降雨条件下鄂南几个红壤团聚体破碎特征及坡面侵蚀响应研究

发布时间：2017-03-28 10:05

  本文关键词：降雨条件下鄂南几个红壤团聚体破碎特征及坡面侵蚀响应研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国南方红壤区具有丰富的水热资源,但其季节性分配不均,加之人口密度大造成人为对土地扰动频繁,使得土壤侵蚀是制约该地区农业、经济和社会发展的主要原因之一。针对南方红壤区土壤侵蚀过程和机制的研究,对该区土壤侵蚀防治、农业和社会可持续发展具有极其重要的作用。根据《中国水土流失与生态安全·南方红壤区卷》的调查结果显示,面状侵蚀是我国南方红壤丘陵区最普遍、面积和比例都是最大的水土流失方式,包括降雨条件下的溅蚀和细沟间侵蚀,还包括坡面径流引起的细沟侵蚀。因此,认识并掌握该区主要侵蚀方式的侵蚀机制和规律十分必要。本文选取湖北省咸宁市贺胜桥镇的第四纪红黏土、泥质页岩发育的红壤为研究对象,利用室内模拟方法研究了团聚体动态破碎特征和孔隙特征,并基于团聚体破碎特征系统研究了团聚体破碎对坡面侵蚀过程的作用机制。获得的主要结论如下:1.利用湿筛法和Le Bissonnais(LB)法系统分析了供试土样团聚体稳定性。同时,考虑到红壤黏粒含量高这一特性,分析了团聚体在不同前期含水率条件下团聚体稳定性和破碎特征。土壤前期含水率越大,团聚体破碎程度越小。随着前期含水率的升高,第四纪红黏土发育的2个红壤水稳性团聚体平均重量直径先增大后减小,拐点出现在含水率为15%条件下;泥质页岩发育的2个红壤水稳性团聚体平均重量直径显著增大。提高团聚体前期含水率,降低团聚体破碎程度,能被雨滴击溅迁移的物质就少,溅蚀量少。2.利用室内条件下的模拟降雨试验,研究了团聚体在降雨过程中破碎特征。在团聚体动态破碎和不同破碎机制的基础上,分析其对细沟间侵蚀过程和溅蚀过程的影响。(1)细沟间侵蚀过程中,降雨前期团聚体主要以消散破碎为主,表现出在土壤表面迅速形成大量微团聚体,随着降雨的进行,团聚体主要以雨滴打击下的机械破碎为主,团聚体破碎相对缓慢。径流泥沙浓度受团聚体破碎程度的减小和表土结构的发育的影响,随降雨时间逐渐减小。径流泥沙粒径随降雨时间表现出大颗粒含量增多的趋势,其中土样QX2和SX3在产流后降雨0?24 min内,泥沙含量主要集中在100?250μm范围内(45.87%?53.13%),产流后降雨36?60 min内,泥沙含量主要分布在100?250μm、250?500μm和500?1000μm范围内;土样QX4和SX1径流泥沙颗粒分布在200μm范围内,表现出泥沙含量随粒径的增大而减少,各粒级范围内的颗粒含量均随着降雨的进行伴随着波动变化。