NPD对黄土坡面侵蚀过程的调控效应与调控机理研究

The erosion of the Loess Plateau needs to be implemented effectively and scientifically. Erosion can generate a large area of topsoil loss and resources loss, and intensify rill, gully and total erosion. As a soil management measure, polymers can prevent erosion significantly. For NDD, a series of results have been mainly received in soil structure regulation and runoff regulation, but the lack of contributions of two aspects to erosion regulation exists, so the dynamic-resistance regulation mechanism of slope erosion are not clear, which greatly restricts the awareness of erosion regulation mechanism and scientific application of polymers. This project will focus on the erosion process on loess plateau using artificial rainfall, and suggest the regulatory effect by comparing the NPD slope with bared slope in the differences of erosion process, erosion dynamics and erosion resistance. Further regulation mechanism on erosion dynamics and erosion resistance will be analyzed by the specific relationships between the regulation effect and soil characteristics. The contributions of erosion dynamics and erosion resistance to erosions will be clarified to reveal the regulation mechanism of NPD on erosion on loess slope. The results will promote the further development of chemistry erosion prevention theory and provide a scientific basis for soil erosion control.

黄土高原的土壤侵蚀问题需要实施有效且科学的调控。各类高分子化合物运用于土壤侵蚀领域主要针对土壤性质和坡面产流、产沙的作用。NPD对土壤性质和坡面产流、产沙均具有显著的调控作用，但缺乏将侵蚀动力调控与侵蚀阻力调控结合、综合分析其对侵蚀过程的调控机理。本项目以探索土壤中施放NPD对黄土坡面侵蚀过程的调控机理为核心，对施放NPD坡面与裸土坡面进行人工模拟降雨对比试验，分析施放NPD坡面和裸土坡面在侵蚀过程、侵蚀动力和侵蚀阻力等方面的差异，界定施放NPD后侵蚀动力与侵蚀阻力的调控效应及其对侵蚀过程调控的同步贡献率，分别建立NPD对侵蚀动力和侵蚀阻力调控效应与土壤性质间的定量关系，探究NPD对侵蚀动力和侵蚀阻力的调控机理，实现NPD对黄土坡面侵蚀过程动力-阻力双调控机理的研究揭示，拓展和深化高分子化合物调控侵蚀机理认识，为科学施用NPD调控坡面水土流失提供重要科学依据。

黄土高原的土壤侵蚀问题需要实施有效且科学的调控。高分子化合物NPD对土壤性质和坡面产流、产沙均具有显著的调控作用，但缺乏将侵蚀动力调控与侵蚀阻力调控结合、综合分析其对侵蚀过程的调控机理。本项目采用人工模拟降雨试验方法，在雨强1.0、1.5、2.0 mm/min，坡度10°、15°、20°，施放剂量1、3、5 g/m2，撒施方式下，分析研究NPD对黄土坡面侵蚀过程的调控效应、动力的调控效应和机理、侵蚀过程的动力-阻力的调控机理。主要研究结论：不同降雨强度和不同坡度下，撒施NPD可以明显减少地表侵蚀强度，在产流初始的侵蚀率变化幅度较大阶段，裸土和撒施不同剂量NPD的坡面侵蚀率的大小整体表现为：裸土> 3 g/m²>1 g/m²>5 g/m²，在降雨后期侵蚀率变化达到相对稳定阶段，裸土和撒施不同剂量NPD的坡面侵蚀率的大小为：裸土> 3 g/m²>5 g/m²>1 g/m²。NPD可显著减少侵蚀强度和径流强度，但减水减沙作用不同，减沙作用大于减水作用，剂量越大此作用表现越显著。在动力方面，NPD可显著降低径流流速和水深，减少地表径流能量，从而减小侵蚀营力。同时与坡面侵蚀特征密切相关的参数为水流功率，而施放NPD坡面侵蚀模数随水动力学参数的增大而增大，且增幅皆小于裸坡：3 g/m²>5 g/m²>1 g/m²，表明撒施NPD减小水动力学参数的作用和减沙作用不同，减沙作用大于减小水动力学参数的作用。在阻力方面， NPD对>0.25 mm土壤水稳性团聚体、各粒级土壤水稳性团聚体均有明显的改善作用，且剂量越大，改善作用越明显；裸土>0.25 mm土壤水稳性团聚体的含量仅为9%，而施放NPD后的平均含量变化在60%左右。对土壤抗剪强度也有明显的提高作用， 3个剂量之间的土壤抗剪强度接近。总体来看，NPD控制侵蚀的作用体现为减沙作用大于减水（水动力参数）的作用，动力变化和阻力变化在整体侵蚀变化上发挥的同步贡献率分别为4%和84%，以调控侵蚀阻力为主要作用。黄土坡面细沟分离速率受细沟水流含沙量和含沙粒径的共同影响，呈二元线性负相关关系，分离过程可以用水流功率来表征。