坡面牧草植被過濾帶通常沿坡線垂直方向分段布設。不僅可阻止坡面徑流、泥沙、污染物下移,且其生物量還可作為飼料、燃料、生物質能源等原材料,是一種兼顧生態(tài)與經(jīng)濟雙重功能的水土保持措施。揭示坡面牧草植被過濾帶降雨調控效應及其機理,并建立科學的評價方法,是實施該項措施的理論基礎,對提升其綜合效益具有重要作用。本研究以黃綿土為供試土壤,選取黃土高原四種典型牧草品種(白三葉、雞腳草、小冠花和百脈根),構建牧草植被過濾帶,采用土箱人工降雨—放水模擬試驗和數(shù)值模擬方法,對上述問題進行了較為系統(tǒng)的研究,初步取得以下進展:(1)闡明了牧草植被過濾帶對土壤物理性質的改良作用。牧草植被過濾帶對其土壤物理性質有顯著影響,牧草品種及其生長階段是產(chǎn)生差異的主要原因。生長3年的牧草植被過濾帶(2014-2016年)為例,4種牧草植被過濾帶土壤持水性能均有所改善,土壤有效水含量提高1.7-2.4%;土壤殘余含水量、飽和含水量均無規(guī)律性變化;白三葉、雞腳草和小冠花處理土壤容重降低2.9-4.4%,百脈根處理土壤容重提高0.7%。三年內百脈根處理土壤飽和導水率連續(xù)下降,幅度達1.3 cm h~(-1),白三葉和小冠花處理則連續(xù)提高,幅度分別達1.8 cm h~(-1)和1.1 cm h~(-1),雞腳草處理在2016年返青期(5月份)土壤飽和導水率最大,為4.3 cm h~(-1)。(2)考慮土壤物理參數(shù),對植被過濾帶物質遷移模型(VFSMOD)進行了修正,模型可信度較高。以往植被過濾帶坡面減流減沙效益研究多從植被形態(tài)和植被過濾帶幾何尺寸角度展開,未考慮植被過濾帶對土壤物理性質的改良作用。本文基于試驗觀測,修改模型參數(shù),構建了考慮土壤物理性質的坡面牧草植被過濾帶減流減沙數(shù)值模擬新方法。模擬結果可信,決定系數(shù)在0.80以上,納什系數(shù)在0.85以上。PAWN和EET敏感性分析一致表明牧草植被過濾帶坡面減流主要受土壤飽和導水率、土壤初始含水量和牧草植被過濾帶寬度影響,敏感性系數(shù)為0.67、0.31和0.17;坡面減沙主要受土壤飽和導水率,植被莖稈間距和牧草植被過濾帶寬度影響,敏感性系數(shù)為0.16、0.17和0.84。飽和導水率等土壤物理性質參數(shù)對坡面徑流、泥沙輸出有顯著影響。(3)初步揭示了坡面牧草植被過濾帶降雨徑流調控效應機理,發(fā)展了相應的評價指標與方法。研究提出將一定時段內,降雨徑流調控后土壤儲水下降量減去調控前(裸地)土壤儲水下降量作為土壤儲水損失量(Ws)。以調控后泥沙輸出減少量(Sr)為分母,以調控后蒸散增量(Wet)、截留增量(Wint)、徑流減少量(Wr)和土壤儲水損失量(Ws)為分子,分別得到蒸散增量減沙比(WSet)、截留增量減沙比(WSint)、用水減沙比(WSr)和儲水損失減沙比(WSs)。相較以往WSr等指標,WSs考慮了降雨間隔時期降雨徑流調控效應。WSs將調控前后土壤儲水變化和減沙效益結合起來,其土壤儲水變化由土壤水補給變化和消耗變化共同決定,即:WSs=WSet+WSint-WSr,為同步緩解水土流失和干旱缺水提供了新評價指標。基于模擬試驗得出:2016年生長季4種牧草植被過濾帶和裸地土壤儲水量均下降。相對裸地,4種牧草植被過濾帶2016年生長季徑流減少88.2-144.9 mm,其幅度小于蒸散增量與截留增量之和,導致4種牧草植被過濾帶處理土壤儲水下降量大于裸地土壤儲水下降量16.0-50.8 mm。4種牧草植被過濾帶WSs為9.4-36.5 m~3 t~(-1),即相比裸地,牧草植被過濾帶每攔蓄1 t泥沙需多消耗9.4-36.5 m~3土壤水,不同牧草品種WSs值差異明顯。(4)建立了綜合考慮生態(tài)與經(jīng)濟指標的牧草植被過濾帶綜合效益評價模型。2014-2016年生長季內牧草植被過濾帶植被葉片凈光合速率在6-24μmol CO_2 m~(-2) s~(-1)之間波動,雞腳草平均值最大,為17.4μmol CO_2 m~(-2) s~(-1)。隨土壤水分降低,白三葉光合作用受脅迫最為明顯且發(fā)生非氣孔脅迫,這主要與根系分布和土壤水利用來源有關。雞腳草、百脈根、小冠花和白三葉植被過濾帶2014-2016年生長季平均生物量分別為:0.88、0.39、0.35和0.30 kg m~(-2)。在結合牧草植被過濾帶植被生理生態(tài)特征基礎上,綜合考慮坡面減流量、坡面減沙量、土壤蓄水量、生物量及光合作用等5類觀測指標,以牧草植被過濾帶生態(tài)效益為主,兼顧經(jīng)濟效益,構建多目標評價模型。結果表明:本試驗條件下白三葉、雞腳草和小冠花綜合效益為“良”,百脈根為“差”,4種牧草品種中,白三葉生態(tài)效益最優(yōu),雞腳草經(jīng)濟效益最優(yōu)。建議在黃土坡面構建牧草植被過濾帶時優(yōu)先考慮白三葉、雞腳草和小冠花三個牧草品種。
【學位單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：S157.43
【部分圖文】：

