东北黑土区侵蚀农田土壤质量指数构建及其空间分异

侵蚀的空间异质性会改变土壤性质,导致土壤质量在空间分布上的差异。为明确中国东北侵蚀农田黑土土壤性质在不同空间位置上的分布规律,该研究基于纬度变化,从寒温带到中温带跨区选择了4个丘陵区(从北到南依次为九三、克山、海伦、宾县)的农田黑土坡面作为试验对象,划分了坡面位置(坡顶、坡上、坡中、坡下和坡底)和土壤深度(0~20 cm和>20~40 cm),分析了不同空间位置对侵蚀农田黑土土壤物理、化学和生物特征对不同空间位置的响应规律,并基于最小数据集(minimum data set,TDS)构建土壤质量指数(soil quality index,SQI-TDS),对侵蚀农田黑土土壤质量进行综合比较。研究表明,4个丘陵区黑土土壤性质在不同区域、坡位和土壤深度下的存在明显的空间变异(P<0.05)。全氮和有机碳含量随纬度升高而增加,且随坡位降低而逐渐减小,在坡底处增加。平均重量直径在九三最高,克山次之,海伦和宾县较小。土壤细颗粒在坡底沉积促进了新的团聚体形成,以致团聚体稳定性在坡面位置上表现为随坡位的降低呈先减小后增加的“V”型变化。SQI-MDS均值从北至南整体呈降低趋势,其中宾县的土壤质量指数最低,较其他3个地区显著降低22.66%~26.52%。在不同坡位上,SQI-MDS表现为以坡底、坡顶、坡上、坡中和坡下次序降低。该研究量化了东北侵蚀农田黑土土壤综合质量,结果可为侵蚀农田黑土修复和可持续发展提供科学依据。

赣南崩岗侵蚀区不同部位土壤抗剪强度及影响因素研究

为明确南方崩岗侵蚀区不同部位土壤抗剪强度的分布规律,探索在崩岗发育过程中土壤基本性质对抗剪强度指标的影响,以不同发育阶段崩岗各部位表层土(0~20 cm)为研究对象,对土壤基本性质和抗剪强度的差异进行对比研究。结果表明:(1)随着崩岗的发育,表层土壤基本性质逐渐恶化,容重逐渐减小,颗粒组成粗骨质化现象明显,土壤有机质的含量与根系密度的变化,均随崩岗的发育呈现出典型的退化特征;(2)崩岗各部位黏聚力和内摩擦角的变化规律相似,集水区部位达到峰值,沟道部位达到最小值,随崩岗的发育呈明显下降趋势;(3)根系密度与黏聚力有良好的线性相关关系,砾石含量、粉粒含量和黏粒含量对崩岗土体内摩擦角有显著影响,可以用幂函数表示它们之间的关系;(4)试验以根系密度、砾石含量、粉粒含量和黏粒含量来表征土壤饱和状态下的抗剪强度,建立了在崩岗发育过程中饱和抗剪强度的预测方程(R2=0.891,P<0.01),结果显示方程可信程度较高,预测效果较好。研究结果揭示了南方花岗岩崩岗区不同发育阶段抗剪强度的控制因素,为进一步防治水土流失提供理论依据。

不同质地重塑土坡面水沙定量关系研究

为确定不同质地重塑土坡面水力学参数与土壤侵蚀速率间的定量关系,采用模拟径流冲刷动床试验的方法,对不同质地坡面的土壤侵蚀速率进行了研究,建立了土壤侵蚀速率与水力学参数、土壤性质间的定量关系。结果表明:(1)土壤侵蚀速率与坡度和流量关系密切,且坡度对土壤侵蚀速率的影响更大;土壤质地对土壤侵蚀速率具有明显的影响,相同试验条件下使土壤侵蚀速率呈现“单峰状”分布,在50%含沙量的坡面最大;(2)细沟平均沟深、断面宽深比与土壤侵蚀速率之间具有极显著的相关关系(r=-0.865,P<0.01),可以作为反映坡面侵蚀产沙程度的指标;(3)单位水流功率是描述土壤侵蚀速率的最佳水力学参数(r=0.911,P<0.01),幂函数可以很好地表达两者之间的定量关系(Dr=49.96Pr^2.07,R^2=0.795);(4)考虑到土壤性质对坡面侵蚀的影响,在单位水流功率与土壤侵蚀速率的定量关系中引入了土壤黏聚力,进一步提高了定量关系的可靠性(Dr=165.22Pr^2.36C^-0.44,R^2=0.816),由于方程中参数获取的相对简便,在实际应用中具有更广的适应范围与现实价值。

