黄土区植被恢复对土壤物理特性及其产流特征的驱动效应

Due to vegetation restoration, especially large-scale ecological construction of “Grain to Green” project, land covers and surface conditions in the Loess Plateau have undergone significant changes. The changes in land covers have greatly affected soil physical properties, the mechanism of rainfall-runoff and the soil and hydrological processes. The project intends to analyze the dynamic effects of vegetation restoration on soil physical properties, vegetation restoration on surface runoff, and the impact of soil physical properties on runoff process in the loess hilly and gully regions. The key soil physical indices and runoff indices in response to vegetation recovery will be obtained. The relational equations between soil physical properties and hydrological model parameters will be built. The dynamic simulation of runoff process responding to soil physical properties will be realized. It will reveal the driving mechanism of vegetation restoration - soil physical properties – runoff, and clarify the driven effects of vegetation restoration on soil physical properties and runoff. It is helpful to contribute to scientific understanding of the changes of runoff mechanisms and improvement of simulation reliability of hydrological models.

黄土高原植被恢复，特别是大规模退耕还林还草生态建设实施以来，地表覆被状况及下垫面条件发生了重要变化，显著改变了土壤物理特性，这种动态变化势必对降水产流机制和土壤水文过程产生重要影响。本项目拟在黄土区研究植被变化对土壤物理特性的影响、植被变化对产流特性的影响、土壤物理特性变化对产流过程的影响，获取黄土区植被自然恢复驱动响应的关键土壤物理特性指标、产流特征指标以及产流过程主控的土壤物理特征指标，构建黄土区土壤物理特性指标与水文模型参数的关系方程，实现黄土区土壤物理特性与产流过程的耦合模拟，揭示黄土区植被恢复—土壤物理特性变化—产流特征变化的传递驱动与响应关系，阐明黄土区植被自然恢复对土壤物理特性及产流特征的驱动效应。该项目开展将有助于科学认识黄土高原产流机制变化和提高流域产流模型模拟的可靠性。

产流机制是科学认识黄土高原地区水文循环和土壤侵蚀过程的基础。产流机制的不清是导致目前黄土高原水文过程和土壤侵蚀过程数值模拟不准的根本原因。传统上把黄土高原定义为超渗产流，但在水土保持、植被恢复驱动下，黄土高原某些土壤水文物理性质发生显著变化，进而可能引起黄土高原产流机制的变化已经引起地学界的广泛关注，我们也曾提出“伪蓄满产流”的假设。本基金项目，在选择南部的延河流域和北部的六道沟流域开展了植被恢复对土壤水文物理特性、产流规律及其机制主控因素研究。主要研究结果如下：（1）植被恢复对土壤物理性质的影响随恢复年限的增加而增强，随着土层深度的增加而减弱。研究了近40a 来黄土区延河流域和六道沟流域植被恢复对土壤入渗、土壤容重、土壤孔隙度和饱和导水率等13 个土壤水文物理性质指标的影响，表明：随植被恢复年限增加，土壤容重显著降低，而土壤孔隙度、>0.25mm 团聚体含量、持水性和入渗性能等显著增大。（2）进一步明确了土壤容重、>0.25mm 土壤团聚体含量和饱和导水率可作为植被恢复生态效应评价和影响产流机制变化的主要土壤水文物理指标。植被恢复下土壤容重变化显著影响坡面产流产沙及坡面流水动力学特性。坡面产流时间随容重增大而缩短、产流量随容重增大递增；坡面平均流速和径流深随土壤容重增大而增大；水流剪切力在60和90 mm h-1雨强下随容重增大先增大后减小，在120 mm h-1雨强下随容重增大先减小后增大。（3）长期的植被恢复有使流域产流机制存在由超渗产流向混合及蓄满产流转变的倾向。以流域水文站径流量为基础，按照水源的不同，分析不同时期各径流组分的变化，认为流域植被覆盖度的增加，耕地的减少，林草地的增加导致流域地下水出流能力和土壤入渗能力增强、流域蓄水容量增大、调蓄能力增强是引起产汇流机制变化的根本原因。以上研究揭示了黄土区植被自然恢复对土壤物理特性及产流特征驱动效应，有助于科学认识黄土高原产流机制变化和提高流域产流模型模拟的可靠性。