第一章 绪 论
1.1研究背景和意义
土壤侵蚀已经成为世界环境问题中最为突出的问题之一，严重制约着人类经济的可持续发展。土壤侵蚀是造成水体污染的主要途径，是非点源污染物流失的载体（Novotny, 1999）。据报道 20 世纪 90 年代，全球 30%~50%的陆地面积受到农业非点源污染的影响。世界银行的报道指出，中国有将近 50%的地下水遭受到农业非点源污染，且受农业非点源污染影响的耕地面积已近 2000 万 hm2(章立建和朱立志, 2005)。土壤侵蚀及其携带养分的流失，导致土地生产力急剧下降和水体富营养化日趋严重。因此，有必要开展土壤侵蚀机理及其养分迁移机制的研究。根据全国农业土壤普查结果黑土区总面积为 101.85 万 km2(含大小兴安岭、长白山)，其中典型黑土区面积为 11.78 万 km2。东北黑土区是我国重要的粮食生产基地，每年输出的粮食产量占到中国粮食产量的 33.3%~40%，被称具有重要战略意义的“粮食市场稳压器”。但近年来由于人们的过度开垦和自然因素的影响，水土流失日益严重(Fang et.al, 2006)。
目前，黑土区已成为我国四大水土流失区之一。据调查，黑土区平均每年流失 0.3~1cm 厚的黑土表层，黑土正沿着厚层黑土→中层黑土→薄层黑土→破皮黄黑土→黄土的方式蜕变。黑土区每年流失土壤达 2 亿 m3，流失的氮磷钾养分折合成化肥达 500 万标准吨。严重的土壤侵蚀及养分流失直接威胁到国家的粮食战略安全。因此，深入理解黑土区土壤侵蚀机理和养分迁移机制成为保护黑土地的迫切要求。虽然对东北黑土区土壤侵蚀的研究已开展多年，但主要集中于侵蚀严重性的描述和侵蚀因素的研究。研究方法基本上局限于小区监测(杨学明等, 2003)，少有的基于人工模拟降雨研究土壤侵蚀过程也主要集中于均匀雨强下，关于变雨强雨型下土壤侵蚀过程的研究尚未有报道；利用示踪法开展土壤侵蚀过程的研究尚处于初级阶段（李明贵和李明品, 2000），且主要集中于坡面尺度，关于流域尺度土壤侵蚀的空间分布研究尚见报道。养分流失的研究主要集中在自由入渗条件下，针对土壤水分饱和与壤中流条件下养分迁移机制的研究还是空白。
本文基于室内模拟降雨试验阐明两种侵蚀动力（雨滴打击、壤中流与径流共同作用）下的土壤侵蚀机理，评价不同降雨特征（雨强和雨型）、坡度和地表覆盖下的土壤侵蚀过程，并从径流水力学特性和侵蚀产沙水动力角度分析土壤侵蚀动力学机理；基于模拟降雨试验，研究不同近地表水文条件与雨滴打击交互作用对氮和磷迁移的影响，揭示养分迁移机制；利用137Cs 示踪法和 GIS 技术揭示流域土壤侵蚀空间分布特征。本文的研究有利于进一步深入理解土壤侵蚀机理和养分流失机制，以便为东北黑土区实施水土保持措施提供理论依据，为农业非点源污染控制提供有效途径。
1.2 国内外研究进展
1.2.1 雨滴侵蚀与片蚀的研究进展
自 20 世纪 40 年代以来，坡面土壤侵蚀过程机理研究取得了重要进展。分离、搬运和沉积过程是土壤侵蚀过程中相互影响相互制约的三个子过程（Ellison,1947）。降雨和径流作用下，土壤颗粒离开原始位置的过程为分离过程；分散的土壤颗粒被径流向下坡输送的过程为搬运过程；被坡面径流输送的泥沙返回地表或由运动状态变为静止状态的过程为沉积过程。分散、搬运和沉积三个过程在侵蚀过程中随时随地都会发生，但不同侵蚀条件下占主导作用的侵蚀过程存在差异。一般认为，土壤侵蚀包括雨滴溅蚀和径流侵蚀。Ellison（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、雨滴搬运过程和径流搬运过程。Foster 和 Meyer （1972）等认为土壤侵蚀应分为细沟间侵蚀和细沟侵蚀，细沟间侵蚀反映了雨滴和薄层水流引起的颗粒分散和搬运过程。本文主要着重对雨滴侵蚀和片蚀进行了深入研究，下面分别对这两个侵蚀过程的研究进展进行阐述。
