降雨-径流作用下红壤坡面侵蚀过程及溶质迁移特征

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南方红壤丘陵区气候温和,雨量丰富,是我国水热条件较好、占地面积较大,是我国重要的粮食生产区,对我国农业经济发展起关键性作用。随着经济发展,过度的人为活动使该区森林和地表植被大面积破坏,加之该区地形复杂,降雨强度大且集中,水土流失比较严重,致使该区土层薄化,岩石裸露,耕地面积锐减,耕地质量下降,农业生产全面衰退。同时土壤中大量的农药和养分随着径流泥沙流入河流、湖泊、水库等,使水体受到严重污染。因此,开展南方红壤区土壤侵蚀机理及养分迁移机制研究,保护红壤资源迫在眉睫。本研究结果可为红壤区防治水土流失、改善生态环境及发展农业生产提供依据。本文基于室内模拟降雨试验和径流冲刷试验相结合的研究方法,选择非吸附性Br-作为示踪剂,研究了雨滴打击、径流冲刷、降雨-径流组合作用这三种侵蚀动力下坡面红壤侵蚀过程和养分迁移规律,评价了降雨-径流不同作用机制对坡面产流产沙的影响,揭示了坡面产流产沙的水动力学机理及坡面径流溶质溴的迁移机制,阐明了坡面土壤侵蚀过程及溶质迁移特征。主要结论如下:(1)雨滴打击对坡面侵蚀过程及溶质流失的影响模拟降雨条件下,雨强对坡面产流产沙速率影响显著,雨强越大,产流、产沙速率越大。产流、产沙速率和径流含沙量随降雨时间的持续呈现阶段性变化趋势,其中累计径流量和累计泥沙量均与产流历时呈较好的线性关系,累计径流量与累计泥沙量之间呈现显著的幂函数相关关系;产流初始6 min是径流溶质流失的主要阶段,相同降雨历时下径流溶质Br-流失量表现为:120 mm/h> 90 mm/h> 60 mm/h。(2)径流冲刷对坡面侵蚀过程及溶质流失的影响模拟径流冲刷条件下,不同流量下坡面侵蚀产沙呈现不同的变化趋势,其中低流量下(10L/min)侵蚀泥沙变化平缓,高流量下(15L/min、20L/min)侵蚀泥沙主要集中在最初5 min。溶质流失主要集中在最初5 min,占总量的40%以上。累计径流量与产流历时呈现显著的正线性相关关系,累计泥沙量与产流历时、累计径流量间均呈现幂函数关系;径流溶质Br-浓度随产流历时呈现幂函数递减规律。(3)降雨-径流共同作用对坡面侵蚀过程及溶质流失的影响降雨和放水冲刷共同作用下,降雨强度和上方来水流量对产流产沙动态变化曲线影响较小,产流产沙速率随产流时间总体呈减小趋势,产沙速率衰减速度比产流速率快。累计径流量与产流历时呈线性关系,而累计泥沙量与产流历时、累计径流量间呈幂函数关系。径流溶质Br-浓度与产流时间呈幂函数关系。降雨-径流共同作用下,坡面水流流态主要以紊流、急流为主,阻力系数(f)与雷诺数(Re)之间呈现很好的幂相关关系。通过通径分析与相关分析得出,雷诺数是影响土壤坡面侵蚀的主要水力学参数。径流剪切力、水流功率和单位水流功率三个水动力学参数均是描述径流平均输沙率、径流溶质流失率的良好指标。
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