36200字硕士毕业论文东北黑土区土壤侵蚀过程及土壤养分迁移机制研究

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：36200字

论点：侵蚀,土壤,径流

论文概述：

关于土壤侵蚀过程机理的研究成果大多基于自由入渗条件下，如何定量表达壤中流与地表径流共同作用下的土壤侵蚀过程和侵蚀动力机理是今后研究的重点内容。

论文正文：

第一章是关于情绪

1.1研究背景和意义
土壤侵蚀已成为世界上最突出的环境问题之一，严重制约着人类经济的可持续发展。土壤侵蚀是造成水污染的主要途径和非点源污染物流失的载体(Novotny，1999)。据报道，20世纪90年代，全球陆地面积的30%~50%受到农业面源污染的影响。世界银行的报告指出，中国近50%的地下水遭受农业面源污染，受农业面源污染影响的耕地面积已达到近2000万hm2(张李健、朱理子，2005)。土壤侵蚀及其携带的养分流失导致土地生产力急剧下降，水体富营养化日益严重。因此，有必要研究土壤侵蚀和养分迁移的机理。根据全国农业土壤调查结果，黑土总面积为1,018,500 km2(包括大小兴安岭和长白山)，其中典型黑土面积为117,800 km2。东北黑土区是我国重要的粮食生产基地。粮食产量每年占中国粮食产量的33.3%~40%。它被称为“粮食市场稳定器”，具有重要的战略意义。然而，近年来，由于过度开垦和自然因素，土壤侵蚀日益严重(Fang等人，2006年)。
目前，黑土区已成为中国四大水土流失区之一。据调查，黑土面积平均每年流失0.3~1cm厚的黑土表层，黑土沿厚黑土→中黑土→薄黑土→碎黄黑土→黄土的方向变化。黑土区每年流失2亿立方米土壤，流失的氮、磷、钾养分转化为500万标准吨化肥。严重的水土流失和养分流失直接威胁着国家粮食战略安全。因此，深入了解黑土区土壤侵蚀和养分迁移的机理成为保护黑土的迫切要求。虽然对东北黑土区土壤侵蚀的研究已经进行了多年，但主要集中在侵蚀严重程度的描述和侵蚀因子的研究上。研究方法基本上仅限于社区监测(杨薛明等人，2003年)。基于人工模拟降雨的土壤侵蚀过程研究很少，主要集中在均匀降雨强度下，而可变降雨强度下的土壤侵蚀过程研究尚未见报道。示踪法对土壤侵蚀过程的研究仍处于初级阶段(李明贵、李明平，2000)，主要集中在坡面尺度上。空流域土壤侵蚀分布仍有报道。养分流失的研究主要集中在自由入渗条件下。土壤水分饱和条件下养分迁移机制的研究仍然是空白色。
在室内模拟降雨试验的基础上，阐明了两种侵蚀动力(雨滴打击、汇流和径流联合作用)下的土壤侵蚀机理，评价了不同降雨特征(雨强和雨型)、坡度和地表覆盖下的土壤侵蚀过程，并从径流水力学特征和侵蚀产沙水动力学角度分析了土壤侵蚀动力机制。在模拟降雨试验的基础上，研究了不同近地表水文条件和雨滴打击相互作用对氮磷迁移的影响，揭示了养分迁移的机理。利用137铯示踪法和地理信息系统技术揭示了土壤侵蚀空的分布特征。本文的研究有助于进一步了解土壤侵蚀和养分流失的机理，为东北黑土区水土保持措施的实施提供理论依据，为农业面源污染控制提供有效途径。

