不同地表條件下土壤團聚體遷移特征試驗研究

不同地表條件下土壤團聚體遷移特征試驗研究

在土壤侵蝕過程中，聚集體的遷移是集合體破壞和徑向運動的結(jié)果。降雨過程中,土壤團聚體的破碎主要是雨滴打擊使團聚體破碎和徑流攜帶搬運使團聚體破壞。Hairsine等認為,在侵蝕區(qū)表面存在雨滴剝離分散大團聚體和徑流選擇搬運細顆粒的現(xiàn)象。大量研究表明,土壤侵蝕優(yōu)先使表層土壤水穩(wěn)性大團聚體遭到破壞,相應(yīng)地增加微團聚體的比例。郭志民研究發(fā)現(xiàn)隨著土壤侵蝕程度的加劇,>0.25mm的團聚體有減少趨勢,而0.02～0.25mm的團聚體卻有增加趨勢。郭偉等研究團聚體粒徑對侵蝕泥沙顆粒特性的影響時發(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象,研究不同侵蝕程度地形部位表層土壤水穩(wěn)性團聚體含量,發(fā)現(xiàn)遭受嚴(yán)重侵蝕的坡肩部位表層土壤水穩(wěn)性大團聚體含量明顯減少,而微團聚體含量顯著高于坡頂和坡背的,長期處于沉積狀態(tài)的坡腳部位表層土壤微團聚體明顯增加。濕土中,雨滴打擊造成的土壤團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,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聚體遷移的研究更是鮮見報道。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種地表條件下坡耕地侵蝕過程中不同粒徑土壤團聚體的遷移特征,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試驗材料和方法1.1試驗土及設(shè)備降雨試驗于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)國家重點實驗室人工模擬降雨大廳進行。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。試驗所用土槽為長×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°,試驗土槽下端設(shè)集流裝置采集試驗過程中的徑流泥沙樣。試驗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試驗設(shè)計在土槽,對于原有土壤和沙試驗處理包括: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能99.6%。秸稈覆蓋即在土槽表面均勻鋪設(shè)長約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2個試驗坡度,分別為5°和7.5°。降雨強度是結(jié)合當(dāng)?shù)厍治g性降雨標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計,設(shè)計次侵蝕性降雨強度為100mm/h,歷時1h。為保證良好的透水性,在試驗土槽底部鋪10cm厚細沙。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降雨強度進行前期降雨,以確保每次試驗前土壤含水量一致。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,進行人工模擬降雨,持續(xù)60min。產(chǎn)流后,記錄初始產(chǎn)流時間,并用15L的塑料桶接取徑流泥沙樣,取樣間隔時間為2min。為分析土壤團聚體遷移特征,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土壤團聚體遷移特征采用平均重量直徑(MWD)、分形維數(shù)(D)和團聚體平均重量比表面積(MWSSA)3個指標(biāo)來評價不同地表條件下侵蝕過程中土壤團聚體遷移特征。分形維數(shù)采用楊培嶺等建立的基于不同粒級重量分布的分維模型計算。團聚體平均重量比表面積計算公式為:MWSSA=∑i=1n6wi/ρidi(1)ΜWSSA=∑i=1n6wi/ρidi(1)式中:di為兩篩分粒級di和di+1的平均值(mm);wi為任意大小范圍團聚體的相應(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列出了不同地表條件下的坡面徑流量與泥沙量。從表可看出,徑流量的大小順序為: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等認為在粘粒含量較高且團聚體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的土壤中,雨滴打擊對徑流的產(chǎn)生作用不明顯,這與本文的研究結(jié)果一致。另外,由于本試驗進行了前期降雨,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,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%。秸稈覆蓋對雨水的吸收和對徑流的分散作用,延遲了徑流產(chǎn)生時間,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土壤顆粒的分散;另一方面減弱了徑流的搬運能力。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泥沙的能力;同時秸稈可截留雨水形成低洼蓄水區(qū)使泥沙沉積?？梢?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動力。