黄土高原冻融对水蚀过程的作用机理研究

Loess Plateau is one of the most fragile areas of ecological environment where soil erosion is very serious. The seasonal freezing and thawing in this region is intensely, and the soil erosion is aggravated by the mutual overlapping of water erosion process. This project takes the Loess Plateau as the research object, through field observation and laboratory simulation, using the artificial freeze-thaw and artificial rainfall simulation methods, the soil freeze-thaw processes under different original soil water content, freeze-thaw cycles and freezing temperature will be simulated. Thus the effects of change of soil physical and chemical properties on soil antierodibility under different freeze-thaw condition will be analyzed. The slope infiltration mechanism and the unique mechanism of slope erosion under freeze-thaw conditions will be clarify. Through the analysis of change of soil physical and chemical properties under freeze-thaw condition in Loess Plateau, this study would clarify the effect of freeze-thaw on soil erodibility, reveal the effect of freeze-thaw on water erosion dynamic mechanism, and provide the theoretical basis for the prediction and prevention of water-freeze-thaw erosion in the Loess Plateau.

黄土高原是土壤侵蚀最为严重、生态环境最为脆弱的地区之一，该区季节性冻融强烈，并与水力侵蚀相互交错叠加从而加剧了土壤侵蚀。本项目针对黄土高原的冻融水蚀复合侵蚀，通过实地观测和室内模拟，采用人工模拟冻融与降雨复合侵蚀试验手段，研究不同初始土壤含水量、冻融循环次数和冻结温度条件下的土壤冻融过程，探寻冻融条件下土壤理化性质变化对土壤抗蚀性的作用机制，分析冻融坡面降雨入渗机理，揭示冻融条件下坡面侵蚀产沙的独特机制。本研究通过分析黄土高原冻融条件下土壤理化性质变化，阐明冻融对土壤可蚀性的影响，揭示冻融对水蚀产沙过程的作用机理，为黄土高原冻融水蚀复合侵蚀的预报与防治提供理论依据。

针对黄土高原的冻融水蚀复合侵蚀，采用室内模拟冻融和人工模拟防水冲刷的试验方法，对冻融环境下的土壤水蚀过程过程进行了研究，得到以下主要结论：（1）阐明了冻融对土壤理化性质的影响。冻融使不同质地土壤结构遭到破坏，容重降低，孔隙度增大，质地粗化，水稳性团聚体含量减少，抗剪强度和坚实度降低。土壤理化性质变化幅度与土壤质地、冻融循环次数和土壤冻融前初始含水量显著相关。冻融条件下，同一类别因子的信息重叠，互相解释度较高，不同类别因子间相互作用和影响，且具有较强的相关性，其中，土壤质地类因子与其它因子相关性最强。土壤质地、结构、团聚体和强度类因子对冻融具有中高敏感性，而有机质对冻融属于弱敏感级因子。（2）阐明了冻融对土壤水蚀可蚀性影响。土壤可蚀性K值均与冻融循环次数总体呈显著正相关关系，随冻融环循环次数对数或线性函数的增加趋势与初始含水量有关。冻融条件下，容重是影响K值最主要因素，其次为土壤质地。（3）阐明了冻融对土壤分离能力的影响。冻融条件下，坡度、流量和冻融循环次数均对土壤分离能力有显著影响。冻融前后，土壤分离能力基本均随坡度和流量的增加而增大，冻融后的均值显著大于冻融前，但冻融后的增幅明显小于冻融前。不同坡度和流量条件下，冻融1次后，土壤分离能力均显著增大，但其随冻融循环次数增加的变化趋势差异较大。冻融循环1、5、10次后，土壤细沟可蚀性分别增大1.25、1.66和1.72倍，随冻融次数的增加逐渐趋于稳定；土壤临界剪切力冻融后显著降低，与冻融次数无明显关系。冻融条件下，土壤细沟可蚀性与水稳性团聚体和抗剪强度呈显著负相关关系，而与孔隙度呈显著正相关关系。（4）揭示了冻融对土壤水蚀过程的影响。冻融环境下，坡面产流量总体随冻融交替次数增加呈现先增大后减小再增大的变化趋势，产沙量总体呈增大趋势，说明冻融对水蚀具有明显的促进作用。研究结果可为黄土高原多营力复合侵蚀的预报与防治提供理论依据。