Jag S及Jag C162对黄土坡面片蚀动力学过程的调控

【摘要】我国黄土高原是全球土壤侵蚀最严重地区，该区长期强烈侵蚀给当地可持续发展及黄河下游地区安危造成严重影响与威胁。片蚀过程，尤其陡坡坡面片蚀过程是该区大面积存在的坡面重要侵蚀过程之一，片蚀过程中的片流汇集后又成为坡面不同等级侵蚀沟的主要侵蚀动力。土壤侵蚀化学调控是一类非传统的新兴水土保持措施。JagS及JagC162是两种新开发的化学材料。开展研究JagS及JagC162对黄土坡面片蚀动力学过程的调控，可以认识黄土坡面片蚀动力学过程机理，阐明JagS及JagC162对黄土坡面片蚀动力学过程的调控效应与调控机理，促进坡面侵蚀理论进一步发展，为黄土坡面水土流失治理提供科学依据。本论文采用模拟降雨试验方法，在雨强1.0mm/min、1.5mm/min、2.0mm/min，坡度10°、15°、20°，施剂量1g/m2、3g/m2、5g/m2，撒与喷施2种方式下，开展了土壤施JagS及JagC162对黄土坡面片蚀动力学过程的调控研究，分析研究了JagS及JagC162对黄土坡面片蚀过程、表层土壤性质、片蚀水流水动力学性质的影响。主要结论如下：1.通过研究土壤施JagS和JagC162对坡面径流与片蚀动态变化过程、产流产沙关系的影响及减水减沙效益，揭示了JagS和JagC162对坡面片蚀过程的调控效应：(1)撒与喷施JagS及JagC162坡面径流率随降雨过程变化总体皆与裸坡相似，皆随径流历时延长先增大后趋于稳定或低斜率上升；试验条件下，相对于裸坡，以5g/m2施JagS可增加径流，撒施增6%~25%，平均增18%，喷施增9%~23%（1mm/min下减32%），平均增14%，其余处理条件下施JagS及JagC162均可减小径流，施JagS下，剂量越大，减水越少，撒施减6%~24%（1mm/min下增4%），平均减15%，喷施减18%~57%，平均减32%，施JagC162下，剂量越大，减水越多，撒施减25%~81%，平均减51%，喷施减48%~79%，平均减64%；结果表明，喷施JagS和JagC162减水效应均好于撒施，5g/m2剂量JagS增水效应撒施好于喷施；(2)撒与喷施JagS坡面、撒施JagC162坡面片蚀率随降雨过程变化总体上皆与裸坡相似，皆随降雨历时延长先急速递增，之后较快速减小，随后趋于稳定，喷施JagC162坡面片蚀率随降雨历时延长先逐步增大随后趋于稳定；侵蚀开始时间撒与喷施JagS坡面、喷施JagC162坡面早于裸坡，撒施JagC162坡面不同条件下不等；试验条件下，相对于裸坡，施JagS及JagC162均可减小片蚀，剂量越大，减沙效应越好，撒施JagS减32%~72%，平均减57%，喷施JagS减19%~69%，平均减46%，撒施JagC162减44%~71%，平均减55%，喷施JagC162减28%~61%，平均减44%；结果表明，撒施JagS和JagC162的减沙效应均好于喷施；(3)撒与喷施JagS及JagC162坡面次片蚀模数随次径流深变化与裸坡相似，基本皆随径流深增大而增大，剂量越大，增幅越小，表明施JagS及JagC162减沙作用大于减水作用，剂量越大此作用越显著（喷施1g/m2和5g/m2JagC162坡面产流产沙关系趋势与裸坡相当接近，表明减水减沙作用相当）。2.通过研究土壤施JagS和JagC162对>0.25mm土壤水稳性团聚体和土壤抗剪强度的影响，揭示了JagS和JagC162对（与抗侵蚀密切相关的）坡面表层土壤性质的调控效应：(1)撒与喷施JagS及JagC162可显著增加>0.25mm土壤水稳性团聚体含量，剂量越大，增加作用越明显；试验条件下，相对于裸土，对>0.25mm各粒级土壤水稳性团聚体含量，撒施JagS增3.0%~16.1%，总量增39.8%，喷施JagS增0.3%~21.3%，总量增41.9%，撒施JagC162增0%~21.1%（仅撒施JagC162在1g/m2剂量下>5mm为0），总量增21.1%，喷施JagC162增0.9%~24.9%，总量增42.8%，表明喷施JagS和JagC162对土壤水稳性团聚体含量增加效果好于撒施；(2)撒与喷施JagS及JagC162可显著提高土壤抗剪强度，剂量越大，提高作用越明显；试验条件下，相对于裸土，撒施JagS增25.0%~111.0%，平均增63%，喷施JagS增92.9%~241.7%，平均增169%，撒施JagC162增60.0%~65.5%，平均增63%，喷施JagC162增173.3%~305.4%，平均增237%，表明喷施JagS和JagC162对土壤抗剪强度增加效果好于撒施。3.通过研究土壤施JagS和JagC162对坡面水流流速、水深、阻力系数、雷诺数、佛汝德数等水力学参数的动态变化过程与次产流过程各水力学参数平均值的影响，以及对片蚀与水流剪切力、水流功率、单位水流功率等水动力学参数耦合关系的影响，揭示了JagS和JagC162对坡面片蚀水流水动力学性质的调控效应：(1)撒与喷施及JagC162坡面水流水力学参数（流速、水深、阻力系数、雷诺数、佛汝德数）随降雨历时变化总体均与裸坡相似，不同试验处理下变化过程稍有差异；(2)试验条件下，相对于裸坡，施JagS和JagC162均减小流速、水深、雷诺数、佛汝德数（5g/m2JagS下流速、佛汝德数增加，撒施5g/m2JagS下水深增加）：施JagS，剂量越大，减小越少；撒施JagC162，减小大小为：3g/m2>5g/m2>1g/m2，喷施JagC162，剂量越大，减小越多；施JagS减小阻力系数：剂量越大，减小越多；施JagC162增加阻力系数（喷施1g/m2下减小）：增加大小为：3g/m2>5g/m2>1g/m2；试验结果表明，喷施对流速、水深、雷诺数、阻力系数减小作用好于撒施（JagC162增加阻力系数作用喷施好于撒施），撒施对佛汝德数减小作用好于喷施（1g/m2JagC162下喷施好于撒施；5g/m2JagS下增加佛汝德数，喷施好于撒施）；(3)裸坡、撒与喷施JagS及JagC162坡面片蚀皆与水流功率耦合关系最好，水流功率是与试验条件下不同处理坡面片蚀过程关系最密切的水动力学参数，表明土壤施JagS及JagC162后不会改变坡面片蚀的动力根源；撒与喷施JagS及JagC162坡面次片蚀模数随次平均水流功率增大基本均增大，与裸坡相似，增幅基本均小于裸土，剂量越大，增幅越小（1g/m2JagC162下例外），表明施JagS及JagC162减沙作用大于减小水流功率作用，剂量越大，此作用表现越显著（1g/m2JagC162下例外）；试验条件下，相对于裸坡，施JagS及JagC162均可减少水流功率，撒施JagS减19%~24%（5g/m2下增11%），平均减21%，喷施JagS减21%~39%（5g/m2下增6%），平均减30%，撒施JagC162减30%~48%，平均减41%，喷施JagC162减52%~72%，平均减63%，表明喷施JagS及JagC162对水流功率减小效果好于撒施（5g/m2JagS下增加效果撒施好于喷施）。4.阐明了JagS及JagC162对坡面片蚀动力学过程的调控机理：水蚀是侵蚀水动力与土壤抗侵蚀力作用的结果。土壤中施JagS及JagC162后通过有效提高（与抗侵蚀密切相关的）坡面表层土壤性质->0.25mm土壤水稳性团聚体含量与土壤抗剪强度，以及有效减低与坡面片蚀关系最密切的水动力学参数-水流功率，有效地减小了坡面片蚀。
【作者】刘俊娥；
【导师】王占礼；
【作者基本信息】西北农林科技大学，水土保持与荒漠化防治，2014，博士
【关键词】JagS；JagC162；黄土坡面；片蚀；动力学过程；调控；径流；水力学参数；土壤水稳性团聚体；土壤抗剪强度；

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