集中水流內(nèi)典型紅壤分離機制及團聚體剝蝕特征研究.pdf

1、我國南方紅壤丘陵區(qū)地處熱帶、亞熱帶，水熱資源豐富，但由于該區(qū)域土壤性能較差，加之不合理的土地利用，土壤侵蝕退化嚴重。同時，該區(qū)域降雨集中且強度大，分散的地表徑流由于地形影響逐漸集中，形成的集中水流沖刷地表，在土壤表面有明顯的細溝和侵蝕溝出現(xiàn)。因此，研究該區(qū)域集中水流內(nèi)紅壤分離機制和紅壤結(jié)構(gòu)因子----團聚體在集中水流內(nèi)的剝蝕特征十分必要。本文以我國南方亞熱帶丘陵區(qū)泥質(zhì)頁巖和第四紀紅粘土兩種典型母質(zhì)發(fā)育紅壤為研究對象，系統(tǒng)分析了水力學特性

2、、紅壤結(jié)構(gòu)因子與紅壤分離過程間的內(nèi)在關(guān)系，并深刻探討了水力學特性、運移距離、團聚體粒徑大小、穩(wěn)定性強弱對自身剝蝕程度的定量影響以及團聚體剝蝕后顆粒粒徑、粒形、膠結(jié)物質(zhì)的分布規(guī)律，從機理層面對紅壤坡面集中水流內(nèi)土壤分離機制和粗顆粒泥沙（團聚體）剝蝕過程進行了詳細闡述。取得的主要結(jié)論如下：
　　 ⑴在采用傳統(tǒng)的濕篩法指標分析紅壤團聚體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，結(jié)合可以區(qū)分團聚體破碎方式的LB法，從多個角度綜合評價了紅壤團聚體穩(wěn)定性。同時，針對

3、紅壤獨特的成土條件和物質(zhì)組成，分析了紅壤基本理化性質(zhì)對團聚體穩(wěn)定性的影響作用機制，重點探討了粘粒、有機質(zhì)和鐵鋁氧化物與團聚體穩(wěn)定性間的關(guān)系。①由于預處理、團聚體穩(wěn)定機制和衡量指標的差異，所有供試紅壤團聚體穩(wěn)定性排序不完全相同。濕篩法研究結(jié)果表明，在相似的土地利用狀況，泥質(zhì)頁巖發(fā)育紅壤的團聚體水穩(wěn)性總是低于第四紀紅粘土發(fā)育紅壤（Q J4土樣除外）;忽略成土母質(zhì)，所供試紅壤中茶園、林地、草地的農(nóng)耕活動相對較少，因此水穩(wěn)性相對較強。LB法測得

4、的不同處理各紅壤間差異顯著性趨勢不同，但所有供試紅壤團聚體平均重量直徑排序均為MWDFW（快速濕潤）＜MWDWS（預濕潤振蕩）＜MWDSW（慢速濕潤），可見快速濕潤引起的消散作用和外應力引起的機械破碎作用是紅壤團聚體的主要破碎機制。②團聚體穩(wěn)定性參數(shù)不同，與理化性質(zhì)間的相關(guān)性也明顯不同。紅壤團聚體穩(wěn)定性主要與粘粒含量、有機質(zhì)、游離態(tài)鐵鋁相關(guān)性較好，而與陽離子交換量、非晶形鋁未有顯著性相關(guān)。其中，粘粒在快速濕潤的條件下所起的作用更強，與團

5、聚體穩(wěn)定性間相關(guān)性更好，而有機質(zhì)、游離態(tài)氧化鐵鋁在維持土壤團聚體穩(wěn)定性上起到主導作用。
　　 ⑵通過選取擾動土樣和野外原狀土樣，進行室內(nèi)模擬集中水流沖刷試驗。研究得出了不同水力學參數(shù)及水動力學參數(shù)對集中水流內(nèi)紅壤分離速率的定量影響。同時，綜合團聚體穩(wěn)定性特征參數(shù)(As)、飽和抗剪強度（σs）及根系密度（Rd）相關(guān)參數(shù)，分析其參數(shù)與集中水流內(nèi)紅壤分離速率、可蝕性因子及臨界剪切力間定量關(guān)系。①集中水流內(nèi)水流流態(tài)主要以紊流、急流為主，

