黑土农田垄体地表径流汇集与输沙过程研究

Most of the Mollisols sloping farmland was/is ridged along or aslant the slope in the Northeast of China. The unique ridged microtopography, includes ridge and furrow (artificial gully) will be expected to change the overland flow and sediment transport processes. The research methods in this study will cover artificial simulation rainfall experiments and field investigation. Our objectives is to indentify (1) the overland flow processes of ridge body; (2) the contribution of splash erosion, interrill-rill erosion to sediment transport along the ridge body; (3) the sediment transport characteristics along furrow in ridged farmland. The contributions of ridge and furrow to overland flow and sediment transport of ridge body will be clarified. The flow hydraulic characteristics and dynamic mechanisms of soil erosion on Mollisol farmland will be explored. This study will provide theoretical guidance for soil erosion control.

东北黑土区坡耕地多为顺坡/斜坡垄作，其所创建的由垄台和垄沟（人造沟）构成的垄体结构，势必形成独特的地表汇流及输沙过程，本项目拟通过人工模拟降雨和野外系统观测相结合的方法，定量揭示顺坡垄作条件下（1）垄体地表径流汇集过程；（2）垄台雨滴击溅侵蚀和细沟间与细沟侵蚀对垄沟输沙的贡献；（3）垄沟径流泥沙输移特征；明晰顺坡垄作下垄台和垄沟对坡面汇流和输沙贡献及其特征，探究黑土农田垄作条件下土壤侵蚀的水动力学驱动机制，旨为黑土区坡面侵蚀防治提供科学依据。

东北黑土区是中国重要的粮仓，近年来该区水土流失加剧，威胁着国家的粮食安全。该区坡耕地多以长缓坡为主，多为顺坡/斜坡起垄，其所创建的由垄台和垄沟（人造沟）构成的垄体结构，势必形成独特的地表汇流及输沙过程。然而，现有研究对该过程尚不明晰，弱化了对农田垄体土壤侵蚀过程与机理的深入理解。鉴于此，本项目以黑土顺坡农田垄体为研究对象，基于野外模拟降雨试验和野外系统观测，研究了不同降雨、坡度和坡长条件下顺坡垄作农田汇流和输沙特征。研究结果主要体现在：（1）分析了黑土农田垄体地表径流汇集过程，间歇性降雨加速了坡面初始产流时间，径流量随雨强和坡度显著增加，且3°坡存在坡长阈值为60 m；（2）量化了垄台和垄邦向垄沟汇流和输沙的贡献，其对汇流和输沙贡献的贡献分别为60.77%~89.00%和64.36%~88.65%；（3）阐明了降雨强度和坡度对东北黑土区顺坡垄体溅蚀特征的影响，总溅蚀量随降雨强度和坡度的增加呈幂函数关系，溅蚀分选水稳性团聚体中均以<1 mm粒级为主，平均占总量的79.01%；（4）明晰了黑土农田垄沟径流泥沙输移特征，垄体输沙量随雨强和坡度显著增加，且5°坡存在坡长阈值为120 m。径流主要搬运<1 mm粒级的团聚体，其中以<0.25 mm粒级最多，平均占总量的50.78%。弗汝德数和水流功率是反映水动力学机理的最佳参数；（5）剖析了黑土区农地集水区次降雨径流与输沙特征，集水区内大部分泥沙由6场次降雨事件产生，对总径流量和总输沙量的贡献分别为90.61%和87.03%，最大径流率是对径流和输沙贡献最大的因子。研究结果有助于完善黑土侵蚀理论基础，可为黑土区坡耕地土壤侵蚀防治提供科学依据，具有显著的生态、经济和社会效益。