坡耕地不同地表条件的细沟形态特征及量化表达研究

Rill erosion is easily occurred on the bare sloping agricultural land according to the survey data. This is because tillage and land management induced soil surface roughness can affect significantly the runoff and sediment production processes, especially for effect on flow direction, resulting in different flow path, networks and even different spatial pattern and morphology between different surface treatments. Two problems were found in the previous studies on rill erosion. Firstly, people focus on the critical condition of rill occurring in soil bed, especially for the hydraulic condition; the slope used in the previous studies was mostly smooth, and no rough slope was applied. This will affect people's understanding of the mechanism of rill erosion to a certain extent. Based on the basis of the previous knowledge, using the methods of simulated rainfall, mathematics, computer and GIS technology, the objectives of this project were first to establish a quantitative expression to quantify three-dimensional of runoff erosion-formed rill and its morphology characteristics and then to analyze the effect of till-induced roughness on rill formation and evolution. The results help to understand the mechanism of rill erosion, also to provide a new idea for building new-generation soil erosion prediction model, and directly serve the farmland management.

据调查资料表明，在无植被覆盖或作物生长的坡耕地上，容易发生细沟侵蚀。这是由于在坡耕地上人为耕作与管理形成的地表糙度对坡面径流的产生与侵蚀具有显著影响，尤其是地表糙度对流向的影响造成汇流路径的变化，必然导致不同地表条件下细沟形态和分布的差异。以往关于细沟侵蚀的研究，人们关注的是细沟侵蚀发生的临界条件，特别是对水力学条件；同时，研究中使用的坡面大多是均整坡面，而使用粗糙坡面的研究不多，这在一定程度上影响了人们对细沟侵蚀机理的理解。本项目在分析前人研究成果的基础，采用人工模拟降雨实验的方法，结合数学、计算机和GIS技术，在建立一种定量表达细沟三维形态模型的基础上，对不同地表条件下细沟形态与分布特征进行了研究，以及地表糙度与细沟侵蚀的相互作用与关系进行分析。本项目的研究结果不仅对深入认识细沟侵蚀的机理有重要意义，也为坡面水土流失模型的构建提供新的思路，并直接服务于坡耕地水土保持管理。

水土流失是造成坡耕地质量退化的主要原因之一。据调查资料表明，在无植被覆盖或作物生长的坡耕地上，容易发生细沟侵蚀。这是由于在坡耕地上人为耕作形成的糙度对坡面流的产生与侵蚀具有显著影响，尤其是地表糙度对流向的影响造成流路的变化，导致不同地表条件下土壤侵蚀的差异。本研究采用模拟降雨等试验手段，融合耕作学、土壤侵蚀学与 GIS等理论和技术对不同地表条件下土壤侵蚀特征进行了研究，取得以下创新成果：①改进了细沟形态测量方法，建立了坡耕地不规则细沟形态测量方法，提高了细沟测量精度；②定量分析了不同地表条件下细沟形态特征与变化规律。粗糙坡面径流的连通受制于洼地与细沟的形成。在小坡度、小雨强时，积水时间长，且下缘不易被冲破；而大坡度、大雨强时，则相反。粗糙坡面均形成三级细沟，等高耕作上呈 “格子状”分布，分枝比4.83；人工锄耕与人工掏挖坡地上呈明显的“网状”分布，分枝比4.58和4.69；③进一步阐明了地表糙度与土壤侵蚀的关系，首次获得了地表糙度的水土保持作用临界坡度阈值（10°）。该值以下，糙度的防蚀效应增强，该值以上，糙度的防蚀效应减弱，愈逼近该值，糙度的侵蚀应几乎为零，即糙度对侵蚀的影响与坡度对侵蚀的影响相互抵消。.围绕研究内容在Soil & Tillage Research、Land Degradation &Development、Hydrological Processes、Agricultural Water Management、Agricultural and Forest Meteorology、农业工程学报、水土保持学报等国内外期刊发表科研论文13篇，其中SCI论文8篇，中文核心期刊论文4篇（EI论文1篇）.文献检索表明，国外开展的研究较早，但以前多集中在糙度特征的描述上。本项目直接切入到地表糙度对产流产沙研究的前沿领域，与以往的研究相比，该研究成果更加深入，具有理论创新性，特别是关于地表糙度水土保持作用临界坡度阈值的提出对于坡耕地水土保持措施配置与规划具有重要的指导价值。