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《华中农业大学》 2012年
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紫色土碎石分布及其对坡面土壤侵蚀的影响

王小燕  
【摘要】:紫色土广泛分布于四川盆地、三峡库区等地,紫色土地区土壤肥力高、水热资源丰富,是我国农业生产的重要基地。由于紫色土地区人口密度大,坡地利用强度高,降水集中多暴雨,土壤侵蚀比较严重。含碎石是紫色土的重要特征之一,表土覆盖或土壤中混合的碎石通过各种途径直接或间接地影响了土壤侵蚀过程,含碎石土壤有着特有的侵蚀特点。针对紫色土坡地严重的土壤侵蚀退化,开展含碎石紫色土坡面侵蚀特点研究,弄清碎石对土壤侵蚀过程的影响,对制定高强度利用下坡地的水土保持措施,控制坡地土壤流失,合理利用紫色土坡地资源具有重要意义。 本文以三峡库区典型紫色土坡地为研究对象,首先采样调查了紫色土的碎石含量、容重与孔隙特征等物理性质;再根据野外调查结果,运用室内人工模拟降雨研究了典型碎石混合紫色土坡面降雨侵蚀过程,探讨了碎石含量(Rv,0%-30%)与降雨入渗、地表径流流速演变、地表产流产沙的关系;最后还采用野外原位小区模拟降雨试验,结合室内土槽模拟降雨试验,较系统地分析了不同碎石位置(置于表土上与嵌入表土中)、不同碎石盖度(Rc,0%-40%)、不同土壤结构(质地孔隙土壤和结构孔隙土壤)与不同降雨强度(I,1、1.5、2mm/min)条件下碎石覆盖对紫色土坡面侵蚀过程的影响。主要结果有: 1.基本弄清楚了坡耕地紫色土碎石分布特点以及碎石对土壤基本物理性质的影响: (1)紫色土不同土层都含有碎石,碎石含量集中分布在0%-40%,土壤中的碎石以小碎石(5~20mm)和中碎石(20~76mm)为主,各土层76mm的碎石平均占总碎石的80%以上。 (2)受土壤发生过程制约,土层深度对碎石含量和碎石粒径配比有显著影响。中碎石和大碎石(76~250mm)及总碎石含量随着土层加深而增加,小碎石含量没有显著变化;同时,随着土层加深,小碎石含量比减少,中碎石含量比和大碎石含量比增加,碎石等效粒径增大。 (3)坡度对坡面上影响碎石分布的主控因素具有决定作用,在不同坡度坡面上,影响碎石分布的主控因素不同,故碎石含量随坡位变化的趋势不同。在28°陡坡面上,重力牵引碎石向坡下滚动或蠕动的作用占主导地位,碎石含量和碎石等效粒径从坡下(19.5~54.9%,50~84mm)到坡上(3.6%~6.6%,18~46mm)逐渐减小,小碎石、中碎石和大碎石含量具有同样的变化趋势。在20°缓坡面上,侵蚀对土壤颗粒的分选作用,即细土被冲走,碎石被留下,占主导地位,碎石含量从坡下(0.5%~2.0%)到坡上(18.2%~28.3%)逐渐增加,但碎石等效粒径在坡面上没有显著的增加趋势。 (4)碎石和细土两种不同数量级粒径颗粒的混合,改变了土壤的结构,碎石含量对土壤的总容重、细土容重和孔隙分布等基本物理性质有显著影响。随着碎石含量的增加,总容重逐渐增加,而细土容重逐渐减小,总孔隙度和毛管孔隙度逐渐减小,而非毛管孔隙度逐渐增加。碎石对土壤结构,特别是孔隙分布的改变是碎石影响水分入渗的根本原因。 2.得到了碎石含量对入渗影响阈值,基本明确了表土层中的碎石混合对紫色土坡面土壤侵蚀的机制: (1)土壤中碎石混合对降雨入渗有正负两方面的影响,一方面由于碎石的不透水性,碎石的存在减少过水断面,阻碍水分入渗,另一方面碎石与细土不能紧密结合,增加了土壤的非毛管孔隙度,促进水分入渗。当碎石含量(Rv)小于20%-30%时,碎石的存在增强了土壤入渗能力,即碎石增加非毛管孔隙度,促进水分入渗的作用占优势,随着碎石含量的增加,土壤的入渗速率和累积入渗量分别从0.14mm/min、4.25mm(Rv=0%)提高到0.18mm/min、19.19mm(Rv=20%)。