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黄土坡面土壤侵蚀是陕西黄土丘陵沟壑地区面临的严重生态环境问题之一,其水土流失过程受较多因素影响,由于该地区降雨集中且降雨强度大,土壤结构性差,极易被雨水冲蚀造成水土流失,导致土壤退化、肥力下降,也会导致下游湖泊、河流中含有大量泥沙,形成淤积造成洪涝灾害。为解决土壤侵蚀造成的生态环境问题,本文在陕西神木风蚀水蚀交错区开展土壤侵蚀方面的研究,揭示土壤侵蚀过程的内在机理,为预报坡面土壤侵蚀过程提供理论基础,对治理黄土区土壤侵蚀造成的环境问题有着重要的意义。本文采用试验与理论相结合的方法,研究不同下垫面影响下的土壤侵蚀特征,并以此为依据建立了适用于黄土坡面土壤侵蚀的数学模型。 本研究主要内容包括:⑴不同流量及坡长的放水试验中产沙量总是遵循相同的规律:每分钟产沙量在产流初期迅速达到最大值,然后缓慢减小到稳定值。坡面产沙量随着初始入流量和坡长增加而增加。在不同流量试验中,平均径流剪切力、水流功率、雷诺数和弗劳德数的增大使产沙量总体增大,累积产沙量会随n/h的增加而减小。不同坡长试验结果与流量试验相反,平均径流剪切力、水流功率、雷诺数和弗劳德数的增大使坡面产沙量总体减小,累积产沙量会随n/h的增加而增加。⑵不同植被类型减小侵蚀效果顺序为:苜蓿>毛豆>黄蜀葵>玉米>柠条>裸地>谷子。毛豆是研究植被中减少土壤侵蚀效果最好的草本作物。处于现蕾期的苜蓿给坡面提供完善的抗侵蚀能力,分枝期的苜蓿不能提供有效的水土保持功效。植被种植行间距的缩短即能降低土壤侵蚀量,又能降低土壤侵蚀在产流初期的剧烈程度。苜蓿种植在上坡段和中坡段对产沙量减小的影响基本一致,苜蓿种植在下坡段的产沙量高于前两者。植被覆盖度与叶面积指数可以作为评价植被的水土保持效益指标。⑶碎石覆盖度增大有效降低了产流前期的土壤侵蚀量,累积产沙量随碎石覆盖度的增加而减小,碎石覆盖度和累积产沙量之间有较好的线性关系。比较相同覆盖度不同碎石大小对侵蚀量影响的结果显示,碎石形体的减小可以有效降低产流前期的土壤侵蚀量,碎石平均底面积与累积产沙量之间成线性递增关系。小碎石所占比例对土壤侵蚀量的影响至关重要,随着小碎石比例逐渐减小,累积产沙量逐渐增大,平均水流含沙量逐渐增大。不同坡段碎石覆盖的产沙量结果显示,下坡段覆盖>中坡段覆盖>上坡段覆盖>全坡段覆盖,上坡段覆盖碎石能明显降低侵蚀产沙量,实施起来比全坡段覆盖简便,可以作为水土保持措施的参考方法。⑷根据野外模拟试验数据,首先建立了累积产沙量随时间和位置变化的动态模型。根据试验数据确定模型参数,并验证模型,纳什效率系数均大于0.9,均方根误差最大为0.0251,显示出该模型可以较准确的反映坡面泥沙随时间的积累过程,可以用于黄土坡面土壤侵蚀的预测。确定了不同流量、坡长及不同植被覆盖度与侵蚀模型参数a′的经验关系,为模型的简化计算和广泛应用提供基础。⑸从泥沙中携带养分角度出发,分析植被类型、植被覆盖度及坡长对坡面养份流失的影响,得出苜蓿小区侵蚀泥沙中平均硝态氮的含量最高,其他5种植被对泥沙中硝态氮的影响效果基本相当,仅在初始时刻有一定差别;黄蜀葵、毛豆和苜蓿小区泥沙中平均全磷含量高于玉米和柠条,谷子的平均全磷含量最低。泥沙中的硝态氮和全磷含量随着小区内植被覆盖度的增加而增加。硝态氮富集率ERN与全磷富集率ERTP和累积产沙量之间都存在良好的对数关系。坡长增加使泥沙中全磷含量明显增加,但对泥沙中硝态氮含量影响趋势不显著。土壤侵蚀泥沙中硝态氮流失主要因泥沙中的粘粒富集造成的,粉粒的影响次之;全磷流失主要因泥沙中的粘粒富集造成的。