棕壤橫壟土壤侵蝕特征及其影響因素.pdf

1、坡面是侵蝕產(chǎn)沙的重要來源，農(nóng)業(yè)耕作措施是影響坡面侵蝕產(chǎn)沙的主要人為因素。其中，等高壟作是世界范圍內(nèi)廣泛采用的提高作物產(chǎn)量、控制水土流失的農(nóng)業(yè)措施。在現(xiàn)有坡面土壤侵蝕模型中，RUSLE2模型對(duì)等高壟作措施考慮較為充分。模型中利用壟高、壟向坡度等因子對(duì)等高耕作的水土保持措施因子進(jìn)行了估算。等高壟作系統(tǒng)中，壟溝內(nèi)的雨水匯集可導(dǎo)致橫壟垮塌和滲流發(fā)生，從而加劇土壤侵蝕。但由于觀測(cè)資料的局限性，包括RUSLE2模型在內(nèi)的相關(guān)研究成果較少涉及到壟面侵

2、蝕、橫壟垮塌及滲流條件下的橫壟侵蝕過程，且在評(píng)價(jià)微地貌及壟溝幾何結(jié)構(gòu)等因素及其交互作用對(duì)橫壟侵蝕的影響等方面尚有不足之處。
　　通過調(diào)查魯中南山地丘陵區(qū)棕壤坡耕地等高壟作系統(tǒng)中的微地貌和壟溝幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)了新型實(shí)驗(yàn)土槽。該土槽可同時(shí)調(diào)節(jié)壟向坡度和坡面坡度，并可設(shè)定自由下滲和滲流2種不同的實(shí)驗(yàn)條件。在自由下滲條件下，利用正交設(shè)計(jì)對(duì)壟向坡度(RG)、坡面坡度(FS)、壟高(H)、壟寬(W)和雨強(qiáng)（RI）等5個(gè)因素2個(gè)水平進(jìn)行了組合

3、，共包括16個(gè)組合處理，研究了壟面侵蝕過程和橫壟垮塌條件下侵蝕產(chǎn)沙特征及其影響因素;在滲流條件下，利用正交旋轉(zhuǎn)回歸組合設(shè)計(jì)對(duì)壟向坡度、坡面坡度、壟高等3個(gè)因素5個(gè)水平進(jìn)行了組合，共23個(gè)處理，分析了各因素及其之間的交互作用對(duì)橫壟滲流及侵蝕產(chǎn)沙的影響。取得的主要成果和結(jié)論如下:
　　(1)在橫壟垮塌前，壟面土壤侵蝕過程可分為溝間侵蝕和細(xì)溝侵蝕兩個(gè)階段。該兩個(gè)階段的產(chǎn)流量分別占總產(chǎn)流量的44.2％和55.8％，細(xì)溝侵蝕階段的產(chǎn)沙量占總

4、產(chǎn)沙量的87.2％。溝間侵蝕階段持續(xù)時(shí)間較細(xì)溝侵蝕階段長(zhǎng)，占總侵蝕階段持續(xù)時(shí)間的72.3％。在溝間侵蝕階段，壟寬和雨強(qiáng)對(duì)每分鐘產(chǎn)流量具有顯著正向作用(p＜0.01)，其貢獻(xiàn)率分別為33.1％和28.7％。每分鐘產(chǎn)沙量受到壟寬和雨強(qiáng)的正向顯著作用，貢獻(xiàn)率分別為14.8％和17.0％。壟高對(duì)每分鐘產(chǎn)流量具有正向顯著作用(16.6％)，但是對(duì)產(chǎn)沙量的影響不顯著。坡面坡度對(duì)每分鐘產(chǎn)沙量具有正向顯著作用(8.3％)，但是對(duì)產(chǎn)流量影響不顯著。每分鐘

5、產(chǎn)流量主要受到壟溝幾何結(jié)構(gòu)的影響，而產(chǎn)沙量則主要受微地貌因素的影響。在細(xì)溝侵蝕階段，壟高對(duì)產(chǎn)流具有負(fù)向顯著作用，其原因在于壟高的增大可蓄積更多的雨水、延長(zhǎng)入滲時(shí)間，并可提高水頭，從而增大雨水入滲。壟向坡度對(duì)產(chǎn)沙具有正向顯著作用，其原因是壟向坡度的增大，可減小土壤顆粒間粘結(jié)力，降低坡穩(wěn)性。因子之間的交互作用對(duì)壟面的產(chǎn)流產(chǎn)沙具有重要作用，如坡面坡度與雨強(qiáng)對(duì)兩個(gè)階段產(chǎn)流量的負(fù)向交互作用、降雨強(qiáng)度與壟寬對(duì)細(xì)溝侵蝕階段產(chǎn)沙量的正向交互作用、壟向坡

6、度與壟寬對(duì)溝間侵蝕階段持續(xù)時(shí)間的正向交互作用。
　　(2)當(dāng)有橫壟垮塌發(fā)生時(shí)，除壟向坡度因子之外的其它因素對(duì)橫壟產(chǎn)流產(chǎn)沙均具有顯著影響(p＜0.01)。降雨強(qiáng)度是影響產(chǎn)流量的最重要因素，其貢獻(xiàn)率為68.1％，其次依次為壟高、坡面坡度和壟寬。坡面坡度與雨強(qiáng)的交互作用對(duì)產(chǎn)流量具有負(fù)向顯著影響（貢獻(xiàn)率為5.4％）。在低雨強(qiáng)下，徑流量隨著坡度的增大而增大，但是在高雨強(qiáng)下，徑流量隨坡度增大呈減小趨勢(shì)。壟高與壟寬的負(fù)交互作用、坡面坡度與壟高的

