黄土丘陵区冻融对土壤抗冲性及相关物理性质的影响.pdf
《黄土丘陵区冻融对土壤抗冲性及相关物理性质的影响.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《黄土丘陵区冻融对土壤抗冲性及相关物理性质的影响.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 29 卷 第 17 期 农 业 工 程 学 报 Vol.29 No.17 2013 年 9 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep.2013 105 黄土丘陵区冻融对土壤抗冲性及相关物理性质的影响 李 强1,刘国彬1,2,许明祥1,2,孙 会3,张 正2,高丽倩1(1.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌 712100;2.西北农林科技大学水土保持研究所,杨凌 712100;3.中国科学院安塞水土保持综合试验站,安塞 717400)摘 要:在股状水流侵
2、蚀比较发育的黄土丘陵区,土壤可蚀性主要依赖于土壤抗冲能力。为了揭示季节性冻融对土壤抗冲性的影响,该文借助模拟冲刷试验,设置了裸地对照(CK)、黑麦草传统密度(LD)和加倍密度(HD)3 种处理,测定并分析了冻融前后土壤物理性质及其抗冲性。结果表明,与冻融前相比,表层土壤容重、团聚体含量和根系密度在 3 个处理中均未发生显著变化(P0.05),土壤黏聚力略有下降,而崩解速率在处理 CK、LD和 HD 中分别增加了 20.6%、18.8%和 7.3%。冻融作用延后了 3 个处理的主要产沙时间,降低了土壤抗冲能力,增加了冲刷中途泥沙流失速率。与未冻融相比,冻融作用增加了处理 CK 和 LD 泥沙流失
3、量为 19.41%和 6.70%,但对处理 HD 影响较小(P0.05)。冻融和根系共同作用在 LD 和 HD 处理上分别减少土壤流失量为 3.72%和49.39%。该研究期望对完善土壤侵蚀机理提供一定的参考价值。关键词:土壤,侵蚀,物理性质,冻融作用,土壤抗冲性,根系,黄土丘陵区 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2013.17.014 中图分类号:S157.1 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2013)-17-0105-08 李 强,刘国彬,许明祥,等.黄土丘陵区冻融对土壤抗冲性及相关物理性质的影响J.农业工程学报,2013,29(17):105112
4、.Li Qiang,Liu Guobin,Xu Mingxiang,et al.Effect of seasonal freeze-thaw on soil anti-scouribility and its related physical property in hilly Loess PlateauJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29(17):105112.(in Chinese with English abstract)0
5、引 言 冻融是指土层由于温度降到 0 以下和升至 0以上而产生冻结和融化的一种物理地质作用和现象1。这种由于温度的变化造成的冻融交替所引起的土壤、岩石性质发生变化,进而造成的侵蚀作用,定义为冻融侵蚀2。季节性冻融一般为冬季冻结,夏季消融。一冻一融对土壤的理化和生物学性质均产生直接或间接影响3-4。黄土丘陵区地处温带内陆,年 0 以下天数约105125 d,大致是年总天数的 1/3。多年平均年降雨量集中在 450550 mm,具备季节性冻融作用发生的气候条件5。通常情况下,该区土壤冻融前即为本年土壤水力侵蚀的结束,而冻融后是来年土壤水力侵蚀的开始6。有研究表明,在可蚀条件下,季节性冻融影响土壤容
6、重、渗透性、收稿日期:2013-05-06 修订日期:2013-07-15 基金项目:中国科学院战略性先导科技专项(XDA05060300)。作者简介:李 强(1986),男,陕西子洲人,博士生。主要研究方向:土壤侵蚀。杨凌 中国科学院水利部水土保持研究所,712100。Email: 通信作者:刘国彬(1958),男,博士,陕西榆林人,研究员,主要从事流域生态系统管理研究。杨凌 中国科学院水利部水土保持研究所,712100。Email: 含水量、养分有效性及土壤结构稳定性等,从而增大土壤侵蚀发生的几率7-8。Kirkby 等9研究认为温带地区年土壤流失量的 50%以上都发生在冻土层解冻时期。因
