紅壤表土團聚體穩(wěn)定性特征及其對坡面侵蝕過程的影響.pdf

1、我國南方紅壤丘陵區(qū)水熱資源豐富，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展中占有重要地位。針對該地區(qū)嚴重的土壤侵蝕退化，開展紅壤結(jié)構(gòu)特征與坡面侵蝕過程互饋機理研究，并就二者定量關(guān)系進行探討，對合理利用紅壤資源具有重要意義。本文基于團聚體破碎理論，以我國中亞熱帶丘陵區(qū)第四紀紅粘土、花崗巖和泥質(zhì)頁巖等典型母質(zhì)發(fā)育紅壤為研究對象，通過控制土壤濕潤速度、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聚體的破壞過程、機理，以及侵蝕過程響應(yīng)。此外，以野外原

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

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

4、<預(yù)濕振蕩<慢速濕潤。其中，第四紀粘土紅壤對消散作用較為敏感，花崗巖紅壤對機械破碎作用較為敏感，泥質(zhì)頁巖紅壤對上述兩種作用均很敏感?？梢姡焖贊駶櫼鸬南⒆饔煤屯饨鐟?yīng)力引起的機械振蕩作用，是紅壤團聚體破碎的主要機制。 (3)紅壤團聚體穩(wěn)定性與土壤性質(zhì)關(guān)系。紅壤團聚體穩(wěn)定性與土壤有機質(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)，說明在有機質(zhì)含量較低的紅壤中，無機膠體在保持團聚體穩(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)能增強團聚體穩(wěn)定性，另一方面能增強濕潤過程消散作用而降低團聚體穩(wěn)定性。此外，腐殖酸含量及其組成與PAD>2mm(團聚體分散度)呈顯著負相關(guān)，說明腐殖酸對較大粒徑團聚體的形成及穩(wěn)定機制有重要作用。 2、基于團聚體破碎理論，通過控制濕潤速度、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聚體的破壞過程、結(jié)果和機理，探討了團聚體穩(wěn)定性及不同破碎機制對坡面侵蝕過程的影響；結(jié)合室內(nèi)模擬試驗結(jié)論，通過比較

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

7、濕潤速率的影響更為明顯。快速濕潤處理中侵蝕泥沙<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)雨滴打擊引起的團聚體機械破壞作用對侵蝕過程的影響。在團聚體穩(wěn)定性較低、對機械破碎作用敏感的紅壤中，雨滴打擊對徑流的影響主要是由土壤表層團聚體結(jié)構(gòu)的破壞引起的；而在團聚體穩(wěn)定性較高、對機械破碎作用不甚敏感的紅壤中，雨滴打擊對徑流的影響主要表現(xiàn)為對表層土壤的壓實作用。紗網(wǎng)覆蓋處理侵蝕量均小于裸

8、土降雨侵蝕量，但只有在團聚體穩(wěn)定性較弱的紅壤中二者差異達到顯著。裸土條件下侵蝕泥沙MWD顯著低于紗網(wǎng)覆蓋處理，說明即使在團聚體穩(wěn)定性較高的紅壤中，雨滴擊濺分散對泥沙的分選作用仍然較為顯著。 (3)不同粒徑團聚體坡面侵蝕過程比較。團聚體粒徑與徑流強度和侵蝕量有很好的相關(guān)性，<2mm團聚體的徑流強度和侵蝕量均大于其它兩種粒徑；由于降雨過程中表土結(jié)構(gòu)和排列緊實程度差異，<2mm團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)本文中提出的團聚體穩(wěn)定性特征值Kα，與坡面侵蝕過程參數(shù)呈顯著或極顯著相關(guān)；此外，Kα集合了團聚體對不同破碎機制的敏感性，具備較強的物理意義?？梢?，Kα不僅能夠表征紅壤團聚體穩(wěn)定性的特殊性，而且在一定層面上解釋了紅壤侵蝕過程機理，是衡量紅壤團聚體穩(wěn)定性與可蝕性的良好指標。 3、針對紅壤丘陵區(qū)域嚴重的季節(jié)性干旱和水土流失現(xiàn)狀，以團聚體破碎理論和本文室內(nèi)研究結(jié)論為基礎(chǔ)，對野外坡面侵蝕過程與團聚體穩(wěn)定性關(guān)系進行了較為深入的探討。

10、結(jié)果表明，在野外尺度上紅壤團聚體穩(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細溝間侵蝕模型為框架，建立了侵蝕預(yù)測方程，結(jié)果顯示新建立方程能較為準確的預(yù)測紅壤坡面入滲量和侵蝕量。在侵蝕量預(yù)測方程中，不包含徑流因子的方程式D=0.23αI2(1.05-0.85exp-4sinθ)計算方法簡單、結(jié)果可靠，具有更強的實用性和適用性。此外，該結(jié)論也擴展了團聚體穩(wěn)定