(2)随前期含水率的升高,第四纪红黏土发育2个红壤溅蚀量呈现先减小后增大的趋势,在含水率为15%时达到最小;泥质页岩发育2个红壤溅蚀量随前期含水率的升高显著减小。团聚体水稳性较高的土样,溅蚀粒径分布呈双峰曲线分布,主要分布1?0.5 mm和0.05 mm范围内,且前期含水率越高,0.05 mm溅蚀颗粒含量越大;而团聚体水稳定性较差的土样,除前期含水率为20%外,溅蚀粒径分布呈单峰曲线分布,主要分布在0.25?l mm。(3)降雨过程中,累积溅蚀量随着降雨时间呈幂函数增加。溅蚀颗粒中,不同土样溅蚀颗粒富集率表现出不同的变化趋势,其中粒级为0.25?1 mm团聚体最易发生迁移。(4)降雨过程中,团聚体在降雨前期最容易发生破碎,不同土样随降雨时间的破碎特征可用以下关系式表示:D=1.02RMI+1.77T0.06,其中D为破碎团聚体粒径分形维数,RMI为相对机械破碎指数,T为降雨时间。(5)总溅蚀量随着团聚体破碎呈幂函数增加,用下式表示:M=(3.8×10-14)RMI·D32.36,其中M为溅蚀量,RMI为相对机械破碎指数,D为破碎团聚体粒径分形维数。3.通过室内模拟干湿循环试验,利用同步辐射显微CT扫描技术和图像分析技术,定量研究对团聚体孔隙特征变化。在此基础上,利用偏最小二乘回归法首次系统研究了团聚体孔隙特征与团聚体破碎和集中水流内土壤分离之间的关系。(1)在干湿循环的作用下,团聚体结构变得相对疏松,孔隙间连通性得到改善,团聚体呈现明显的复杂的疏松多孔结构。具体表现在:团聚体中总孔隙度增加,孔隙数量减少,加长孔隙度和100μm孔隙度增加。(2)通过偏最小二乘回归法得出的结果表明,总孔隙数量、75?100μm孔隙度、总孔隙度和100μm孔隙度是控制团聚体在LB法测定下的水稳定性和抗压法测定下的力稳性的主要孔隙特征因子。团聚体孔隙度越大,其孔隙结构越复杂,由此增加团聚体孔隙中的空气压力、加快水分的进入速率以及增加团聚体中裂隙传播和相互作用的概率。(3)通过偏最小二乘回归法得出的结果表明,100μm孔隙度、总孔隙度、规则孔隙度、30?75μm孔隙度和加长孔隙度是控制集中水流下土壤分离速率的主要孔隙特征因子。其中,土壤分离速率与100μm孔隙度、总孔隙度和加长孔隙度显著正相关。土壤结构的破裂主要取决于土壤中微小裂隙以及孔隙或裂隙的几何形态。
【关键词】：红壤 团聚体 破碎 细沟间侵蚀 溅蚀 细沟侵蚀 孔隙特征
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S157
【目录】：

