紫色土碎石分布及其對坡面土壤侵蝕的影響.pdf

1、紫色土廣泛分布于四川盆地、三峽庫區(qū)等地，紫色土地區(qū)土壤肥力高、水熱資源豐富，是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基地。由于紫色土地區(qū)人口密度大，坡地利用強(qiáng)度高，降水集中多暴雨，土壤侵蝕比較嚴(yán)重。含碎石是紫色土的重要特征之一，表土覆蓋或土壤中混合的碎石通過各種途徑直接或間接地影響了土壤侵蝕過程，含碎石土壤有著特有的侵蝕特點(diǎn)。針對紫色土坡地嚴(yán)重的土壤侵蝕退化，開展含碎石紫色土坡面侵蝕特點(diǎn)研究，弄清碎石對土壤侵蝕過程的影響，對制定高強(qiáng)度利用下坡地的水土保持措

2、施，控制坡地土壤流失，合理利用紫色土坡地資源具有重要意義。
　　 本文以三峽庫區(qū)典型紫色土坡地為研究對象，首先采樣調(diào)查了紫色土的碎石含量、容重與孔隙特征等物理性質(zhì)；再根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，運(yùn)用室內(nèi)人工模擬降雨研究了典型碎石混合紫色土坡面降雨侵蝕過程，探討了碎石含量(Rv，0%～30%)與降雨入滲、地表徑流流速演變、地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系；最后還采用野外原位小區(qū)模擬降雨試驗(yàn)，結(jié)合室內(nèi)土槽模擬降雨試驗(yàn)，較系統(tǒng)地分析了不同碎石位置(置于表土上

3、與嵌入表土中)、不同碎石蓋度(Rc，0%～40%)、不同土壤結(jié)構(gòu)(質(zhì)地孔隙土壤和結(jié)構(gòu)孔隙土壤)與不同降雨強(qiáng)度(I，1、1.5、2mm/min)條件下碎石覆蓋對紫色土坡面侵蝕過程的影響。主要結(jié)果有：
　　 1.基本弄清楚了坡耕地紫色土碎石分布特點(diǎn)以及碎石對土壤基本物理性質(zhì)的影響：
　　 (1)紫色土不同土層都含有碎石，碎石含量集中分布在0％～40%，土壤中的碎石以小碎石(5～20 mm)和中碎石(20～76 mm)為主，各

4、土層<76 mm的碎石平均占總碎石的80%以上。
　　 (2)受土壤發(fā)生過程制約，土層深度對碎石含量和碎石粒徑配比有顯著影響。中碎石和大碎石(76～250 mm)及總碎石含量隨著土層加深而增加，小碎石含量沒有顯著變化；同時，隨著土層加深，小碎石含量比減少，中碎石含量比和大碎石含量比增加，碎石等效粒徑增大。
　　 (3)坡度對坡面上影響碎石分布的主控因素具有決定作用，在不同坡度坡面上，影響碎石分布的主控因素不同，故碎石含量

5、隨坡位變化的趨勢不同。在280陡坡面上，重力牽引碎石向坡下滾動或蠕動的作用占主導(dǎo)地位，碎石含量和碎石等效粒徑從坡下(19.5%～54.9%，50～84 mm)到坡上(3.6%～6.6%，18～46 mm)逐漸減小，小碎石、中碎石和大碎石含量具有同樣的變化趨勢。在20°緩坡面上，侵蝕對土壤顆粒的分選作用，即細(xì)土被沖走，碎石被留下，占主導(dǎo)地位，碎石含量從坡下(0.5％～2.0%)到坡上(18.2%～28.3%)逐漸增加，但碎石等效粒徑在坡面

6、上沒有顯著的增加趨勢。
　　 (4)碎石和細(xì)土兩種不同數(shù)量級粒徑顆粒的混合，改變了土壤的結(jié)構(gòu)，碎石含量對土壤的總?cè)葜?、?xì)土容重和孔隙分布等基本物理性質(zhì)有顯著影響。隨著碎石含量的增加，總?cè)葜刂饾u增加，而細(xì)土容重逐漸減小，總孔隙度和毛管孔隙度逐漸減小，而非毛管孔隙度逐漸增加。碎石對土壤結(jié)構(gòu)，特別是孔隙分布的改變是碎石影響水分入滲的根本原因。
　　 2.得到了碎石含量對入滲影響閾值，基本明確了表土層中的碎石混合對紫色土坡面土壤

7、侵蝕的機(jī)制：
　　 (1)土壤中碎石混合對降雨入滲有正負(fù)兩方面的影響，一方面由于碎石的不透水性，碎石的存在減少過水?dāng)嗝?，阻礙水分入滲，另一方面碎石與細(xì)土不能緊密結(jié)合，增加了土壤的非毛管孔隙度，促進(jìn)水分入滲。當(dāng)碎石含量(Rv)小于20%～30%時，碎石的存在增強(qiáng)了土壤入滲能力，即碎石增加非毛管孔隙度，促進(jìn)水分入滲的作用占優(yōu)勢，隨著碎石含量的增加，土壤的入滲速率和累積入滲量分別從0.14mm/min、14.25 mm(Rv=0%)提

