论文部分内容阅读
土壤水分是一个重要的生态因子,其对土壤中物质和能量的运移以及作物的生存与生长,都有着重要的影响。坡耕地是云南省的主要耕地类型,尤以红壤坡耕地为主,而降雨是坡耕地土壤水分的主要来源。在红壤坡耕地中,由于坡度的存在,降雨入渗减少,导致坡耕地水土流失严重,生态水文型干旱表现突出。因此,采取有效的措施减少地表径流,增加水分入渗,提高水分利用效率,是防治红壤坡耕地水土流失和提高坡耕地生产力的关键。等高反坡阶是一项针对坡耕地的一项行之有效的水土保持措施,其不但减沙效益显著,而且能够拦截地表径流,将其转化为作物生长亟需的土壤水,从而改善坡耕地土壤水分状况,提高坡耕地水分的利用率。本文以滇中红壤坡耕地为研究对象,在坡耕地中布设等高反坡阶和原状坡耕地进行对照,使用TDR测定坡耕地不同位置和深度的土壤水分,用标准径流小区测定坡耕地土壤产流情况,通过野外定位观测和室内试验相结合的方式,研究等高反坡阶对坡耕地地表径流、土壤水分时空变异、土壤贮水量和水量平衡、作物生长和产量等的影响以及对于作物生长促进作用和保土保肥作用,并模拟了原状坡耕地和等高反坡阶处理坡耕地的降雨产流和土壤水分运动,以完善等高反坡阶控制水土流失、改善坡耕地土壤水分状况的机理研究,指导滇中地区坡耕地农业生产。本文研究的主要结论如下:(1)等高反坡阶对于自然降雨下坡耕地地表径流影响显著,但是在不同的降雨类型和前期含水量情况下其减流效果存在显著差异,主要表现在:等高反坡阶的减流效益在中低雨量、中低雨强下最为显著,并且随着土壤含水量增大而逐渐减小。(2)在室内模拟降雨条件下,坡耕地布设等高反坡阶可以推迟起始产流时间,延长降雨后停止产流时间,同时可以显著减少整个降雨产流过程中的径流量,并显著增加坡耕地土壤入渗量。一般雨强越大,前期含水量越大,坡耕地产流时间越提前,单位时间产流量越大,雨后停止产流时间越晚。前期含水量对降雨产流过程的影响在不同雨强下呈现出不同的差异:雨强越小,前期含水量对产流过程的影响越大。等高反坡阶的布设,在一定程度上扩大了前期含水量对降雨过程的影响。(3)等高反坡阶在不同时间尺度上对土壤水分的均有显著改善作用。首先在年尺度上,等高反坡阶其对土壤水分的增加作用在枯水年更为明显。月尺度上,坡耕地布设等高反坡阶后,各个时段各个土层土壤含水量均有了显著的提高,尤其是在5月土壤补水期和11月土壤失水期对土壤水分的增加效果更加显著。试验期间年等高反坡阶对坡耕地5cm、20cm、40cm、60cm、80cm、100cm处土壤逐日增墒率分别为4.95%～24.66%、4.21%～26.61、10.14%～21.88%、10.53%～20.49%、13.28%～20.22%和13.07%～20,18%,总体上等高反坡阶对深层土壤的增墒率略大于浅层土壤,并且越靠近表层增熵率变化幅度越大。通过坡耕地耕作层干湿时段划分发现,等高反坡阶能够显著增加坡耕地各个时期的土壤含水量,延长了湿润期,减少了干旱期,使坡耕地土壤水分长期处于较为湿润的水平。(4)等高反坡阶对坡耕地土壤水分剖面垂直情况具有一定的影响。本研究根据变异系数法对坡耕地土壤水分剖面变异情况划分了四个层次,其中原状坡耕地中,0～30cm为速变层,30～70cm为活跃层,70～90cm为次活跃层,90cm以上为相对稳定层;而在布设等高反坡阶坡耕地中,速变层变为0～30cm,而活跃层深度为30～50cm,次活跃层为50～90cm,90cm以上为相对稳定层。坡耕地布设等高反坡阶后,减少了 0～90cm 土层土壤水分的变异程度,而增大了 90cm以上土层的变异程度。另外,布设等高反坡阶能够在一定程度上加速湿润锋的向下运移速度。(5)坡耕地布设等高反坡阶后,2016年和2017年坡耕地土壤贮水量相较原状坡耕地均有了明显提高,坡耕地平均土壤贮水量分别增加了 12.00%和14.22%,而土壤贮水量年变异系数较原状坡耕地则有所减少,这表明等高反坡阶不但可以显著提高坡耕地土壤贮水量,而且具有一定的调控土壤贮水量的效果。通过水量平衡计算,2016年和2017年原状坡耕地土壤贮水量分别补给了 10.55mm和1.43mm,而布设等高反坡阶后,土壤贮水量分别补给了 73.34mm和42.78mm,表明等高反坡阶能够使土壤储存更多的水分。(6)采用运动波模型和Green-Ampt模型相结合,用隐式差分法对模型进行求解,对试验期32场典型降雨的产流量进行模拟。从模拟结果来看,32场降雨模拟原状坡耕地总产流量与实际产流量之间的相对误差仅-5.4%,而等高反坡阶处理坡耕地总产流量与实际产流量之间的相对误差仅-0.54%,模型的拟合效果较好。采用Richards非饱和土壤水分运动方程对土壤水分垂直运动进行模拟,模型求解采用有限差分法。从拟合结果来看,实测值与模拟值吻合较好,最大误差仅为4.56%。(7)等高反坡阶不但能显著改善坡耕地土壤水分状况,而且在促进大豆生长发育,提高水分利用效率,有效提高作物产量以及培肥地力方面均有显著的效益。针对我国山区坡耕地农业生产水土流失严重,蓄水保肥能力差的状况,在坡耕地大面积推广等高反坡阶是十分必要的。