7、此,探讨冻融前后不同处理下土壤性质如何变化一直是土壤、植物和侵蚀等相关学者关注的热点之一。土壤抗冲性是指土壤抵抗外营力机械破坏作用的能力,是土壤抗侵蚀性能的重要方面10。在股状水流侵蚀比较发育的黄土丘陵区,土壤抗侵蚀性能主要依赖于土壤抗冲能力。早在 60 年代初,朱显谟院士依据黄土高原土壤侵蚀的特征,认为土壤抗冲性的研究是揭示黄土高原土壤侵蚀规律的关键11。尽管前人对黄土丘陵区夏、秋季节土壤侵蚀过程作了大量的研究,但是关于季节性冻融与土壤抗侵蚀之间的关系研究较少12。基于以上原因,为了揭示季节性冻融对土壤抗冲性及相关物理性质的影响,本文借助模拟冲刷试验,选取裸地对照(CK)、黑麦草传统密度(L
8、D)和加倍密度(HD)3 种处理,测定并分析了冻融前后土壤抗冲性及相关物理性质变化。以期为完善土壤侵蚀机理提供一定的参考价值。农业工程学报 2013 年 106 1 材料与方法 1.1 供试土壤 本试验是在中国科学院安塞水土保持实验站(1091923E,365130N)进行,属于典型的黄土丘陵区。年平均降雨量为 505.3 mm,年平均气温为8.8,一月份平均气温为-7。试验期间不同处理表层土壤(5 cm)温度见图 1。土壤温度测定是自冻融前冲刷试验当天开始,每隔 5 d 测定 1 次,测定时间为当天下午 18:00。每种处理均设置 2 个重复地温计测定地温(HY-1 型号,南京海洋仪表厂)。
9、注:试验期间为 2012 年 10 月 26 日至 2013 年 3 月 23 日。Note:Experiment measurement was from 26th Oct.,2012 to 23ed Mar.,2013 图 1 试验期间各处理表层土壤(5 cm)温度变化 Fig.1 Changes in topsoil temperature during experiment span 供试土壤为当地坡耕地表层土壤(25 cm)。土壤基本性质:土壤类型为黄绵土,粉砂壤土,砂粒(0.052.00 mm)质量分数占 23.0%,粉粒(0.020.05 mm)质量分数占 65.2%,黏粒(0.
10、02 mm)质量分数占 11.8%,pH 值 8.5,有机质质量分数3.77 g/kg。1.2 试验处理和样品采集 本文设置了裸地对照(CK)、黑麦草传统密度水平 LD(low density,2.1 g/m2)和加倍密度水平HD(high density,4.2 g/m2)3 个处理。每个处理 4个重复。试验在小区内进行,坡度为 15,小区规格为 1.8 m0.6 m0.3 m,共 12 个小区。供试土壤经自然风干、过 5 mm 筛后按容重 1.28 g/cm 分层装土。待装土全部结束后在室外自然状态下放置一周,土壤适应土槽环境后测定土壤容重、崩解速率等指标作为初始值。在此过程中避免土壤受到
11、外界干扰,如压实、降雨等。然后,在每一个土槽表面铺一层细沙布,充分洒水后静置,待土壤潮湿而不粘结时(2012 年 5 月 6 日)按试验设计播种黑麦草草籽。试验期间各个小区的杂草是通过人工及时拔掉处理,在此过程中尽量减少对土壤的扰动。冻融前黑麦草最大根系分布深度在处理 LD 和 HD 分别为 15.1 和 13.9 cm。冻融前后(即表层土壤温度降到 0 前和升至 0 后)土壤样品采集时间分别为 2012年 10 月 26 日和 2013 年 3 月 23 日。土壤抗冲性指标的获取采用原状土冲刷法。用20 cm10 cm10 cm(长宽高)的特制取样器在土槽内采集原状土样,取样深度为 10 c
12、m,每个处理 4 个重复。即在每个土槽内采集一个待冲刷样品。为了减少采样过程对土壤的扰动,用锋利的剖面刀在取样器外缘沿土壤表面接触处垂直下切,引导取样器切入土壤。然后,铲掉取样器周边土壤,将取样器完整取出,用剖面刀沿取样器底部将土样削平后垫上带小孔铝制底片,再用保鲜膜密封,尽力避免土样流失。另外,在搬运取样器过程中,将带有铝制底片的一端朝下,保持取样器内土样完整。1.3 模拟冲刷及指标测定 将带回的取样器连同铝制底片置于水盘中,水面高度为 5 cm,水是从铝制底片小孔自下而上浸润土壤 12 h 直至达到饱和。然后,将饱和的土样轻轻置于铁架台上 8 h 去除土壤重力水后进行抗冲试验。冲刷槽尺寸为
13、 2 m0.1 m(长宽,见图 2)13,坡度为 15,用当地标准径流小区(20 m5 m)产生的最大径流量来计算单位流量为冲刷流量,即4.0 L/min,冲刷时间为 15 min。自产流后的前 3 min用径流桶每 1 min 收集一次水流泥沙样,随后每2 min 收集 1 次径流,共 9 次取样。冲刷结束后称量各个桶内的径流泥沙量,然后将径流桶静置澄清,泥沙沉淀完全后倒掉上层清液,剩余泥水样转移至铁盒内,置于烘箱中 105烘干称质量,测定冲刷泥沙质量(g)。在本试验过程中部分取样器的土壤因水流冲刷作用发生垂直穿透现象,当土壤被穿透立即停止冲刷,表示本次冲刷失败。抗冲系数计算为每冲刷掉 1