1.2国内外研究进展

1.2.1雨滴侵蚀和坡面侵蚀研究进展
自20世纪40年代以来，坡面土壤侵蚀过程机理的研究取得了重要进展。分离、运输和沉积是土壤侵蚀过程中相互影响和制约的三个子过程(埃里森，1947)。在降雨和径流的作用下，土壤颗粒离开原位的过程是一个分离过程。分散的土壤颗粒通过径流向下输送的过程是一个输送过程。由坡面径流输送的沉积物返回地表，或作为沉积过程从移动状态变为静止状态。分散、运输和沉积三个过程可以在侵蚀过程中的任何时间和地点发生，但是在不同侵蚀条件下占主导地位的侵蚀过程是不同的。人们普遍认为土壤侵蚀包括雨滴溅蚀和径流侵蚀。埃里森(1947)将水蚀过程分为四个子过程，即雨滴侵蚀过程、径流侵蚀过程、雨滴输送过程和径流输送过程。福斯特和迈耶(1972)等。认为土壤侵蚀应分为细沟侵蚀和细沟侵蚀。细沟侵蚀反映了雨滴和薄层水流引起的颗粒扩散和输送过程。本文主要是对雨滴侵蚀和薄板侵蚀进行深入研究，这两种侵蚀过程的研究进展如下。

1.2.1.1雨滴侵蚀
雨滴冲击导致土壤颗粒分散和移动，为坡面径流输送提供侵蚀物质来源，并通过增强坡面薄层水流扰动增加径流输送能力。因此，雨滴冲击对坡面侵蚀的分离和输送有重要影响(埃里森，1944；邓恩和张，1991)。雨滴冲击不仅可以将颗粒分散在土壤表面，还可以穿透径流层，造成径流层以下土壤颗粒的分散，但这种分散与雨滴直径和径流深度有关(Gabet和Dunne，2003)。Gao等人(2004)认为，在某一土壤类型的某一含水量范围内，在某一径流深度内，雨滴冲击造成的土壤颗粒扩散是恒定的，当超过临界水深时，扩散能力随着水深的增加而降低。Ghadiri和Payne(1981)认为，当径流深度小于一个雨滴直径时，雨滴对土壤颗粒的散射能力达到最大。尽管雨滴飞溅引起的土壤颗粒的迁移可以忽略不计(莫斯等人，1979年；金内尔，1991年；李光陆等人，2008年)，但是雨滴打击可以通过增加径流的无序度来提高径流的输送能力(邓恩和张，1991年)。徐震等人(2010年)研究了雨滴冲击对坡面径流泥沙输移的影响，发现雨滴冲击会增强流态的湍流和不稳定性。Guy等人(1987)认为，85%的侵蚀是由雨滴冲击增强的径流扰动造成的。郑李芬(1998)等发现，在强小雨下，5 ~ 20度坡面上没有细沟侵蚀，通过纱布覆盖消除雨滴冲击后，坡面上的总侵蚀量减少了35% ~ 61%。暴雨下，坡面侵蚀总量减少31%~55%。东北黑土区是我国主要的商品粮产区。严重的水土流失直接威胁到国家粮食战略安全。黑客攻击和砍伐导致许多土地没有植被保护，雨滴造成的飞溅侵蚀在黑土地区非常普遍(范郝明等人，2004年；张小平等，2006)，但关于雨滴对土壤侵蚀过程影响的研究非常少(崔明等人，2007)。

第二章研究目标、内容和方法

土壤侵蚀、土壤学、水力学、河流动力学和泥沙运动学等理论和方法。用于揭示黑土区坡面土壤侵蚀的过程和机理，探索坡面土壤侵蚀过程中养分迁移的机理，阐明流域土壤侵蚀空的分布特征，为黑土区土壤侵蚀防治和农业面源污染控制提供科学依据。

2.1研究目标
针对目前黑土区土壤侵蚀机理研究相对较少的事实，通过室内模拟降雨试验，研究了雨滴打击、径流干扰和径流共同作用下的土壤侵蚀过程，从径流水力学特征和侵蚀产沙水动力机制的角度揭示了这两种侵蚀动力条件下的土壤侵蚀水动力机制；阐明了不同降雨特征(降雨强度和降雨模式)、坡度和地表覆盖下坡面侵蚀过程的机理，探讨了影响坡面土壤侵蚀的主要控制因素。分析了近地表水文条件和雨滴打击相互作用对氮磷随径流和泥沙运移的影响，揭示了坡面土壤养分运移规律。结合137铯示踪技术和地理信息系统技术，研究了流域土壤侵蚀空的分布特征。研究结果将进一步加深对黑土区土壤侵蚀过程和机理以及养分流失机理的认识，为建立土壤侵蚀预测模型和物理原因养分流失预测模型提供基础数据。

