降雨條件下鄂南幾個(gè)紅壤團(tuán)聚體破碎特征及坡面侵蝕響應(yīng)研究.pdf

1、我國(guó)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(duì)土地?cái)_動(dòng)頻繁，使得土壤侵蝕是制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的主要原因之一。針對(duì)南方紅壤區(qū)土壤侵蝕過(guò)程和機(jī)制的研究，對(duì)該區(qū)土壤侵蝕防治、農(nóng)業(yè)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的作用。根據(jù)《中國(guó)水土流失與生態(tài)安全·南方紅壤區(qū)卷》的調(diào)查結(jié)果顯示，面狀侵蝕是我國(guó)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(xì)溝間侵蝕，還包括坡面徑流引起的細(xì)溝

2、侵蝕。因此，認(rèn)識(shí)并掌握該區(qū)主要侵蝕方式的侵蝕機(jī)制和規(guī)律十分必要。本文選取湖北省成寧市賀勝橋鎮(zhèn)的第四紀(jì)紅黏土、泥質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育的紅壤為研究對(duì)象，利用室內(nèi)模擬方法研究了團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)破碎特征和孔隙特征，并基于團(tuán)聚體破碎特征系統(tǒng)研究了團(tuán)聚體破碎對(duì)坡面侵蝕過(guò)程的作用機(jī)制。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴利用濕篩法和Le Bissonnais(LB)法系統(tǒng)分析了供試土樣團(tuán)聚體穩(wěn)定性。同時(shí)，考慮到紅壤黏粒含量高這一特性，分析了團(tuán)聚體在不同前期含水率條件下

3、團(tuán)聚體穩(wěn)定性和破碎特征。土壤前期含水率越大，團(tuán)聚體破碎程度越小。隨著前期含水率的升高，第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的2個(gè)紅壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑先增大后減小，拐點(diǎn)出現(xiàn)在含水率為15％條件下;泥質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育的2個(gè)紅壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑顯著增大。提高團(tuán)聚體前期含水率，降低團(tuán)聚體破碎程度，能被雨滴擊濺遷移的物質(zhì)就少，濺蝕量少。
　?、评檬覂?nèi)條件下的模擬降雨試驗(yàn)，研究了團(tuán)聚體在降雨過(guò)程中破碎特征。在團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)破碎和不同破碎機(jī)制的基礎(chǔ)上，分析

4、其對(duì)細(xì)溝間侵蝕過(guò)程和濺蝕過(guò)程的影響。①細(xì)溝間侵蝕過(guò)程中，降雨前期團(tuán)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(tuán)聚體，隨著降雨的進(jìn)行，團(tuán)聚體主要以雨滴打擊下的機(jī)械破碎為主，團(tuán)聚體破碎相對(duì)緩慢。徑流泥沙濃度受團(tuán)聚體破碎程度的減小和表土結(jié)構(gòu)的發(fā)育的影響，隨降雨時(shí)間逐漸減小。徑流泥沙粒徑隨降雨時(shí)間表現(xiàn)出大顆粒含量增多的趨勢(shì)，其中土樣QX2和SX3在產(chǎn)流后降雨0-24 min內(nèi)，泥沙含量主要集中在100-250μm范圍內(nèi)（45.87％

5、-53.13％），產(chǎn)流后降雨36-60min內(nèi)，泥沙含量主要分布在100-250μm、250-500μm和500-1000μm范圍內(nèi);土樣QX4和SX1徑流泥沙顆粒分布在＜200μm范圍內(nèi)，表現(xiàn)出泥沙含量隨粒徑的增大而減少，各粒級(jí)范圍內(nèi)的顆粒含量均隨著降雨的進(jìn)行伴隨著波動(dòng)變化。②隨前期含水率的升高，第四紀(jì)紅黏土發(fā)育2個(gè)紅壤濺蝕量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在含水率為15％時(shí)達(dá)到最小;泥質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育2個(gè)紅壤濺蝕量隨前期含水率的升高顯著減小。團(tuán)聚

6、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(nèi)，且前期含水率越高，＜0.05 mm濺蝕顆粒含量越大;而團(tuán)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0.25-1mm。③降雨過(guò)程中，累積濺蝕量隨著降雨時(shí)間呈冪函數(shù)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(shì)，其中粒級(jí)為0.25-1 mm團(tuán)聚體最易發(fā)生遷移。④降雨過(guò)程中，團(tuán)聚體在降雨前

7、期最容易發(fā)生破碎，不同土樣隨降雨時(shí)間的破碎特征可用以下關(guān)系式表示:D=1.02RMI+1.77T0.06，其中D為破碎團(tuán)聚體粒徑分形維數(shù)，RMI為相對(duì)機(jī)械破碎指數(shù)，T為降雨時(shí)間。⑤總濺蝕量隨著團(tuán)聚體破碎呈冪函數(shù)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(duì)機(jī)械破碎指數(shù)，D為破碎團(tuán)聚體粒徑分形維數(shù)。
　?、峭ㄟ^(guò)室內(nèi)模擬干濕循環(huán)試驗(yàn)，利用同步輻射顯微CT掃描技術(shù)和圖像分析技術(shù)，定量研究對(duì)

8、團(tuán)聚體孔隙特征變化。在此基礎(chǔ)上，利用偏最小二乘回歸法首次系統(tǒng)研究了團(tuán)聚體孔隙特征與團(tuán)聚體破碎和集中水流內(nèi)土壤分離之間的關(guān)系。①在干濕循環(huán)的作用下，團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)變得相對(duì)疏松，孔隙間連通性得到改善，團(tuán)聚體呈現(xiàn)明顯的復(fù)雜的疏松多孔結(jié)構(gòu)。具體表現(xiàn)在:團(tuán)聚體中總孔隙度增加，孔隙數(shù)量減少，加長(zhǎng)孔隙度和＞100μm孔隙度增加。②通過(guò)偏最小二乘回歸法得出的結(jié)果表明，總孔隙數(shù)量、75-100μm孔隙度、總孔隙度和＞100μm孔隙度是控制團(tuán)聚體在LB法測(cè)定下

9、的水穩(wěn)定性和抗壓法測(cè)定下的力穩(wěn)性的主要孔隙特征因子。團(tuán)聚體孔隙度越大，其孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，由此增加團(tuán)聚體孔隙中的空氣壓力、加快水分的進(jìn)入速率以及增加團(tuán)聚體中裂隙傳播和相互作用的概率。③通過(guò)偏最小二乘回歸法得出的結(jié)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(zhǎng)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(zhǎng)孔隙度顯著正相關(guān)。土壤結(jié)構(gòu)的破裂主要取決于土壤