14、g 的烘干土所需水量,用 AS(anti-scouribility)表示,L/g。AS 愈大,土壤的抗冲性愈强。ftASW=(1)式中,f 为冲刷流量,L/min;t 为冲刷时间,min;W 烘干泥沙质量,g 植物根系生物量的获取是将做完抗冲试验的含根土壤样品在筛网上反复冲洗,将土壤中所有的根系洗出,置入 80烘箱中,烘干至恒定质量(g),再分别称其质量并记录。根系密度,用 RD(root density)表示,计算采用公式(2)DMRDV=(2)式中,MD为根系烘干质量,kg;V 为采样器体积,m3。土壤容重采用环刀法测定。土壤水稳性团聚体第 17 期 李 强等:黄土丘陵区冻融对土壤抗冲性及
15、相关物理性质的影响 107 采用沙维诺夫湿筛法测定14。土壤抗剪强度采用南京土壤仪器厂有限公司制造的 ZJ-1 型大型直接剪切仪。直剪试验的剪切速率为 0.8 mm/min,分别施加 100、200、300 和 400 kPa 4 种垂直压力,量力环率定系数分别为 1.784、1.703、1.799 和 1.793。土壤黏聚力 C 和内摩擦角 的计算采用库伦定律15。土壤崩解速率(cm3/min)计算采用蒋定生等设计的浮筒法原理16。试验观测时间为 30 min,其计算采用公式(3)0tllvat=(3)式中,v 为单位时间内所崩解的试样体积,cm3/min;l0为试样浸入水中时浮筒的起始读数
16、;lt为试样完全崩解时或第 30 分钟时的浮简读数;t 为试样完全崩解时的时间或者是土样未崩解完的第 30 分钟时间,min;a 为体积换算系数,为 1.276。注:1.取样器 2.冲刷槽 3.土样室 4.径流桶 5.支撑板 6.可调支架 7.溢水口 8.储水桶 9.玻璃管 10.阀门 11.供水管 12.缓冲水槽.Note:1.Sampling box 2.Scouring flume 3.Chamber for soil samples 4.Runoff bucket 5.Pedestal and bracket 6.Support for adjusting gradient 7.Sur
17、plus water outlet 8.Storage reservoir 9.Glass pipe 10.Stopcock 11.Water-supply pipe 12.Water buffer chamber.图 2 土壤抗冲试验装置图 Fig.2 Schematic diagram of soil anti-scouribility experimental set-up(not to scale)1.4 参数确定及方法 在本研究中,假定季节性冻融前后土壤流失量的变化是由冻融、根系或二者共同作用引起的。为了易于比较,本文选取冻融前对照小区泥沙流失量(CSb)为参照。于是,冻融对土壤流失
18、量的影响在对照小区(Y1,%)和含根小区(Y2,%)可以通过公式(4)和公式(5)计算得到。当 Y1(或 Y2)为正,且数值越大意味着冻融作用增加 CK 小区(或含根小区)泥沙流失量越大,反之则越小。同时,冻融和根系对土壤流失量的共同影响(Y3,%)可以通过公式(6)计算得到。123-100%4-100%5-100%6abbabbabbCSCSYCSRSRSYRSRSCSYCS=()()()式中,CSb和 CSa分别代表冻融前后对照小区泥沙流失量,g;RSb和 RSa分别代表冻融前后含根小区(LD 或 HD)泥沙流失量,g。当 Y3数值为负,且绝对值越大意味着冻融和根系对减少土壤流失量的共同影
19、响越大,反之则越小。数据分析采用SPSS15.0 统计软件,差异显著性检验采用 LSD 法(P0.05,双尾)。2 结果与分析 2.1 不同处理冻融前后土壤物理性质及根系密度的变化 土壤环境变化能够影响土壤结构性质17。从表1 可以看出,初始土壤因人工混合过筛扰动,土壤性质在不同处理小区均无显著差异(P0.05)。随着黑麦草的生长,在根系的作用下,与 CK 相比,处理 LD 和 HD 的土壤物理性质发生了变化,不同处理之间土壤容重(除冻融后)、1 mm 团聚体含量、黏聚力、崩解速率和根系密度均达到统计学显著差异。与初始土壤容重相比,含根小区土壤容重在冻农业工程学报 2013 年 108 融前略
