基于表面電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)土壤侵蝕理論下的植物籬措施水力侵蝕過程研究.pdf

1、紫色土是三峽庫區(qū)主要的種植土壤，其中大部分為坡耕地。其嚴(yán)重的水土流失、土地退化給生態(tài)環(huán)境安全帶來了多方面的嚴(yán)重威脅，給庫區(qū)移民帶來了巨大得社會(huì)經(jīng)濟(jì)壓力。日趨嚴(yán)重的水土流失已成為亟待解決的問題。植物籬間作作為一種特殊的農(nóng)林復(fù)合技術(shù)應(yīng)用于坡耕地，能夠改良土壤、攔截徑流、保土蓄水，是一種有效的防治坡耕地水土流失的可持續(xù)利用生物工程措施，并且有助于坡地退化土壤養(yǎng)分庫的恢復(fù)重建。
　　通過對(duì)紫色土區(qū)10°、15°坡耕地香根草植物籬和新銀合歡

2、植物籬標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)長(zhǎng)達(dá)3年的監(jiān)測(cè)，針對(duì)植物籬生長(zhǎng)過程（1～3年），對(duì)比兩種植物籬種植生長(zhǎng)過程中不同坡度、坡位下的蓄水減流、保土減沙和有機(jī)碳固定效益差異及土壤物理化學(xué)性質(zhì)的變化過程，研究不同生命期植物籬對(duì)坡耕地土壤侵蝕及土壤肥力的影響。
　　此外，目前對(duì)于植物籬水土保持效益機(jī)理的研究主要集中于宏觀角度，即通過莖葉的機(jī)械攔截，和過濾，增加水流與植物籬的摩擦等外部作用力降低水流的動(dòng)力，延長(zhǎng)與地面的作用時(shí)間，增加滲透，沉淀泥沙從而減少坡面

3、的徑流泥沙量控制水土流失。最近，李航等人根據(jù)介觀尺度下土壤膠體顆粒相互作用新理論，并發(fā)現(xiàn)土壤顆粒電場(chǎng)是導(dǎo)致團(tuán)聚體破裂的根本原因。因此，本試驗(yàn)利用該理論，通過在自然條件下植物籬控制措施的野外宏觀監(jiān)測(cè)和室內(nèi)微觀實(shí)驗(yàn)，從植物籬對(duì)土壤電場(chǎng)的影響分析其對(duì)坡面耕地土壤侵蝕的控制作用，結(jié)合內(nèi)外因驅(qū)動(dòng)理論，重新研究植物籬控制水力侵蝕原理機(jī)制，探討該措施下水土保持效益微觀機(jī)制與宏觀指標(biāo)間的耦合關(guān)系。在此基礎(chǔ)上提出科學(xué)的調(diào)控技術(shù)，為水土保持和農(nóng)田面源污染防

4、治提供新的理論支持。研究結(jié)果表明:
　　(1)香根草植物籬和新銀合歡植物籬在10°紫色土坡耕地上的水土保持效應(yīng)顯著，且香根草優(yōu)于新銀合歡。植物籬的水土保持效應(yīng)的發(fā)揮與植物籬的生長(zhǎng)密切相關(guān)，定植時(shí)間越長(zhǎng)植物籬的水土保持效益越好:植物籬栽植第1年為適應(yīng)期，對(duì)坡面徑流不產(chǎn)生攔截效應(yīng);栽植第2～3年為植物籬生長(zhǎng)期。10°坡度條件下，香根草、新銀合歡植物籬蓄水保土效益均在定植2年內(nèi)得以發(fā)揮。其中新銀合歡植物籬先于香根草植物籬最快發(fā)揮效益。香

5、根草植物籬能夠在種植后第3年有效減少15°紫色土坡耕地的地表徑流，對(duì)泥沙的控制作用還未體現(xiàn)。植物籬的水土保持效應(yīng)表現(xiàn)為先蓄水減流，再保土固沙，能夠有效防止細(xì)溝侵蝕的發(fā)生。坡耕地坡度對(duì)徑流泥沙的影響顯著于并限制植物籬對(duì)坡耕地徑流泥沙的影響。坡度越大，植物籬的水土保持效應(yīng)越不顯著，且見效越慢。長(zhǎng)期定植植物籬能夠改變坡耕地微地形，植物籬攔截泥沙堆積于籬前形成淤積帶，籬間坡度減緩。不同坡位植物籬前淤積帶大小表現(xiàn)為底行＞中行＞頂行。植物籬在15°

6、坡耕地的泥沙籬前淤積現(xiàn)象顯著于10°坡耕地。植物籬作為生物措施，對(duì)坡耕地水土流失的控制作用有限。在一定時(shí)間范圍內(nèi)的小強(qiáng)度降雨下，植物籬措施對(duì)徑流泥沙的控制作用最為有效。
　　(2)香根草植物籬和新銀合歡植物籬顯著影響坡耕地表土機(jī)械組成各顆粒組分的比例和分布，并與植物籬種植時(shí)間密切。香根草植物籬對(duì)于機(jī)械組成變化的影響顯著于新銀合歡。植物籬措施下，坡耕地粘粒和粉粒組分比例增加，砂粒比例減少。總體而言，在10°坡耕地上，植物籬對(duì)土壤中＜

