本文關鍵詞：降雨條件下鄂南幾個紅壤團聚體破碎特征及坡面侵蝕響應研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：我國南方紅壤區(qū)具有豐富的水熱資源,但其季節(jié)性分配不均,加之人口密度大造成人為對土地擾動頻繁,使得土壤侵蝕是制約該地區(qū)農業(yè)、經濟和社會發(fā)展的主要原因之一。針對南方紅壤區(qū)土壤侵蝕過程和機制的研究,對該區(qū)土壤侵蝕防治、農業(yè)和社會可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的作用。根據《中國水土流失與生態(tài)安全·南方紅壤區(qū)卷》的調查結果顯示,面狀侵蝕是我國南方紅壤丘陵區(qū)最普遍、面積和比例都是最大的水土流失方式,包括降雨條件下的濺蝕和細溝間侵蝕,還包括坡面徑流引起的細溝侵蝕。因此,認識并掌握該區(qū)主要侵蝕方式的侵蝕機制和規(guī)律十分必要。本文選取湖北省咸寧市賀勝橋鎮(zhèn)的第四紀紅黏土、泥質頁巖發(fā)育的紅壤為研究對象,利用室內模擬方法研究了團聚體動態(tài)破碎特征和孔隙特征,并基于團聚體破碎特征系統(tǒng)研究了團聚體破碎對坡面侵蝕過程的作用機制。獲得的主要結論如下:1.利用濕篩法和Le Bissonnais(LB)法系統(tǒng)分析了供試土樣團聚體穩(wěn)定性。同時,考慮到紅壤黏粒含量高這一特性,分析了團聚體在不同前期含水率條件下團聚體穩(wěn)定性和破碎特征。土壤前期含水率越大,團聚體破碎程度越小。隨著前期含水率的升高,第四紀紅黏土發(fā)育的2個紅壤水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑先增大后減小,拐點出現(xiàn)在含水率為15%條件下;泥質頁巖發(fā)育的2個紅壤水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑顯著增大。提高團聚體前期含水率,降低團聚體破碎程度,能被雨滴擊濺遷移的物質就少,濺蝕量少。2.利用室內條件下的模擬降雨試驗,研究了團聚體在降雨過程中破碎特征。在團聚體動態(tài)破碎和不同破碎機制的基礎上,分析其對細溝間侵蝕過程和濺蝕過程的影響。(1)細溝間侵蝕過程中,降雨前期團聚體主要以消散破碎為主,表現(xiàn)出在土壤表面迅速形成大量微團聚體,隨著降雨的進行,團聚體主要以雨滴打擊下的機械破碎為主,團聚體破碎相對緩慢。徑流泥沙濃度受團聚體破碎程度的減小和表土結構的發(fā)育的影響,隨降雨時間逐漸減小。徑流泥沙粒徑隨降雨時間表現(xiàn)出大顆粒含量增多的趨勢,其中土樣QX2和SX3在產流后降雨0?24 min內,泥沙含量主要集中在100?250μm范圍內(45.87%?53.13%),產流后降雨36?60 min內,泥沙含量主要分布在100?250μm、250?500μm和500?1000μm范圍內;土樣QX4和SX1徑流泥沙顆粒分布在200μm范圍內,表現(xiàn)出泥沙含量隨粒徑的增大而減少,各粒級范圍內的顆粒含量均隨著降雨的進行伴隨著波動變化。(2)隨前期含水率的升高,第四紀紅黏土發(fā)育2個紅壤濺蝕量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,在含水率為15%時達到最小;泥質頁巖發(fā)育2個紅壤濺蝕量隨前期含水率的升高顯著減小。團聚體水穩(wěn)性較高的土樣,濺蝕粒徑分布呈雙峰曲線分布,主要分布1?0.5 mm和0.05 mm范圍內,且前期含水率越高,0.05 mm濺蝕顆粒含量越大;而團聚體水穩(wěn)定性較差的土樣,除前期含水率為20%外,濺蝕粒徑分布呈單峰曲線分布,主要分布在0.25?l mm。(3)降雨過程中,累積濺蝕量隨著降雨時間呈冪函數增加。濺蝕顆粒中,不同土樣濺蝕顆粒富集率表現(xiàn)出不同的變化趨勢,其中粒級為0.25?1 mm團聚體最易發(fā)生遷移。