植被对高含沙坡面流侵蚀动力的调控机制及其拦沙库容确定

水土流失是当今世界面临的严重生态环境问题之一，以陡坡和高含沙水流为侵蚀特征的黄土区水土流失尤为严重。植被不仅能有效控制水土流失，还可改善生态环境，因此当前植被与侵蚀关系研究倍受关注。然而，已有的研究多集中于植被参数（如盖度、根系密度等）与土壤流失量关系方面，相对缺乏植被调控坡面流侵蚀动力机制的研究，而该方面的研究是建立土壤侵蚀物理模型的重要基础。本项目以植被坡面径流小区为研究对象，利用上方冲刷和人工降雨方法，以植被对高含沙坡面流侵蚀动力参数的调控为突破点，分析植被对坡面径流阻力、剪切力和其他水力参数的影响，揭示植被对高含沙坡面流侵蚀动力的调控机制。耦合上方冲刷和人工降雨，分析泥沙颗粒组成（粒径与浓度）和降雨作用对植被坡面侵蚀产沙- - -输沙- - -泥沙沉积过程的影响，逐步构建坡面植被拦沙方程并确定拦沙库容。为考虑植被作用机制的土壤侵蚀物理模型建立和我国水土保持生态环境建设提供理论依据。

本项目以室内人工植被坡面小区和野外天然植被径流小区为对象，采用人工模拟降雨与放水冲刷方法，着重研究草地植被对高含沙坡面流侵蚀动力的调控机制及草地植被过滤带拦沙效益与容量。研究结果发现：.（1）.在90mm/min的雨强下，与裸地坡面相比，草地植被坡面径流流速、弗雷德数和雷诺数显著降低，而达西阻力系数急剧增加。同时，对比植被冠层与植被根系坡面径流水力学参数发现，植被对侵蚀径流水力学参数的调控，主要依赖于草地植被冠层。草地植被坡面侵蚀产沙量与坡面流流速成正相关，尤其是当坡面流流速在4-6cm/s时，侵蚀产沙量急剧增加；而坡面侵蚀产沙量与坡面流阻力系数间成负相关趋势，当阻力系数大于20时，坡面侵蚀产沙量急剧降低。.（2）.与裸土坡面相比，黑麦草和红豆草都能有效的控制坡面土壤侵蚀，在试验过程中黑麦草和红豆草的减流效益分别为65 %和45 %，而两者的减沙效益均在93 %以上。两种牧草根系与冠层减少坡面径流与泥沙贡献率存在一定的差异，黑麦草冠层比根系具有更大的减流贡献率，除最后试验阶段冠层减流贡献率为44.7 %外，在其他试验阶段黑麦草冠层的贡献率大于60 %。相反，红豆草对坡面径流的减少则主要依赖于根系的作用。植物根系在控制坡面土壤侵蚀产沙中发挥着很大的作用。从实验初期到实验末期，黑麦草和红豆草根系的减沙贡献率分别由72 %和16 %增加到96 %和93 %。.（3）.植被坡面输沙与坡面盖度和径流泥沙浓度及泥沙颗粒组成有很强的相关关系。植被坡面主要拦截粗颗粒的泥沙，其拦沙量受最大库容量决定。当随径流泥沙浓度的增加，拦沙效率降低。另外，坡面泥沙浓度与径流流速密切相关。流速越大尤其是流速波动越大，其输沙量越大。.（4）.高含沙坡面流过程特征为，随实验时间增加，坡面拦沙率降低，尤其是对429kg/m3的含沙浓度，在实验的第14分钟即降为0。说明，较高的泥沙含量更容易使拦沙饱和。同时，从拦截的坡面泥沙颗粒分析发现，草地植被主要拦截大颗粒的泥沙（直径大于10微米），而小颗粒的泥沙拦截作用不明显（直径小于10微米）。