基于表面電場驅(qū)動土壤侵蝕理論下的植物籬措施水力侵蝕過程研究.pdf

1、紫色土是三峽庫區(qū)主要的種植土壤，其中大部分為坡耕地。其嚴(yán)重的水土流失、土地退化給生態(tài)環(huán)境安全帶來了多方面的嚴(yán)重威脅，給庫區(qū)移民帶來了巨大得社會經(jīng)濟壓力。日趨嚴(yán)重的水土流失已成為亟待解決的問題。植物籬間作作為一種特殊的農(nóng)林復(fù)合技術(shù)應(yīng)用于坡耕地，能夠改良土壤、攔截徑流、保土蓄水，是一種有效的防治坡耕地水土流失的可持續(xù)利用生物工程措施，并且有助于坡地退化土壤養(yǎng)分庫的恢復(fù)重建。
　　通過對紫色土區(qū)10°、15°坡耕地香根草植物籬和新銀合歡

2、植物籬標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)長達3年的監(jiān)測，針對植物籬生長過程（1～3年），對比兩種植物籬種植生長過程中不同坡度、坡位下的蓄水減流、保土減沙和有機碳固定效益差異及土壤物理化學(xué)性質(zhì)的變化過程，研究不同生命期植物籬對坡耕地土壤侵蝕及土壤肥力的影響。
　　此外，目前對于植物籬水土保持效益機理的研究主要集中于宏觀角度，即通過莖葉的機械攔截，和過濾，增加水流與植物籬的摩擦等外部作用力降低水流的動力，延長與地面的作用時間，增加滲透，沉淀泥沙從而減少坡面

3、的徑流泥沙量控制水土流失。最近，李航等人根據(jù)介觀尺度下土壤膠體顆粒相互作用新理論，并發(fā)現(xiàn)土壤顆粒電場是導(dǎo)致團聚體破裂的根本原因。因此，本試驗利用該理論，通過在自然條件下植物籬控制措施的野外宏觀監(jiān)測和室內(nèi)微觀實驗，從植物籬對土壤電場的影響分析其對坡面耕地土壤侵蝕的控制作用，結(jié)合內(nèi)外因驅(qū)動理論，重新研究植物籬控制水力侵蝕原理機制，探討該措施下水土保持效益微觀機制與宏觀指標(biāo)間的耦合關(guān)系。在此基礎(chǔ)上提出科學(xué)的調(diào)控技術(shù)，為水土保持和農(nóng)田面源污染防

4、治提供新的理論支持。研究結(jié)果表明:
　　(1)香根草植物籬和新銀合歡植物籬在10°紫色土坡耕地上的水土保持效應(yīng)顯著，且香根草優(yōu)于新銀合歡。植物籬的水土保持效應(yīng)的發(fā)揮與植物籬的生長密切相關(guān)，定植時間越長植物籬的水土保持效益越好:植物籬栽植第1年為適應(yīng)期，對坡面徑流不產(chǎn)生攔截效應(yīng);栽植第2～3年為植物籬生長期。10°坡度條件下，香根草、新銀合歡植物籬蓄水保土效益均在定植2年內(nèi)得以發(fā)揮。其中新銀合歡植物籬先于香根草植物籬最快發(fā)揮效益。香

5、根草植物籬能夠在種植后第3年有效減少15°紫色土坡耕地的地表徑流，對泥沙的控制作用還未體現(xiàn)。植物籬的水土保持效應(yīng)表現(xiàn)為先蓄水減流，再保土固沙，能夠有效防止細溝侵蝕的發(fā)生。坡耕地坡度對徑流泥沙的影響顯著于并限制植物籬對坡耕地徑流泥沙的影響。坡度越大，植物籬的水土保持效應(yīng)越不顯著，且見效越慢。長期定植植物籬能夠改變坡耕地微地形，植物籬攔截泥沙堆積于籬前形成淤積帶，籬間坡度減緩。不同坡位植物籬前淤積帶大小表現(xiàn)為底行＞中行＞頂行。植物籬在15°

6、坡耕地的泥沙籬前淤積現(xiàn)象顯著于10°坡耕地。植物籬作為生物措施，對坡耕地水土流失的控制作用有限。在一定時間范圍內(nèi)的小強度降雨下，植物籬措施對徑流泥沙的控制作用最為有效。
　　(2)香根草植物籬和新銀合歡植物籬顯著影響坡耕地表土機械組成各顆粒組分的比例和分布，并與植物籬種植時間密切。香根草植物籬對于機械組成變化的影響顯著于新銀合歡。植物籬措施下，坡耕地粘粒和粉粒組分比例增加，砂粒比例減少?？傮w而言，在10°坡耕地上，植物籬對土壤中＜

