几种典型地带性土壤团聚体稳定机制及坡面侵蚀响应

发布时间：2020-08-21 08:19

【摘要】：土壤侵蚀是我国主要环境问题之一。土壤抗侵蚀能力主要受土壤性质影响。我国土壤类型多样,性质差异较大,受气候影响,土壤类型呈地带性分布规律。目前,不同类型地带性土壤结构稳定机制及其抗侵蚀能力缺乏深入系统的研究。本文以我国中南部丘陵岗地为研究区域,自北向南根据土壤纬度地带性分布特点选取六类典型土壤(褐土、黄褐土、棕红壤、红壤、赤红壤和砖红壤)为研究对象,为了控制干扰因素,选用土壤质地接近、发育于相似母质(黄土、第四纪红黏土和玄武岩),以土壤物理、化学、地理、侵蚀和数理统计学等学科理论为基础,采用室内分析和野外人工模拟降雨试验的方法,系统研究了不同气候条件下各类型地带性土壤的团聚体稳定机制以及降雨强度(45和90 mm/h)和土壤侵蚀程度(无,强烈和剧烈)对其坡面侵蚀过程和可蚀性的影响。主要结论如下:(1)地带性土壤基本性质和团聚体稳定性空间变化从褐土到砖红壤,交换性盐基离子和2:1型黏土矿物含量(蛭石和水云母)含量逐渐降低;游离氧化铁铝和高岭石含量逐渐增加,非晶形氧化铁铝呈现先增加后降低的趋势;容重和有机质地带性变化规律不明显,分别随着土层深度的增加而逐渐增加和降低。不同土壤类型、发生层次和土地利用方式下团聚体稳定性存在显著差异。风干团聚体稳定性及其水稳性分别随着土层深度的增加而增强和降低,从褐土到砖红壤分别呈现逐渐降低和先增加后降低的趋势,其中风干团聚体稳定性与容重呈显著正相关关系(r=0.62,p0.001),与有机质呈负相关关系(r=-0.42,p0.05)。团聚体水稳性主要受p H、有机质、容重和交换性Na+影响,其中消散作用对团聚体破坏程度最大,其次为机械震荡作用,不均匀膨胀主要影响褐土和黄褐土,这与其较高的蛭石和交换性盐基离子含量有关;含量较高的游离氧化铁铝和高岭石、1.4 nm过渡矿物、有机质可以增强团聚体水稳性,而蛭石、交换性盐基、容重则不利于团聚体水稳性。(2)水稳性团聚体粒径分布和胶结物质不同类型土壤(除褐土)水稳性团聚体含量随粒径变化总体上呈现“双峰”分布。自然植被下表层(淋溶层)土壤(除褐土外)水稳性团聚体以大团聚体(0.5 mm)为主,而下层(母质层和淀积层(砖红壤))土壤以微团聚体(0.25 mm)为主。水稳性团聚体中不同类型胶结物质随团聚体粒径变化因土壤类型和发生层次而异。对于黄褐土和红壤母质层中氧化铁,红壤母质层中游离氧化铝,褐土、黄褐土母质层和红壤、砖红壤淋溶层氧化锰含量随着粒径减小而降低,说明其对该土壤中大团聚体形成稳定有促进作用。对于下层土壤,游离氧化物主要以晶形氧化物的形式与黏粒结合。褐土和黄褐土表层水稳性团聚体中有机碳和碳氮比随着粒径减小而降低,土壤有机质以团聚体闭蓄态和矿物吸附态存在,砖红壤中有机碳则相反,其它土壤中有机碳和碳氮比随粒径变化不明显,有机质主要以矿物吸附态为主;相对于黏粒含量,有机质与铁锰氧化物的关系更密切。(3)地带性土壤坡面水文过程降雨侵蚀过程中坡面水文过程受土壤性质和降雨强度的综合影响。降雨过程中土壤入渗速率随产流时间总体呈现先降低后稳定的变化趋势,而土壤产流强度和径流系数则呈现相反的变化趋势。降雨强度对土壤入渗和产流都起促进作用。