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土壤是一个复杂、多层次的开放性系统,其变化是长期过程和短期过程相互作用、共同影响的结果。长期过程是在自然条件下,只能改变土壤的水、气、热状况;短期过程主要是受人为因素和各种环境的共同影响,人为因素加速或减缓了土壤变化的过程,通过对大气圈、水圈和生物圈的变化间接影响土壤的变化,同时通过灌溉、施肥、耕作等直接影响土壤的变化。土地利用方式的改变也会因水文过程的变化导致土壤发生剧烈的变化,使得土壤物质构成元素以及土壤颗粒在土体中进行再分布。
本文的研究目标:1)分析不同地形、不同利用方式和相同利用方式不同坡度下土壤有机碳、土壤颗粒、土壤物质构成土壤元素和137CS的空间分布特征;2)研究不同利用方式、不同初始土壤含水量下,土壤分散系数与土壤物质构成土壤元素含量的关系;3)模拟不同坡位的侧向流,分析土壤水文过程与土壤土壤元素空间分布特征的关系。
选择不同地形、不同利用方式(桔园、板栗园和花生地)、相同利用方式不同坡度(3°坡花生地和6°坡花生地)的土体,研究土壤有机碳、土壤颗粒、土壤物质构成土壤元素(Al、Cr、Fe、K、Ni、Mn、P、Zn,简称土壤元素)以及137CS的坡面空间分布特征,分析土壤分散系数、土壤水文过程与土壤物质构成土壤元素等空间分布特征的关系,主要结论如下:
(1)不同利用方式下,土壤元素在土体中分布的变化幅度不同,以花生地变化幅度最大,板栗园次之,桔园最小。Al、Cr、Fe和K等元素的含量在土体中分布相似,且与土壤颗粒的分布相一致。随土壤深度的增加,Al、Cr、Fe、K、Mn、Ni和Zn等元素的含量也相应增加。P元素的分布与土壤有机碳的分布相似,土壤表层含量最高,到达一定深度后则不再随深度变化(除了板栗园底坡P元素的含量变化特征与土壤颗粒的变化特征相一致外)。在不同利用方式下,底坡的土壤颗粒所占的比例最小。
相同利用方式下不同坡度土壤颗粒和土壤元素分布不相同。3度坡花生地中坡Fe和K元素含量在90 cm左右出现急剧增加趋势,而使得这两种元素全量的变幅高于6度坡花生地,其余的元素全量变幅均小于6度坡花生地。
137Cs在板栗园上、中和下坡的分布深度在40 cm左右,土壤颗粒在水流的带动下沉积在板栗园底坡,使得137CS在底坡的深度达125 cm。同时,土壤剖面的侧向水流带动上面坡位深层的土壤颗粒侧向迁移在底坡进行沉积而使得底坡出现不含137CS的断层。
(2)在土体剖面中,表层的分散系数大于下层。不同利用方式下,4块实验地湿土的分散系数均大于干土的分散系数;土壤有机碳(有机质)含量均直接影响干土的分散系数大小。分散系数较高的土壤坡面,其土壤颗粒及土壤元素含量均较低。
(3)使用Hydrus-2D软件对土壤剖面水分运动状况进行模拟。在暴雨过程中,土壤水分运动方向以垂直方向为主,垂直方向的流量和累积流量均明显高于侧向;暴雨过后,下坡的下渗深度大于上坡;下坡的侧向流量和侧向累积流量均大于上坡。
土壤剖面水分的侧向流动,带走大量的土壤颗粒及土壤元素,从而使得下坡(底坡)的土壤颗粒的比例和土壤元素的含量低于上坡(板栗园底坡由于树木的拦截等原因,使得此处土壤颗粒的比例和土壤元素的含量均高于其它三个坡位)。
根据土壤水分的侧向流累积流量和垂向累积流量可以算出,板栗园侧向流占10%左右,桔园占8%左右,而花生地占4%左右。
因此,土壤水文过程对土壤颗粒和元素的迁移起着非常重要的作用,但是,它们之间直接的相互作用还需要更多的证据以及更深入的研究。