辉发河流域典型坡耕地沟道集水单元土壤侵蚀研究

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辉发河流域位于东北黑土区东南部,具有典型的东北黑土区土壤、地形、气候特征,流域内季节变化明显,年内土壤侵蚀差异显著,年际间土壤侵蚀具有较强的规律性和连续性。为进一步探究不同季节土壤侵蚀特征,选取辉发河流域西南部的吉兴小流域为研究对象,通过对小流域内典型沟道集水区和吉兴水土保持监测场径流小区的观测,分析季节变化土壤侵蚀差异和坡-沟侵蚀关系,揭示土壤侵蚀在时间和空间上的差异性与连续性。通过对流域内不同季节土壤侵蚀差异分析可知,季节变化过程中土壤侵蚀主要分为降雨引起的水力侵蚀、融雪融冰引起的融水侵蚀和冻融作用引起的土壤侵蚀。通过划分降雨期和冻融期,分析研究区侵蚀环境、产流产沙特征和沟道集水区内侵蚀沟长度、面积、体积变化,探究坡面和沟道侵蚀季节变化特征。研究发现降雨期径流小区径流量和侵蚀量较冻融期大,而含沙量较冻融期小。降雨期侵蚀沟长度、体积增长较冻融期增长明显,但侵蚀沟面积增长量在冻融期较大。此外,降雨期和冻融期侵蚀沟不同部位侵蚀特征不同,径流泥沙输移路径基本一致,不同时期土壤侵蚀既存在差异性又存在一致性。同一时期集水区内坡面和沟道侵蚀在空间上连续,坡面与沟道侵蚀相互影响。坡面垄向直接影响径流汇流路径和径流入沟路径,通过CCHE(Center for Computational Hydroscience and Engineering)模型模拟发现,集水区坡面为顺垄耕作条件下沟道内汇流水深相对较大,流速、径流剪切力和弗汝德数较小,其潜在侵蚀能力相对较弱。斜垄耕作情况下径流在坡面汇流、断垄及输移路径更为复杂多变,此种垄向沟道中下部径流潜在侵蚀能力较强。等高耕作条件下坡面径流拦蓄作用较好,径流潜在侵蚀能力较其他垄向弱,沟道中上部潜在侵蚀能力较其他垄向相对较大,中下部沟段潜在侵蚀能力相对较弱。此外,单一垄向耕作坡面对侵蚀沟不同位置的潜在侵蚀能力不同,在防治水土流失中不能显示出绝对优势,应依据沟道发育和实际耕作需要配置多种垄向,能够更好地抑制侵蚀沟发育。通过WEPP(Water Erosion Prediction Project)模型模拟发现,沟道发生下切侵蚀后能够导致坡面径流泥沙量的增加,且泥沙连通性增强。侵蚀沟的溯源侵蚀和沟岸扩张造成沟道内土壤侵蚀增加,但这两种沟道侵蚀形式能否引起坡面侵蚀量增加则取决于沟道面积增加带来的坡面面积和坡度变化量的具体情况。总体而言,侵蚀沟的发育能够导致沟道集水区内坡面侵蚀相应发生变化,同时提高集水区内径流和泥沙的连通性。本研究对比分析不同季节土壤侵蚀特点,探究季节接续过程中的侵蚀关系,在理论上具有较好的创新价值。采用模型模拟的方法分析坡-沟侵蚀关系,探究集水区径流泥沙连通性,为坡-沟系统水保措施的优化配置提供理论依据。
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