1.2.1.1 雨滴侵蚀
雨滴打击使土粒产生分散和移动，为坡面径流搬运提供侵蚀物质来源，还通过增强坡面薄层水流的扰动而增加径流的搬运能力。因此，雨滴打击对坡面侵蚀的分离和搬运过程均有重要影响（Ellison, 1944; Dunne 和 Zhang, 1991）。雨滴打击不仅能对土壤表面的颗粒进行分散，还能穿透径流层引起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的深度有关（Gabet 和 Dunne, 2003）。Gao 等（2004）认为对某一土壤类型一定水分含量内，雨滴打击对土壤颗粒的分散在一定径流深度内是恒定的，当超过了临界水深后分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，雨滴打击对土壤颗粒的分散能力达到最大。虽然由雨滴击溅引起的土壤颗粒的迁移可忽略不计（Moss et al., 1979; Kinnell, 1991; 李光录等, 2008），但雨滴打击可通过增加径流的紊乱性而增强径流的搬运能力(Dunne 和Zhang, 1991)。徐震等（2010）研究了雨滴打击对坡面径流输沙的影响，发现雨滴打击会增强水流的紊动作用和水流流态的不稳定性。Guy 等（1987）等认为 85%的侵蚀量由于雨滴打击增强了径流扰动引起。郑粉莉（1998）等通过纱网覆盖消除雨滴打击后发现较小雨强下 5~20°坡面上不发生细沟侵蚀，且坡面总侵蚀量减少 35%~61%；较大雨强下，坡面总侵蚀量减少 31%~55%。东北黑土区是我国主要商品粮产区，严重的水土流失直接威胁着国家的粮食战略安全。乱砍乱伐致使很多土地得不到植被的保护，雨滴打击所导致的溅蚀在黑土区普遍存在（范昊明等, 2004; 张晓平等, 2006），但关于雨滴打击对土壤侵蚀过程影响的研究非常缺乏（崔明等, 2007）。
第二章 研究目标、内容与方法本研究应用
土壤侵蚀学、土壤学、水力学、河流动力学和泥沙运动学等学科的理论与方法，采用野外调查与采样、室内模拟降雨试验、室内理化分析和统计分析相结合的方法，揭示黑土区坡面土壤侵蚀过程和机理，探究坡面侵蚀过程中养分的迁移机制，阐明流域土壤侵蚀空间分布特征，为黑土区土壤侵蚀防治和农业非点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匮乏的现实，本文利用室内模拟降雨试验研究雨滴打击、壤中流与径流共同作用下的土壤侵蚀过程，并从径流水力学特性和侵蚀产沙水动力机制角度揭示这两种侵蚀动力条件下的土壤侵蚀水动力学机理；阐明不同降雨特征（雨强和雨型）、坡度和地表覆盖下的坡面侵蚀过程机理，探究影响坡面土壤侵蚀的主控因子；分析近地表水文条件和雨滴打击交互作用对氮和磷随径流和泥沙迁移的影响，揭示坡面土壤养分迁移规律；结合137Cs 示踪技术和 GIS 技术研究流域土壤侵蚀的空间分布特征。其研究成果将进一步加深对黑土区的土壤侵蚀过程和机理、养分流失机制的理解，为建立具有物理成因的土壤侵蚀预报模型和养分流失估算模型提供基础资料。
2.2 研究内容
本论文设计的研究内容有以下 6 个方面：（1）雨滴打击对坡面侵蚀过程的作用基于模拟降雨试验，设计试验土槽有纱网覆盖与无纱网覆盖的试验处理，分析雨滴打击对坡面土壤侵蚀的作用大小；从径流水力学特征和侵蚀产沙水动力机制角度，探究影响雨滴侵蚀的关键水力学参数，并揭示雨滴侵蚀的水动力学机理。（2）壤中流与地表径流共同作用下的坡面土壤侵蚀过程基于室内模拟降雨试验，设计壤中流+降雨与仅有降雨而无壤中流的试验处理，研究壤中流与地表径流共同作用下土壤侵蚀过程，分析该条件下的径流水力学特性和侵蚀水动力机制，并定量分析坡面侵蚀量与水动力参数的关系。（3）影响黑土区坡面土壤侵蚀的主要因素分析设计三种降雨强度（50、75 和 100mm h-1）和三个地面坡度（5°、7.5°和 10°）。对比分析不同雨强和坡度条件下的坡面侵蚀产沙过程，研究坡面侵蚀产沙与雨强和坡度之间的关系，区分雨强和坡度对坡面侵蚀产沙的贡献作用。
