黃土高塬溝壑區(qū)土地利用方式對溝頭溯源侵蝕過程的影響.pdf

1、黃土高塬溝壑區(qū)退耕還林還草措施實施以來，該區(qū)土地利用方式與植被覆蓋發(fā)生了顯著變化，部分小流域土壤侵蝕環(huán)境得到根本性改善，水土流失得到有效控制。但高塬溝壑區(qū)高強度暴雨徑流對塬面的破壞蠶食作用依然強烈，土地利用方式的改變，對溝頭溯源侵蝕過程的作用機制目前并不明確。本文以黃土高塬溝壑區(qū)農(nóng)地棄耕后的典型自然恢復(fù)草地和灌草地為研究對象，建立“溝頭-塬面”實體模型，以農(nóng)地為對照，采用野外人工“模擬降雨+放水沖刷”試驗方法，結(jié)合照片三維重建技術(shù)，對比

2、分析了不同土地利用溝頭土體土壤理化性質(zhì)及根系分布特征，闡述了土地利用、塬面坡度和溝頭高度對溯源侵蝕徑流產(chǎn)沙及塬面泥沙貢獻率、徑流水動力特征、重力侵蝕及溝頭形態(tài)演化過程的影響，揭示了土地利用方式對溝頭溯源侵蝕過程的作用機制。為黃土高塬溝壑區(qū)“固溝保塬”及區(qū)域土壤侵蝕模型建立提供科學(xué)依據(jù)。獲得以下主要結(jié)論:
　　(1)農(nóng)地溝頭平均徑流率和徑流含沙量變化范圍為14.060～14.750 L·h-1和0.054～0.077 g·mL-1，

3、草地、灌草地上植被對溝頭溯源侵蝕的蓄水和減沙效益分別為17.50％～21.91％、15.77％～27.38％和70.37％～71.93％、56.58％～62.96％。徑流率及徑流含沙量均隨塬面坡度和溝頭高度的增大而增大，農(nóng)地、灌草地上，9°塬坡小區(qū)徑流率和徑流含沙量較3°塬坡小區(qū)分別增加了4.91％、21.67％和41.80％、45.81％，1.5m溝頭高度小區(qū)徑流率和徑流含沙量較1.2 m分別增加了4.15％、14.86％和40.74

4、％、65.00％。草地和灌草地溝頭溯源侵蝕徑流含沙量變異系數(shù)較農(nóng)地分別增加了67.81％～95.31％和41.16％～155.93％。
　　(2)闡明了塬面泥沙對溝頭溯源侵蝕產(chǎn)沙貢獻率特征。農(nóng)地塬面泥沙貢獻率為12.70％～26.31％，相同條件下，草地和灌草地小區(qū)塬面泥沙貢獻率較農(nóng)地分別降低24.76％～43.09％和52.25％～62.18％。塬面泥沙貢獻率隨坡度的增大而增大，隨溝頭高度的增大而降低，在農(nóng)地和灌草地上，9°塬坡

5、塬面泥沙貢獻率是3°塬坡的1.36倍和1.19倍，1.5m溝頭小區(qū)塬面泥沙貢獻率是1.2 m溝頭小區(qū)的65.77％和71.82％。
　　(3)不同處理溝頭徑流流型均為紊流，流態(tài)均呈急流。農(nóng)地溝頭徑流剪切力、徑流功率、單位徑流功率、斷面比能變化范圍分別為5.70～9.77 N·m-2、2.45～5.48 W·m-2、0.0230～0.0920m·s-1、0.0212～0.0299m，相同條件下草地和灌草地上各參數(shù)分別較農(nóng)地降低8.3

6、2％～52.35％、38.99％～68.56％、31.24％～37.02％、51.06％～53.18％和-5.11％～51.75％、27.92％～72.16％、22.75％～41.35％、37.40％～58.29％。農(nóng)地溝頭射流水平出射動能、溝頭跌水剪切力變化范圍0.570～1.005 J、356.88～434.61 N·m-2，相同條件下草地和灌草地各參數(shù)分別降低了63.30％～64.41％、7.00％～16.00％和47.33％～7

7、0.57％、6.17％～22.06％。不同土地利用條件下，溯源侵蝕產(chǎn)沙率與水力學(xué)參數(shù)相關(guān)性普遍不顯著。
　　(4)溝頭溯源過程中重力侵蝕形式主要包括崩塌、滑塌、泥流、傾倒和沖落等，其中崩塌占據(jù)主導(dǎo)地位，各處理崩塌次數(shù)占重力侵蝕頻次的61.90％～100％。農(nóng)地、草地和灌草地溝頭重力侵蝕頻次分別為21～33次、14～17次和18～45次，不同處理下重力侵蝕事件集中時段均不相同，表現(xiàn)出一定的隨機性。重力侵蝕發(fā)生的時間分布表現(xiàn)出階段性規(guī)

8、律，提出了“重力侵蝕時間速率”的概念，即同一階段內(nèi)相鄰2次重力侵蝕事件所隔時間(min)”，0～180min內(nèi)這一速率呈“增減”循環(huán)變化趨勢。重力侵蝕主要發(fā)生在溝頭上部，占重力侵蝕總事件數(shù)的52.38％～100％。根據(jù)崩塌位置及崩塌后的溝頭形態(tài)變化，將崩塌事件劃分為溝頭、溝坡和溝壁崩塌3種類型，農(nóng)地、草地和灌草地溝頭崩塌頻率分別為7.69％～35.00％、15.38％～27.27％和16.67％～35.71％，溝頭高度為1.2m時，溝頭

9、崩塌頻率以灌草地最大，農(nóng)地最小。3種土地利用溝壁崩塌頻率分別為55.00％～92.31％、23.08％～36.36％和38.89％～50％，相同條件下，溝壁崩塌頻率以農(nóng)地最大。
　　(5)植被對溝頭前進過程具有顯著地抑制效應(yīng)，試驗條件下，農(nóng)地溝頭前進速率變化范圍0.99～2.08 cm.min-1，相同條件下草地和灌草地溝頭前進速率較農(nóng)地分別降低了85.39％～88.58％和72.47％～81.47％。塬面坡度和溝頭高度增大可促進

10、溝頭溯源前進，在農(nóng)地和灌草地上，9°塬面溝頭前進速率較3°塬面分別增加了110.67％和41.84％，1.5 m溝頭前進速率分別是1.2 m溝頭的1.60倍和1.37倍。不同土地利用溝頭前進主導(dǎo)驅(qū)動力不同，農(nóng)地溝頭主要通過徑流沖刷作用導(dǎo)致溝頭前進，而草地和灌草地溝頭前進過程與溝頭崩塌密切相關(guān)。相比于農(nóng)地，草地和灌草地溝頭土體根系密集分布、土壤滲透系數(shù)增大、崩解速率減小、有機質(zhì)含量增高和水穩(wěn)性大團聚體含量增多等是其溝頭前進速率遠低于農(nóng)地的