土壤抗蚀性对植被响应的力学机理研究

土壤抗蚀性与植被变化的关系问题是黄土高原地区退耕还林还草工程背景下共同关注的热点问题，也是建立区域生态环境土壤流失预报模型的重要理论基础。项目针对土壤抗蚀性对植被响应的力学机制问题，以土壤侵蚀学、林学、泥沙运动学、土力学等多学科的理论为基础，以"水－土"界面力学过程分析为主线，采用野外宏观考察、定位动态监测、人工模拟降雨和理论分析相结合的研究方法，研究植被减弱侵蚀动力的作用、地表摩擦力对植被作用的响应关系、植被增强土壤黏结力的作用、土壤抗蚀性对植被响应的力学关系，其研究成果能够促进土壤侵蚀力学研究的新进展，加强土壤抗蚀性对植被建设响应的力学过程新认识，对黄土高原侵蚀区生态环境的建设和治理具有重要的科学价值和实用意义。

项目采用35场野外小区水沙监测资料、72组力学土样和24场室内人工模拟降雨试验，揭示了土壤抗蚀性对植被响应的力学机理。主要研究结果包括：.（1）阐明了天然降雨条件下植被措施的减流减沙作用。陕西省延安燕沟流域14场野外监测资料表明，裸露地平均径流深是荒草地的1.9倍，是灌木地的3.8倍；裸露地平均产沙量是荒草地的33倍，是灌木地的51倍；荒草地的平均入渗量是裸地的1.4倍，灌木地的平均入渗量是裸地的1.6倍。.（2）探讨了坡面产流入渗过程及产沙临界对立地条件的响应关系。模拟降雨试验表明，裸地径流过程具有明显的起涨阶段，而草地和灌木地的起涨阶段不明显，对洪水过程具有消波调控作用，产流与入渗的关系对降雨的响应是非线性的；断面比能参数可表征为产沙的主导因子，裸地、草地和灌木地的临界断面比能分别为0.074、0.11和0.13cm。.（3）定量表征了地表摩阻力对植被作用的响应关系。草地和灌木坡面阻力系数分别是裸地坡面的5.58～7.45倍和5.61～6.26倍，草地和灌木坡面曼宁系数分别是裸地坡面的1.63～1.92倍和1.10～1.85倍，坡面流阻力系数变化特征受降雨强度和下垫面条件发育形态等因素的共同影响。建立了不同被覆坡面的复合非线性阻力系数计算公式，变量系数表明草被覆盖度和降雨强度对坡面流阻力大小有着决定性的影响。.（4）定量表达了植被增强土壤粘聚力的作用。不同植被坡面抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比，且符合库仑定律；不同植被坡面的粘聚力是裸地粘聚力的1.04～2.11倍，不同植被坡面的内摩擦角角度是裸地内摩擦角角度的1.03～1.19倍；不同植被坡面粘聚力与侵蚀产沙量呈显著的负相关关系，随着粘聚力的增大，产沙量呈下降的趋势。.（5）不同植被坡面产沙量随径流切应力的增大而增大，建立了临界径流切应力与土壤抗剪强度和粘聚力的关系，从力学层面认识了坡面侵蚀产沙的过程机理。