• 摘要8-11
• ABSTRACT11-14
• 1 引言14-15
• 2 文献综述15-33
• 2.1 土壤侵蚀的主要过程和机制15-24
• 2.1.1 溅蚀16-19
• 2.1.2 细沟间侵蚀19-22
• 2.1.3 细沟侵蚀22-24
• 2.2 团聚体形成和破碎机制概述24-31
• 2.2.1 团聚体形成机制和主要影响因素24-26
• 2.2.2 团聚体破碎机制和主要影响因素26-31
• 2.3 土壤团聚体破碎和坡面侵蚀过程31-32
• 2.4 现存问题及不足32-33
• 3 研究目标、研究内容及技术路线33-35
• 3.1 研究目标33
• 3.2 研究内容33-34
• 3.3 技术路线图34-35
• 4 采样点概况及土样基本性质分析35-46
• 4.1 采样点概况35
• 4.2 供试土样采集35-37
• 4.3 供试土样理化性质测定37
• 4.4 供试土样基本理化性质37-40
• 4.5 供试土样团聚体稳定性测定40-43
• 4.5.1 湿筛法（Yoder法）40-41
• 4.5.2 Le Bissonnais法（LB法）41-42
• 4.5.3 团聚体稳定性指标及参数42-43
• 4.6 供试红壤团聚体稳定性43-46
• 4.6.1 基于湿筛法测定团聚体的稳定性43-44
• 4.6.2 基于LB法测定团聚体的稳定性44-46
• 4.7 小结46
• 5 降雨过程中土壤破碎对细沟间侵蚀的影响46-57
• 5.1 土样制备与模拟降雨47-48
• 5.1.1 土样制备47
• 5.1.2 试验装置47-48
• 5.1.3 模拟降雨48
• 5.2 结果与分析48-54
• 5.2.1 降雨过程中径流特征48-50
• 5.2.2 降雨过程中侵蚀特征50-54
• 5.2.2.1 坡面产沙强度50-51
• 5.2.2.2 径流泥沙浓度51-52
• 5.2.2.3 泥沙粒径分布52-54
• 5.3 讨论54-56
• 5.4 小结56-57
• 6 降雨过程中团聚体破碎及其对溅蚀的影响57-83
• 6.1 不同前期含水率下团聚体破碎特征及其对溅蚀的影响57-67
• 6.1.1 土样制备与模拟降雨57-59
• 6.1.1.1 土样制备57-58
• 6.1.1.2 试验装置58
• 6.1.1.3 模拟降雨58-59
• 6.1.1.4 粘土矿物测定59
• 6.1.1.5 数据处理59
• 6.1.2 结果与分析59-65
• 6.1.2.1 不同前期含水率条件下溅蚀特征59-61
• 6.1.2.2 不同前期含水率团聚体水稳性特征61-64
• 6.1.2.3 不同前期含水率水稳性团聚体粒径分布特征64-65
• 6.1.3 讨论65-66
• 6.1.4 小结66-67
• 6.2 雨滴打击作用下团聚体破碎特征及对溅蚀过程的影响67-83
• 6.2.1 土样制备与模拟降雨67-69
• 6.2.1.1 土样制备67-68
• 6.2.1.2 试验装置68
• 6.2.1.3 模拟降雨68-69
• 6.2.1.4 数据处理69
• 6.2.2 结果与分析69-78
• 6.2.2.1 降雨过程中溅蚀特征69-73
• 6.2.2.2 降雨过程中破碎团聚体粒径分布特征73-75
• 6.2.2.3 团聚体稳定性对降雨过程中团聚体破碎的影响75-76
• 6.2.2.4 降雨过程中溅蚀量与团聚体分形维数的关系76-78
• 6.2.3 讨论78-81
• 6.2.4 小结81-83
• 7 基于团聚体孔隙特征的团聚体破碎和土壤分离速率研究83-119
• 7.1 基于同步辐射微CT的团聚体孔隙特征研究83-96
• 7.1.1 土样制备与孔隙观测84-88
• 7.1.1.1 土样制备84
• 7.1.1.2 团聚体孔隙观测84-87
• 7.1.1.3 孔隙结构分析87-88
• 7.1.1.4 数据处理88
• 7.1.2 结果与分析88-95
• 7.1.2.1 团聚体孔隙形态特征88-90
• 7.1.2.2 团聚体孔隙特征90-95
• 7.1.3 讨论95-96
• 7.1.4 小结96
• 7.2 团聚体孔隙特征对团聚体破碎的影响96-111
• 7.2.1 团聚体稳定性测定96-97
• 7.2.1.1 LB法测定团聚体水稳性96
• 7.2.1.2 抗压法测定团聚体力稳性96-97
• 7.2.1.3 数据处理97
• 7.2.2 结果与分析97-108
• 7.2.2.1 团聚体平均重量直径97-99
• 7.2.2.2 团聚体粒径分布99-101
• 7.2.2.3 抗张强度变化特征101
• 7.2.2.4 团聚体孔隙特征与团聚体水稳性和力稳性的定量关系101-108
• 7.2.3 讨论108-110
• 7.2.4 小结110-111
• 7.3 团聚体孔隙结构对集中水流下土壤分离速率的影响111-119
• 7.3.1 土样制备与模拟径流111-113
• 7.3.1.1 试验装置111
• 7.3.1.2 土样准备111-112
• 7.3.1.3 模拟径流112-113
• 7.3.1.4 数据处理113
• 7.3.2 结果与分析113-117
• 7.3.2.1 土壤分率速率113-114
• 7.3.2.2 团聚体孔隙特征与土壤分离的定量关系114-117
• 7.3.3 讨论117-118
• 7.3.4 小结118-119
• 8 主要结论与研究展望119-121
• 8.1 主要结论119-120
• 8.2 研究展望120-121
• 参考文献121-139
• 致谢139-141
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果141-143

【参考文献】

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本文编号：272037