黄土和红壤坡面侵蚀差异及其与土壤性质的关系.pdf
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1、第3 7卷第4期2 0 2 3年8月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 1-0 9 资助项目:国家自然科学基金项目(5 1 3 6 9 0 0 9);广西重点研发计划项目(桂科A B 2 1 0 7 5 0 0 7);广西自然科学基金项目(2 0 2 1 G X N S F AA 1 9 6 0 5 5)第一作者:金鑫(1 9 6 7-),男,博士,教授,主要从事土壤侵蚀机制研究。E-m a i l:j i
2、n x i n 1 3 9 01 6 3.c o m 通信作者:宋颖(1 9 7 0-),女,硕士,高级实验师,主要从事水文物理规律研究。E-m a i l:4 0 2 3 5 5 5 0 5q q.c o m黄土和红壤坡面侵蚀差异及其与土壤性质的关系金 鑫1,2,翟 婷1,2,汪 蓬3,宋 颖1,汤珊珊1,郑添元1,2,谢泽龙1,2(1.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室,广西 桂林5 4 1 0 0 4;2.桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心,广西 桂林5 4 1 0 0 4;3.湖北水总工程勘察设计有限公司,武汉4 3 0 0 7 0)摘要:为探究黄土
3、和红壤侵蚀受雨强和坡度影响的差异及其与土壤性质的关系,通过测定分析黄土和红壤的各种理化性质,并分别对2种土壤在2个坡度(1 5,2 0)、2个雨强(6 0,9 0mm/h)条件下开展4场降雨。结果表明:(1)与红壤相比,黄土的土壤颗粒更细,二者的毛管孔隙度、饱和含水量和田间持水量相差均在3%6%以内,干筛时各粒级团聚体相差不大,但经湿筛破坏后二者团聚体差异较大,红壤的相对机械破碎指数(RM I)小于黄土,黄土有机质含量、阳离子交换量和络合态氧化物含量均高于红壤,无定形氧化物和游离氧化物则低于红壤;(2)同雨强、同坡度条件下,黄土产流时间均短于红壤,产流开始后,红壤比黄土先达到稳定径流率,不同雨
4、强、坡度条件下,红壤稳定径流率为3 01 2 0m L/s,黄土为1 0 02 2 0m L/s,且在相同坡度、雨强范围内,红壤径流率变化层次分明,黄土则交错复杂;(3)红壤的产沙率和径流含沙率都较低,且多在产流几分钟即出现产沙率最大值,黄土产沙率则和径流率类似,在产流前期快速增长,1 0m i n之后开始波动变化,再进入相对稳定产沙阶段,产沙率和径流含沙率随雨强和坡度的变化复杂;(4)不同土壤自身理化性质是影响坡面侵蚀的内在因素,与黄土相比,红壤的下渗能力更好,土壤抵抗径流剪切和剥蚀的能力更强,使得在同雨强、同坡度条件下红壤的侵蚀程度远低于黄土,规律性也更显著。关键词:雨强;坡度;土壤性质;
5、侵蚀中图分类号:S 1 5 7.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 4-0 1 1 8-0 6D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 4.0 1 6D i f f e r e n c eo fS l o p eE r o s i o nB e t w e e nL o e s sa n dR e dS o i l a n dI t sR e l a t i o n s h i pw i t hS o i lP r o p e r t i e sJ I NX i n1,2,Z HA IT
6、 i n g1,2,WANGP e n g3,S ONGY i n g1,T ANGS h a n s h a n1,Z HE NGT i a n y u a n1,2,X I EZ e l o n g1,2(1.G u a n g x iK e yL a b o r a t o r yo fE n v i r o n m e n t a lP o l l u t i o nC o n t r o lT h e o r ya n dT e c h n o l o g y,G u i l i nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,G u i l i
7、 n,G u a n g x i5 4 1 0 0 4;2.C o l l a b o r a t i v eI n n o v a t i o nC e n t e r f o rW a t e rP o l l u t i o nC o n t r o la n dW a t e rS a f e t yi nK a r s tA r e a,G u i l i nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,G u i l i n,G u a n g x i5 4 1 0 0 4;3.H u b e iS h u i z o n gE n g i n
8、 e e r i n gS u r v e ya n dD e s i g nC o.,L t d.,W u h a n4 3 0 0 7 0)A b s t r a c t:I no r d e r t oe x p l o r e t h ed i f f e r e n c eo f l o e s s a n d r e ds o i l e r o s i o na f f e c t e db y r a i n f a l l i n t e n s i t ya n ds l o p ea n d i t s r e l a t i o n s h i pw i t hs o
