防治东北黑土区农耕地土壤侵蚀对保证我国粮食安全具有重要的意义。据此,本文以黑龙江省宾县和吉林省榆树市侵蚀严重区农耕地为研究对象,以水蚀过程中两种主要侵蚀动力—降雨和汇流为切入点,采用田间定位模拟试验和室内模拟降雨及汇流冲刷相结合的研究方法,研究了侵蚀性降雨雨型对典型黑土区农耕地土壤侵蚀过程的影响,分析了降雨和汇流作用对侵蚀方式以片蚀或沟蚀为主的农耕地侵蚀的影响和贡献,分别建立了适用于典型黑土区农耕地包含降雨和汇流双重作用的侵蚀产沙模型,评价了秸秆覆盖措施对农耕地坡面侵蚀和沟蚀的防治效果。主要结论如下:(1)揭示了降雨强度对黑土区农耕地侵蚀产沙过程及团聚体流失的影响。次降雨过程中降雨强度对农耕地径流量和侵蚀量具有显著的影响。90 mm h-1降雨强度下径流量分别为30和60 mm h-1降雨强度下径流量的11.1和1.75倍,侵蚀量分别为1364.9和3.50倍。次降雨前20 min的侵蚀量占整个降雨过程总侵蚀量的比例随着降雨强度的增加而增大,30、60和90 mm h-1降雨强度下,其比例分别为29.1%、48.9%和63.1%。侵蚀泥沙中流失团聚体粒级分布主要受雨强的影响,30 mm h-1降雨强度下,侵蚀泥沙中团聚体流失以<0.25 mm粒级团聚体为主,占团聚体流失总量的90%;90 mm h-1降雨强度下,侵蚀泥沙中团聚体流失以<0.25 mm粒级和2～5 mm粒级团聚体为主,二者分别占团聚体流失总量的31.7%和31.2%。(2)阐明了侵蚀性降雨雨型对黑土区农耕地侵蚀过程的影响。试验设计了3种变雨强雨型和1种均匀雨强雨型,其中减弱型降雨(雨强由大到小)引起的侵蚀量最大,其分别是均匀型、延迟型(雨强由小到大)和峰值型(最大降雨强度分布在降雨历时中间阶段)降雨侵蚀量的1.03、1.36和2.68倍。当中大雨强位于次降雨过程初始时段时,与位于其他时段相比其侵蚀量对总侵蚀量的贡献率更大。(3)分析了降雨和汇流作用对侵蚀方式以片蚀或沟蚀为主的农耕地侵蚀产沙的影响及其贡献。两种侵蚀方式下,在总水量相同的降雨汇流组合试验中,坡面径流量和侵蚀量随着降雨强度增加的幅度皆明显大于随着汇流强度增加的幅度。在侵蚀方式为以片蚀为主时,增加50 mm h-1降雨强度,坡面径流的增加率和侵蚀的增加率分别为45.10%和95.28%;增加50 mm h-1汇流强度,坡面径流的增加率和侵蚀的增加率分别为35.61%和48.38%。当侵蚀方式为以沟蚀为主时,增加50 mm h-1降雨强度,坡面径流的增加率和侵蚀的增加率分别为50.49%和95.50%;增加50 mm h-1汇流强度,坡面径流的增加率和侵蚀的增加率分别为43.83%和67.95%;两种侵蚀方式下,降雨和汇流对坡面侵蚀的影响大于对坡面径流的影响,且降雨作用对侵蚀的贡献大于汇流作用对侵蚀的贡献。片蚀为主时,汇流作用对侵蚀的贡献仅为降雨作用对侵蚀贡献的50.77%;沟蚀为主时,汇流作用对侵蚀的贡献仅为降雨作用对侵蚀贡献的71.15%,反映了汇流作用对沟蚀为主农耕地侵蚀的影响大于对片蚀为主农耕地侵蚀的影响。(4)建立了适用于我国东北黑土区的农耕地侵蚀模型。基于降雨和汇流双重作用下两种侵蚀方式农耕地侵蚀产沙特征及水动力学机理分析,分别建立了侵蚀方式以片蚀和沟蚀为主的农耕地产流模型和侵蚀模型,且模型具有较高的预报精度。所建立的模型不仅适用于侵蚀方式以片蚀为主和沟蚀为主的区域,且模型中还包含降雨和汇流双重侵蚀动力因子,更适用于东北黑土区长坡长侵蚀环境下降雨和汇流共同作用的农耕地侵蚀预报。(5)初步探索了东北黑土区沟蚀发育过程。侵蚀沟发育初期,以溯源侵蚀为主并伴随一定程度的沟壁崩塌,侵蚀沟长度较原始形态增加了105.1%。侵蚀率较大且随降雨历时波动较强。侵蚀沟发育中后期,溯源侵蚀减弱,侵蚀沟发育以沟壁崩塌为主,侵蚀沟宽度随汇流坡长变化的波动幅度增大。尽管不同沟蚀发育阶段径流量的变化相对稳定,但是随着沟蚀发育程度的增加,坡面总侵蚀量、沟蚀量和沟蚀比例呈现下降的趋势。(6)探讨了秸秆覆盖措施对农耕地坡面片蚀和沟蚀的防治效果。随着秸秆覆盖量的增加,坡面径流量和侵蚀量呈降低趋势。大雨强条件下(90 mm h-1),坡面覆盖1 kg m-2玉米秸秆(低覆盖处理)可使坡面径流量减少76.08%,侵蚀量减少99.98%;高覆盖处理(4 kg m-2)对侵蚀的减少量达100%。沟头秸秆覆盖能显著减少坡面总侵蚀量和沟蚀量,两种沟蚀发育阶段下,与沟头无秸秆覆盖处理相比,沟头秸秆覆盖处理坡面总侵蚀量分别减少67.5%和76.7%,沟蚀量分别减少72.3%和69.1%。
