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黄土高塬沟壑区退耕还林还草措施实施以来,该区土地利用方式与植被覆盖发生了显著变化,部分小流域土壤侵蚀环境得到根本性改善,水土流失得到有效控制。但高塬沟壑区高强度暴雨径流对塬面的破坏蚕食作用依然强烈,土地利用方式的改变,对沟头溯源侵蚀过程的作用机制目前并不明确。本文以黄土高塬沟壑区农地弃耕后的典型自然恢复草地和灌草地为研究对象,建立“沟头-塬面”实体模型,以农地为对照,采用野外人工“模拟降雨+放水冲刷”试验方法,结合照片三维重建技术,对比分析了不同土地利用沟头土体土壤理化性质及根系分布特征,阐述了土地利用、塬面坡度和沟头高度对溯源侵蚀径流产沙及塬面泥沙贡献率、径流水动力特征、重力侵蚀及沟头形态演化过程的影响,揭示了土地利用方式对沟头溯源侵蚀过程的作用机制。为黄土高塬沟壑区“固沟保塬”及区域土壤侵蚀模型建立提供科学依据。获得以下主要结论:(1)农地沟头平均径流率和径流含沙量变化范围为14.060~14.750 L·h-1和0.054~0.077 g·mL-1,草地、灌草地上植被对沟头溯源侵蚀的蓄水和减沙效益分别为17.50%~21.91%、15.77%~27.38%和70.37%~71.93%、56.58%~62.96%。径流率及径流含沙量均随塬面坡度和沟头高度的增大而增大,农地、灌草地上,9°塬坡小区径流率和径流含沙量较3°塬坡小区分别增加了4.91%、21.67%和41.80%、45.81%,1.5m沟头高度小区径流率和径流含沙量较1.2 m分别增加了4.15%、14.86%和40.74%、65.00%。草地和灌草地沟头溯源侵蚀径流含沙量变异系数较农地分别增加了67.81%~95.31%和41.16%~155.93%。(2)阐明了塬面泥沙对沟头溯源侵蚀产沙贡献率特征。农地塬面泥沙贡献率为12.70%~26.31%,相同条件下,草地和灌草地小区塬面泥沙贡献率较农地分别降低24.76%~43.09%和52.25%~62.18%。塬面泥沙贡献率随坡度的增大而增大,随沟头高度的增大而降低,在农地和灌草地上,9°塬坡塬面泥沙贡献率是3°塬坡的1.36倍和1.19倍,1.5 m沟头小区塬面泥沙贡献率是1.2 m沟头小区的65.77%和71.82%。(3)不同处理沟头径流流型均为紊流,流态均呈急流。农地沟头径流剪切力、径流功率、单位径流功率、断面比能变化范围分别为5.70~9.77 N·m-2、2.45~5.48 W·m-2、0.0230~0.0920 m·s-1、0.0212~0.0299 m,相同条件下草地和灌草地上各参数分别较农地降低8.32%~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%。农地沟头射流水平出射动能、沟头跌水剪切力变化范围0.570~1.005 J、356.88~434.61 N·m-2,相同条件下草地和灌草地各参数分别降低了63.30%~64.41%、7.00%~16.00%和47.33%~70.57%、6.17%~22.06%。不同土地利用条件下,溯源侵蚀产沙率与水力学参数相关性普遍不显著。(4)沟头溯源过程中重力侵蚀形式主要包括崩塌、滑塌、泥流、倾倒和冲落等,其中崩塌占据主导地位,各处理崩塌次数占重力侵蚀频次的61.90%~100%。农地、草地和灌草地沟头重力侵蚀频次分别为21~33次、14~17次和18~45次,不同处理下重力侵蚀事件集中时段均不相同,表现出一定的随机性。重力侵蚀发生的时间分布表现出阶段性规律,提出了“重力侵蚀时间速率”的概念,即同一阶段内相邻2次重力侵蚀事件所隔时间(min)”,0~180min内这一速率呈“增减”循环变化趋势。重力侵蚀主要发生在沟头上部,占重力侵蚀总事件数的52.38%~100%。根据崩塌位置及崩塌后的沟头形态变化,将崩塌事件划分为沟头、沟坡和沟壁崩塌3种类型,农地、草地和灌草地沟头崩塌频率分别为7.69%~35.00%、15.38%~27.27%和16.67%~35.71%,沟头高度为1.2m时,沟头崩塌频率以灌草地最大,农地最小。3种土地利用沟壁崩塌频率分别为55.00%~92.31%、23.08%~36.36%和38.89%~50%,相同条件下,沟壁崩塌频率以农地最大。(5)植被对沟头前进过程具有显著地抑制效应,试验条件下,农地沟头前进速率变化范围0.99~2.08 cm·min-1,相同条件下草地和灌草地沟头前进速率较农地分别降低了85.39%~88.58%和72.47%~81.47%。塬面坡度和沟头高度增大可促进沟头溯源前进,在农地和灌草地上,9°塬面沟头前进速率较3°塬面分别增加了110.67%和41.84%,1.5 m沟头前进速率分别是1.2 m沟头的1.60倍和1.37倍。不同土地利用沟头前进主导驱动力不同,农地沟头主要通过径流冲刷作用导致沟头前进,而草地和灌草地沟头前进过程与沟头崩塌密切相关。相比于农地,草地和灌草地沟头土体根系密集分布、土壤渗透系数增大、崩解速率减小、有机质含量增高和水稳性大团聚体含量增多等是其沟头前进速率远低于农地的主要原因,而草地细根(<0.5 mm)根系密度及根长密度较大可能是其沟头前进速率低于灌草地沟头的主要原因。