2.2研究内容
本文设计的研究内容包括以下六个方面:(1)雨滴打击对坡面侵蚀过程的影响基于模拟降雨试验，设计了覆盖纱布和不覆盖纱布的土坡试验处理，分析了雨滴打击对坡面土壤侵蚀的影响；根据径流水力特性和侵蚀产沙的水动力机制，探讨了影响雨滴侵蚀的关键水力参数，揭示了雨滴侵蚀的水动力机制。(2)坡面土壤侵蚀过程是在室内模拟降雨试验的基础上，在径流和地表径流共同作用下进行的。设计了错流+降雨和无错流降雨的试验处理方法。研究了径流与地表径流共同作用下的土壤侵蚀过程。分析了该条件下径流的水力特性和侵蚀水动力机理，定量分析了坡面侵蚀与水动力参数的关系。(3)对影响黑土区坡面土壤侵蚀的主要因素进行了三种降雨强度(50、75和100毫米·小时-1)和三种地面坡度(5、7.5和10)的分析与设计。对比分析了不同降雨强度和坡度下坡面侵蚀产沙过程。研究了坡面侵蚀与产沙量、降雨强度和坡度的关系。降雨强度和坡度对坡面侵蚀和产沙量的贡献是显著的。

第三章雨滴打击对坡面土壤侵蚀的影响...................46-57
3.1雨滴打击对坡面侵蚀产流产沙的影响...................46-48
3.1.1...................46-47
3.1.2...................47-48
关于雨滴打击引起的坡面侵蚀3.2坡面侵蚀中雨滴对产流产沙影响的径流水力学特征...................48-50
3.3...................50-53
3.4雨滴侵蚀产沙的水动力机制...................53-56
3.5本章概述...................56-57
第四章坡面土壤侵蚀机理...................57-64
4.1径流对土壤侵蚀的影响...................57-58
4.2径流和土壤侵蚀...................58-59
4.3侵蚀和产沙特征...................59-60
4.4径流水力学...................60-61[/比尔/] 4.5侵蚀产沙水动力机制...................61-62[/比尔/] 4.6讨论...................62-63
4.7本章概述...................63-64
第五章黑土区坡面土壤侵蚀的影响...................64-84
5.1雨强和坡度对坡面侵蚀过程的综合影响...................64-69[/br/ ] 5.2雨型对坡面土壤侵蚀过程的影响...................69-80 [/BR/] 5.3秸秆覆盖对坡面土壤侵蚀过程的影响...................80-82 [/BR/] 5.4本章概述...................82-84

结论
。

(1)雨滴打击对坡面侵蚀的贡献。雨滴打击对径流和侵蚀的贡献分别为-2.74%~26.23%和72.29%~96.21%。消除雨滴后，在整个降雨过程中对水流和泥沙有显著的减少作用，减少率分别为1.13%-84.08%和48.13%-96.50%。
(2)雨滴打击对径流水力特性的影响。消除雨滴后，径流深度、流速、雷诺数和弗劳德数分别下降了3.85%~39.34%、20.9%~67.5%、25.82%~70.29%和18.75%~62.50%，阻力系数增加了39.90%~430.91%，表明雨滴打击增强了径流的扰动程度。相关分析和路径分析结果表明，流速是影响雨滴侵蚀的关键水力参数，雨滴侵蚀与流速呈显著的线性函数关系。
(3)雨滴侵蚀的动力机制。与无雨滴打击的结果相比，雨滴打击使临界径流剪切力、临界流量功率和临界单位流量功率增加了2倍以上。雨滴侵蚀(Dri)与流量功率(W)和单位流量功率(ψ)的关系式分别为Dri=0.578W-0.0548(R2=0.60，n=18)和DRI = 40.245ψ-0.0409 (R2 = 0.43，n = 18)

参考
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