20、有下降,冻融后有所增加。土壤水稳性团聚体是反映土壤抵抗水力分散的能力,是土壤抗侵蚀性的评价指标之一18。良好的土壤结构往往依赖于110 mm 水稳性团聚体19。与冻融前相比,黑麦草传统密度处理(LD)和加倍密度处理(HD)土壤 110 mm 水稳性团聚体含量略有下降(4.7%和2.4%)。土壤抗剪强度从土壤侵蚀的角度来讲是指在剪应力的作用下,土壤颗粒或土壤团粒因持续剪切而引起的剪切变形及变形破坏的阻力。当降雨冲击力超过土壤抗剪强度时便产生一个剪切面,引发土壤的分解作用,从而导致土壤侵蚀的发生20。土壤黏聚力(C)是土壤抗剪强度的表征参数之一。通常情况下,土壤 C 值越大,土壤颗粒内部及颗粒间的
21、凝聚力就越大,土壤抗冲性越强16。从表 1 可以看出,与冻融前相比,土壤 C 在处理 LD 下降了7.5%,而在处理 HD 却增加了 6.8%。但其变化均未达到统计学显著差异水平(P0.05)。土壤崩解是指土壤在水中发生分散、碎裂、塌落或强度减弱的现象。土壤崩解速率越大,意味着土壤在水中被分散、碎裂、塌落得越快,给径流提供的松散物质就越多,产生土壤侵蚀的几率就越大21。与冻融前相比,土壤崩解速率在处理 CK 和 LD 上显著增加,分别增加了 20.6%和18.8%,而在处理 HD 增加了 7.3%,没有达到统计学显著差异水平(P0.05)。这一结果表明季节性冻融能够通过增加土壤崩解速率来提高土
22、壤侵蚀的几率。不同处理中根系密度在冻融前后均无显著变化(P0.05)。表 1 冻融前后不同处理土壤物理性质及根系密度的变化 Table 1 Changes in soil physical properties and root density in fallow and root pans 容 重 Bulk density/(g kg-1)1 mm 团聚体质量分数Aggregate/%黏聚力 Cohesion/kPa 处理 Treatment 初始值IV 冻融前BFT 冻融后AFT初始值IV 冻融前BFT冻融后AFT初始值IV 冻融前BFT 冻融后AFT对照CK 1.28 0.02 a 1.
23、25 0.03 a 1.26 0.02 a44.3 2.2 a 43.5 2.9 a45.2 2.3 a-2.1 0.13 a 2.4 0.18 a传统密度 Low density 1.28 0.02 a 1.17 0.03 b 1.24 0.04 a45.7 1.9 a 66.8 2.1 b 63.7 3.2 b-4.0 0.20 b 3.7 0.23 b加倍密度 High density 1.28 0.01 a 1.19 0.02 b 1.22 0.03 a44.6 2.0 a 74.3 1.9 c72.5 2.4 c-4.4 0.19 c 4.7 0.15 c注:IV-initial v
24、alue,BFT-before frozen-thaw,AFT-after frozen-thaw;数据为4个重复的平均值标准差。同一列不同字母表示差异显著(P 0.05)。土壤指标初始值和冻融前后数值的测定时间分别是2012年5月6日、10月27日和2013年3月24日。下同。Note:Data were means of four replicates standard deviations.Different small letters within same column indicate significant at P 0.05.Values of soil indicators
25、were determined on 6th May,2012,27th Oct.,2012 and 24th Mar.,2013,respectively.The same as below.表 2 冻融前后不同处理的土壤崩解速率和根系密度的变化 Table 2 Changes of disintegration and root density in fallow and root pans 崩解速率 Disintegration(cm3min-1)根系密度 Root density/(kgm-3)处理Treatment 初始值IV 冻融前BFT 冻融后AFT 初始值IV 冻融前BFT 冻
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 黄土 丘陵 区冻融 土壤 抗冲性 相关 物理性质 影响
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【二***】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【二***】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。