9、i lp r o p e r t i e s,v a r i o u sp h y s i c a l a n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f l o e s sa n dr e ds o i lw e r em e a s u r e da n da n a l y z e d,a n df o u r r a i n f a l l e v e n t sw e r ec a r r i e do u to nt h et w os o i l su n d e r t w os l o p eg r a d i e n t s(1 5,2 0
10、)a n dt w or a i n f a l l i n t e n s i t y(6 0,9 0mm/h).T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t:(1)C o m p a r e dw i t hr e ds o i l,s o i l p a r t i c l e so f l o e s sw e r e f i n e r,a n dt h ed i f f e r e n c e s i nc a p i l l a r yp o r o s i t y,s a t u r a t e dw a t e rc o n t e n ta
11、 n df i e l dw a t e rh o l d i n gc a p a c i t yb e t w e e n l o e s s a n dr e ds o i lw e r ew i t h i n3%t o6%.T h e r ew a sn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nt h ea g g r e g a t e so f e a c hs i z eo fd r ys i e v i n g,b u t t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ea g g r e g
12、 a t e so f t h et w ow a s l a r g ea f t e r t h ed e s t r u c t i o no fw e t s i e v i n g.T h e r e l a t i v em e c h a n i c a l f r a g m e n t a t i o n i n d e x(RM I)o f r e ds o i lw a s l o w e rt h a nt h a to f l o e s s.T h eo r g a n i cm a t t e rc o n t e n t,c a t i o ne x c h a
13、 n g ec a p a c i t ya n dc o m p l e xo x i d ec o n t e n to f l o e s sw e r ea l lh i g h e r t h a nt h a to f r e ds o i l,w h i l ea m o r p h o u so x i d ea n df r e eo x i d ew e r e l o w e r t h a nt h a to f r e ds o i l.(2)U n d e r t h es a m er a i n f a l l i n t e n s i t ya n ds l
14、 o p ec o n d i t i o n s,t h er u n o f fg e n e r a t i o nt i m eo f l o e s sw a ss h o r t e rt h a nr e ds o i l,a f t e r t h es t a r t o f r u n o f f,r e ds o i l r e a c h e das t a b l e r u n o f f r a t eb e f o r e l o e s s.U n d e rd i f f e r e n t r a i ni n t e n s i t ya n ds l
15、o p ec o n d i t i o n s,t h es t a b l er u n o f f r a t eo f r e ds o i l r a n g e df r o m3 0t o1 2 0m L/s,w h i l et h a to fl o e s sw a sb e t w e e n1 0 0t o2 2 0m L/s.A n dw i t h i nt h i s r a n g eo f s l o p ea n dr a i n i n t e n s i t y,t h e r u n o f f r a t eo f r e ds o i l v a
16、r i e di nd i s t i n c tl a y e r s,w h i l et h a to fl o e s sw a ss t a g g e r e da n dc o m p l e x.(3)T h es e d i m e n ty i e l da n dr u n o f f s a n dc o n t e n t r a t eo fr e ds o i lw e r eb o t hl o w,a n dt h em a x i m u ms e d i m e n ty i e l dr a t eu s u a l l yo c c u r r e d
17、w i t h i na f e wm i n u t e s o f r u n o f f.T h e s a n dy i e l d r a t eo f l o e s sw a s s i m i l a r t o t h e r u n o f f r a t e,i t i n c r e a s e d r a p i d l yi nt h ee a r l ys t a g eo fr u n o f f,a n dt h e nb e g a nt of l u c t u a t ea f t e r1 0 m i n u t e s.Wh e ni te n t
