紅壤表土團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征及其對(duì)坡面侵蝕過(guò)程的影響.pdf

1、我國(guó)南方紅壤丘陵區(qū)水熱資源豐富，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位。針對(duì)該地區(qū)嚴(yán)重的土壤侵蝕退化，開(kāi)展紅壤結(jié)構(gòu)特征與坡面侵蝕過(guò)程互饋機(jī)理研究，并就二者定量關(guān)系進(jìn)行探討，對(duì)合理利用紅壤資源具有重要意義。本文基于團(tuán)聚體破碎理論，以我國(guó)中亞熱帶丘陵區(qū)第四紀(jì)紅粘土、花崗巖和泥質(zhì)頁(yè)巖等典型母質(zhì)發(fā)育紅壤為研究對(duì)象，通過(guò)控制土壤濕潤(rùn)速度、初始水分含量和降雨特征等條件，系統(tǒng)分析了降雨條件下紅壤表土團(tuán)聚體的破壞過(guò)程、機(jī)理，以及侵蝕過(guò)程響應(yīng)。此外，以野外原

2、位試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，定量研究了紅壤坡面侵蝕、入滲與團(tuán)聚體穩(wěn)定性關(guān)系，揭示了土壤團(tuán)聚體破碎機(jī)理與坡面侵蝕過(guò)程之間的內(nèi)在聯(lián)系。 取得的主要結(jié)論有： 1、在采用傳統(tǒng)濕篩法指標(biāo)衡量團(tuán)聚體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，結(jié)合能區(qū)分降雨條件下團(tuán)聚體破碎方式的LB法，從不同角度對(duì)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性作了評(píng)價(jià)；運(yùn)用相對(duì)消散指數(shù)(RSI)和相對(duì)機(jī)械破碎指數(shù)(RMI)區(qū)分了紅壤團(tuán)聚體對(duì)不同破碎機(jī)制的敏感性。同時(shí)，針對(duì)紅壤獨(dú)特的成土條件及理化性質(zhì)，分析了坡耕地條件下

3、影響紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的主要因素及其作用機(jī)制，其中對(duì)粘粒、鐵鋁氧化物和有機(jī)質(zhì)與團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間關(guān)系進(jìn)行了重點(diǎn)探討。 (1)紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征。濕篩法與LB法測(cè)定團(tuán)聚體穩(wěn)定性結(jié)果均表明：第四紀(jì)粘土紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最高，花崗巖紅壤次之，泥質(zhì)頁(yè)巖紅壤團(tuán)穩(wěn)性最低；不同初始粒徑團(tuán)聚體穩(wěn)定性不同，在不同處理中，總體趨勢(shì)是團(tuán)聚體的初始粒徑越小，穩(wěn)定性越高。 (2)紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定機(jī)制。不同破碎機(jī)制中，所有土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性排序均為快速濕潤(rùn)

4、<預(yù)濕振蕩<慢速濕潤(rùn)。其中，第四紀(jì)粘土紅壤對(duì)消散作用較為敏感，花崗巖紅壤對(duì)機(jī)械破碎作用較為敏感，泥質(zhì)頁(yè)巖紅壤對(duì)上述兩種作用均很敏感?？梢?jiàn)，快速濕潤(rùn)引起的消散作用和外界應(yīng)力引起的機(jī)械振蕩作用，是紅壤團(tuán)聚體破碎的主要機(jī)制。 (3)紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤性質(zhì)關(guān)系。紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤有機(jī)質(zhì)、腐殖酸含量及其組成之間相關(guān)性較低，與鐵鋁氧化物及粘粉粒含量之間呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明在有機(jī)質(zhì)含量較低的紅壤中，無(wú)機(jī)膠體在保持團(tuán)聚體穩(wěn)定性上起主導(dǎo)作用

5、；土壤中粘粒一方面作為膠結(jié)物質(zhì)能增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性，另一方面能增強(qiáng)濕潤(rùn)過(guò)程消散作用而降低團(tuán)聚體穩(wěn)定性。此外，腐殖酸含量及其組成與PAD>2mm(團(tuán)聚體分散度)呈顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明腐殖酸對(duì)較大粒徑團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定機(jī)制有重要作用。 2、基于團(tuán)聚體破碎理論，通過(guò)控制濕潤(rùn)速度、初始粒徑和降雨特征等條件，研究了降雨條件下紅壤表土團(tuán)聚體的破壞過(guò)程、結(jié)果和機(jī)理，探討了團(tuán)聚體穩(wěn)定性及不同破碎機(jī)制對(duì)坡面侵蝕過(guò)程的影響；結(jié)合室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)論，通過(guò)比較

