红壤表土团聚体稳定性特征及其对坡面侵蚀过程的影响

【摘要】： 我国南方红壤丘陵区水热资源丰富,在农业生产和经济发展中占有重要地位。针对该地区严重的土壤侵蚀退化,开展红壤结构特征与坡面侵蚀过程互馈机理研究,并就二者定量关系进行探讨,对合理利用红壤资源具有重要意义。本文基于团聚体破碎理论,以我国中亚热带丘陵区第四纪红粘土、花岗岩和泥质页岩等典型母质发育红壤为研究对象,通过控制土壤湿润速度、初始水分含量和降雨特征等条件,系统分析了降雨条件下红壤表土团聚体的破坏过程、机理,以及侵蚀过程响应。此外,以野外原位试验数据为基础,定量研究了红壤坡面侵蚀、入渗与团聚体稳定性关系,揭示了土壤团聚体破碎机理与坡面侵蚀过程之间的内在联系。取得的主要结论有: 1、在采用传统湿筛法指标衡量团聚体稳定性的基础上,结合能区分降雨条件下团聚体破碎方式的LB法,从不同角度对团聚体的稳定性作了评价;运用相对消散指数(RSI)和相对机械破碎指数(RMI)区分了红壤团聚体对不同破碎机制的敏感性。同时,针对红壤独特的成土条件及理化性质,分析了坡耕地条件下影响红壤团聚体稳定性的主要因素及其作用机制,其中对粘粒、铁铝氧化物和有机质与团聚体稳定性之间关系进行了重点探讨。 (1)红壤团聚体稳定性特征。湿筛法与LB法测定团聚体稳定性结果均表明:第四纪粘土红壤团聚体稳定性最高,花岗岩红壤次之,泥质页岩红壤团稳性最低;不同初始粒径团聚体稳定性不同,在不同处理中,总体趋势是团聚体的初始粒径越小,稳定性越高。 (2)红壤团聚体稳定机制。不同破碎机制中,所有土壤团聚体稳定性排序均为快速湿润＜预湿振荡＜慢速湿润。其中,第四纪粘土红壤对消散作用较为敏感,花岗岩红壤对机械破碎作用较为敏感,泥质页岩红壤对上述两种作用均很敏感。可见,快速湿润引起的消散作用和外界应力引起的机械振荡作用,是红壤团聚体破碎的主要机制。 (3)红壤团聚体稳定性与土壤性质关系。红壤团聚体稳定性与土壤有机质、腐殖酸含量及其组成之间相关性较低,与铁铝氧化物及粘粉粒含量之间呈显著正相关,说明在有机质含量较低的红壤中,无机胶体在保持团聚体稳定性上起主导作用;土壤中粘粒一方面作为胶结物质能增强团聚体稳定性,另一方面能增强湿润过程消散作用而降低团聚体稳定性。此外,腐殖酸含量及其组成与PAD＞2mm(团聚体分散度)呈显著负相关,说明腐殖酸对较大粒径团聚体的形成及稳定机制有重要作用。 2、基于团聚体破碎理论,通过控制湿润速度、初始粒径和降雨特征等条件,研究了降雨条件下红壤表土团聚体的破坏过程、结果和机理,探讨了团聚体稳定性及不同破碎机制对坡面侵蚀过程的影响;结合室内模拟试验结论,通过比较团聚体稳定性表征参数与坡面侵蚀过程相关性程度,首次提出针对侵蚀机理的红壤团聚体稳定性特征新指标—K_a。 (1)快速湿润引起的消散作用对侵蚀过程影响。所有供试土壤中,径流强度随湿润速率增大而增大;不同粘粒含量土壤对湿润速率响应过程不同,粘粒含量越高,消散作用越明显,产流强度越小;粘粒含量越低,消散作用越小,产流强度越大。产沙过程中,除土壤GT2外,湿润速率对其它土壤坡面侵蚀率均有显著作用。相较于坡面产流过程,侵蚀率受团聚体稳定性与湿润速率的影响更为明显。快速湿润处理中侵蚀泥沙＜0.25mm颗粒所占比例较高,平均重量直径小于慢速湿润处理,这与表土结皮层的形成有关。 (2)雨滴打击引起的团聚体机械破坏作用对侵蚀过程的影响。在团聚体稳定性较低、对机械破碎作用敏感的红壤中,雨滴打击对径流的影响主要是由土壤表层团聚体结构的破坏引起的;而在团聚体稳定性较高、对机械破碎作用不甚敏感的红壤中,雨滴打击对径流的影响主要表现为对表层土壤的压实作用。纱网覆盖处理侵蚀量均小于裸土降雨侵蚀量,但只有在团聚体稳定性较弱的红壤中二者差异达到显著。裸土条件下侵蚀泥沙MWD显著低于纱网覆盖处理,说明即使在团聚体稳定性较高的红壤中,雨滴击溅分散对泥沙的分选作用仍然较为显著。 (3)不同粒径团聚体坡面侵蚀过程比较。团聚体粒径与径流强度和侵蚀量有很好的相关性,＜2mm团聚体的径流强度和侵蚀量均大于其它两种粒径;由于降雨过程中表土结构和排列紧实程度差异,＜2mm团聚体侵蚀泥沙的平均重量直径明显大于其它两种粒径。 (4)本文中提出的团聚体稳定性特征值K_a,与坡面侵蚀过程参数呈显著或极显著相关;此外,K_a集合了团聚体对不同破碎机制的敏感性,具备较强的物理意义。可见,K_a不仅能够表征红壤团聚体稳定性的特殊性,而且在一定层面上解释了红壤侵蚀过程机理,是衡量红壤团聚体稳定性与可蚀性的良好指标。 3、针对红壤丘陵区域严重的季节性干旱和水土流失现状,以团聚体破碎理论和本文室内研究结论为基础,对野外坡面侵蚀过程与团聚体稳定性关系进行了较为深入的探讨。结果表明,在野外尺度上红壤团聚体稳定性依然是影响坡面侵蚀的重要因素,并与径流强度、侵蚀率、入渗率、泥沙粒径等侵蚀参数显著相关。利用Horton入渗模型和WEPP细沟间侵蚀模型为框架,建立了侵蚀预测方程,结果显示新建立方程能较为准确的预测红壤坡面入渗量和侵蚀量。在侵蚀量预测方程中,不包含径流因子的方程式D_i=0.23K_aI~2(1.05-0.85exp~(-4sinθ))计算方法简单、结果可靠,具有更强的实用性和适用性。此外,该结论也扩展了团聚体稳定性特征参数作为土壤可蚀性指标的适用范围。