中国典型地带性土壤团聚体稳定性与孔隙特征的定量关系

团聚体结构和稳定性关系着一系列土壤过程。为探明不同类型地带性土壤团聚体稳定性与孔隙结构变化规律及二者关系,该研究以中国温带与亚热带地区5种地带性土壤(黑土、棕壤、褐土、黄褐土和红壤)为研究对象,结合CT扫描、湿筛法和Le Bissonnais(LB)法,量化孔隙结构,测定各地带性土壤团聚体平均重量直径(Mean Weight Diameter,MWD)。结果表明:团聚体水稳性受到土壤类型和土层深度的综合影响,从大到小依次为黄褐土、褐土、棕壤、黑土和红壤;基于LB法测定的团聚体平均质量直径排序为MWDsw(慢速湿润)>MWDws(预湿润震荡)>MWDfw(快速湿润),即5种团聚体的主要破碎机制是快速湿润引起的消散作用;5种地带性土壤团聚体不同当量直径孔隙度由北至南呈“U”型变化,且这种变化程度随土层深度增加而减弱;团聚体孔隙大小均以30~<75μm孔隙为主,孔隙形状以细长型孔隙为主。细长型孔隙度自北向南呈先下降后上升的趋势,不规则型和规则型孔隙度变化趋势相反;偏最小二乘回归表明,规则型孔隙度、孔隙平均形状因子、75~100μm孔隙度和细长型孔隙度与团聚体水稳性显著相关,细长型孔隙起正向作用;规则型孔隙、细长型孔隙、75~100μm孔隙度和>100μm孔隙度是MWDfw、MWDws、MWDsw的主控因子。研究结果有助于加深土壤团聚体与孔隙特征关系的认识,从而更好地揭示土壤过程作用机制。

溅蚀过程中红壤团聚体周转路径的定量表征

为研究土壤团聚体的形成和破碎过程对于降雨侵蚀的响应机制,对降雨打击作用下不同粒径红壤团聚体在溅蚀过程中的周转路径进行了探讨。该研究基于稀土元素示踪法,对各粒径团聚体分别进行了标记,电感耦合等离子体质谱测定,实现全土样团聚体的周转路径追踪;然后通过室内模拟降雨试验,在90和30mm/h降雨溅蚀条件下,对不同粒径大小团聚体(2~5、0.25~<2、0.053~<0.25、<0.053 mm)随降雨历时的周转变化规律进行了定量化研究。结果表明:稀土元素标记得到的标记团聚体效果较好且在湿筛过程中回收率达到90%以上,吸附稳定;不同降雨强度下,土壤团聚体的周转过程呈现出向破碎方向转化的趋势;90mm/h降雨下团聚体更快发生破碎并到达稳定状态,其累积破碎率在降雨40 min后基本不发生改变,而30 mm/h下土壤团聚体会随降雨动能的累积逐步发生破碎;结合相关性分析可以发现小团聚体的变化对于整个溅蚀过程的累积破碎率和累积团聚率均表现出显著相关(P<0.01),>0.25mm团聚体与其他粒级团聚体间的周转不显著相关(P>0.05),但<0.25mm团聚体可能通过逐级团聚影响到其他粒级团聚体。不同团聚体在溅蚀过程中的双向转化过程,研究结果为侵蚀过程中土壤结构的动态变化模型提供理论参考。

粗颗粒土壤坡面侵蚀泥沙颗粒特征

为揭示粗颗粒土壤坡面侵蚀机理,采用湖北通城县、江西赣县、福建长汀县、广东五华县4个样地的4种粗颗粒土壤(分别定义为TCA、GXA、CTA、WHA)进行室内模拟降雨试验,研究粗颗粒土壤坡面侵蚀过程及侵蚀泥沙颗粒组成的变化规律。结果表明:(1)4种土壤的地表径流随着降雨时间的增长呈现出先增加后递减并趋于稳定的规律;(2)4种土壤的侵蚀特征存在差异,土壤侵蚀速率表现为WHA>TCA>GXA>CTA;(3)4种土壤的侵蚀泥沙中颗粒分布百分比大小均为砂粒>黏粒>粉粒>砾石。不同土壤侵蚀泥沙富集率表现出明显差异;(4)水流功率与土壤侵蚀速率的相关性显著,用幂函数可以准确描述其关系。在表达式中引入土壤黏粒含量、砾石含量后模型更加可靠(D_(r)=0.001ω^(1.163)C_(l)^(-4.069),R^(2)=0.82;D_(r)=0.003ω^(1.149)G_(r)^(-1.934),R^(2)=0.84),提高了模型预测土壤侵蚀速率的精度,在实际应用中具有更广的适应范围与现实价值。

鄂东南花岗岩红壤不同土层侵蚀过程

为了探讨不同降雨动能条件下花岗岩红壤各层次(淋溶层、淀积层、母质层)在坡面侵蚀过程中的产流产沙特征,研究采用室内人工模拟降雨试验方法,对其水动力学参数变化特征及其与土壤侵蚀速率之间的定量关系进行了研究。结果表明:(1)降雨动能对各层次土壤坡面的产沙产流特征影响显著。随着降雨动能增加,各层次土壤初始产流时间不断递减,且径流含沙量和总产沙量均不断增大;(2)各层次土壤之间的侵蚀规律差异显著。初始产流时间、径流含沙量及总产沙量均表现出显著差异;通过回归分析,发现土壤侵蚀速率与降雨动能之间有良好的线性关系;(3)水流功率和单位水流功率与土壤侵蚀速率均呈显著的相关性,且能够用幂函数准确地描述它们之间的关系,引入土壤黏粒含量可使得模型更加可靠,在实际应用中有更广的应用范围和现实价值。综上,降雨动能和土壤质地对花岗岩红壤坡面侵蚀的形成和发展过程具有显著影响。