6、團(tuán)聚體穩(wěn)定性表征參數(shù)與坡面侵蝕過(guò)程相關(guān)性程度，首次提出針對(duì)侵蝕機(jī)理的紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征新指標(biāo)-Kα。 (1)快速濕潤(rùn)引起的消散作用對(duì)侵蝕過(guò)程影響。所有供試土壤中，徑流強(qiáng)度隨濕潤(rùn)速率增大而增大；不同粘粒含量土壤對(duì)濕潤(rùn)速率響應(yīng)過(guò)程不同，粘粒含量越高，消散作用越明顯，產(chǎn)流強(qiáng)度越??；粘粒含量越低，消散作用越小，產(chǎn)流強(qiáng)度越大。產(chǎn)沙過(guò)程中，除土壤GT2外，濕潤(rùn)速率對(duì)其它土壤坡面侵蝕率均有顯著作用。相較于坡面產(chǎn)流過(guò)程，侵蝕率受團(tuán)聚體穩(wěn)定性與

7、濕潤(rùn)速率的影響更為明顯?？焖贊駶?rùn)處理中侵蝕泥沙<0.25mm顆粒所占比例較高，平均重量直徑小于慢速濕潤(rùn)處理，這與表土結(jié)皮層的形成有關(guān)。 (2)雨滴打擊引起的團(tuán)聚體機(jī)械破壞作用對(duì)侵蝕過(guò)程的影響。在團(tuán)聚體穩(wěn)定性較低、對(duì)機(jī)械破碎作用敏感的紅壤中，雨滴打擊對(duì)徑流的影響主要是由土壤表層團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的破壞引起的；而在團(tuán)聚體穩(wěn)定性較高、對(duì)機(jī)械破碎作用不甚敏感的紅壤中，雨滴打擊對(duì)徑流的影響主要表現(xiàn)為對(duì)表層土壤的壓實(shí)作用。紗網(wǎng)覆蓋處理侵蝕量均小于裸

8、土降雨侵蝕量，但只有在團(tuán)聚體穩(wěn)定性較弱的紅壤中二者差異達(dá)到顯著。裸土條件下侵蝕泥沙MWD顯著低于紗網(wǎng)覆蓋處理，說(shuō)明即使在團(tuán)聚體穩(wěn)定性較高的紅壤中，雨滴擊濺分散對(duì)泥沙的分選作用仍然較為顯著。 (3)不同粒徑團(tuán)聚體坡面侵蝕過(guò)程比較。團(tuán)聚體粒徑與徑流強(qiáng)度和侵蝕量有很好的相關(guān)性，<2mm團(tuán)聚體的徑流強(qiáng)度和侵蝕量均大于其它兩種粒徑；由于降雨過(guò)程中表土結(jié)構(gòu)和排列緊實(shí)程度差異，<2mm團(tuán)聚體侵蝕泥沙的平均重量直徑明顯大于其它兩種粒徑。

9、 (4)本文中提出的團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征值Kα，與坡面侵蝕過(guò)程參數(shù)呈顯著或極顯著相關(guān)；此外，Kα集合了團(tuán)聚體對(duì)不同破碎機(jī)制的敏感性，具備較強(qiáng)的物理意義?？梢?jiàn)，Kα不僅能夠表征紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的特殊性，而且在一定層面上解釋了紅壤侵蝕過(guò)程機(jī)理，是衡量紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與可蝕性的良好指標(biāo)。 3、針對(duì)紅壤丘陵區(qū)域嚴(yán)重的季節(jié)性干旱和水土流失現(xiàn)狀，以團(tuán)聚體破碎理論和本文室內(nèi)研究結(jié)論為基礎(chǔ)，對(duì)野外坡面侵蝕過(guò)程與團(tuán)聚體穩(wěn)定性關(guān)系進(jìn)行了較為深入的探討。

10、結(jié)果表明，在野外尺度上紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性依然是影響坡面侵蝕的重要因素，并與徑流強(qiáng)度、侵蝕率、入滲率、泥沙粒徑等侵蝕參數(shù)顯著相關(guān)。利用Horton入滲模型和WEPP細(xì)溝間侵蝕模型為框架，建立了侵蝕預(yù)測(cè)方程，結(jié)果顯示新建立方程能較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)紅壤坡面入滲量和侵蝕量。在侵蝕量預(yù)測(cè)方程中，不包含徑流因子的方程式D=0.23αI2(1.05-0.85exp-4sinθ)計(jì)算方法簡(jiǎn)單、結(jié)果可靠，具有更強(qiáng)的實(shí)用性和適用性。此外，該結(jié)論也擴(kuò)展了團(tuán)聚體穩(wěn)定