黄泛沙地土壤风蚀动态特征和风蚀模型优化

作     者：李鑫浩 

作者单位：山东农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：牛勇

授予年度：2022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] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：黄泛沙地 风蚀动态特征 土壤结皮 临界起沙风速 模型优化 

摘      要：土壤风蚀是黄泛沙地的主要环境问题,现已成为制约其经济发展的重要因素之一,为丰富人们对黄泛沙地土壤风蚀动态变化特征的认识,为区域风蚀预防和治理的决策提供科技支撑,需对该地区风蚀及其影响因素动态特征开展研究并对风蚀预报模型进行属地性优化。本研究基于黄泛沙地定位观测,设置一年两熟耕地(T1)、一年一熟耕地(T2)、裸地(T3)、自然恢复地(T4)4种下垫面条件,借助风蚀及其影响因素观测设备,采用野外数据采集、室内模拟试验结合的方法测定不同下垫面下风蚀及其影响因子的动态变化特征、相互作用等;综合考虑结皮硬度和空间分布格局等因素对黄泛沙地临界起沙风速的影响,构建黄泛沙地综合临界起沙风速模型;通过实测数据对NWESMC模型的部分经验参数率定和基于结皮特征对NWESMC模型中临界起沙风速进行优化。现主要研究结果如下。(1)通过风蚀盘法测定研究区风蚀模数,结果表明研究区风蚀强度为轻度。在降水量较少的1月、2月、12月期间T1～T4处理的输沙量和风蚀模数呈显著正相关关系(P0.05)。不同试验处理间,裸地区输沙量最大,且其在北(N)方位范围附近风蚀输沙量较高;耕地试验处理风蚀模数大于裸地和自然恢复地,不同耕作制度对风蚀模数影响较小。(2)在黄泛沙地土壤结皮的形成和特征受多个因素的共同影响。人为踩踏、翻耕和播种等农事活动不利于土壤结皮硬度和厚度的保持,植被、近地表风速、温度是影响风沙土结皮硬度和厚度的重要外部因素。风沙土结皮厚度、硬度变化趋势与表层含水量表现出同步变化的特征,其中土壤结皮硬度的响应存在一定的滞后性,但结皮厚度、硬度与表层含水量未检验出显著相关性。耕作条件下,植被高度是影响结皮硬度和厚度变化的最大驱动因子,无耕作条件下,近地表风速是影响结皮硬度变化的最大驱动因子,累计补水量是影响结皮厚度变化的最大驱动因子。(3)在黄泛沙地,结皮的存在可以显著减少起沙风累计时间,风洞试验结果显示,结皮硬度在0～2.29 kg/cm的区间时,临界起沙风速总体随着结皮硬度和厚度的增大而增大;结皮硬度在大于2.96 kg/cm的区间时,临界起沙风速大于40 m/s;土壤表面无结皮覆盖时,临界起沙风速为3.7 m/s。在植被覆盖度较高的地区,临界起沙风速受土壤、气象等因素变化的影响,即便在较短周期内,其也会发生一定的上下波动变化。(4)本研究构建了黄泛沙地综合临界起沙风速模型,并最终提出了黄泛沙地不同下垫面下的逐月综合临界起沙风速值。本研究基于实测风蚀模数对NWESMC模型中部分经验参数进行率定,并基于土壤结皮特征优化NWESMC模型,优化后的NWESMC模型在黄泛沙地耕地、沙地、草地的模拟精度均有显著提高。