黄土高原水蚀风蚀交错区土壤退化机理研究

发布时间：2019-09-09 09:28

【摘要】：水蚀风蚀交错区环境要素过渡性明显,人为活动强度大,土壤退化严重。风水交错侵蚀是造成该区域环境问题的直接原因。本研究选择代表性区域采样,通过与风蚀区、水蚀区比较,分析了水蚀风蚀交错区土壤质量现状、分布规律、影响因素及退化程度;借助~(137)Cs技术反映了侵蚀与土壤质量在时空变化的偶联性,进而揭示了土壤退化成因;通过风蚀、水蚀模拟试验,明确了风水交错侵蚀下水土流失特征及其对土壤养分、土壤颗粒的影响,探明了风蚀、水蚀交互效应及土壤退化机理;同时利用USLE模型、~(137)Cs示踪技术及地形因子分析等方法估算了风蚀、水蚀速率分配比例。主要结论如下:1.在水蚀风蚀交错区,土壤养分含量分布规律呈现由西南向东北递减的趋势。有机质和全氮含量在西南部(固原采样区)较高;在东北部(神木采样区)较低。土壤粘粒和粉粒含量的分布规律与土壤养分变化趋势一致。土壤养分与降雨量和风力指数之间显著相关,也与土地利用类型、海拔高度、地形、土壤机械组成等环境因素存在相关关系(P0.05)。土壤有机质和全氮在年降雨量400 mm的地区,含量较高;在年降雨量300 mm的地区,含量较低。在风力指数大于100的地区,土壤有机质和全氮含量显著降低(P0.05)。土壤有机质和全氮在海拔1700 m的地区,含量较高;在海拔1300 m及1300~1700 m之间的地区,含量较低。土壤有机质和全氮在砂粒80 mm的地区,含量较低;在砂粒70 mm的地区,含量较高,两者差异显著(P0.05)。水蚀风蚀交错区坡耕地土壤退化指数为-3.27%,除固原样区外,其余样区土壤质量均发生了退化,退化最严重的为神木采样区。不同区域土壤退化程度的差异,在一定程度上反映了该区域侵蚀强度的大小和侵蚀环境的脆弱性。2.在水蚀风蚀交错区,风蚀、水蚀通过改变土壤物理属性,显著影响土壤有机质和全氮含量的变化。不同坡位、坡向土壤~(137)Cs含量和理化属性的差异主要是风蚀、水蚀交替作用的结果。风水交错侵蚀加剧了该区土壤退化过程。在不同坡向,相对于西北坡,东南坡~(137)Cs含量高35.6%。在不同坡位,土壤~(137)Cs含量沿着坡面从上到下增加,坡顶含量较小、坡下含量较高。相关性分析表明,土壤~(137)Cs与土壤理化属性紧密相关(P0.01;P0.05)。土壤有机质、全氮、粘粒和粉粒含量在西北坡显著低于东南坡;在坡顶(坡上)显著低于坡下,与~(137)Cs含量变化规律一致。回归分析表明,~(137)Cs含量变化与土壤颗粒、有机质和全氮含量变化存在线性相关,可用方程y=ax+b拟合。3.在水蚀风蚀交错区,水蚀、风蚀互相影响,相互促进。风蚀通过对土壤物理性状的改变,促进了水蚀坡面糙度、径流率和侵蚀率变化,增大了坡面侵蚀程度。风蚀(风速为11 m s-1和14 m s-1)导致坡面糙度增加8.12%~78.06%,径流率增加4.5%~21.69%,侵蚀率增加7.25%~38.97%。拟合回归方程表明,坡面糙度、径流率和侵蚀率均与风速和雨强存在显著线性关系(P0.01)。雨强和风速越大,坡面形态变化越明显;而坡面径流率随降雨历时在不同风速、雨强下符合对数函数变化规律。相对于坡面径流变化,坡面产沙过程较为复杂,总体呈现先降低后增加的趋势。水蚀风蚀存在明显的正交互效应,在预测水蚀风蚀交错区土壤侵蚀问题时必须考虑风蚀对水蚀的促进作用,减少该区域的风蚀可以有效降低两者的交互作用。4.风水交错侵蚀对土壤颗粒和养分的影响与单相侵蚀不同,具有一定的特殊性。风蚀使坡面土壤颗粒粗化、土壤有机质和全氮含量降低,进而影响了水蚀坡面及泥沙中土壤颗粒和养分的变化。风蚀加剧了土壤养分的再分配,成为水蚀风蚀交错区土壤质量下降的主要原因。在11 m s-1和14 m s-1风速的风蚀下,坡面表层(0~1 cm)粘粒(0.002mm)减小7.65%~9.15%,粉粒(0.002~0.02 mm)减小17.94%~18.15%,砂粒(0.02mm)增加6.51%~6.74%。土壤有机质、全N大多与土壤细粒吸附在一起,风蚀进而造成土壤表层养分减少。风水交错侵蚀条件下,坡面表层土壤有机质和全氮含量降低4.19%~14.16%和6.67%~13.63%;泥沙中粘粒和粉粒含量增加0.35%~19.60%和5.80%~21.10%,泥沙砂粒含量降低2.40%~8.33%;有机质和全氮含量降低3.12%~19.66%和2.69%~12.23%。侵蚀泥沙颗粒与风速和雨强呈显著正相关关系(P0.01)。5.研究区(定边采样区)土壤侵蚀速率为1513.25~8314.29 t km-2 a-1,相当于每年约有0.126~0.693 cm的表层土壤被侵蚀掉。其中,风蚀占总侵蚀的34.94%;水蚀占总侵蚀的65.06%,水蚀是主要的侵蚀方式,采取一定措施降低水蚀可以在较大程度上降低该区域土壤总侵蚀量。坡面土壤~(137)Cs含量介于239.91~1049.23 Bq m-2,沿着坡面从上到下呈增加趋势。侵蚀速率在坡面的变化与~(137)Cs的变化趋势相反,其沿着坡向从上到下呈减少趋势;坡上侵蚀严重,坡下侵蚀较弱。但由于研究区风蚀、水蚀交互出现,整个坡面以侵蚀为主,无沉积现象。水蚀风蚀交错区坡耕地水土流失的防治要充分考虑风水交错侵蚀及其交互效应,采取综合治理措施,重点防控水蚀能较大程度上减少土壤侵蚀量。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S157

【相似文献】