不同地表?xiàng)l件下土壤團(tuán)聚體遷移特征試驗(yàn)研究

不同地表?xiàng)l件下土壤團(tuán)聚體遷移特征試驗(yàn)研究

在土壤侵蝕過程中，聚集體的遷移是集合體破壞和徑向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。降雨過程中,土壤團(tuán)聚體的破碎主要是雨滴打擊使團(tuán)聚體破碎和徑流攜帶搬運(yùn)使團(tuán)聚體破壞。Hairsine等認(rèn)為,在侵蝕區(qū)表面存在雨滴剝離分散大團(tuán)聚體和徑流選擇搬運(yùn)細(xì)顆粒的現(xiàn)象。大量研究表明,土壤侵蝕優(yōu)先使表層土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體遭到破壞,相應(yīng)地增加微團(tuán)聚體的比例。郭志民研究發(fā)現(xiàn)隨著土壤侵蝕程度的加劇,>0.25mm的團(tuán)聚體有減少趨勢(shì),而0.02～0.25mm的團(tuán)聚體卻有增加趨勢(shì)。郭偉等研究團(tuán)聚體粒徑對(duì)侵蝕泥沙顆粒特性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),降雨過程中<0.25mm泥沙含量始終高于其他粒徑的,其流失量占總流失量的40%以上。方華軍等以東北黑土區(qū)典型漫崗坡耕地為研究對(duì)象,研究不同侵蝕程度地形部位表層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量,發(fā)現(xiàn)遭受嚴(yán)重侵蝕的坡肩部位表層土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量明顯減少,而微團(tuán)聚體含量顯著高于坡頂和坡背的,長(zhǎng)期處于沉積狀態(tài)的坡腳部位表層土壤微團(tuán)聚體明顯增加。濕土中,雨滴打擊造成的土壤團(tuán)聚體破碎占主要地位,它能清楚地反映地表覆蓋物的重要作用。東北黑土區(qū)由于亂砍亂伐致使很多土地得不到植被的保護(hù),雨滴打擊所導(dǎo)致的濺蝕在黑土區(qū)普遍存在。目前關(guān)于黑土區(qū)坡面土壤侵蝕過程研究非常薄弱,地表覆蓋條件下坡耕地侵蝕過程中土壤團(tuán)聚體遷移的研究更是鮮見報(bào)道。本文采用人工模擬降雨的方法,研究裸露休閑、紗網(wǎng)覆蓋及秸稈覆蓋3種地表?xiàng)l件下坡耕地侵蝕過程中不同粒徑土壤團(tuán)聚體的遷移特征,以期為東北黑土區(qū)水土保持措施的配置提供科學(xué)依據(jù)。1試驗(yàn)材料和方法1.1試驗(yàn)土及設(shè)備降雨試驗(yàn)于2010年8月在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬降雨大廳進(jìn)行。降雨設(shè)備為側(cè)噴式人工降雨裝置,采用2組單噴頭對(duì)噴,降雨高度為16m,雨滴直徑和雨滴分布與天然降雨的相似,降雨均勻度在85%以上。試驗(yàn)所用土槽為長(zhǎng)×寬×高=800cm×150cm×60cm的坡度可調(diào)式鋼槽,坡度調(diào)節(jié)范圍為0°～35°,試驗(yàn)土槽下端設(shè)集流裝置采集試驗(yàn)過程中的徑流泥沙樣。試驗(yàn)用土為吉林省榆樹市劉家鎮(zhèn)合心村南城子屯(北緯44°43′28″,東經(jīng)126°11′47″)的0-20cm耕層土。試驗(yàn)用土風(fēng)干后,沿自然節(jié)理將其掰成<4cm的土塊以保持原有的土壤結(jié)構(gòu)。1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)在土槽,對(duì)于原有土壤和沙試驗(yàn)處理包括:裸露休閑(無紗網(wǎng))、紗網(wǎng)覆蓋和秸稈覆蓋。紗網(wǎng)覆蓋即在小區(qū)上方架設(shè)1mm×1mm尼龍紗網(wǎng),紗網(wǎng)距土槽表面10cm,此處理可消除雨滴動(dòng)能99.6%。秸稈覆蓋即在土槽表面均勻鋪設(shè)長(zhǎng)約5cm的玉米秸稈(干重),覆蓋密度為1kg/m2。東北典型薄層黑土區(qū)坡耕地的坡度一般為1°～8°,很少有超過10°。因此設(shè)計(jì)2個(gè)試驗(yàn)坡度,分別為5°和7.5°。