7、正交互作用對(duì)產(chǎn)流量的影響均達(dá)到顯著水平。壟高對(duì)產(chǎn)沙量具有顯著負(fù)向作用，其貢獻(xiàn)率達(dá)到21.4％，超過了雨強(qiáng)的影響(貢獻(xiàn)率為19.4％)。由此表明，相對(duì)于產(chǎn)流，通過調(diào)整微地貌因子和壟溝幾何結(jié)構(gòu)可對(duì)產(chǎn)沙起到更有效的控制作用。壟向坡度與壟寬、坡面坡度與壟高、雨強(qiáng)與壟高的交互作用對(duì)產(chǎn)沙量的正向作用均達(dá)到了顯著水平，而坡面坡度與雨強(qiáng)的交互作用則為負(fù)向影響。根據(jù)影因子及其之間交互作用對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙量影響的貢獻(xiàn)率和正負(fù)性，確定了控制產(chǎn)流產(chǎn)沙的最佳因子組合。

8、控制產(chǎn)流的因子組合分為兩種情況:在較低雨強(qiáng)下，因子組合為RG1，F(xiàn)S1，H2和W2;在較高雨強(qiáng)下，因子組合為RG1，F(xiàn)S2，H2和W2?？刂飘a(chǎn)沙的因子組合不受雨強(qiáng)大小的影響，均為RG1，F(xiàn)S1，H1和W2（下標(biāo)1和2為實(shí)驗(yàn)采用因子的低水平與高水平）。
　　(3)滲流條件下，橫壟土壤侵蝕過程可分為四個(gè)階段:溝間侵蝕，溯源侵蝕，橫壟崩塌和細(xì)溝侵蝕。人工模擬降雨過程中的滲流率相比供水滲流階段的有所減少，其原因可能是降雨對(duì)土體的壓實(shí)作用和

9、分散的土壤顆粒對(duì)土壤空隙的堵塞作用。以壟向坡度、坡向坡度和壟高三個(gè)因子作為自變量，分別建立了產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的二次多項(xiàng)式回歸模型，模型的決定系數(shù)分別為0.743和0.545。壟向坡度和坡向坡度對(duì)產(chǎn)沙量的影響相對(duì)徑流較大，而壟高對(duì)產(chǎn)流量的影響較大，且隨著壟高的增大，其影響的程度越大。隨著因子水平的提高，3個(gè)因子對(duì)產(chǎn)流量的影響具有不同的趨勢(shì):壟高的影響趨于持續(xù)增大，壟向坡度的影響呈先降低后升高趨勢(shì)，坡面坡度則為先升高后降低趨勢(shì)。壟高、壟向坡度

10、和坡向坡度對(duì)產(chǎn)沙量的影響隨著因子水平的增大，呈先增大后減小的單峰趨勢(shì)。依據(jù)產(chǎn)沙量變化曲線可以得到最大產(chǎn)沙量及其對(duì)應(yīng)的因子水平。在達(dá)到最大產(chǎn)沙量之前，坡向坡度與其它兩個(gè)因素相比，對(duì)產(chǎn)沙量的影響具較大的增加率;當(dāng)達(dá)到最大產(chǎn)沙量后，坡向坡度則具有較快的減小率。壟向坡度、坡向坡度和壟高之間的交互作用對(duì)產(chǎn)流和產(chǎn)沙量的影響在p＜0.1水平上均不顯著。在實(shí)際中，避免采用最大產(chǎn)沙量所在的因子水平，可更好地發(fā)揮等高壟作措施控制土壤侵蝕的作用。
　　

11、(4)滲流條件下的產(chǎn)沙量相對(duì)于自由入滲條件下，增加幅度可達(dá)到15倍。以壟向坡度、坡向坡度和壟高作為自變量，滲流率可用其二次多項(xiàng)式回歸模型予以模擬，模型的決定系數(shù)為0.759，且達(dá)到顯著水平(p＜0.01)。滲流率主要受到壟向坡度及其二次項(xiàng)和壟高的二次項(xiàng)的影響，受這三個(gè)因素間交互作用的影響不顯著。利用實(shí)測(cè)或預(yù)測(cè)滲流率作為輸入因子，可提高侵蝕產(chǎn)沙的二次多項(xiàng)式回歸模型的模擬精度:與未納入滲流率的回歸模型相比，決定系數(shù)(R2)分別從0.743提

12、高至0.915和0.893，均方根誤差(RMSE)從0.67分別減少至0.38和0.43。引入實(shí)測(cè)滲流率后的修正侵蝕產(chǎn)沙模型比引入預(yù)測(cè)滲流率的修正模型，具有更高的顯著水平，其p值分別為0.007和0.016。引入實(shí)測(cè)滲流率后的修正產(chǎn)沙模型，更多的識(shí)別出了具有顯著影響的因素和因子間的交互作用，如壟向坡度及其與坡面坡度、壟高和滲流率的交互作用;坡向坡度的二次項(xiàng)及其與壟高、滲流率的交互作用。引入預(yù)測(cè)滲流率的修正產(chǎn)沙模型中，只有滲流率的二次項(xiàng)、