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土壤侵蚀是影响生态环境的严重问题之一,土壤侵蚀过程包括土壤分离、泥沙输移和沉积三个子过程;坡面水流挟沙力作为土壤侵蚀过程的核心,其大小决定了下垫面被侵蚀或发生泥沙沉积,是土壤侵蚀过程模型构建中的重点。尽管针对坡面水流挟沙力公式的构建已有大量研究,但坡面水流输沙的动力学机制仍不明晰,土壤团聚体及泥沙沉速对坡面水流挟沙力的影响机制仍需进一步探索。本研究通过水槽试验、泥沙沉速试验、土壤机械组成和土壤团聚体组成的测定,以我国7种不同质地土壤(黑龙江黑土、北京褐土、内蒙古风沙土、陕西沙黄土和黄绵土、四川紫色土、江西红壤)为试验材料,在5个坡度(5.23%、10.45%、15.64%、20.79%和25.88%)及6个单宽流量(0.68×10-3、1.35×10-3、2.03×10-3、2.70×10-3、4.05×10-3和5.41×10-3 m~2·s-1)组合条件下,对坡面水流挟沙力变化及其影响机制开展了研究,对比了我国7种不同质地土壤坡面水流挟沙力之间的差异,分析了坡度、单宽流量、水动力学参数以及泥沙特性对坡面水流挟沙力的影响,为坡面水流挟沙力的正确描述和土壤侵蚀过程模型的构建提供理论基础。取得的主要结论如下:(1)比较了不同质地土壤坡面水流挟沙力的差异:沙黄土分别与黑土、褐土、风沙土、紫色土、红壤的实测水流挟沙力具有极显著差异,黄绵土分别与黑土、褐土、风沙土、紫色土、红壤的实测水流挟沙力具有极显著差异,黑土、褐土、风沙土、紫色土和红壤5种土壤实测水流挟沙力之间无显著差异,沙黄土与黄绵土实测水流挟沙力之间无显著差异;坡度增大所引起挟沙力增大的幅度随坡度的增大呈减小趋势;流量增大所引起的挟沙力增长的幅度随流量的增大呈减小趋势;7种土壤坡面水流挟沙力对单宽流量的敏感性均大于坡度。(2)阐明了坡面水流挟沙力与坡度、单宽流量及水动力学参数之间的关系:7种不同质地土壤坡面水流挟沙力均随坡度和单宽流量的增大呈幂函数增加关系,三者关系可用幂函数表示(R~2介于0.96~0.99之间,NSE介于0.96~0.99之间),其中坡度的幂指数介于0.213~0.909之间,单宽流量的幂指数介于0.788~1.083之间,7种土壤均表现为单宽流量的幂指数大于坡度;在本研究试验条件下,坡面水流流速随坡度和单宽流量的增大而增大(p<0.01),7种土壤坡面水流挟沙力随平均流速的增大呈线性增大趋势,二者关系可用线性函数表示(R~2介于0.83~0.94之间,NSE介于0.83~0.94之间),7种土壤坡面水流具有搬运泥沙能力所需临界流速介于0.108~0.431 m·s-1之间,临界流速随泥沙中值粒径的增大而增大;7种土壤坡面水流挟沙力与水流剪切力(R~2介于0.67~0.93之间,NSE介于0.68~0.93之间)、水流功率(R~2介于0.75~0.97之间,NSE介于0.76~0.97之间)、单位水流功率(R~2介于0.32~0.80之间,NSE介于0.32~0.80之间)、有效水流功率(R~2介于0.59~0.93之间,NSE介于0.59~0.93之间)的关系均可以用幂函数表示,而与过水断面单位能量的关系可用线性函数或幂函数表示(R~2介于0.83~0.98之间,NSE介于0.84~0.98之间);综合7种土壤坡面水流挟沙力,在仅考虑使用水动力学参数对坡面水流挟沙力进行模拟及预测效果时,所选水动力学参数与坡面水流挟沙力关系的优劣性表现为:过水断面单位能量>水流功率>平均流速>有效水流功率>水流剪切力>单位水流功率。(3)揭示了泥沙特性对坡面水流挟沙力的影响机制:7种土壤坡面水流挟沙力与所选团聚体特性指标(WSA0.25、WMD、GMD、AI)均呈显著负相关关系,其中与WSA0.25相关性最好;7种土壤未经分散含团聚体的土壤颗粒沉速与团聚体特性指标呈极显著负相关关系(p<0.01),未分散的土壤颗粒沉降速度显著大于分散条件下的沉降速度,团聚体的存在对泥沙沉速具有显著的增大作用,泥沙沉速增大率与绝对粘粒含量、有效粘粒含量和MWD均呈显著正相关关系;7种土壤坡面水流挟沙力与分散条件下所得3个特征沉速值(ω25、ω50、ω75)均无显著相关性,而与未分散条件下所得3个特征沉速值(udω25、udω50、udω75)均呈极显著负相关关系,其中与udω25的相关性最好。与仅基于坡度、单宽流量和水动力学参数的坡面水流挟沙力经验公式相比,加入泥沙特性指标可以有效提升公式的模拟和预测精度,泥沙沉速对公式精度的提升优于团聚体特性,其中基于坡度、单宽流量和泥沙特性指标的水流挟沙力经验公式性能最优。(4)构建了适用于坡面尺度的水流挟沙力公式:对于本研究所选9个水流挟沙力公式,Zhang公式(S,q)(P.O.0.5-2=58.57%)、Zhang公式(τ)(P.O.0.5-2=51.43%)、栾莉莉公式(P.O.0.5-2=74.29%)和Govers公式(P.O.0.5-2=50.95%)对坡面水流挟沙力的预测有一定的适用性,但预测精度不高;所选河道水流挟沙力的基本表达式对坡面水流具有一定的适用性,所得水流挟沙力公式可以用来预测坡面水流挟沙力(P.O.0.5-2=90.48%,R~2=0.79,NSE=0.78);通过量纲分析得到坡面水流挟沙力基本表达式,代入本研究实测坡面水流挟沙力资料,所得公式拟合结果较好(R~2=0.98,NSE=0.88),验证结果表明,基于泥沙特性和水动力学参数并通过量纲分析得出的坡面水流挟沙力公式具有很好的预测效果(P.O.0.5-2=97.14%,R~2=0.89,NSE=0.84),且该基本表达式的精度优于所选河道水流挟沙力基本表达式。