不同雨型和坡度下耕作侵蚀对紫色土坡地产沙的影响

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紫色土是我国西南丘陵地区肥力较高的土壤,其质地适中,矿质养料丰富,是长江上游区域较珍贵的耕地资源之一。但由于该地区雨水充沛,地形起伏及不当耕作方式等因素,导致其受水蚀和耕作侵蚀影响十分严重。这两种侵蚀过程并不是相互独立的,而是存在着明显的交互作用,耕作侵蚀与水蚀对紫色土坡耕地的共同作用或交替作用塑造了紫色土区坡面侵蚀地貌景观,但目前在不同降雨类型和地形条件下紫色土坡地耕作侵蚀对坡面产流产沙及水力学参数的影响尚不明晰。为了查明不同雨型,即上升型(30-60-90-120-150 mm/h)、下降型(150-120-90-60-30 mm/h)、中高型(30-90-150-90-30mm/h)和中低型(150-90-30-90-150 mm/h)4种雨型和5种坡度(5°、10°、15°、20°、25°)下强烈耕作侵蚀对坡地产水产沙的作用机理,本文选取四川盆地典型紫色土坡地土壤为研究对象,以10 m~2坡面坡顶裸露2 m~2母岩代表受强烈耕作侵蚀(EG),以坡顶未发生母岩裸露作为对照(CK),基于室内人工模拟降雨试验,研究了在不同降雨特征(雨型)和地形因素(坡度)影响下坡面侵蚀产沙过程,主要结论如下:(1)不同雨型下EG和CK坡面初始产流时间排序均为上升型>中高型>中低型>下降型,累计入渗量均为中低型最少,累计径流量中低型最多,下降型最少,累计径流量与降雨历时增长呈幂函数增加关系(R~2>0.9)。EG坡面累计径流量较CK坡面下降型增加比例最大,中低型最小。EG坡面累计入渗量较CK坡面上升型减小比例最大,中低型最小。EG和CK坡面累计产沙量排序均为中低型>下降型>中高型>上升型。对于不同雨型而言,EG坡面累计产沙量较CK坡面增加比例排序为下降型>中低型>中高型>上升型。耕作侵蚀促进了坡面产流,且径流量显著增加,入渗量不断减小。(2)EG和CK坡面随着坡度增加,坡面产流时间不断提前,累计径流量和累计入渗量均不断减小,累计径流量随降雨历时增长呈幂函数增加。坡度越大,EG和CK坡面产流时间提前的比例越大,累计径流量增加比例越小,累计入渗量随坡度变化没有明显规律。与Horton模型相比,Kostiakov模型能较好的反应EG和CK坡面土壤入渗特征。随着坡度增加,EG和CK坡面产沙速率峰值和累计产沙量均不断增大,同时累计产沙量与降雨历时、累计径流量均呈线性函数增加趋势(R~2>0.9)。耕作侵蚀导致坡面在降雨条件下产沙量对径流量的变化更为敏感,15°是耕作-水复合侵蚀坡面产沙变化明显的临界坡度。(3)坡度变化会对坡面水力学参数造成显著影响,EG和CK坡面平均流速和弗劳德数随着坡度增加而增加,雷诺数和阻力系数随着坡度增加而减小;雷诺数、弗劳德数和阻力系数与单位面积侵蚀率均呈线性函数关系。EG和CK坡面不同雨型间水力学参数差异不显著,阻力系数中高型最大,平均流速、雷诺数和弗劳德数中低型最大。对于不同坡度,EG坡面流速、弗劳德数和雷诺数显著增加,阻力系数在10°~20°坡面显著减小。对于不同雨型,EG坡面流速、雷诺数在上升型和下降型降雨过程中显著增加,弗劳德数表现为中低型和下降型显著增大,阻力系数除了中高型之外,其余雨型均显著减小。敏感性分析结果表明阻力系数对耕作侵蚀的响应最为敏感。
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