降雨強(qiáng)度是結(jié)合當(dāng)?shù)厍治g性降雨標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)次侵蝕性降雨強(qiáng)度為100mm/h,歷時(shí)1h。為保證良好的透水性,在試驗(yàn)土槽底部鋪10cm厚細(xì)沙。沙子上部每5cm一層填裝容重為1.30g/cm3的粘黃土用于模擬黑土區(qū)農(nóng)耕地的犁底層,裝土厚度為20cm。粘黃土之上填裝容重為1.20g/cm3的黑土,每5cm一層填裝,裝土厚度為20cm。裝上層土之前,用1cm厚的木板抓毛下層土壤表面,以減少土壤分層現(xiàn)象。裝完土槽后,利用25mm/h降雨強(qiáng)度進(jìn)行前期降雨,以確保每次試驗(yàn)前土壤含水量一致。預(yù)降雨過程中將1mm×1mm尼龍紗網(wǎng)覆蓋在土槽之上以減弱雨滴打擊力。前期降雨24h后,進(jìn)行人工模擬降雨,持續(xù)60min。產(chǎn)流后,記錄初始產(chǎn)流時(shí)間,并用15L的塑料桶接取徑流泥沙樣,取樣間隔時(shí)間為2min。為分析土壤團(tuán)聚體遷移特征,每隔4～6min采集一次徑流泥沙樣,并將該徑流泥沙樣依次通過孔徑5,2,1,0.5,0.25mm的套篩,篩分的每個(gè)粒徑的泥沙轉(zhuǎn)移到飯盒中,烘干稱重。降雨結(jié)束后將未篩分的徑流泥沙樣稱重,待泥沙沉淀傾掉上清液后,將泥沙樣烘干稱重。1.3土壤團(tuán)聚體遷移特征采用平均重量直徑(MWD)、分形維數(shù)(D)和團(tuán)聚體平均重量比表面積(MWSSA)3個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)不同地表?xiàng)l件下侵蝕過程中土壤團(tuán)聚體遷移特征。分形維數(shù)采用楊培嶺等建立的基于不同粒級(jí)重量分布的分維模型計(jì)算。團(tuán)聚體平均重量比表面積計(jì)算公式為:MWSSA=∑i=1n6wi/ρidi(1)ΜWSSA=∑i=1n6wi/ρidi(1)式中:di為兩篩分粒級(jí)di和di+1的平均值(mm);wi為任意大小范圍團(tuán)聚體的相應(yīng)重量占流失土壤樣品干重的百分?jǐn)?shù);ρ1=……ρn=2.65g/cm3。2結(jié)果與分析2.1秸稈覆蓋減沙與減沙作用表1列出了不同地表?xiàng)l件下的坡面徑流量與泥沙量。從表可看出,徑流量的大小順序?yàn)?裸露休閑>紗網(wǎng)覆蓋>秸稈覆蓋,其中裸露休閑與紗網(wǎng)覆蓋之間徑流量的差異不是特別明顯。Shainberg等認(rèn)為在粘粒含量較高且團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的土壤中,雨滴打擊對(duì)徑流的產(chǎn)生作用不明顯,這與本文的研究結(jié)果一致。另外,由于本試驗(yàn)進(jìn)行了前期降雨,造成紗網(wǎng)覆蓋后的削減徑流作用不明顯。坡度為5°和7.5°時(shí),秸稈覆蓋處理較裸露休閑處理的徑流量分別減少52.23%和21.89%。秸稈覆蓋對(duì)雨水的吸收和對(duì)徑流的分散作用,延遲了徑流產(chǎn)生時(shí)間,增大了土壤入滲。因此,與紗網(wǎng)覆蓋相比,秸稈覆蓋削減徑流作用更明顯。與削減徑流作用相比,紗網(wǎng)覆蓋和秸稈覆蓋的減沙效應(yīng)較明顯。與裸露休閑相比,紗網(wǎng)覆蓋與秸稈覆蓋下的坡面侵蝕量分別減少了75%與99%以上。紗網(wǎng)覆蓋消除雨滴打擊一方面削減了對(duì)土壤顆粒的分散;另一方面減弱了徑流的搬運(yùn)能力。與紗網(wǎng)覆蓋相比,秸稈覆蓋下的徑流量與泥沙量分別減少30.8%和96.5%。秸稈覆蓋增加地表糙率削減雨滴打擊,分散徑流,消耗徑流沖刷力,從而削弱了徑流搬運(yùn)泥沙的能力;同時(shí)秸稈可截留雨水形成低洼蓄水區(qū)使泥沙沉積。可見,在黑土區(qū)采取免耕與秸稈還田具有重要意義。2.2徑流泥沙濃度變化由表1得知,裸露休閑下徑流泥沙濃度分別是紗網(wǎng)覆蓋與秸稈覆蓋下的3～18倍和147～215倍。說明雨滴打擊是致使土壤顆粒分散的主要?jiǎng)恿?。李光錄等分析了泥沙輸移與降雨和徑流能的關(guān)系,結(jié)果表明降雨能是導(dǎo)致泥沙剝離的本質(zhì),徑流能是泥沙搬運(yùn)的動(dòng)力。圖1描述了不同地表?xiàng)l件下徑流泥沙濃度隨降雨歷時(shí)的變化。