土壤侵蚀是目前世界主要的环境问题之一,也是自然恶化的重要诱因,同时会造成土地退化、植被破坏、泥沙淤积、面源污染等多种生态问题。坡面是发生土壤侵蚀的基本单元,该过程包括降雨击溅、径流和细沟冲刷引起的土壤分离、泥沙输移和沉积等子过程。适宜的坡面水土保持措施能够有效防止坡面水土流失,从而有效的减弱土壤侵蚀程度。本研究以华北土石山区典型土壤类型褐土土壤侵蚀过程为研究对象,采用人工降雨的方法,模拟不同覆盖坡面在不同实验条件组合下的土壤侵蚀过程,并观测侵蚀过程坡面径流、泥沙和生源要素的运移特征,从而分析不同类型覆被对土壤侵蚀的影响。在径流泥沙输出过程分析结果基础上,尝试研究径流水动力学特性对土壤侵蚀的影响机理,并研究土壤颗粒启动作用力与产沙强度的耦合机制,最后进行坡面侵蚀过程的是模型模拟与验证,耦合主要坡面土壤侵蚀预测模型,为土壤侵蚀的影响因素及防治水土流失提供理论基础。对华北土石山区乃至全国范围内的覆被坡面的土壤侵蚀防控具有重要理论意义和应用价值。主要研究结果为:(1)径流产生时间与坡度、降雨强度和地被物覆盖度均呈指数相关关系(T=a αb Rc Cd;T为产流时间,α为坡度,R为降雨强度,C为覆盖度),枯落物延缓径流产生最有效,其次为黑麦草覆盖,最后为砾石覆盖。降雨强度对坡面起始产流时间起决定作用。对比六种植被覆盖枯落物,酸枣枯落物延迟产流作用最强,其次为侧柏枯落物和油松枯落物,再次为荆条枯落物和构树枯落物,最差的是栓皮栎枯落物。坡面覆盖能够有效增加土壤入渗量,从而减少径流量。相比于裸坡,枯落物、砾石和黑麦草覆盖分别能减少坡面产流量34.13%、43.45%、36.91%。油松、侧柏、栓皮栎、构树、荆条和酸枣坡面的径流减少率分别为9.13%、9.54%、14.20%、13.56%、17.27%和 9.47%。(2)覆盖条件能够延缓坡面径流流速,改变径流水动力学特性,从而影响径流的输沙能力。枯落物、砾石和黑麦草覆盖能够减小流速17.7%、67.91%、27.17%。油松、侧柏、栓皮栎、构树、荆条和酸枣分别减小径流流速32.03%、40.11%、19.79%、47.76%、41.46%、57.44%。单宽流量是影响坡面径流的主要因素,随单宽流量增大坡面流量会显著增大。径流流速是决定径流雷诺数和弗劳德数的关键因子,各覆被能够显著减小雷诺数和弗劳德数,改变径流流态,减弱径流对土壤表面的扰动。覆盖度增大能够有效降低径流雷诺数和弗劳德数,而降雨强度和坡度的增大会提高径流雷诺数和弗劳德数,但坡度对其影响较小。坡面覆盖措施可以提高地表粗糙程度,增加地表对径流的阻力,枯落物、砾石和黑麦草覆盖条件下坡面曼宁糙率系数为裸地的2.85、1.67、6.04倍,油松、侧柏、栓皮栋、构树、荆条和酸枣覆盖能提高坡面阻力系数1.34、2.38、0.96、2.80、2.90、5.38倍。坡面产沙率(Dr)与曼宁糙率系数(f)呈对数负相关关系(Dr=-alnf+b)。(3)坡面径流剪切力和径流功率随覆盖度的增大而减小,而随降雨强度和坡度的增大则增大。枯落物覆盖坡面平均临界剪切力为0.8-1.3 N/m2,相同土壤条件的裸坡坡面临界剪切力为0.5 N/m2,枯落物覆盖增大临界剪切力62.5%～170.8%。砾石覆盖坡面平均临界剪切力为0.7-0.9N/m2,相比裸坡的增长35.4%～93.8%;油松、侧柏、栓皮栎、构树、荆条和酸枣覆盖分别增大临界剪切力79.2%,1.4%,0.4%,1.0%,0.1%,and 2.2%。