典型厚层黑土区冻融-风力-水力叠加驱动的坡面侵蚀过程及其机理

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当前黑土区复合侵蚀基础理论研究仍相对匮乏,有关冻融-风力-水力叠加驱动的复合侵蚀研究鲜有报道,严重影响了黑土侵蚀治理决策的制定。据此,本研究利用室内模拟冻融试验、风洞试验以及人工模拟降雨试验,结合土壤性质测定、土壤表面形态观测以及坡面水流水力学和水动力学相关指标的测定,分析了冻融、风力和水力叠加作用对黑土坡面土壤侵蚀的影响,初步阐明了冻融、风力和水力叠加驱动的坡面侵蚀过程机理,丰富了黑土区复合侵蚀的基础理论,为黑土区复合侵蚀防治提供了科学依据。主要研究结论如下:(1)分析了冻融、风力和水力叠加作用对黑土坡面土壤侵蚀的影响。与无前期土壤冻融作用的试验处理相比,土壤经过1次冻融作用后,土壤风蚀强度显著增加了0.2~4.0倍、风蚀输沙率显著增加了0.31~11.63倍(P<0.05),其使坡面水蚀强度显著增加了10.3%~17.5%(P<0.05)。与仅水力侵蚀的试验处理相比,前期地表风蚀作用使坡面水蚀强度显著增加了2.9%~23.1%(P<0.05);冻融和风力叠加作用使坡面水蚀强度显著增加了16.5%~36.1%(P<0.05)。(2)分析了多种侵蚀营力叠加作用对坡面侵蚀强度影响的累加效应。试验条件下冻融+水力叠加作用对坡面侵蚀强度影响的累加效应介于10.3%~13.3%;冻融-风力-水力叠加作用对坡面侵蚀强度影响的累加效应介于16.5%~36.0%。此外,风力+水力叠加作用对坡面侵蚀强度影响的累加效应介于2.9%~8.1%。(3)量化了冻融、风力和水力对坡面土壤侵蚀的贡献以及影响因子交互作用对坡面土壤侵蚀的贡献。冻融作用对土壤风蚀和水蚀的贡献分别为23.5%~404.2%和10.3%~17.5%,前期地表风蚀作用对坡面水蚀的贡献为2.91%~23.07%,冻融和风力叠加对坡面水蚀的贡献为16.49%~36.07%。对于无前期冻融作用的试验处理,初始土壤含水量、风速以及二者交互作用对土壤风蚀强度的贡献率分别为5.0%、74.6%和12.7%(P<0.01)。对于有冻融作用的试验处理,初始土壤含水量、风速以及二者交互作用对土壤风蚀强度的贡献率分别为26.1%、34.8%和36.7%(P<0.01)。对于仅水力侵蚀的试验处理,初始土壤含水量和坡度对坡面水蚀强度的贡献率分别为2.53%和97.16%(P<0.01)。对于冻融作用+水力的试验处理,初始土壤含水量和坡度对坡面水蚀强度的贡献率分别为1.78%和98.11%(P<0.01)。对于风力+水力叠加作用的试验处理,初始土壤含水量、风速以及二者交互作用对坡面水蚀强度的贡献分别为27.3%、70.2%和1.0%(P<0.01)。(4)揭示了冻融-风力-水力叠加用影响坡面土壤侵蚀的机理。前期土壤冻融作用使土壤团聚体、土壤硬度和土壤抗剪强度等土壤抗侵蚀能力指标显著降低,因而导致土壤风蚀强度和水蚀强度的增加。冻融作用后土壤硬度显著减小24.3%~53.2%和土壤抗剪强度显著减小了48.9%~54.5%(P<0.05)。前期地表风蚀作用在土壤表面产生了大量风蚀条纹和大面积风蚀凹痕,加剧了后期水蚀过程中坡面径流的汇集,使坡面水流流速增加,而阻力系数减少,从而增加了径流侵蚀能力,使坡面水蚀强度增加;冻融作用减弱了土壤抗蚀力和前期地表风蚀作用增加了坡面径流侵蚀力的耦合作用,使前期冻融+风力叠加作用显著增加了坡面水蚀强度。
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