第三章 雨滴打击对坡面土壤侵蚀的作用.................... 46-57
3.1 雨滴打击对坡面侵蚀产流产沙.................... 46-48
3.1.1 雨滴打击对坡面侵蚀产流.................... 46-47
3.1.2 雨滴打击对坡面侵蚀产.................... 47-48
3.2 雨滴打击对坡面侵蚀产流产沙.................... 48-50
3.3 雨滴侵蚀下的径流水力学特征.................... 50-53
3.4 雨滴侵蚀的产沙水动力机制.................... 53-56
3.5 本章小结.................... 56-57
第四章坡面土壤侵蚀机理 .................... 57-64
4.1 壤中流对土壤侵蚀影响.................... 57-58
4.2径流量和土壤侵蚀量.................... 58-59
4.3侵蚀产沙特征.................... 59-60
4.4径流水力学特性.................... 60-61
4.5侵蚀产沙水动力机制.................... 61-62
4.6 讨论 .................... 62-63
4.7 本章小结.................... 63-64
第五章 影响黑土区坡面土壤侵蚀.................... 64-84
5.1 雨强和坡度对坡面侵蚀过程的综合影响 .................... 64-69
5.2 雨型对坡面土壤侵蚀过程的影响.................... 69-80
5.3 秸秆覆盖对坡面侵蚀过程的影响.................... 80-82
5.4 本章小结.................... 82-84
结论
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（1）雨滴打击对坡面侵蚀的贡献。雨滴打击对径流和侵蚀产沙贡献分别为-2.74%~26.23%和 72.29%~96.21%。消除雨滴打击后，整个降雨过程中均呈现显著的减流减沙效应，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学特性的影响。消除雨滴打击后径流深、流速、雷诺数和 弗 汝 德 数 分 别 减 少 3.85%~39.34% 、 20.9%~67.5% 、 25.82%~70.29% 和18.75%~62.50%，而阻力系数增加 39.90%~430.91%，说明雨滴打击增强了径流的紊乱程度。相关分析和通径分析的结果表明，流速是影响雨滴侵蚀的关键水力学参数，且雨滴侵蚀与流速存在显著的线性函数关系。
（3）雨滴侵蚀的动力学机理。与无雨滴打击条件下的结果相比，雨滴打击使临界径流剪切力、临界水流功率和临界单位水流功率均增加 2 倍以上。雨滴侵蚀(Dri)与增加的水流功率（W）和单位水流功率（ψ）的关系表达式分别为:Dri=0.578W-0.0548（R2=0.60, n=18）和 Dri=40.245ψ-0.0409（R2=0.43, n=18）
参考文献
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