(4)降雨過程中,團聚體在降雨前期最容易發(fā)生破碎,不同土樣隨降雨時間的破碎特征可用以下關系式表示:D=1.02RMI+1.77T0.06,其中D為破碎團聚體粒徑分形維數,RMI為相對機械破碎指數,T為降雨時間。(5)總濺蝕量隨著團聚體破碎呈冪函數增加,用下式表示:M=(3.8×10-14)RMI·D32.36,其中M為濺蝕量,RMI為相對機械破碎指數,D為破碎團聚體粒徑分形維數。3.通過室內模擬干濕循環(huán)試驗,利用同步輻射顯微CT掃描技術和圖像分析技術,定量研究對團聚體孔隙特征變化。在此基礎上,利用偏最小二乘回歸法首次系統(tǒng)研究了團聚體孔隙特征與團聚體破碎和集中水流內土壤分離之間的關系。(1)在干濕循環(huán)的作用下,團聚體結構變得相對疏松,孔隙間連通性得到改善,團聚體呈現(xiàn)明顯的復雜的疏松多孔結構。具體表現(xiàn)在:團聚體中總孔隙度增加,孔隙數量減少,加長孔隙度和100μm孔隙度增加。(2)通過偏最小二乘回歸法得出的結果表明,總孔隙數量、75?100μm孔隙度、總孔隙度和100μm孔隙度是控制團聚體在LB法測定下的水穩(wěn)定性和抗壓法測定下的力穩(wěn)性的主要孔隙特征因子。團聚體孔隙度越大,其孔隙結構越復雜,由此增加團聚體孔隙中的空氣壓力、加快水分的進入速率以及增加團聚體中裂隙傳播和相互作用的概率。(3)通過偏最小二乘回歸法得出的結果表明,100μm孔隙度、總孔隙度、規(guī)則孔隙度、30?75μm孔隙度和加長孔隙度是控制集中水流下土壤分離速率的主要孔隙特征因子。其中,土壤分離速率與100μm孔隙度、總孔隙度和加長孔隙度顯著正相關。土壤結構的破裂主要取決于土壤中微小裂隙以及孔隙或裂隙的幾何形態(tài)。
【關鍵詞】：紅壤 團聚體 破碎 細溝間侵蝕 濺蝕 細溝侵蝕 孔隙特征
【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】：2015
【分類號】：S157
【目錄】：

• 摘要8-11
• ABSTRACT11-14
• 1 引言14-15
• 2 文獻綜述15-33
• 2.1 土壤侵蝕的主要過程和機制15-24
• 2.1.1 濺蝕16-19
• 2.1.2 細溝間侵蝕19-22
• 2.1.3 細溝侵蝕22-24
• 2.2 團聚體形成和破碎機制概述24-31
• 2.2.1 團聚體形成機制和主要影響因素24-26
• 2.2.2 團聚體破碎機制和主要影響因素26-31
• 2.3 土壤團聚體破碎和坡面侵蝕過程31-32
• 2.4 現(xiàn)存問題及不足32-33
• 3 研究目標、研究內容及技術路線33-35
• 3.1 研究目標33
• 3.2 研究內容33-34
• 3.3 技術路線圖34-35
• 4 采樣點概況及土樣基本性質分析35-46
• 4.1 采樣點概況35
• 4.2 供試土樣采集35-37
• 4.3 供試土樣理化性質測定37
• 4.4 供試土樣基本理化性質37-40
• 4.5 供試土樣團聚體穩(wěn)定性測定40-43
• 4.5.1 濕篩法（Yoder法）40-41
• 4.5.2 Le Bissonnais法（LB法）41-42
• 4.5.3 團聚體穩(wěn)定性指標及參數42-43
• 4.6 供試紅壤團聚體穩(wěn)定性43-46
• 4.6.1 基于濕篩法測定團聚體的穩(wěn)定性43-44
• 4.6.2 基于LB法測定團聚體的穩(wěn)定性44-46
• 4.7 小結46
• 5 降雨過程中土壤破碎對細溝間侵蝕的影響46-57
• 5.1 土樣制備與模擬降雨47-48
• 5.1.1 土樣制備47
• 5.1.2 試驗裝置47-48
• 5.1.3 模擬降雨48
• 5.2 結果與分析48-54
• 5.2.1 降雨過程中徑流特征48-50
• 5.2.2 降雨過程中侵蝕特征50-54
• 5.2.2.1 坡面產沙強度50-51
• 5.2.2.2 徑流泥沙濃度51-52
• 5.2.2.3 泥沙粒徑分布52-54
• 5.3 討論54-56