18、e r e dt h es t a g eo fr e l a t i v e l ys t a b l es e d i m e n ty i e l d,t h es a n dy i e l dr a t ea n dr u n o f fs e d i m e n tr a t ec h a n g e dc o m p l i c a t e d w i t hr a i n f a l l i n t e n s i t ya n ds l o p e.(4)D i f f e r e n tp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e
19、r t i e so fs o i lw e r et h ei n t e r n a l f a c t o r sa f f e c t i n gs l o p ee r o s i o n.C o m p a r e dw i t hl o e s s,r e ds o i lh a db e t t e r i n f i l t r a t i o nc a p a c i t ya n ds t r o n g e rr e s i s t a n c et or u n o f f s h e a ra n dd e n u d a t i o n.T h ee r o s
20、i o nd e g r e eo fr e ds o i lu n d e rt h es a m er a i n f a l l i n t e n s i t ya n ds l o p ec o n d i t i o nw a sm u c hl o w e r t h a nt h a to f l o e s s,a n dt h er e g u l a r i t yw a sm o r eo b v i o u s.K e y w o r d s:r a i n i n t e n s i t y;s l o p e;s o i l p r o p e r t i e s
21、;e r o s i o n 土壤侵蚀是引起土地退化的主要因素之一1,并可能造成其他环境问题2。降雨强度和坡度作为影响侵蚀的2个常见外部因素,一直是土壤侵蚀研究的热点之一3。对紫色土侵蚀过程的研究4-5显示,坡度和降雨强度均为坡面侵蚀的主要影响因子,随着坡度和降雨强度的增加,径流率和产沙量也增加,且主要侵蚀因子也由坡度转变为雨强。对黄土坡面土壤侵蚀过程的研究6则表明,雨强是坡面产流产沙的主要影响因素,径流率对坡度的变化敏感性不高,坡面产沙量随坡度的增加呈现先增加后减小的趋势,存在1 5 临界坡度。而对华南红壤侵蚀的研究7发现,雨强和坡度共同影响坡面产沙过程,1 5 附近出现临界坡度,红壤侵蚀过
22、程中雨强为主要影响因素。上述雨强和坡度对不同土壤侵蚀影响存在一定差异的结果,表明土壤自身理化性质是影响侵蚀的重要内因。以往研究8发现,0.0 1mm以下的物理性黏粒含量越多,土壤结构稳定性越强;较大颗粒(1mm)的移动所需的动力较大,难流失,最易流失的是粗粉粒和细粉粒9;土壤有机质含量高,土壤间的孔隙比较多,通透性要好,水流在土壤中流动的阻力小,入渗速度快,使得土壤入渗增强1 0;土壤的总孔隙度是承载降水的主要蓄水库,土壤的总孔隙度决定暴雨降水量下渗和形成地表径流的比重,因而也间接地决定暴雨对土壤的侵蚀强度1 1;土壤非毛管孔隙由于孔径较大,在降雨时能快速暂时贮存降水,减缓地表径流,是影响土壤
23、侵蚀的重要影响因子1 2;土壤团聚体稳定度可以用来评价土壤的抗蚀性能1 3;坡面土壤侵蚀量和径流强度与土壤团聚 体稳定性存在显著负相关关系,且不同团聚体稳定性指标与二者相关程度存在差异,其中湿筛团聚体平均重量直径(MW D)和 0.2 5mm水稳性团聚体含量(WS A 0.2 5)与侵蚀量和径流强度相关程度最高1 4;土壤氧化物中游离氧化物对团聚体的胶结能力最强1 5;氧化铁是主要胶结物质1 6;土壤阳离子交换量和土壤有机质存在显著的负相关关系,水蚀区土壤分离能力可用水流剪切力、粉粒、阳离子交换量和土壤有机质很好地模拟1 7。黄土高原和华南红壤区均是我国水土流失的严重区域,不同气候环境和成土母
24、质使得2种土壤性质存在差异,进而影响侵蚀过程,但在以往研究中未能对2种土壤的理化性质和降雨侵蚀的关系作详细的分析。本文通过测定2种土壤不同的理化性质,以及其在1 5,2 0 2个坡度和6 0,9 0mm/h2个雨强下坡面径流、侵蚀的变化情况,探究雨强、坡度2个外因对不同土壤侵蚀影响的差异及其与土壤自身理化性质的关系,以期为深化土壤侵蚀研究提供参考。1 试验设计与研究方法1.1 试验设计本试验在桂林理工大学降雨实验大厅进行。试验采用人工模拟坡面降雨,降雨装置由土槽与人工模拟降雨器2个部分组成,土槽为钢质,尺寸长宽高为4m1.2m0.8m,土槽坡度可以自动调节,变化范围为03 0,土槽尾部设有出水
25、口,用来收集坡面径流;人工模拟降雨器为全自动不锈钢模拟降雨器,配有旋转下喷式喷头,为带压力垂直下喷式降雨,喷头距土槽的高度为6m,雨滴的中值粒径及降雨动能与自然降雨条件较为接近1 8。为研究不同雨强和坡度对2种土壤的径流、侵蚀的差异,综合考虑2种土壤所在区域的降水量和地形,试验设计在1 5,2 0 2个坡度和6 0,9 0mm/h2个雨强下,两两组合分别进行4场降雨试验。1.2 研究方法试验用土分别是取自黄土高原具有代表性的陕911第4期 金鑫等:黄土和红壤坡面侵蚀差异及其与土壤性质的关系西榆林岔巴沟的黄土和中国南方广西桂林由第四纪红黏土母质发育而成的典型红壤。对采集回来的黄土及红壤首先在实验
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