7、0.02mm顆粒流失的控制作用顯著，并在定植后第2年有效發(fā)揮。其中，香根草植物籬和新銀合歡植物籬能顯著增加粉粒組分的比例，同時(shí)，香根草植物籬對(duì)粘粒的富集作用顯著。坡度是植物籬影響機(jī)械組成變化的限制因素。15°坡耕地上，香根草植物籬主要攔截粘粒，對(duì)粉粒含量變化的影響不顯著。植物籬對(duì)土壤機(jī)械組成各組分體積分?jǐn)?shù)在坡面上的分布變化影響顯著:粘粒多富集于坡底(10°、15°)和坡中(10°)，粉粒多富集于坡底和坡頂位置，植物籬帶下的富集作用最為顯

8、著。植物籬對(duì)＜0.02mm顆粒尤其是粉粒的攔截作用是其能夠發(fā)揮水土保持效益、控制面源污染的關(guān)鍵。
　　(3)定植植物籬對(duì)坡耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響較為復(fù)雜，與定植時(shí)間密切相關(guān)。植物籬定植1～3年主要處于生長(zhǎng)階段，大量消耗坡耕地土壤肥力，致使坡耕地地力衰減，此時(shí)應(yīng)根據(jù)有機(jī)質(zhì)的分布差異和植物籬與作物的生長(zhǎng)情況適當(dāng)加大坡耕地的有機(jī)質(zhì)施肥量。10°坡度下，新銀合歡植物籬和香根草植物籬從定植第3年起富集土壤有機(jī)質(zhì)。其中新銀合歡植物籬對(duì)土壤有

9、機(jī)質(zhì)的富集作用顯著于香根草植物籬。并且，新銀合歡主要富集坡頂和坡底土壤有機(jī)質(zhì)，而香根草植物籬對(duì)坡耕地坡底位置土壤有機(jī)質(zhì)作用顯著。在10°坡耕地上，不同植物籬對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響具體表現(xiàn)為:新銀合歡植物籬于定植后第3年開始影響有機(jī)質(zhì)的含量與分布并富集有機(jī)質(zhì);香根草底行植物籬于定植后第1年便對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)發(fā)揮作用。
　　(4)在10°紫色土坡耕地上，香根草植物籬和新銀合歡植物籬對(duì)土壤顆粒表面電化學(xué)性質(zhì)影響顯著，其中香根草植物籬作用顯著于新

10、銀合歡植物籬。植物籬顯著增加土壤顆粒比表面積、降低表面電場(chǎng)強(qiáng)度和表面電荷密度，并隨定植年份的增加呈遞變趨勢(shì)，而土壤顆粒表面電荷數(shù)量在植物籬作用下變化不顯著。植物籬對(duì)土壤顆粒比表面積的影響在定植后第2年最為顯著，而對(duì)土壤表面電場(chǎng)強(qiáng)度和表面電荷密度的影響在定植第3年最為顯著。植物籬對(duì)土壤顆粒表面電化學(xué)性質(zhì)的影響在坡面上的分布不同:新銀合歡植物籬主要集中于坡頂，香根草植物籬對(duì)坡頂和坡底的影響最為顯著。
　　(5)植物籬的宏觀水土保持效益

11、是通過宏觀外在驅(qū)動(dòng)和介觀內(nèi)在機(jī)制的耦合作用共同體現(xiàn)的。植物籬顯著降低土壤顆粒表面靜電場(chǎng)強(qiáng)度是植物籬能夠有效發(fā)揮保沙固土效益的本質(zhì)原因。植物籬控制泥沙流失的主要過程為:植物籬先通過根-莖-葉組成的密閉籬墻簡(jiǎn)單機(jī)械攔截徑流中攜帶的泥沙，再利用生物作用改善土壤顆粒電化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)一步從本質(zhì)上降低土壤可蝕性。植物籬通過機(jī)械攔截作用使土壤細(xì)顆粒在籬下富集，促使土壤顆粒比表面積和表面電荷數(shù)量增加，吸附大量有機(jī)質(zhì)，一方面增強(qiáng)土壤顆粒間的引力，一方面使表

12、面電荷密度和電場(chǎng)強(qiáng)度降低，以此降低了土壤顆粒間的分散斥力，保持土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，增加抗蝕性，有效控制土壤水力侵蝕。土壤電化學(xué)性質(zhì)的改變對(duì)植物籬蓄水減流作用不顯著。植物籬的蓄水減流效益需通過水利學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究。
　　(6)植物籬對(duì)有機(jī)質(zhì)的固持作用與植物籬的水土保持效益關(guān)系不顯著，其通過與土壤中粒徑＜0.02mm顆粒（尤其粘粒組分）的相互作用后改善土壤顆粒表面電化學(xué)性質(zhì)，從土壤內(nèi)部作用力的顆粒間作用改變進(jìn)而控制土壤流失。