1970-2021年典型黑土区侵蚀沟损毁耕地速度与发育阶段

黑土区侵蚀沟损毁耕地,威胁粮食生产,研究侵蚀沟发展速度与发育现状,对揭示侵蚀沟发育机理和保护黑土地具有重要意义。为研究近50年侵蚀沟损毁耕地速度和发育特征,分别在典型黑土区3个纬度带选取坡度约为1%、2%和3%的9个共计约378 km2的典型黑土农田单元,并利用1970年、2011年和2021年卫星影像结合无人机和地面测量的结果进行计算与统计。结果表明,侵蚀沟数量在3个历史时期持续增加,剔除因治理而消失的311条,实际增加了958条,北部嫩江增加速度高于中部海伦和南部巴彦,而同一纬度区大坡度(3%)比小坡度(1%和2%)农田单元内侵蚀沟数量增长更快。人为治理和更高强度耕种导致侵蚀沟面积降低(1970-2011年)然后再增加(2011-2021年)的V型走势,但由侵蚀沟发育而实际损毁耕地的面积持续扩张,近10年年均损毁耕地面积0.1%,3个区域的损毁速度相近。从南往北3个区域侵蚀沟起始发育时间分别是1920s、1940s和1950s,与开垦时间先后顺序一致。典型黑土区侵蚀沟经历了谷底沟发育、沟系形成、多样化发育3个阶段,其中嫩江处在第二阶段,而海伦和巴彦处在第三阶段,即老沟、新沟、次生沟、浅沟多样化发育阶段。人为治理和促进侵蚀沟发育的较量,决定典型黑土区侵蚀沟的发育走势。研究为典型黑土区侵蚀沟防治提供科学依据。

土体构型对花岗岩红壤细沟发育形态的影响

为探究花岗岩红壤细沟形态特殊变化的原因,解释土体构型影响细沟形态发育的机理。设计单一红土层(H)、单一砂土层(S)、上红下砂层状土层(HS)3种土体构型、不同径流量(低径流量3 L/min、高径流量6 L/min)和不同坡度(中坡20°、陡坡40°)的室内模拟细沟冲刷试验。结果表明:H处理下,细沟形态更多向“V”形和“U”形发育;S处理下,细沟沟道发育过程中短暂形成上窄下宽的深宽梯形断面后,完全崩塌;HS处理下,细沟形态能发育为梯形断面,且能继续扩大发育。与H和S相比,HS陡坡(40°)处理下沟岸崩塌更加频繁且单次大质量崩塌更多。HS陡坡(40°)处理下沟岸崩塌发生21次,其中,单次崩塌量>1 kg的占比为63%。HS与H和S相比,雷诺数(Re)和弗罗德数(Fr)的波动更剧烈,更有利于梯形断面形成。与H、S相比,HS沟壁崩塌发生时,上层红土层含水量最低为0.31 cm^(3)/cm^(3),抗剪强度最高为178 kPa;而下层砂土层含水量较高(0.33 cm^(3)/cm^(3)),抗剪强度最小为54 kPa。上红下砂土层的土体构型是花岗岩红壤细沟沟道形态发育为上窄下宽深宽梯形断面的龛沟重要原因,陡坡和高径流量更有利于细沟内特殊形态的形成和发育,龛沟作为崩岗发育的初始阶段。该结果可为防治崩岗初期发育提供理论依据。

香炉山钨矿尾矿区4种先锋植物重金属富集特征

对江西省香炉山钨矿尾矿区土壤和自然定居的4种先锋植物胡枝子Lespedeza bicolor(Turcz.)、葛藤Pueraria lobata(Willdenow)Ohwi、草木犀Melilotus officinalis(Linn.)和截叶铁扫帚Lespedeza cuneata(Dum.Cour.)茎叶重金属富集特征进行研究。结果表明4种植物茎叶中重金属富集特征明显,特别以铬、锰和镍重金属富集较高。植物茎叶和土壤中的重金属含量有较一致的动态,说明土壤是植物中重金属含量的主要影响源。4种植物铬和锰的含量接近1 g/kg的临界值,表明对镉和锰具有很好的适应性和耐性,是镉锰污染的潜在修复植物。截叶铁扫帚茎叶中重金属含量高于其它3种植物,是植物间重金属含量差异的主要贡献者。总之,江西香炉山钨矿尾矿区的土壤受污染较严重,超过土壤环境质量标准的3级。4种植物中截叶铁扫帚对重金属的复合胁迫适应性较好,可作为尾矿区植被修复的先锋植物。

龛沟是崩岗早期发育的形态标志

为探究我国南方花岗岩红壤地区崩岗的起始标志和发育阶段。在湖北省通城县和广西岑溪市2个典型崩岗区调查崩岗的发育过程。结果表明,2个调查区都存在一种细沟发育而来的龛状浅沟,将其命名为龛沟。龛沟具有3个特征:上游有明显细沟,沟壁陡峭且具有上窄下宽的宽深梯形形态。龛沟主要发生在砂土层裸露、具有一定汇水面积和局地坡度>30°的裸露坡面。龛沟是一种特殊形态的浅沟,其定义、形态和侵蚀营力都不同于常规浅沟、切沟和Amphitheatershaped canyons等沟蚀地貌。龛沟是沟道侵蚀从水力侵蚀为主变为水力和重力复合侵蚀的过程,是崩岗起始发育的启动标志,其发生原因与花岗岩红壤上红(黏)下砂的土层结构有关。以龛沟出现为标志,将崩岗的发育阶段重新划分为早期准备阶段、初期启动阶段、中期发展阶段和后期成熟阶段。龛沟的特点和研究区的崩岗治理效果表明,削坡开级的治理方式不适合在红土层较薄的花岗岩红壤地区使用。龛沟的发现将推进对崩岗早期发育的研究,并为崩岗的预防和治理提供新的理论依据。

长期耕作对典型黑土水力性质的影响

为揭示长期耕作对黑土耕地水文退化的作用,以典型黑土区不同纬度带的未经机械耕作的林地与长期耕作的耕地土壤进行对比,研究沟垄耕作对土壤垂直和水平方向物理性质和水力性质的影响。结果表明:长期耕作使得总体物理与土壤水力性质严重退化,与林地土壤相比,耕地土壤质地未发生变化,有机质含量显著降低,容重从1.03(0.84~1.17)g·cm^(-3)显著提高至1.31(1.20~1.46)g·cm^(-3),穿透阻力显著增加,持水供水与导水性显著降低,有效含水量从0.19(0.14~0.23)cm3·cm^(-3)降至0.15(0.10~0.21)cm3·cm^(-3)。物理质量指数S值从0.061(优)降至0.025(差)。长期沟垄耕作使得犁底层的饱和导水率(6.61 cm·d^(-1))仅为耕作层的1/10。耕作导致耕作层垂直方向导水率(64.67 cm·d^(-1))低于水平方向(82.84 cm·d^(-1))。犁底层的穿透阻力(897.04 kPa)为耕作层的1.89倍,造成了耕作层与犁底层水力性质分层。长期耕作导致的耕地土壤水力性质分层和方向分异是促进耕地坡面径流“沟渠效应”而加速侵蚀退化的重要原因。