临界剪切力是土壤抗侵蚀特性的重要特征,也是WEPP模型的敏感参数,该研究中的临界剪切力将作为WEPP模型运行的重要参数。该试验土壤条件下裸坡临界径流功率为0.0003 N/(m·s),枯落物覆盖坡面径流功率为0.0115-0.0190N/(m·s);砾石覆盖坡面临界功率为0.012-0.015N/(m·s),黑麦草覆盖坡面临界径流功率在0.0148～0.0312N/(m·s)。油松、侧柏、栓皮栎、构树、荆条和酸枣覆盖坡面临界径流功率分别为0.021、0.024、0.020、0.127、0.377、0.027 N/(m·s)。(4)地表覆被可以有效的减少径流的产生,并减弱径流的输沙能力,从而减少坡面土壤侵蚀量,发挥良好的水土保持作用。枯落物、砾石和黑麦草平均能减少径流含沙率53.74%、18.50%和30.14%,减少总产沙量79.66%、68.18%和58.00%。油松、侧柏、栓皮栎、构树、荆条和酸枣对坡面径流含沙率的减少率分别为 10.62%、8.07%、4.75%、2.23%、2.69%、7.48%,减少总产沙量 45.16%、49.23%、24.00%、76.76%、76.27%和48.97%。坡面产生泥沙粒径主要集中在2-50 μm范围内,坡面覆盖条件能显著改变泥沙颗粒特征,有效减少大颗粒泥沙的产生,随覆盖度增大的变化程度并且当覆盖在坡面下部时,其保护作用更强。(5)地被物覆盖措施对泥沙中的速效氮、速效磷和有机质无显著影响,速效钾的浓度随坡面覆盖度的增加可增至裸地对照组的144%～325%。裸坡坡面径流的TOC浓度随着降雨的进行逐渐增大,而有覆盖坡面径流的TOC浓度随降雨的进行逐渐减小;覆盖能增大径流中TOC浓度,随着覆盖度的增大,TOC浓度逐渐增大,而对径流中IC浓度无显著影响。泥沙中TOC浓度随着盖度的增大而增大,覆盖会增加TOC随着泥沙的流失率;并且当覆盖集中在坡面下部时,泥沙中TOC浓度较高。(6)RUSLE和USLE-M是通用土壤流失方程的改进模型,WEPP模型是基于过程的土壤侵蚀预测模型。对本研究中的森林植被覆盖坡面土壤侵蚀过程分别用RUSLE、USLE-M、WEPP进行预测,结果表明在各个树种覆盖条件下,USLE-M模型的效率系数在均在靠前的位置,在油松和酸枣覆盖坡面,其模拟效果为最佳,在其余四种覆盖条件下,其模拟效果排在第二,USLE-M模型在EI30的基础上加入了径流因子的影响,因此其模拟能力更加合理。其次为WEPP模型,其在侧柏和构树覆盖坡面,模拟效果为最佳。WEPP模型对森林覆盖坡面径流过程模拟较为准确,但WEPP模型的径流结果来运行USLE-M会减弱其模拟能力,Nash-sutcliffe效率系数降低。三个模型的模拟效果比较说明,在具有对应的径流资料时,USLE-M具有更好的模拟效果。最后对RUSLE模型的森林覆被因子和WEPP模型的截留参数进行了修正,油松、侧柏、栓皮栎、构树、荆条和酸枣的覆盖C值分别为0.38、0.25、0.52、0.10、0.15、0.26,从而提高了模型的适用性。本研究根据实际测量的截留数据对WEPP模型的截留模型进行了改进,通过对改进后WEPP进行验证结果表明改进后的WEPP模型能够很好的模拟森林植被覆盖坡面侵蚀过程,Ens效率系数均有显著的提高。