圖 1-1 VFSMOD 植被過濾帶模型交互界面Figure 1-1 The interface of VFSMOD被過濾帶土壤水分效應植被過濾帶是一種水土保持植被措施，植被通過蒸騰作用和根系吸，維持自身生長。坡面布設植被過濾帶后，土壤水分消耗、補給、儲被過濾帶土壤水分可持續(xù)利用的重要問題。在我國南方等水資源相植被過濾帶較少遭遇土壤水分虧缺，而對于黃土高原等季節(jié)性干旱土壤水分效應研究顯得尤為必要。坡面植被過濾帶作為一種坡面降其自身目的在于同步解決干旱缺水與水土流失并存兩大難題（吳普。通過促進雨水入滲過程，其實現(xiàn)了水土保持功能，而坡面植被過濾水問題，目前研究結論尚不一致。其原因在于土壤水分儲量不但與壤水分補給有關，且與蒸散發(fā)等土壤水分消耗過程有關。研究坡面沙效益同時探討其對土壤水分的影響能夠全面認識其降雨徑流調控降雨徑流調控功能。研究關注到植被過濾帶對土壤水分消耗情況。通常而言，良好的植

第二章 研究內容與研究方法第二章 研究內容與研究方法究方法與技術路線試驗采取試驗研究和模型定量模擬相結合的基本思路。選擇四種代表性箱內建造植被過濾帶，2014-2016 三年內連續(xù)開展試驗。在不同時期開展和單獨放水試驗。試驗中設置不同坡面上方來水來沙情景，觀測各時期帶對坡面降雨減流減沙特征。同時長期定期監(jiān)測植被過濾帶調控后土壤被形態(tài)特征、土壤水分和牧草干物質變化情況。從土壤學、水文學、植物學等角度出發(fā)，結合模擬試驗與數(shù)值模型，發(fā)展相應評價指標，從坡面牧降雨調控中減流減沙效益、緩解干旱缺水效益及植被過濾帶經(jīng)濟效益等牧草植被過濾帶降雨調控效應及其機理并建立科學評價方法，以期為提濾帶生態(tài)、經(jīng)濟綜合效益提供理論依據(jù)。研究技術路線如圖 2-1 所示：

圖 2-2 微型徑流小區(qū)裝填Figure 2-2 Soil Flume Filling表 2-2 試驗安排和編號Table 2-2 Experiment design ofts輸入徑流速率Runoff-in（m3/h）徑流泥沙濃度Sedimentconcentration(g cm-3)降雨量Rainfall depth（mm）牧草Spn0.2016 0.07 - 白0.2016 0.07-雞0.2016 0.07-百0.2016 0.07-小0.2016 0.04-白0.2016 0.04-雞0.2016 0.04-百0.2016 0.04-小0.1008 0.07-白

本文編號：2810924