6、且坡度對水流流態(tài)的影響遠小于流量對流態(tài)的影響。平均流速、徑流水深與坡度、流量的關(guān)系均可用冪函數(shù)來模擬。紅壤分離速率是流量、坡度的冪函數(shù)，也是徑流水深和坡度的冪函數(shù)，此外，紅壤分離速率與坡面水流流速關(guān)系密切，呈較好的冪函數(shù)關(guān)系。所選取的水流剪切力、水流功率和單位水流功率三個水動力力參數(shù)，它們均與紅壤分離速率呈線性關(guān)系，水流功率是描述紅壤分離速率最為確切的水動力參數(shù)。②各紅壤分離速率與水流剪切力間呈較好的線性關(guān)系，但紅壤間集中水流內(nèi)可蝕性系

7、數(shù)Kc與臨界水流剪切力τc有較大差異。團聚體穩(wěn)定性特征參數(shù)As與不同水流剪切力中紅壤分離速率有較好的相關(guān)，并且與集中水流內(nèi)可蝕性系數(shù)Kc呈現(xiàn)顯著的線性關(guān)系(R2=0.70，p＜0.01)，同時，作物根系密度（Rd）與其呈現(xiàn)較好的負相關(guān)冪函數(shù)關(guān)系(R2=0.40，p=0.09);紅壤飽和抗剪強度(σs)與集中水流內(nèi)臨界水流剪切力(τc)亦呈較好的線性關(guān)系(R2=0.64，p=0.02)。利用WEPP細溝侵蝕模型框架，以團聚體穩(wěn)定性特征參數(shù)

8、As、根系密度Rd代替可蝕性因子Kc，飽和抗剪強度σs代替臨界水流剪切力τc，通過回歸分析，得出新的預測集中水流內(nèi)紅壤分離速率方程。
　　 ⑶通過4個相關(guān)的集中水流內(nèi)團聚體沖刷試驗，分析得出運移距離、水力學特性、粒徑大小及自身穩(wěn)定性對團聚體剝蝕破壞的定量影響。首次闡述其在集中水流內(nèi)剝蝕規(guī)律，團聚體剝蝕后粒徑、粒形變化及紅壤團聚體膠結(jié)物質(zhì)—有機質(zhì)、鐵鋁氧化物在其內(nèi)外的分布特征。①團聚體在坡面集中水流中的剝蝕破壞受自身穩(wěn)定性、粒徑大

9、小的影響，穩(wěn)定性越強、粒徑越小，在不同運輸距離和流量中破壞程度越小。不同粒徑團聚體在坡面運移過程中的剝蝕破壞大致分為兩個階段。團聚體在坡面集中水流中的破壞機制與礫石在河流中的剝蝕破壞機制不同。團聚體剝蝕程度與徑流水深、阻力系數(shù)水力學參數(shù)關(guān)系密切。融合坡度和徑流水深的多元回歸方程亦可準確預測不同坡度和流量條件下團聚體剝蝕破壞程度。初步得出單位水流功率是描述集中水流內(nèi)紅壤團聚體剝蝕破壞程度較好的水動力學參數(shù)。②研究得出具有一定物理意義的機械

10、破碎指數(shù)RMI與不同運移距離中團聚體剝蝕破壞程度Wr/Wi值均達到顯著性相關(guān)(p＜0.05)，利用團聚體機械破碎指數(shù)RMI和運移距離x相結(jié)合，得出了集中水流中不同運移距離紅壤團聚體剝蝕程度預測方程。③初始對機械破碎敏感較弱的團聚體，一定運移距離內(nèi)剝蝕破壞程度較低，大顆粒團聚體含量相對較多，剝蝕破壞后的MWD相應較大。剝蝕破壞后供試各紅壤間微團聚體粒徑粒形變化不大，而形狀因子(Cir)的D50值均隨運移距離的增加呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)增加的趨勢。即