從圖中看出,徑流泥沙濃度的變化趨勢(shì)可分為兩類:一類是裸露休閑下,坡面徑流泥沙濃度在降雨初期快速增加,后快速下降,最后又緩慢增加,這是因?yàn)榻涤瓿跗谟甑未驌魧?duì)顆粒的打擊增大了泥沙含量,隨泥沙來源的減少徑流泥沙濃度降低,而后隨徑流量的增大,增強(qiáng)了對(duì)顆粒的剪切破壞,造成徑流泥沙濃度緩慢增加;另一類是覆蓋條件下(紗網(wǎng)與秸稈覆蓋),坡面徑流泥沙濃度在降雨初期急劇下降,后平緩下降,但秸稈覆蓋處理下的濃度變化幅度明顯低于紗網(wǎng)覆蓋下的。紗網(wǎng)覆蓋下96%的雨滴能量被消除,泥沙主要來自土壤表面的松散物質(zhì),隨物質(zhì)來源的減少徑流泥沙濃度急劇下降。秸稈覆蓋下雨滴能量完全被消除,且徑流分散,造成徑流泥沙濃度減小。降雨20min后,裸露休閑、紗網(wǎng)覆蓋和秸稈覆蓋下的最大徑流泥沙濃度分別為11.93,4.20,0.74g/L,說明雨滴打擊對(duì)土壤顆粒的分散主要在降雨初期體現(xiàn)。紗網(wǎng)覆蓋下0～20min的產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的20%～31%,秸稈覆蓋下的達(dá)27%～34%。這說明覆蓋處理初期的產(chǎn)沙主要來源于土壤表面松散物質(zhì)。2.3在不同的地表?xiàng)l件下，土壤團(tuán)聚體的遷移2.3.1土壤團(tuán)聚體流失特征裸露休閑下團(tuán)聚體的破碎主要是雨滴打擊使團(tuán)聚體破壞、雨水濕潤(rùn)土壤使團(tuán)聚體破壞和徑流攜帶搬運(yùn)過程使團(tuán)聚體破壞;紗網(wǎng)覆蓋下主要是雨水濕潤(rùn)土壤和徑流攜帶搬運(yùn)使團(tuán)聚體破壞;秸稈覆蓋下團(tuán)聚體的破碎主要是雨水的濕潤(rùn)作用。土壤團(tuán)聚體破碎機(jī)制的不同,必然導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體遷移的差異。表2列出了不同地表?xiàng)l件下侵蝕泥沙中團(tuán)聚體粒級(jí)的分布,圖2描述了各粒級(jí)的流失量。3種地表?xiàng)l件下,<0.25mm粒級(jí)流失占總流失量的50%以上,說明徑流優(yōu)先遷移微團(tuán)聚體,這與黃滿湘等的研究結(jié)果一致。周一楊等利用人工模擬降雨研究了黑土濺蝕與團(tuán)聚體分選特征,發(fā)現(xiàn)典型黑土的濺蝕過程中粒級(jí)>1mm的團(tuán)聚體不易發(fā)生遷移,雨滴主要對(duì)這些粒級(jí)的團(tuán)聚體進(jìn)行拆分作用。本研究中3種地表?xiàng)l件下>1mm粒級(jí)的流失比例低于14%。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),<0.25mm粒級(jí)的流失比例表現(xiàn)為裸露休閑>紗網(wǎng)覆蓋>秸稈覆蓋,而0.25～5mm各粒級(jí)的流失比例表現(xiàn)為秸稈覆蓋>紗網(wǎng)覆蓋>裸露休閑。3種地表?xiàng)l件下,<0.25mm粒級(jí)的流失比例均隨著坡度的增加而降低,說明坡度越大越有利于大顆粒的遷移。由圖2看出,各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的流失量均表現(xiàn)為:裸露休閑>紗網(wǎng)覆蓋>秸稈覆蓋。3種地表?xiàng)l件之間土壤團(tuán)聚體流失差異最明顯的是<0.25mm粒級(jí)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),3種地表?xiàng)l件下各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的流失均隨坡度的增加而增大。紗網(wǎng)覆蓋后,土壤團(tuán)聚體流失較裸露休閑發(fā)生明顯變化的是<0.25mm與>2mm粒級(jí),<0.25mm和>2mm土壤團(tuán)聚體的流失較裸露休閑的分別減少了74.62%和89.26%。裸露休閑與紗網(wǎng)覆蓋之間各粒級(jí)的流失比例及流失量的差異表明,雨滴打擊對(duì)土壤大團(tuán)聚體具有極大的破壞作用。王彬利用LB法研究了薄層黑土團(tuán)聚體的破壞機(jī)制,發(fā)現(xiàn)快速濕潤(rùn)處理所代表的“氣爆”作用對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的破壞最大,而模擬雨滴擊濺作用的機(jī)械振蕩處理對(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞最小。