【摘要】：土壤侵蝕是我國主要環(huán)境問題之一。土壤抗侵蝕能力主要受土壤性質影響。我國土壤類型多樣,性質差異較大,受氣候影響,土壤類型呈地帶性分布規(guī)律。目前,不同類型地帶性土壤結構穩(wěn)定機制及其抗侵蝕能力缺乏深入系統(tǒng)的研究。本文以我國中南部丘陵崗地為研究區(qū)域,自北向南根據(jù)土壤緯度地帶性分布特點選取六類典型土壤(褐土、黃褐土、棕紅壤、紅壤、赤紅壤和磚紅壤)為研究對象,為了控制干擾因素,選用土壤質地接近、發(fā)育于相似母質(黃土、第四紀紅黏土和玄武巖),以土壤物理、化學、地理、侵蝕和數(shù)理統(tǒng)計學等學科理論為基礎,采用室內分析和野外人工模擬降雨試驗的方法,系統(tǒng)研究了不同氣候條件下各類型地帶性土壤的團聚體穩(wěn)定機制以及降雨強度(45和90 mm/h)和土壤侵蝕程度(無,強烈和劇烈)對其坡面侵蝕過程和可蝕性的影響。主要結論如下:(1)地帶性土壤基本性質和團聚體穩(wěn)定性空間變化從褐土到磚紅壤,交換性鹽基離子和2:1型黏土礦物含量(蛭石和水云母)含量逐漸降低;游離氧化鐵鋁和高嶺石含量逐漸增加,非晶形氧化鐵鋁呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢;容重和有機質地帶性變化規(guī)律不明顯,分別隨著土層深度的增加而逐漸增加和降低。不同土壤類型、發(fā)生層次和土地利用方式下團聚體穩(wěn)定性存在顯著差異。風干團聚體穩(wěn)定性及其水穩(wěn)性分別隨著土層深度的增加而增強和降低,從褐土到磚紅壤分別呈現(xiàn)逐漸降低和先增加后降低的趨勢,其中風干團聚體穩(wěn)定性與容重呈顯著正相關關系(r=0.62,p0.001),與有機質呈負相關關系(r=-0.42,p0.05)。團聚體水穩(wěn)性主要受p H、有機質、容重和交換性Na+影響,其中消散作用對團聚體破壞程度最大,其次為機械震蕩作用,不均勻膨脹主要影響褐土和黃褐土,這與其較高的蛭石和交換性鹽基離子含量有關;含量較高的游離氧化鐵鋁和高嶺石、1.4 nm過渡礦物、有機質可以增強團聚體水穩(wěn)性,而蛭石、交換性鹽基、容重則不利于團聚體水穩(wěn)性。(2)水穩(wěn)性團聚體粒徑分布和膠結物質不同類型土壤(除褐土)水穩(wěn)性團聚體含量隨粒徑變化總體上呈現(xiàn)“雙峰”分布。自然植被下表層(淋溶層)土壤(除褐土外)水穩(wěn)性團聚體以大團聚體(0.5 mm)為主,而下層(母質層和淀積層(磚紅壤))土壤以微團聚體(0.25 mm)為主。水穩(wěn)性團聚體中不同類型膠結物質隨團聚體粒徑變化因土壤類型和發(fā)生層次而異。對于黃褐土和紅壤母質層中氧化鐵,紅壤母質層中游離氧化鋁,褐土、黃褐土母質層和紅壤、磚紅壤淋溶層氧化錳含量隨著粒徑減小而降低,說明其對該土壤中大團聚體形成穩(wěn)定有促進作用。對于下層土壤,游離氧化物主要以晶形氧化物的形式與黏粒結合。褐土和黃褐土表層水穩(wěn)性團聚體中有機碳和碳氮比隨著粒徑減小而降低,土壤有機質以團聚體閉蓄態(tài)和礦物吸附態(tài)存在,磚紅壤中有機碳則相反,其它土壤中有機碳和碳氮比隨粒徑變化不明顯,有機質主要以礦物吸附態(tài)為主;相對于黏粒含量,有機質與鐵錳氧化物的關系更密切。(3)地帶性土壤坡面水文過程降雨侵蝕過程中坡面水文過程受土壤性質和降雨強度的綜合影響。降雨過程中土壤入滲速率隨產流時間總體呈現(xiàn)先降低后穩(wěn)定的變化趨勢,而土壤產流強度和徑流系數(shù)則呈現(xiàn)相反的變化趨勢。