水流驱动下砒砂岩区不同灌草格局土壤侵蚀特征

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砒砂岩区土壤侵蚀严重,水土流失现象剧烈,研究不同灌草坡面土壤侵蚀及水蚀动力学机理对解析该区坡面水蚀产沙机制及建立坡面水蚀模型等方面具有重要的指导意义。为探讨水流驱动条件下不同灌草格局的水动力参数、土壤剥蚀和泥沙分选特征及其相互关系,本研究以砒砂岩区常见的灌草地为研究对象,选取无灌丛(GL)、灌丛位于坡面上部(SU)、坡面中部(SM)和坡面下部(SL)四种灌草格局,并以裸坡(BL)为对照,揭示砒砂岩区不同灌草格局下土壤侵蚀特征的差异性及作用机理,研究结果表明:(1)灌草措施是降低坡面侵蚀、控流阻沙的有效途径,砒砂岩区不同灌草格局径流、泥沙量及产流、产沙率随冲刷流量的提升而增大。各灌草格局的减沙效益(SRB,均值67.18%,下同)优于减流效益(RRB,49.61%),减流、减沙效益均值分布特征表现为:坡下>坡中>坡上>草地,其中坡下格局的RRB、SRB分别达到了66.69%和83.22%,对本研究区而言,坡下格局是坡面控流阻沙的最佳植被布设措施。(2)灌草措施能够显著降低土壤的剥蚀程度,不同灌草格局土壤剥蚀率随冲刷流量的提升呈增大趋势。其中,30 L/min冲刷流量时不同灌草格局的土壤剥蚀率均值为0.286 g/m2·s,是低冲刷流量(15 L/min)下的2.08倍;各冲刷流量下不同灌草格局的土壤剥蚀率均值较裸地降低了49.90%,土壤剥蚀率大小关系表现为裸坡>草地>坡上>坡中>坡下。(3)灌草措施导致土壤颗粒分形维数差异显著。粉、砂粒是砒砂岩区侵蚀泥沙的主要颗粒组成,随冲刷时间及流量的增加砂粒含量(φ砂粒)、富集率(ERsand)逐渐增大,泥沙颗粒呈粗化趋势,但不同灌草格局间未达到显著水平。不同冲刷流量下各灌草格局泥沙颗粒分形参数均差异显著,泥沙颗粒单重分形维数(Dν)、容量维数(D0)、信息维数(D1)均值分别介于2.3482.422、0.8320.903和0.7390.874之间,且不同灌草格局泥沙颗粒Dν均值整体表现为草地<坡上<坡中<坡下,而泥沙颗粒D0、D1趋势与之相反。(4)植被措施可有效降低径流过程中的水动力参数。裸坡条件下水流剪切力、水流功率和单位水流功率均为最高,达到了21.503 Pa、4.760 W/m2和0.046 m/s,较裸坡而言,坡下格局分别降低了21.01%、50.18%和64.32%,是削弱径流动能的最有效的植被格局。不同灌草格局下径流的水动力参数的大小关系表现为:裸地>草地>坡上>坡中>坡下。(5)水动力参数与土壤剥蚀率、泥沙颗粒D0和D1呈正相关关系,与泥沙颗粒的Dν呈负相关关系;根系质量密度和泥沙颗粒分布特征与土壤剥蚀率密切相关。水动力参数与土壤剥蚀率、泥沙分形参数间的关系具有一定差异,其中土壤剥蚀率与水动力参数间的关系适用于幂函数、简单线性函数来描述,而泥沙分形参数和水动力参数的关系则更适合运用指数函数和对数函数来描述。水流功率是影响剥蚀率和泥沙分选特征的最重要水动力参数,土壤剥蚀率与水动力参数、泥沙分形参数间的拟合方程Dr=0.026ω-3.284τ1.664Dν1.289D11.199,可以较好的模拟砒砂岩区坡面土壤剥蚀特征。
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