7、0.02mm顆粒流失的控制作用顯著，并在定植后第2年有效發(fā)揮。其中，香根草植物籬和新銀合歡植物籬能顯著增加粉粒組分的比例，同時，香根草植物籬對粘粒的富集作用顯著。坡度是植物籬影響機械組成變化的限制因素。15°坡耕地上，香根草植物籬主要攔截粘粒，對粉粒含量變化的影響不顯著。植物籬對土壤機械組成各組分體積分數(shù)在坡面上的分布變化影響顯著:粘粒多富集于坡底(10°、15°)和坡中(10°)，粉粒多富集于坡底和坡頂位置，植物籬帶下的富集作用最為顯

8、著。植物籬對＜0.02mm顆粒尤其是粉粒的攔截作用是其能夠發(fā)揮水土保持效益、控制面源污染的關(guān)鍵。
　　(3)定植植物籬對坡耕地土壤有機質(zhì)含量的影響較為復(fù)雜，與定植時間密切相關(guān)。植物籬定植1～3年主要處于生長階段，大量消耗坡耕地土壤肥力，致使坡耕地地力衰減，此時應(yīng)根據(jù)有機質(zhì)的分布差異和植物籬與作物的生長情況適當(dāng)加大坡耕地的有機質(zhì)施肥量。10°坡度下，新銀合歡植物籬和香根草植物籬從定植第3年起富集土壤有機質(zhì)。其中新銀合歡植物籬對土壤有

9、機質(zhì)的富集作用顯著于香根草植物籬。并且，新銀合歡主要富集坡頂和坡底土壤有機質(zhì)，而香根草植物籬對坡耕地坡底位置土壤有機質(zhì)作用顯著。在10°坡耕地上，不同植物籬對土壤有機質(zhì)的影響具體表現(xiàn)為:新銀合歡植物籬于定植后第3年開始影響有機質(zhì)的含量與分布并富集有機質(zhì);香根草底行植物籬于定植后第1年便對土壤有機質(zhì)發(fā)揮作用。
　　(4)在10°紫色土坡耕地上，香根草植物籬和新銀合歡植物籬對土壤顆粒表面電化學(xué)性質(zhì)影響顯著，其中香根草植物籬作用顯著于新

10、銀合歡植物籬。植物籬顯著增加土壤顆粒比表面積、降低表面電場強度和表面電荷密度，并隨定植年份的增加呈遞變趨勢，而土壤顆粒表面電荷數(shù)量在植物籬作用下變化不顯著。植物籬對土壤顆粒比表面積的影響在定植后第2年最為顯著，而對土壤表面電場強度和表面電荷密度的影響在定植第3年最為顯著。植物籬對土壤顆粒表面電化學(xué)性質(zhì)的影響在坡面上的分布不同:新銀合歡植物籬主要集中于坡頂，香根草植物籬對坡頂和坡底的影響最為顯著。
　　(5)植物籬的宏觀水土保持效益

11、是通過宏觀外在驅(qū)動和介觀內(nèi)在機制的耦合作用共同體現(xiàn)的。植物籬顯著降低土壤顆粒表面靜電場強度是植物籬能夠有效發(fā)揮保沙固土效益的本質(zhì)原因。植物籬控制泥沙流失的主要過程為:植物籬先通過根-莖-葉組成的密閉籬墻簡單機械攔截徑流中攜帶的泥沙，再利用生物作用改善土壤顆粒電化學(xué)性質(zhì)，進一步從本質(zhì)上降低土壤可蝕性。植物籬通過機械攔截作用使土壤細顆粒在籬下富集，促使土壤顆粒比表面積和表面電荷數(shù)量增加，吸附大量有機質(zhì)，一方面增強土壤顆粒間的引力，一方面使表

12、面電荷密度和電場強度降低，以此降低了土壤顆粒間的分散斥力，保持土壤團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，增加抗蝕性，有效控制土壤水力侵蝕。土壤電化學(xué)性質(zhì)的改變對植物籬蓄水減流作用不顯著。植物籬的蓄水減流效益需通過水利學(xué)實驗進一步研究。
　　(6)植物籬對有機質(zhì)的固持作用與植物籬的水土保持效益關(guān)系不顯著，其通過與土壤中粒徑＜0.02mm顆粒（尤其粘粒組分）的相互作用后改善土壤顆粒表面電化學(xué)性質(zhì)，從土壤內(nèi)部作用力的顆粒間作用改變進而控制土壤流失。