对于褐土、红壤和赤红壤,平均入渗速率和产流强度分别随着侵蚀程度的增加而增加和降低;对于黄褐土和砖红壤,不同侵蚀程度间土壤入渗速率的大小受降雨强度的影响,产流强度随着侵蚀程度的增加而增加。所有土壤类型中,砖红壤入渗速率最大,产流强度最小。除降雨强度外,土壤性质中1.4 nm过渡矿物、水云母、土粒密度、有机质、阳离子交换量和游离氧化铝影响坡面土壤产流和入渗。此外不同降雨强度下,影响坡面土壤水文过程的土壤性质不同。(4)地带性土壤坡面产沙过程除剧烈侵蚀褐土和黄褐土外,大雨强下径流泥沙浓度和土壤产沙率显著高于小雨强。径流泥沙浓度和土壤产沙率动态变化过程受土壤性质和降雨特性(强度和历时)的综合影响。对于褐土和小雨强下的红壤和赤红壤,径流泥沙浓度随着侵蚀程度的增加逐渐降低;而对于大雨强下黄褐土、红壤、赤红壤和砖红壤,剧烈侵蚀程度下的径流泥沙浓度明显低于其它侵蚀程度,而除红壤外,无明显侵蚀和强烈侵蚀程度的土壤间差异不显著。小雨强下褐土、红壤和赤红壤土壤产沙率随着侵蚀程度增加逐渐降低,而黄褐土和砖红壤则相反。大雨强下,剧烈侵蚀程度土壤产沙率明显低于其它侵蚀程度。降雨强度对泥沙侵蚀起促进作用,土壤黏土矿物类型(1.4 nm过渡矿物和水云母)、非晶形氧化铝、容重、阳离子交换量、团聚体稳定性影响坡面土壤产沙过程。(5)地带性土壤坡面侵蚀泥沙的粒径组成和搬运机制不同土壤类型、侵蚀程度下侵蚀泥沙有效粒径组成存在显著差异,且受降雨强度和历时影响。大雨强下泥沙中粗颗粒含量(尤其是5-2 mm)高于小雨强;除大雨强下剧烈侵蚀赤红壤外,剧烈侵蚀程度下泥沙粒径中0.10 mm粒级含量明显低于无明显侵蚀和强烈侵蚀程度。随着产流时间的增加,0.10 mm粒径含量逐渐降低,而0.10 mm粒径含量逐渐增加,并趋于稳定。除产流初始阶段外,泥沙有效粒径总体呈现“双峰”分布的特征。从褐土到砖红壤,泥沙有效粒径的“双峰”分布特征更加明显,而且其泥沙平均重量直径呈现先增加后减小的趋势。降雨强度、p H、非晶形氧化铝和交换性Na+、风干团聚体稳定性影响侵蚀泥沙粒径组成。对于褐土、黄褐土、剧烈侵蚀程度红壤和小雨强下剧烈侵蚀程度赤红壤以及其它土壤降雨侵蚀的最初阶段,泥沙输移以悬移/跃移为主,而对于其它土壤和产沙阶段,悬移/跃移和滚移两种泥沙输移模式都存在。(6)地带性土壤可蚀性变化不同土壤类型、侵蚀程度和降雨强度下土壤可蚀性因子存在显著差异,而且受地表结构改变的影响其随降雨历时动态变化。所有类型土壤中砖红壤可蚀性最小。在土体尺度上,除黄褐土和强烈侵蚀程度红壤外,土壤可蚀性随着侵蚀程度的增加逐渐降低;剧烈侵蚀程度的土壤可蚀性明显低于无明显侵蚀和强烈侵蚀程度土壤。基于诺模图计算的土壤可蚀性不同程度地高于实测值,因此它不适合我国中南部场次降雨条件下的质地黏重、风化程度较高的土壤。对于不同类型土壤,黏土矿物类型(水云母、1.4 nm过渡矿物)、非晶形氧化铝、土粒密度和风干团聚体稳定性影响土壤可蚀性及其动态变化,而且不同降雨强度下,影响土壤可蚀性的土壤性质不同。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S157.1

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