土壤内力作用对典型黑土团聚体破碎及降雨侵蚀的影响

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hmxxg
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土壤侵蚀是全球性的环境问题,严重影响着农业,生态环境及人类社会健康可持续发展。降雨侵蚀是土壤侵蚀的主要形式之一,降雨过程中随着土壤团聚体的破碎,导致破碎后的团聚体一方面被径流冲刷带走,另一方面堵塞土壤孔隙,降低土壤入渗速率,造成侵蚀加剧。我国东北地区幅员辽阔,土地肥沃,素有“北方粮仓”的美誉。但是随着大量荒地不断被开垦,土壤结构遭到了严重破坏,加快了有机质分解,使得东北黑土区的土壤抗蚀能力衰减,水土流失日趋严重,甚至部分地区的黑土层消失殆尽,露出了黄土,即所谓的“破皮黄”现象。目前针对东北黑土区的土壤侵蚀开展了大量的研究,但这些研究都主要集中在基于外力作用(如雨滴打击、流水剪切等)对侵蚀的影响。已有研究表明雨滴等外力对土壤团聚体的打击作用仅有1~3 atm,且最大不超过10 atm,而土壤内力作用(主要包括土粒间静电斥力,水合斥力和范德华引力)可以高达数百上千个大气压,由此可见,外力作用远小于土壤内力作用且内力作用将在降雨侵蚀过程中扮演重要角色。因此,本文选取两种典型东北黑土(克山黑土和宾县黑土),采用自制针头式降雨装置,以不同浓度的电解质溶液作为降雨溶液,模拟调控不同土壤内力作用,研究降雨过程中黑土团聚体破碎粒径空间分布及坡面侵蚀特征。取得的主要研究结论如下:(1)明确了土壤内力作用对两种典型黑土团聚体稳定性的影响。通过湿筛法,采用不同浓度KCl溶液(1、10-1、10-2、10-3、10-4 mol·L-1)定量调控土壤内力作用大小,研究了土壤内力作用对黑土团聚体稳定性的影响。当本体溶液电解质浓度降低,黑土颗粒间静电斥力和总合力表现为先急剧增大后保持相对稳定的趋势,其中10-2 mol·L-1是颗粒间作用力发生转变的关键浓度。当电解质浓度为1 mol·L-1时,土壤颗粒间总合力表现为吸引力,且随着电解质浓度降低,总合力均表现为排斥力。两种黑土团聚体稳定性也表现出随电解质浓度降低,团聚体稳定性先降低而后保持相对稳定的趋势。当电解质浓度>10-2 mol·L-1时,随着电解质浓度的降低,土壤颗粒间的排斥力逐渐增加,土壤团聚体的平均重量直径也在逐渐降低,团聚体破碎越明显;而电解质浓度<10-2mol·L-1时,土壤颗粒间总合力达到最大并几乎保持不变,此时团聚体平均重量直径变化程度较小,稳定性差异不大。可见,由于土壤本体溶液电解质浓度的降低,导致黑土颗粒间总合力(排斥力)增大,进而导致团聚体发生破碎。(2)揭示了模拟降雨条件下土壤内力作用对两种典型黑土团聚体的破碎特征和迁移规律的影响机制。通过模拟降雨试验,定量调控土壤内力作用大小,研究了不同内力作用下黑土团聚体的破碎及破碎粒径的空间迁移规律。试验结果表明,随着降雨溶液电解质浓度的降低,土壤颗粒间净作用力迅速增强,团聚体破碎明显,土壤溅蚀总量逐渐增加,当电解质浓度>10-2 mol·L-1时,土壤溅蚀总量趋于稳定;克山黑土和宾县黑土的溅蚀量均随着溅蚀距离的增大而逐渐减小,溅蚀颗粒在空间上的分布主要以0-10cm和10-20 cm处为主,分别占总溅蚀量的57.8~71.2%和16.3~23.0%;当两种黑土土壤团聚体破碎后,破碎团聚体的粒径主要分布在<0.053 mm,变化范围为47.3~78.6%;从粒径在空间上的分布规律来看,当电解质浓度增加时,<0.053 mm的微团聚体百分含量总体减小,而1~0.5 mm和0.25~0.5 mm的团聚体百分含量逐渐增加;在相同实验条件下,宾县黑土的土壤溅蚀量较克山大,表明克山黑土的抗蚀性强于宾县黑土。因此,电解质浓度10-2 mol·L-1是影响土壤总溅蚀量的临界浓度值,且破碎后的团聚体以<0.053 mm为主,溅蚀粒径主要分布在0~20 cm处。(3)探究了模拟降雨条件下不同内力作用对典型黑土坡面侵蚀的影响。随着电解质溶液浓度降低,土壤净作用力增加,团聚体破碎明显,土壤累积流失量增加,当电解质浓度>10-2 mol·L-1时,累积流失量保持稳定,随着降雨高度的增加,累积流失量出现不同程度的增加,且累积流失量与平均重量直径表现出良好的线性关系;通过土壤累积流失量与团聚体各级粒径含量之间相关性分析得出,克山黑土和宾县黑土的累积流失量均与<0.053 mm的微团聚体呈现极显著正相关,均与大团聚体呈现显著和极显著负相关。以上结果表明,电解质浓度10-2 mol·L-1是影响土壤累积流失量的临界浓度值,且电解质浓度越高,平均重量直径越大,团聚体越稳定性增加,累积流失量降低;通过累积流失量与粒径含量的相关性研究得出,两种典型黑土累积流失量很大程度上取决于<0.053 mm的微团聚体的含量,这一研究结果与上述研究一致。
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