不同条件下黄土坡地养分流失特征及数学模型

作     者：赵光旭 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王全九

授予年度：2017年

学科分类：082802[工学-农业水土工程] 090707[农学-水土保持与荒漠化防治] 0907[农学-林学] 07[理学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 070104[理学-应用数学] 0815[工学-水利工程] 0701[理学-数学] 

主      题：水土养分流失 植被过滤带 腐殖质层 坡面水流 径流养分 

摘      要：本文通过大量的野外人工模拟降雨试验和水流冲刷试验,并结合理论推导建立模型,研究了黄土坡地水土养分流失机制。降雨试验主要研究了腐殖质层厚度对地表径流养分和水分的影响;水流冲刷试验主要研究了坡长、植被类型等因素对坡地水土养分流失的影响,并且建立了相应条件下的水流和养分流失模型;同时还研究了植被过滤带的长度、植被类型和植被的种植密度对径流养分控制功效的影响。主要结论如下:（1）在降雨条件下,产流时间随着腐殖质层厚度的增加而增大;腐殖质的厚度越大,则径流量越小;腐殖质层对于野外坡地储蓄天然降雨具有很好的效益;径流中3种养分（水溶性磷、硝态氮、铵态氮）的浓度随着腐殖质层厚度的增加总体上有减小趋势,但并没有表现出明显的差异;腐殖质层厚度增加可以减少土壤养分的流失。（2）上方来水条件下的坡面水流数学模型可以很好的模拟地表径流过程,决定系数均在0.96以上,相对误差分别为2.35%（柠条）和2.32%（大豆）,说明模型的模拟精度较高。（3）上方来水条件下建立的有效混合深度模型可以较好地模拟相应条件下的径流养分浓度变化过程,决定系数均在0.9以上。当养分为硝态氮时,通过模型计算得到的径流养分累计流失量与实测数据之间的相对误差分别为6.6%（柠条）和5.9%（大豆）,养分为水溶性磷时,相对误差分别为5.1%（柠条）和6.3%（大豆）。（4）水流冲刷条件下的等效混合深度模型在模拟径流养分浓度方面具有很好的效果,其结果优于有效混合深度模型。当养分为硝态氮时,通过模型计算得到的径流养分累计流失量与实测值之间的相对误差分别为1.6%（柠条）和7.1%（大豆）,养分为水溶性磷时,相对误差分别为7.9%（柠条）和5.3%（大豆）。（5）随着植被过滤带长度的增加,植被过滤带对径流的削减作用增强,但是径流削减率和水量削减率并不是随着植被过滤带长度的增加而呈现相应的线性增长关系;吸附态氮、磷的流失量均是随着植被过滤带长度的增加而增大;随着长度的增加,溶解态氮、磷浓度的平均削减率逐渐降低。（6）当植被过滤带的植被类型为玉米时,其对径流的削减率最高;苜蓿对于减少吸附态氮、磷的流失量要好于其他植被;玉米过滤带对径流溶解态养分的削减效果好于其他植被过滤带;玉米对总氮的拦截效率要高于其他其他植被,大豆对总磷的拦截效率要高于其他其他植被。（7）平均径流削减率和平均水量削减率随着植被过滤带种植密度的增加而增大,植被的种植密度越大,则产沙量越少;吸附态氮、磷的流失总量均是随着植被种植密度的增大而减小;溶解态氮、磷的平均浓度削减率随着植被种植密度的增加而增大;总氮和总磷的削减率随着种植密度的增加而提高;地表径流中的氮、磷流失主要是以溶解态流失为主,总氮量和总磷量与径流量、泥沙量有显著的相关关系。（8）水流冲刷条件下植被过滤带对径流养分过滤作用的数学模型大体上可以模拟出径流硝态氮浓度的变化过程,决定系数均在0.78以上,相对误差维持在14.73%-18.22%之间,说明模型的模拟精度比较好。