典型气候带土壤团聚体孔隙特征及其与坡面侵蚀过程关系

来源 :华中农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dldx05444011
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土壤结构是维持土壤功能的重要基础,反映了土壤的形态特征与变化规律。作为土壤结构的基本构成单元,团聚体结构和稳定性能够有效调节土壤水肥气热,影响土壤侵蚀过程。鉴于我国纬度跨度大,各气候带发育的土壤类型具有多样性,且呈地带性分布,土壤性质存在显著差异。当前,关于不同类型地带性土壤团聚体孔隙结构及其与坡面侵蚀过程关系的研究仍存在局限。本文从土壤地理发生学的角度,选取我国温带、亚热带和热带六种风化程度不一的典型地带性土壤(黑土、棕壤、褐土、黄褐土、红壤和砖红壤)为研究对象,运用同步辐射显微CT扫描技术(SR-μCT)对土壤团聚体孔隙结构特点进行定量化表征,结合室内基本性质分析和人工模拟降雨试验,系统地研究了不同类型地带性土壤的团聚体稳定机制及坡面侵蚀过程,分析了引起团聚体孔隙结构差异的关键胶结物质,阐明了土壤团聚体孔隙特征对团聚体稳定性和坡面侵蚀过程的影响。获得的主要结论如下:(1)六种土壤团聚体孔隙整体上集中分布于团聚体中部,四周呈零星状分布。黄褐土团聚体孔隙呈扁平细长状,孔隙分布不均匀且分散,结构相对简单。黑土、红壤和砖红壤团聚体孔隙结构更为复杂,孔隙分布更为均匀,尤其是淋溶层,存在较多连续的细长孔隙,这与土壤中有机碳(SOC)或铁铝氧化物含量较高有关。不同当量直径孔隙度由北至南呈先减小后增加趋势变化,团聚体孔隙大小多数分布于30-75μm间,而黄褐土以>100μm孔隙度为主,这与其土壤原始颗粒排列形式和较低的胶结物含量有关。团聚体孔隙形态表现为细长型孔隙占多数(70%-94%),规则型孔隙(2%-10%)和不规则型孔隙(4%-23%)较少。根据逐步回归和通径分析结果发现,SOC和游离氧化铝(Ald)是影响团聚体孔隙结构发育的两个主要因素,均起正向作用,而铁氧化物作用相反(p<0.05)。另外,类型不一的胶结物质将会以各自的胶结方式作用于团聚体孔隙结构,其他胶结物质的存在将不同程度地影响某一物质的胶结效果。(2)从黑土到红壤,团聚体水稳定性呈先降低后增加变化,在黄褐土母质层中最差(MWD为0.19 mm),红壤淋溶层中最佳(MWD为1.49 mm)。三种破碎机制下团聚体稳定性由大至小依次为慢速湿润(SW)>预湿润震荡(WS)>快速湿润(FW),说明消散作用和机械破坏作用是团聚体主要破碎机制。不同预处理下团聚体稳定性与总孔隙度、孔隙数量、细长型孔隙、<30μm孔隙度、30-75μm孔隙度、75-100μm孔隙度和>100μm孔隙度间呈正比(p<0.01),与规则型孔隙、不规则型孔隙间呈反比(p<0.01)。对各变量进行偏最小二乘建模,发现孔隙数量、总孔隙度、细长型孔隙度对团聚体稳定性有促进作用。LB法测定下的水稳定性的孔隙主控因子为75-100μm孔隙度、>100μm孔隙度、细长型孔隙和规则型孔隙,其中细长型孔隙起正向作用。(3)由北至南,五种地带性土壤初始产流时间先减小后增加,红壤团聚体初始产流时间显著大于其他土壤团聚体,这与其团聚体稳定性和黏土矿物组成(高岭石)有关。在所有土壤团聚体类型中,红壤产沙率最小(0.17-1.29 g(m~2·min)-1),黄褐土产沙率最大(1.27-6.58 g(m~2·min)-1)。红壤团聚体稳定性较高,不易形成结皮,团聚体发生破碎的部分容易随雨水下渗来填充孔隙而不是随径流移动,减少地表可侵蚀物质。总孔隙度、孔隙数量、孔隙平均形状因子和不同当量直径孔隙度与径流系数、土壤产沙率和径流泥沙浓度间呈显著负相关(p<0.05)。越大的团聚体孔隙度代表了更佳的孔隙连通性以及层级更为丰富的孔隙网络,这容易引致微孔隙沿其边缘向四周伸长、扩散,可能需要更多的侵蚀泥沙颗粒对孔隙进行填充从而降低坡面上运动的泥沙颗粒含量。根据偏最小二乘(PLSR)结果,75-100μm孔隙度和孔隙形态参数(细长型、规则型和不规则型孔隙)是坡面产流产沙的主要孔隙特征因子。此外,降雨前后地表糙度变化随产沙率和径流泥沙浓度呈乘幂函数增加,表示为:ΔSSR=10.02(Di)0.3和ΔSSR=4.45(Cs)0.417,其中ΔSSR为地表糙度变化量,Di为土壤产沙率,Cs为径流泥沙浓度。
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