赣北坡耕地坡面土壤侵蚀三维动态监测与水保耕作调控技术研究

来源 :福建农林大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dl_wan
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坡耕地是水土流失的主要策源地,南方红壤区坡耕地面积占到了旱地面积的70%以上,在人为以及自然因素的双重作用下,极易造成严重的水土流失,已成为当前土壤侵蚀研究的重点与热点,然而在其坡面土壤侵蚀动态监测、形成机制以及水保耕作调控研究方面,尚存在诸多不足。有鉴于此,本研究以位于南方红壤区中心地带的江西水土保持生态科技园为研究区,依托人工模拟降雨(室内和室外)以及野外15个径流试验小区长期定点监测数据,通过激光、近景摄影测量以及现代数理统计分析技术,系统分析了近景摄影测量技术在赣北坡耕地坡面土壤侵蚀动态监测中的适用性、赣北坡耕地坡面土壤侵蚀以及雨水资源形成特征,并对水保耕作措施调控坡耕地坡面水土资源成效以及技术集成进行了研究。主要研究成果如下:(1)系统对比分析了两种人工降雨装置的特定雨强特性,并采用近景摄影测量技术对不同雨强降雨以及水冲试验下的坡面土壤侵蚀进行了三维动态信息的提取,可实现坡面空间点位上的侵蚀动态监测以及细部分析,并搭建了土壤侵蚀厚度与土壤侵蚀量的关系模型;通过野外天然降雨以及水冲试验,与传统土壤侵蚀监测方法相比,其监测精度可以达到75%以上,最高精度可达94.33%,参照相关国家标准和行业标准,搭建了基于近景摄影测量技术的坡耕地坡面土壤侵蚀三维动态监测技术体系,可为赣北坡耕地以及类似对象坡面的土壤侵蚀动态监测以及水保防治成效分析提供有效技术支撑。(2)赣北坡耕地原始裸露坡面土壤侵蚀等级一直位于强烈等级以上。其产流、产沙主要集中在4-9月份,可占到全年总量的96%以上,暴雨雨型以上降雨的产流、产沙贡献率突出,均在80%以上,降雨动能(E)、降雨量(P)和降雨侵蚀力(EI30)与产流、产沙的相关系数均呈显著性相关并位居前三,以降雨动能(E)的相关性最强;搭建了不同降雨特征因子的坡面产流、产沙驱动模型,驱动模型主要呈现为一次线性、二次曲线以及幂函数关系,降雨特征因子与产流量的模型可决系数普遍高于产沙量模型;同时,基于逐步多元回归法,搭建了坡耕地原始裸露坡面产流以及产沙多元线性驱动模型。(3)从不同时间尺度和雨型类型角度出发,系统对比分析了不同水土保持耕作措施调控坡耕地坡面土壤侵蚀成效,顺坡垄作调控土壤侵蚀的成效欠佳,并出现了个别月份和暴雨雨型下产流、产沙大于裸露对照小区的情况,这充分说明顺坡垄作作为当前普遍采用的耕作措施,在人为农事活动的影响下,特别是在整地、收获以及休耕期期间,如遇强降雨极易发生严重的土壤侵蚀,此阶段需更加重视坡面土壤侵蚀防控技术的实施。其余水土保持耕作措施,除去大雨型以下的减沙率以横坡垄作最高外,以复合措施2的减流、减沙成效最为突出,均在87%以上。顺坡垄作措施与其他措施在减流、减沙率方面均存在显著性差异(p<0.05),从整体上来看,注重耕作、蓄水以及导流的复合措施2的减流、减沙成效最好;通过搭建不同水土保持耕作措施坡面产流、产沙驱动模型发现,措施的实施可有效改变不同降雨特征因子对坡面产流、产沙的驱动机制,从而调控坡面水土流失。通过PAM水土保持耕作辅助措施调控坡耕地坡面土壤侵蚀模拟研究发现,将PAM喷施于赣北4类典型岩性发育坡耕地坡面后,各坡面的产流均有明显提升,各坡面的径流提升率和稳流产生的时间存在差异;但各坡面的产沙量均显著降低,其中以第四纪红壤坡面减沙率最为显著,其余不同配比的坡面减沙率略有不同,不同配比PAM在调控不同岩性发育坡耕地坡面土壤侵蚀成效也各不相同,研究成果可为赣北以及江西省坡耕地坡面土壤侵蚀调控提供化学措施参考。(4)系统分析了赣北油菜-花生轮作方式顺坡垄作坡耕地坡面的产流、入渗特征以及作物需水与雨水的供需关系,坡面产流主要集中在4-9月汛期阶段,可占全年产流量的82%以上,降雨动能(E)是影响坡面产流的主要降雨特征因子。油菜整个生长期的径流系数主要位于1.8%~7.6%之间均较低;花生整个生长周期的径流系数主要位于7.5%~27.8%之间,其中以开花结荚期的径流系数较大,单场降雨的径流系数可高达55%以上,两作物休耕期间雨洪资源流失较为严重,应采取合理的生物拦截以坡面水系措施提升坡面雨水的拦截以入渗,从而提升坡耕地的土壤水分生产力;降雨对0~30cm 土层土壤含水量的提升作用显著,以上坡位提升成效最好。油菜出苗期需水量最大,占到了整个生长周期的50%以上,其次为开花期站到了整个生长周期的20%左右,有效降雨量仅有出苗期欠缺;在整个的花生生长周期内,只有饱果成熟期水分会有所欠缺。(5)基于现有水土保持耕作措施,梳理得到了降雨拦截与增渗技术体系、坡面水系导流蓄渗技术体系以及搭建了集雨水拦截增渗与蓄存灌溉于一体的赣北油菜-花生轮作经营模式下的坡耕地坡面水保耕作径流调控与雨水资源优化利用集成技术,并从土壤最佳含水量、土壤储水量、增产增值以及调控土壤侵蚀等角度进行了成效分析得到,各单项技术均具有良好成效,其中集成技术可提升0~30cm 土层土壤含水量15.49%,提升土壤储水量27.29mm;在油菜出苗期、成熟期以及花生幼苗期较接近于相应阶段的土壤最佳含水量;集成技术体系的多年平均减流率和减沙率分别为94.32%和98.69%,与各单项技术相比均为最高;集成技术的多年平均花生产量可达3617kg/hm2,产值可达3.26万元/hm2,与各单项技术相比最高。集成技术在有效蓄集坡面雨水资源的同时,节水增效均较为突出。
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