.35。(3)人工模拟降雨条件下作物坡度的入渗量随降雨历时的延长呈现波动性下降趋势。在降雨前10min左右,入渗量最大,土壤入渗能力大于了降雨强度,降雨全部就地入渗;当地表径流形成后在雨强、坡度、土壤含水量、结皮和作物叶面积指数等因素的综合作用下,入渗量在波动降低的过程中逐渐趋于相对稳定阶段。谷子地、大豆地和玉米地的平均入渗总量分别为对照的1.1、1.2和1.3倍,且初始产流时间分别延长6.4min、6.18min和10.36min,这可能是秋作物能够防治土壤侵蚀的根本原因。秋作物坡地的初始入渗率、平均入渗率、稳定入渗率和累积入渗量随着作物的种类不同而不同,就同种作物而言其内部也存在明显的差异,玉米坡地、大豆坡地、谷子坡地的累积入渗量分别为104.6mm、62.64mm、36.18mm,这说明作物对土壤蓄水有着明显的影响作用。受各种因素的影响,4个特征参数的最大值、最小值和平均值的产生具有一定的随机性,但均可以用相应的经验模型估算。采用Kostiakov、Horton、蒋定生和Philip 4种模型对实验结果进行模拟后发现,Kostiakov模型能在一定程度上反映秋作物坡地土壤入渗的特征。(4)统计分析结果表明:逐步多元回归分析法和改进后BP神经网络法均能描述土壤平均入渗率的特征,且它们均考虑了主要因子及因子间的交互作用。对比分析结果表明,基于改进后的BP算法的土壤平均入渗率预测值与实测值十分接近,更能准确地描述不同条件下的土壤入渗状况。BP神经网络模型缺省因子检验与灰色关联度分析均证实,不同影响因素对土壤入渗的影响程度排序为降雨叶面积指数坡度。
[Abstract]:The results showed that : ( 1 ) The average value was 19.86 L / m ~ 2 and 167.65g / m ~ 2 , and the average value was 19.86 L / m ~ 2 and 164.61g / m ~ 2 , respectively , and the average value was 19.86 L / m ~ 2 and 164.61g / m ~ 2 , respectively . When the leaf area index was 4.30 , the average value was 19.97L / m ~ 2 and 60.59 g / m ~ 2 , respectively , which was 57.88 % and 16.96 % of the control bare land . The average value , minimum value and mean value of soil water retention in grain were respectively 0 . 72 , 0 . 73 and 0 . 35 . 3 % , 22 . 7 % , 4 . 9 % , 26 . 9 % and 87 . 1 % , 22 . 7 % , 54 . 1 % . ( 4 ) The statistical analysis shows that the stepwise multiple regression analysis method and the improved BP neural network method can describe the characteristics of the average infiltration rate of the soil , and they all take into account the interaction between the main factors and factors . The comparison result shows that the prediction value of the soil infiltration rate based on the improved BP algorithm is very close to the measured value , and the soil infiltration condition in different conditions can be accurately described .

【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S157.4

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