丹江口库区典型小流域土壤可蚀性及团聚体稳定性分析

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侵蚀是导致全球土壤退化、土壤质量降低的原因之一。土壤中有机质颗粒、矿物质及其相关污染物等的剥离、运移和沉积过程通常会加剧土壤侵蚀的程度,从而造成水库的水质污染,引起降低水库储水量、使用效率和年限等一系列问题。丹江口库区作为南水北调中线的水源,其水库周围的土壤侵蚀状况直接决定着水质的好坏。随着人类活动干预的增加,其土地利用方式发生巨大的改变,从而间接对库区周围的土壤侵蚀程度产生一定的影响。因此,从土地利用方面对土壤侵蚀展开研究,揭示丹江口库区典型小流域侵蚀发展规律,有效控制水土流失,确保南水北调工程的生态效益和水质安全。本文以丹江口库区典型小流域五龙池流域为研究区域,选取区域内4种土地利用类型(林地、灌木林、梯田、坡耕地)为研究对象,通过野外现场调查、实地采样、室内分析等方法,对不同土地利用方式、不同土层(0~10 cm、10~20 cm)土壤的理化性质进行分析;采用经验模型(EPIC模型)计算土壤可蚀性因子K,采用地统计学中的半方差变异函数进行分析且利用普通克里金插值法进行空间插值分析,得到五龙池小流域K值和土壤团聚体平均重量直径(MWDfw)的空间分布;确定了表征土壤可蚀性因子的关键指标的敏感性,并借助结构方程模型来量化各因子分别对K和团聚体稳定性的直接或间接影响机制,以及探讨流域内的土壤团聚体稳定性相关影响因子,为丹江口库区典型流域五龙池小流域及其他流域的土壤侵蚀和结构稳定性定量评估提供重要的科学依据。主要结论如下:(1)各土层土壤容重、孔隙度、有机质含量、全氮、pH、土壤机械组成、水稳性团聚体稳定性等土壤性质在不同土地利用类型中均具有显著性差异(p<0.05),土壤容重、有机质含量和全氮在不同土层间具有显著差异(p<0.05)。在0~10 cm土层下,容重从大到小依次表现为梯田>坡耕地>灌木林>林地;有机质表现为林地>坡耕地>灌木林>梯田;粘粒含量依次表现为坡耕地>梯田>灌木林>林地;砂粒分布相反,表现为林地>灌木林>梯田>坡耕地;水稳性团聚体稳定性均表现为林地>灌木林>坡耕地>梯田。在10~20 cm土层下,容重的分布与0~10 cm大致相同;而有机质含量则表现为坡耕地>林地>梯田>灌木林;土壤机械组成分布与0~10 cm的表层土壤相同。在土层的垂直变化上,则表现为土壤容重、有机质含量和全氮随着土壤深度的增加而减少。(2)通过对土壤团聚体平均重量直径(MWDfw)进行空间变异性分析可知,位于流域内上游地区林地土壤的MWDfw值最高,中游东部地区的梯田和坡耕地值最低。随着深度的增加MWDfw值略微降低。流域内0~10 cm、10~20 cm两个深度下MWDfw值的范围分别为0.338~2.203 mm、0.285~1.969 mm。结合主成分分析和结构方程模型(SEM)发现,土壤理化性质中主要包括SOM和土壤质地,是土壤团聚体稳定性(SAS)变化的主要控制因素。土地利用方式(LUT)主要也是通过土壤容重和SOM对SAS产生直接或间接影响。对于LUT,林地的SAS要显著高于坡耕地与梯田的。这些结果表明以后应该大力提倡植树造林,提高土壤有机肥力,减少耕作。(3)通过地统计分析和空间插值对K值进行空间变异性研究,五龙池小流域K值范围为0.023~0.055 t·hm~2·h/(hm~2·MJ·mm),平均值为0.042 t·hm~2·h/(hm~2·MJ·mm),一般随土壤深度增加而增加。在四种土地利用类型中,0~10 cm和10~20 cm两个深度下K值依次表现为梯田>灌木林>坡耕地>林地。在梯田中,0~10 cm和10~20 cm两个深度下的土层,K值与不同坡位之间不存在明显的规律。在流域尺度上,0~10 cm深度下的土壤K值依次表现为:中游>下游>上游地区,10~20 cm土壤下K值表现为:下游>上游>中游地区。(4)通过敏感性分析和因子分析确定用来表征小流域内土壤可蚀性的关键因子,并借助结构方程模型来量化其对K的影响。结构方程模型(SEM)结果表明,在小流域内0~10 cm和10~20 cm两个深度下,土壤的K值与团聚体稳定性、土壤质地、土壤容重、有机质含量密切相关,其路径系数分别为-0.70、0.70、0.32、-0.53和-0.48、0.54、0.15、-0.13。外部环境变量(流域位置、海拔高度、土地利用方式)通过对不同深度下土壤理化性质(团聚体稳定性和土壤质地)的影响,间接影响土壤可蚀性。对于不同深度下的土壤,其理化性质对K的影响机制或作用大小存在差异。
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