典型紅壤團(tuán)聚體力穩(wěn)性及其與坡面侵蝕的關(guān)系.pdf

1、南方紅壤丘陵區(qū)的水土流失問題是我國面臨的重要環(huán)境問題之一。紅壤富含粘粒和鐵鋁氧化物，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育良好。團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單元，可作為預(yù)測土壤抗侵蝕能力的良好指標(biāo)。目前在土壤水蝕研究領(lǐng)域，團(tuán)聚體穩(wěn)定性多采用濕篩、震蕩、模擬降雨等間接方法測定，難以定量化表達(dá)團(tuán)聚體穩(wěn)定性。團(tuán)聚體力學(xué)指標(biāo)是一種定量化表達(dá)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的直接指標(biāo)，能很好地指示土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于土壤耕作和風(fēng)蝕研究領(lǐng)域。已有研究表明團(tuán)聚體抗張強(qiáng)度與水穩(wěn)性及土壤水

2、蝕之間存在一定聯(lián)系。
　　 本研究從湖北咸寧和江西進(jìn)賢選取第四紀(jì)粘土和泥質(zhì)頁巖兩種母質(zhì)發(fā)育的不同利用紅壤樣品，從定位培肥試驗選取同種紅壤發(fā)育的不同有機(jī)質(zhì)含量的土壤樣品。原位測定土壤的抗剪強(qiáng)度和貫入阻力，室內(nèi)分析團(tuán)聚體水穩(wěn)性和力穩(wěn)性，比較團(tuán)聚體水穩(wěn)性和力穩(wěn)性之間的關(guān)系。選取部分樣品研究團(tuán)聚體張力破碎和降雨破碎的特點，建立抗張強(qiáng)度與土壤侵蝕之間的聯(lián)系。進(jìn)而開展室內(nèi)模擬坡面細(xì)溝間侵蝕試驗，利用團(tuán)聚體抗張強(qiáng)度預(yù)測紅壤坡面細(xì)溝間速率。本研

3、究的創(chuàng)新點和主要結(jié)論如下:
　　 1紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定機(jī)制。
　　 對江西進(jìn)賢和湖北咸寧兩個地區(qū)泥質(zhì)頁巖和第四級粘土發(fā)育的不同利用紅壤團(tuán)聚體的研究結(jié)果表明，粘粒、CEC和鐵鋁氧化物是影響團(tuán)聚體水穩(wěn)性的主要因素，有機(jī)質(zhì)和CEC是影響紅壤團(tuán)聚體抗張強(qiáng)度的重要因素。CEC與團(tuán)聚體三種破碎機(jī)制均表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系，粘粒含量與團(tuán)聚體消散破碎密切相關(guān)，晶型和非晶型鐵鋁氧化物與團(tuán)聚體機(jī)械打擊破碎和不均勻膨脹破碎有關(guān)。有機(jī)質(zhì)和CEC與抗張強(qiáng)

4、度均表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系。
　　 咸寧長期培肥試驗的結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)也是影響紅壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性和力穩(wěn)性的重要因素。利用不同培肥措施改變團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)含量，研究有機(jī)質(zhì)對紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響。結(jié)果證實有機(jī)碳和熱水溶性碳水化合物與團(tuán)聚體降雨侵蝕過程的三種主要破碎方式均有密切關(guān)系，其關(guān)系緊密性依次為消散破碎＞機(jī)械打擊破碎＞不均勻膨脹破碎。熱水溶性碳水化合物與抗張強(qiáng)度有良好的正相關(guān)關(guān)系，而有機(jī)碳和抗張強(qiáng)度之間未發(fā)現(xiàn)明顯關(guān)系。此外，有機(jī)碳和熱水

5、溶性碳水化合物還與團(tuán)聚體容重與孔隙度、團(tuán)聚體斥水性等性質(zhì)密切相關(guān)，是指示培肥管理對表層土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)改變的良好指標(biāo)。
　　 2團(tuán)聚體抗張強(qiáng)度是表征紅壤抗細(xì)溝間侵蝕能力的良好指標(biāo)?？箯垙?qiáng)度能從力或能量角度定量化表達(dá)團(tuán)聚體穩(wěn)定性，本研究以WEEP模型細(xì)溝間侵蝕方程為基礎(chǔ)，結(jié)合室內(nèi)模擬坡面降雨，在考慮徑流和不考慮徑流兩種條件下分別建立了利用抗張強(qiáng)度預(yù)測紅壤細(xì)溝間侵蝕速率的數(shù)學(xué)模型，其R2分別達(dá)到0.68和0.80。在該模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一

6、步引入團(tuán)聚體斥水性指數(shù)對模型進(jìn)行改進(jìn)，提高了模型精度，改進(jìn)后的模型在考慮和不考慮徑流兩種條件下R2分別達(dá)到0.74和0.86。
　　 3團(tuán)聚體抗張強(qiáng)度與團(tuán)聚體水穩(wěn)性存在密切的關(guān)系。通過濕篩法研究發(fā)現(xiàn)，抗張強(qiáng)度與團(tuán)聚體破碎后的＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈極顯著相關(guān)關(guān)系，與平均重量直徑呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系。通過能區(qū)分團(tuán)聚體不同破碎方式的LB法研究發(fā)現(xiàn)，抗張強(qiáng)度與團(tuán)聚體消散破碎呈極顯著相關(guān)關(guān)系，與機(jī)械破碎呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系，而與不均勻

7、膨脹破碎之間沒有明顯的線性相關(guān)關(guān)系。
　　 4團(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)是團(tuán)聚體張力破碎和消散破碎的共同基礎(chǔ)。通過觀察降雨過程團(tuán)聚體粒徑分布的變化，消散是暴雨條件下紅壤團(tuán)聚體破碎的主導(dǎo)方式。根據(jù)脆性破裂理論和團(tuán)聚體消散破碎機(jī)理，團(tuán)聚體內(nèi)部裂隙、孔隙等結(jié)構(gòu)弱點的強(qiáng)度和分布決定了團(tuán)聚體張力破碎和消散破碎過程。對于不同粒徑團(tuán)聚體，抗張強(qiáng)度與團(tuán)聚體模擬降雨破碎后的標(biāo)準(zhǔn)平均重量直徑之間存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系。對于不同土壤同粒徑團(tuán)聚體，抗張強(qiáng)度與團(tuán)聚體模

8、擬降雨破碎后的平均重量直徑也存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系。
　　 5團(tuán)聚體破碎和濺蝕分離具有粒徑效應(yīng)。團(tuán)聚體粒徑越大，侵蝕過程中抵御自身破碎的能力越弱，但是破碎后形成的顆粒越大，抵御徑流和濺蝕搬運的能力越強(qiáng)。大團(tuán)聚體濺蝕峰的出現(xiàn)有延遲效應(yīng)，團(tuán)聚體粒徑越大延遲效應(yīng)越明顯，故而其濺蝕量越低。易碎性高的土壤不同粒徑團(tuán)聚體濺蝕分離速率差異較小，大團(tuán)聚體的濺蝕延遲效應(yīng)較小。濺蝕量主要受小團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，易碎性高的土壤一般小團(tuán)聚體較為穩(wěn)定，因