• 5.4 小結56-57
• 6 降雨過程中團聚體破碎及其對濺蝕的影響57-83
• 6.1 不同前期含水率下團聚體破碎特征及其對濺蝕的影響57-67
• 6.1.1 土樣制備與模擬降雨57-59
• 6.1.1.1 土樣制備57-58
• 6.1.1.2 試驗裝置58
• 6.1.1.3 模擬降雨58-59
• 6.1.1.4 粘土礦物測定59
• 6.1.1.5 數據處理59
• 6.1.2 結果與分析59-65
• 6.1.2.1 不同前期含水率條件下濺蝕特征59-61
• 6.1.2.2 不同前期含水率團聚體水穩(wěn)性特征61-64
• 6.1.2.3 不同前期含水率水穩(wěn)性團聚體粒徑分布特征64-65
• 6.1.3 討論65-66
• 6.1.4 小結66-67
• 6.2 雨滴打擊作用下團聚體破碎特征及對濺蝕過程的影響67-83
• 6.2.1 土樣制備與模擬降雨67-69
• 6.2.1.1 土樣制備67-68
• 6.2.1.2 試驗裝置68
• 6.2.1.3 模擬降雨68-69
• 6.2.1.4 數據處理69
• 6.2.2 結果與分析69-78
• 6.2.2.1 降雨過程中濺蝕特征69-73
• 6.2.2.2 降雨過程中破碎團聚體粒徑分布特征73-75
• 6.2.2.3 團聚體穩(wěn)定性對降雨過程中團聚體破碎的影響75-76
• 6.2.2.4 降雨過程中濺蝕量與團聚體分形維數的關系76-78
• 6.2.3 討論78-81
• 6.2.4 小結81-83
• 7 基于團聚體孔隙特征的團聚體破碎和土壤分離速率研究83-119
• 7.1 基于同步輻射微CT的團聚體孔隙特征研究83-96
• 7.1.1 土樣制備與孔隙觀測84-88
• 7.1.1.1 土樣制備84
• 7.1.1.2 團聚體孔隙觀測84-87
• 7.1.1.3 孔隙結構分析87-88
• 7.1.1.4 數據處理88
• 7.1.2 結果與分析88-95
• 7.1.2.1 團聚體孔隙形態(tài)特征88-90
• 7.1.2.2 團聚體孔隙特征90-95
• 7.1.3 討論95-96
• 7.1.4 小結96
• 7.2 團聚體孔隙特征對團聚體破碎的影響96-111
• 7.2.1 團聚體穩(wěn)定性測定96-97
• 7.2.1.1 LB法測定團聚體水穩(wěn)性96
• 7.2.1.2 抗壓法測定團聚體力穩(wěn)性96-97
• 7.2.1.3 數據處理97
• 7.2.2 結果與分析97-108
• 7.2.2.1 團聚體平均重量直徑97-99
• 7.2.2.2 團聚體粒徑分布99-101
• 7.2.2.3 抗張強度變化特征101
• 7.2.2.4 團聚體孔隙特征與團聚體水穩(wěn)性和力穩(wěn)性的定量關系101-108
• 7.2.3 討論108-110
• 7.2.4 小結110-111
• 7.3 團聚體孔隙結構對集中水流下土壤分離速率的影響111-119
• 7.3.1 土樣制備與模擬徑流111-113
• 7.3.1.1 試驗裝置111
• 7.3.1.2 土樣準備111-112
• 7.3.1.3 模擬徑流112-113
• 7.3.1.4 數據處理113
• 7.3.2 結果與分析113-117
• 7.3.2.1 土壤分率速率113-114
• 7.3.2.2 團聚體孔隙特征與土壤分離的定量關系114-117
• 7.3.3 討論117-118
• 7.3.4 小結118-119
• 8 主要結論與研究展望119-121
• 8.1 主要結論119-120
• 8.2 研究展望120-121
• 參考文獻121-139
• 致謝139-141
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其他成果141-143

【參考文獻】

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本文編號：272037