当碎石含量提高到30%时,土壤的入渗能力被削弱,即碎石阻碍水分入渗的作用占优势,土壤的入渗速率和累积入渗量分别降到0.12mm/min与11.59mm。 (2)土壤中碎石混合通过不同的机制对坡面细沟间径流流速和细沟径流流速产生不同的影响。土石混合的土壤,碎石是嵌入表土中的,地表薄层水流集中在碎石之间的表土,随着碎石含量的增加,细沟间径流平均流速从4.0cm/s(Rv=0%)提高到5.7cm/s(Rv=30%);但当细沟间区域转化为细沟后,沟内的碎石逐渐出露,随着碎石含量增加,细沟径流的水力糙度提高,细沟径流的平均流速随着逐渐降低,从16.0cm/s(Rv=0%)降低到11.2cm/s(Rv=30%)。 (3)土壤中碎石混合通过改变土壤的物质组成和结构,增强土壤的抗蚀性和抗冲性,径流含沙率随着碎石含量的增加显著降低。随着碎石含量增加,土壤流失量减少,土壤侵蚀平均速率从155g/(m2·min)(Rv=0%)降低到29g/(m2·min)(Rv=30%)。相对土壤流失率(含碎石土壤的流失量与不含碎石土壤的流失量的比值,Rsl)与碎石含量(Rv)呈极显著指数负相关关系:Rsl=a·exp(-b·Rv)。 3.得出了不同碎石位置、土壤结构、降雨强度等条件下,表土碎石覆盖与紫色土坡面土壤侵蚀的关系,确定了坡耕地表土碎石覆盖减少土壤流失的水土保持功能: (1)表土碎石覆盖与土壤侵蚀相关参数的关系受到碎石覆盖方式即碎石位置和土壤结构的影响,并不是所有的碎石覆盖都能减少地表产流产沙量。在质地孔隙土壤即过筛扰动细土上,当碎石置于表土上时,部分或全部石上流(雨水落在碎石上形成的径流)被碎石覆盖下的表土吸收,土壤入渗量增加,随着碎石盖度提高,地表产流产沙量减少;当碎石嵌入表土中时,全部石上流流入碎石间表土形成地表径流,土壤入渗量减少,随着碎石盖度提高,地表产流产沙量增加。嵌入表土中碎石覆盖土壤的地表产流产沙量一般较置于表土上碎石覆盖土壤的地表产流产沙量高。 (2)在结构孔隙土壤上,不同降雨强度条件下,置于表土上的碎石覆盖对土壤侵蚀过程相关参数都有显著影响。首先,碎石覆盖具有效调节降雨分配的功能。碎石覆盖提高了表土粗糙度,增加了地表洼蓄水深,并保护表土结构免受雨滴击溅破坏,维护土壤入渗性能,三种降雨强度下,稳定入渗速率分别从0.28、0.33、0.40mm/min(Rc=O%)增加到0.71、0.85、0.94mm/min(Rc=40%)。随着碎石盖度增加,地表产流时间延长,而壤中流产流时间缩短,地表径流系数逐渐降低,而壤中流系数和深层入渗系数逐渐增加。碎石覆盖保护表土免受雨滴溅蚀和径流的冲刷,随着碎石盖度增加,径流含沙率从39~51g/L(Rc=0%)降低到10~15g/L(Rc=40%)。碎石覆盖通过减少地表径流量和表土可蚀土壤,抑制了土壤流失。不同降雨强度下,相对土壤流失量随碎石盖度呈显著的指数负相关关系:Rsl=a·exp(-b·Rc)。同时,碎石覆盖对土壤侵蚀相关参数的影响具有边际效应,20%-30%的碎石盖度是增加入渗,减少地表径流和土壤流失最佳盖度。 (3)土壤结构对碎石置于表土上的碎石覆盖增加入渗,减少地表径流量和土壤流失量的效率(b值)有显著影响。结构孔隙土壤上的径流速率、径流含沙率和侵蚀速率一般较质地孔隙土壤的小。碎石覆盖减少质地孔隙土壤地表径流量、径流含沙率和土壤流失量的效率(b=0.036)远远低于减少结构孔隙土壤的效率(b=0.004)。
【学位授予单位】:华中农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:S157

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