降雨強度對土壤入滲和產流都起促進作用。對于褐土、紅壤和赤紅壤,平均入滲速率和產流強度分別隨著侵蝕程度的增加而增加和降低;對于黃褐土和磚紅壤,不同侵蝕程度間土壤入滲速率的大小受降雨強度的影響,產流強度隨著侵蝕程度的增加而增加。所有土壤類型中,磚紅壤入滲速率最大,產流強度最小。除降雨強度外,土壤性質中1.4 nm過渡礦物、水云母、土粒密度、有機質、陽離子交換量和游離氧化鋁影響坡面土壤產流和入滲。此外不同降雨強度下,影響坡面土壤水文過程的土壤性質不同。(4)地帶性土壤坡面產沙過程除劇烈侵蝕褐土和黃褐土外,大雨強下徑流泥沙濃度和土壤產沙率顯著高于小雨強。徑流泥沙濃度和土壤產沙率動態(tài)變化過程受土壤性質和降雨特性(強度和歷時)的綜合影響。對于褐土和小雨強下的紅壤和赤紅壤,徑流泥沙濃度隨著侵蝕程度的增加逐漸降低;而對于大雨強下黃褐土、紅壤、赤紅壤和磚紅壤,劇烈侵蝕程度下的徑流泥沙濃度明顯低于其它侵蝕程度,而除紅壤外,無明顯侵蝕和強烈侵蝕程度的土壤間差異不顯著。小雨強下褐土、紅壤和赤紅壤土壤產沙率隨著侵蝕程度增加逐漸降低,而黃褐土和磚紅壤則相反。大雨強下,劇烈侵蝕程度土壤產沙率明顯低于其它侵蝕程度。降雨強度對泥沙侵蝕起促進作用,土壤黏土礦物類型(1.4 nm過渡礦物和水云母)、非晶形氧化鋁、容重、陽離子交換量、團聚體穩(wěn)定性影響坡面土壤產沙過程。(5)地帶性土壤坡面侵蝕泥沙的粒徑組成和搬運機制不同土壤類型、侵蝕程度下侵蝕泥沙有效粒徑組成存在顯著差異,且受降雨強度和歷時影響。大雨強下泥沙中粗顆粒含量(尤其是5-2 mm)高于小雨強;除大雨強下劇烈侵蝕赤紅壤外,劇烈侵蝕程度下泥沙粒徑中0.10 mm粒級含量明顯低于無明顯侵蝕和強烈侵蝕程度。隨著產流時間的增加,0.10 mm粒徑含量逐漸降低,而0.10 mm粒徑含量逐漸增加,并趨于穩(wěn)定。除產流初始階段外,泥沙有效粒徑總體呈現(xiàn)“雙峰”分布的特征。從褐土到磚紅壤,泥沙有效粒徑的“雙峰”分布特征更加明顯,而且其泥沙平均重量直徑呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。降雨強度、p H、非晶形氧化鋁和交換性Na+、風干團聚體穩(wěn)定性影響侵蝕泥沙粒徑組成。對于褐土、黃褐土、劇烈侵蝕程度紅壤和小雨強下劇烈侵蝕程度赤紅壤以及其它土壤降雨侵蝕的最初階段,泥沙輸移以懸移/躍移為主,而對于其它土壤和產沙階段,懸移/躍移和滾移兩種泥沙輸移模式都存在。(6)地帶性土壤可蝕性變化不同土壤類型、侵蝕程度和降雨強度下土壤可蝕性因子存在顯著差異,而且受地表結構改變的影響其隨降雨歷時動態(tài)變化。所有類型土壤中磚紅壤可蝕性最小。在土體尺度上,除黃褐土和強烈侵蝕程度紅壤外,土壤可蝕性隨著侵蝕程度的增加逐漸降低;劇烈侵蝕程度的土壤可蝕性明顯低于無明顯侵蝕和強烈侵蝕程度土壤�；谥Z模圖計算的土壤可蝕性不同程度地高于實測值,因此它不適合我國中南部場次降雨條件下的質地黏重、風化程度較高的土壤。對于不同類型土壤,黏土礦物類型(水云母、1.4 nm過渡礦物)、非晶形氧化鋁、土粒密度和風干團聚體穩(wěn)定性影響土壤可蝕性及其動態(tài)變化,而且不同降雨強度下,影響土壤可蝕性的土壤性質不同。
【學位授予單位】：華中農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：S157.1

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本文編號：2799136