8、高到0.18 mm/min、19.19 mm(Rv=20%)。當(dāng)碎石含量提高到30%時，土壤的入滲能力被削弱，即碎石阻礙水分入滲的作用占優(yōu)勢，土壤的入滲速率和累積入滲量分別降到0.12 mm/min與11.59 mm。
　　 (2)土壤中碎石混合通過不同的機(jī)制對坡面細(xì)溝間徑流流速和細(xì)溝徑流流速產(chǎn)生不同的影響。土石混合的土壤，碎石是嵌入表土中的，地表薄層水流集中在碎石之間的表土，隨著碎石含量的增加，細(xì)溝間徑流平均流速從4.0 cm

9、/s(Rv=0%)提高到5.7 cm/s(Rv=30%)；但當(dāng)細(xì)溝間區(qū)域轉(zhuǎn)化為細(xì)溝后，溝內(nèi)的碎石逐漸出露，隨著碎石含量增加，細(xì)溝徑流的水力糙度提高，細(xì)溝徑流的平均流速隨著逐漸降低，從16.0 cm/s(Rv=0%)降低到11.2 cm/s(Rv=30%)。
　　 (3)土壤中碎石混合通過改變土壤的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤的抗蝕性和抗沖性，徑流含沙率隨著碎石含量的增加顯著降低。隨著碎石含量增加，土壤流失量減少，土壤侵蝕平均速率從1

10、55g/(m2·min)(Rv=0%)降低到29g/(m2·min)(Rv=30%)。相對土壤流失率(含碎石土壤的流失量與不含碎石土壤的流失量的比值，Rsl)與碎石含量(Rv)呈極顯著指數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系：Rsl=a·exp(-b·Rv)。
　　 3.得出了不同碎石位置、土壤結(jié)構(gòu)、降雨強(qiáng)度等條件下，表土碎石覆蓋與紫色土坡面土壤侵蝕的關(guān)系，確定了坡耕地表土碎石覆蓋減少土壤流失的水土保持功能：
　　 (1)表土碎石覆蓋與土壤侵蝕相

11、關(guān)參數(shù)的關(guān)系受到碎石覆蓋方式即碎石位置和土壤結(jié)構(gòu)的影響，并不是所有的碎石覆蓋都能減少地表產(chǎn)流產(chǎn)沙量。在質(zhì)地孔隙土壤即過篩擾動細(xì)土上，當(dāng)碎石置于表土上時，部分或全部石上流(雨水落在碎石上形成的徑流)被碎石覆蓋下的表土吸收，土壤入滲量增加，隨著碎石蓋度提高，地表產(chǎn)流產(chǎn)沙量減少；當(dāng)碎石嵌入表土中時，全部石上流流入碎石間表土形成地表徑流，土壤入滲量減少，隨著碎石蓋度提高，地表產(chǎn)流產(chǎn)沙量增加。嵌入表土中碎石覆蓋土壤的地表產(chǎn)流產(chǎn)沙量一般較置于表土上

12、碎石覆蓋土壤的地表產(chǎn)流產(chǎn)沙量高。
　　 (2)在結(jié)構(gòu)孔隙土壤上，不同降雨強(qiáng)度條件下，置于表土上的碎石覆蓋對土壤侵蝕過程相關(guān)參數(shù)都有顯著影響。首先，碎石覆蓋具有效調(diào)節(jié)降雨分配的功能。碎石覆蓋提高了表土粗糙度，增加了地表洼蓄水深，并保護(hù)表土結(jié)構(gòu)免受雨滴擊濺破壞，維護(hù)土壤入滲性能，三種降雨強(qiáng)度下，穩(wěn)定入滲速率分別從0.28、0.33、0.40mm/min(Rc=0%)增加到0.71、0.85、0.94 mm/min(Rc=40%)。隨

13、著碎石蓋度增加，地表產(chǎn)流時間延長，而壤中流產(chǎn)流時間縮短，地表徑流系數(shù)逐漸降低，而壤中流系數(shù)和深層入滲系數(shù)逐漸增加。碎石覆蓋保護(hù)表土免受雨滴濺蝕和徑流的沖刷，隨著碎石蓋度增加，徑流含沙率從39～51 g/L(Rc=0%)降低到10～15 g/L(Rc=40%)。碎石覆蓋通過減少地表徑流量和表土可蝕土壤，抑制了土壤流失。不同降雨強(qiáng)度下，相對土壤流失量隨碎石蓋度呈顯著的指數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系：Rsl=a·exp(-b·Rc)。同時，碎石覆蓋對土壤侵蝕