這是因?yàn)閷?shí)際降雨過程中,機(jī)械外力對(duì)團(tuán)聚體破壞是持續(xù)增加的,是一個(gè)能量不斷增加的累積過程,而LB法中的預(yù)濕潤(rùn)振蕩測(cè)定,機(jī)械外力能量只達(dá)到了一個(gè)可以克服土壤中膠結(jié)物質(zhì)影響的較低值,對(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞不大。紗網(wǎng)與裸露休閑處理之間各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的遷移都有較大差異,其中差異最明顯的<0.25mm粒級(jí)的流失比例與流失量較裸露休閑的分別減少41.87%和99%以上。紗網(wǎng)與秸稈覆蓋之間各粒級(jí)分布仍存在明顯差異,其中差異較明顯的是<0.25mm與>1mm粒級(jí)。秸稈覆蓋下<0.25mm粒級(jí)的流失比例較紗網(wǎng)覆蓋的減少39.0%,流失量減少了97.81%;>1mm粒級(jí)的流失較紗網(wǎng)覆蓋的減少了86.03%;兩者間0.25～1mm粒級(jí)的流失差異隨坡度的增加而增大。2.3.2土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量比表面積的特征各粒級(jí)團(tuán)聚體組成比例和流失量并不能直觀地反映出團(tuán)聚體遷移的綜合特征,為此采用平均重量直徑(MWD)、分形維數(shù)(D)和團(tuán)聚體平均重量比表面積(MWSSA)3個(gè)指標(biāo)進(jìn)一步分析。土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)粒徑分布的分形維數(shù)反映了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量對(duì)土壤結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的影響趨勢(shì),即團(tuán)粒結(jié)構(gòu)粒徑分布的分形維數(shù)愈小,則土壤的穩(wěn)定性越高。團(tuán)聚體平均質(zhì)量比表面積是基于土壤界面過程的思想和平均直徑的方法構(gòu)建的。從表3中看出,3種處理下土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑隨著坡度的增加而增大,且秸稈覆蓋下土壤團(tuán)聚體平均重量直徑表現(xiàn)為最大,這可能是由于0.25～1mm團(tuán)聚體的流失比例達(dá)到了35%以上(表2)。說明即使在團(tuán)聚體穩(wěn)定性較高的黑土中,雨滴打擊對(duì)土壤顆粒的分散作用仍較為明顯。閆峰陵研究了紅壤表土團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征及其對(duì)坡面侵蝕過程的影響,發(fā)現(xiàn)紗網(wǎng)覆蓋處理侵蝕泥沙MWD為0.26～0.30mm,顯著高于裸露休閑處理的。分形維數(shù)和平均重量比表面積均表現(xiàn)為:裸露休閑>紗網(wǎng)覆蓋>秸稈覆蓋。分形維數(shù)的差異說明裸露休閑下細(xì)顆粒物質(zhì)含量最多;平均重量比表面積的差異說明裸露休閑下表現(xiàn)為土壤團(tuán)聚體外界面的增加,大團(tuán)聚體被破壞成小團(tuán)聚體的趨勢(shì)更明顯。紗網(wǎng)覆蓋的MWD較裸露休閑的減少33.73%,而D和MWSSA較裸露休閑的均沒有較大差異,說明應(yīng)建立廣泛認(rèn)可且能準(zhǔn)確反映土壤團(tuán)聚體遷移特征的指標(biāo)。秸稈覆蓋處理下D和MWSSA較紗網(wǎng)覆蓋的分別減少5.75%和18.55%。上述結(jié)果表明,地表覆蓋可有效防止團(tuán)聚體的破碎和遷移。3織物上團(tuán)聚體粒級(jí)分布(1)紗網(wǎng)覆蓋與秸稈覆蓋具有削減徑流和抑制產(chǎn)沙的作用,二者的坡面侵蝕量分別較裸露休閑的減少75%與99%以上。不同地表?xiàng)l件下,泥沙濃度隨降雨歷時(shí)呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。(2)3種地表?xiàng)l件下,<0.25mm土壤團(tuán)聚體是主要的流失粒級(jí),其流失量占到流失總量的50%以上。各粒級(jí)的流失量均表現(xiàn)為:裸露休閑>紗網(wǎng)覆蓋>秸稈覆蓋。(3)紗網(wǎng)覆蓋下侵蝕泥沙中