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),徑流能是泥沙搬運的動力。圖1描述了不同地表條件下徑流泥沙濃度隨降雨歷時的變化。從圖中看出,徑流泥沙濃度的變化趨勢可分為兩類: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,這是因為降雨初期雨滴打擊對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,增強了對顆粒的剪切破壞,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在不同的地表條件下，土壤團聚體的遷移2.3.1土壤團聚體流失特征裸露休閑下團聚體的破碎主要是雨滴打擊使團聚體破壞、雨水濕潤土壤使團聚體破壞和徑流攜帶搬運過程使團聚體破壞;紗網(wǎng)覆蓋下主要是雨水濕潤土壤和徑流攜帶搬運使團聚體破壞;秸稈覆蓋下團聚體的破碎主要是雨水的濕潤作用。土壤團聚體破碎機制的不同,必然導(dǎo)致土壤團聚體遷移的差異。表2列出了不同地表條件下侵蝕泥沙中團聚體粒級的分布,圖2描述了各粒級的流失量。3種地表條件下,<0.25mm粒級流失占總流失量的50%以上,說明徑流優(yōu)先遷移微團聚體,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聚體分選特征,發(fā)現(xiàn)典型黑土的濺蝕過程中粒級>1mm的團聚體不易發(fā)生遷移,雨滴主要對這些粒級的團聚體進行拆分作用。本研究中3種地表條件下>1mm粒級的流失比例低于14%。進一步分析發(fā)現(xiàn),<0.25mm粒級的流失比例表現(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種地表條件下,<0.25mm粒級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,各粒級土壤團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種地表條件之間土壤團聚體流失差異最明顯的是<0.25mm粒級。進一步分析發(fā)現(xiàn),3種地表條件下各粒級土壤團聚體的流失均隨坡度的增加而增大。紗網(wǎng)覆蓋后,土壤團聚體流失較裸露休閑發(fā)生明顯變化的是<0.25mm與>2mm粒級,<0.25mm和>2mm土壤團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)覆蓋之間各粒級的流失比例及流失量的差異表明,雨滴打擊對土壤大團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聚體的破壞機制,發(fā)現(xiàn)快速濕潤處理所代表的“氣爆”作用對團聚體穩(wěn)定性的破壞最大,而模擬雨滴擊濺作用的機械振蕩處理對土壤團聚體的破壞最小。這是因為實際降雨過程中,機械外力對團聚體破壞是持續(xù)增加的,是一個能量不斷增加的累積過程,而LB法中的預(yù)濕潤振蕩測定,機械外力能量只達到了一個可以克服土壤中膠結(jié)物質(zhì)影響的較低值,對土壤團聚體的破壞不大。紗網(wǎng)與裸露休閑處理之間各粒級土壤團聚體的遷移都有較大差異,其中差異最明顯的<0.25mm粒級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分布仍存在明顯差異,其中差異較明顯的是<0.25mm與>1mm粒級。秸稈覆蓋下<0.25mm粒級的流失比例較紗網(wǎng)覆蓋的減少39.0%,流失量減少了97.81%;>1mm粒級的流失較紗網(wǎng)覆蓋的減少了86.03%;兩者間0.25～1mm粒級的流失差異隨坡度的增加而增大。2.3.2土壤團聚體平均質(zhì)量比表面積的特征各粒級團聚體組成比例和流失量并不能直觀地反映出團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)和團聚體平均重量比表面積(MWSSA)3個指標(biāo)進一步分析。土壤團粒結(jié)構(gòu)粒徑分布的分形維數(shù)反映了土壤水穩(wěn)性團聚體及水穩(wěn)性大團聚體含量對土壤結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的影響趨勢,即團粒結(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聚體平均重量直徑表現(xiàn)為最大,這可能是由于0.25～1mm團聚體的流失比例達到了35%以上(表2)。說明即使在團聚體穩(wěn)定性較高的黑土中,雨滴打擊對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聚體穩(wěn)定性特征及其對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)為土壤團聚體外界面的增加,大團聚體被破壞成小團聚體的趨勢更明顯。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)建立廣泛認可且能準(zhǔn)確反映土壤團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聚體的破碎和遷移。3織物上團聚體粒級分布(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。不同地表條件下,泥沙濃度隨降雨歷時呈現(xiàn)不同的變化趨勢。(2)3種地表條件下,<0.25mm土壤團聚體是主要的流失粒級,其流失量占到流失總量的50%以上。各粒級的流失量均表現(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