紫色土砾石的分布及其对土壤水分性质的影响

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砾石是土壤中>2mm以上的粗骨部分,广泛存在于四川盆地山区的紫色土中。砾石的存在改变了土壤的物理特性和化学特性,影响了土壤的农学特性,制约了一系列的土壤过程。以往对紫色土的各种研究都忽略土壤砾石的性质和空间分布,以及对土壤物理和化学性质的影响。本文利用四川盆地具有典型代表性的紫色土(红棕紫泥、棕紫泥、灰棕紫泥和粗暗紫泥),来研究了它们的砾石性质、砾石空间分布以及砾石对土壤持水性、水分入渗和水分蒸发的影响。获得的主要结论如下: (1)不同岩性的紫色土砾石,其物理性质、矿物和化学组成具有较大差异,在土壤、土壤剖面和坡面具有一定的分布规律。砾石的粘土矿物以水云母为主(含量为50~90﹪),其次是高岭石和绿泥石;化学组成以SiO2为主(平均含量>60﹪),其次是Al2O3,各类砾石间的Fe2O3、MgO和MnO的含量相对稳定,CaO和TiO2的含量变化较大。砾石的平均容重大小为:粗暗紫泥砾石>灰棕紫泥砾石>红棕紫泥砾石>棕紫泥砾石。砾石的饱和含水量和田间含水量为分别为2.42~4.57﹪和2.13~4.28﹪,且是红棕紫泥砾石>棕紫泥砾石>灰棕紫泥砾石>粗暗紫泥砾石;在0~30kp的脱水过程中,灰棕紫泥砾石释水最多,粗暗紫泥砾石释水最少。土壤的砾石总含量为5.27~57.78﹪,且粗暗紫泥>棕紫泥>红棕紫泥>灰棕紫泥;其中2~5mm的砾石相对含量超过了各自总砾石含量的50﹪,不同尺寸的砾石相对含量随粒径增大而减小。砾石含量随坡度的增加而增加,在同一坡台地,台坎后耕地的砾石含量高于台坎前耕地的砾石含量,其中2~5mm的砾石相对含量随坡度呈上升趋势,5~10mm的砾石相对含量则相反,>10mm的砾石相对含量,除了粗暗紫泥和灰棕紫泥一直在下降外,其余两种土壤都是在坡腰最大。剖面的砾石含量随土层的加深而减少;<10mm的砾石相对含量随土层的加深而增加,>10mm的砾石的相对含量随土层的加深而减少。 (2)砾石含量显著地影响了土壤容重、土壤饱和含水量和田间持水量。在砾石含量>10﹪的紫色土中,物理性粘粒和容重与砾石含量呈负相关和正相关关系;在砾石含量<10﹪的紫色土中,物理性粘粒和容重基本上随土层加深而增加,与砾石含量关系不明显。大量的砾石能降低土壤的饱和含水量和田间持水量,同时影响了物理性粘粒与饱和含水量和田间持水量的相关性,砾石含量越大,物理性粘粒与这两种含水量的相关性就越小;但在砾石含量相差不大的土壤中,这两种含水量的变化规律主要受到土壤物理性粘粒的影响。 (3)砾石含量显著地影响了土壤的保水供水能力。在0~30kp的脱水过程中,原状土的含水量一直是坡脚>坡腰>坡项,水分特征曲线拟合式的R2>0.9,参数a值与砾石含量变化规律较为一致,b值则相反。砾石体积含量为0﹪、10﹪、20﹪、30﹪的扰动土的脱水趋势较为一致,拟合式的参数a、b值与砾石含量的关系不明显。原状土和扰动土的比水容量都是随土壤水吸力的增加而减小。原状土中,除粗暗紫泥的比水容量外,其余三种土的平均比水容量与各自的平均粘粒含量的变化趋势相反;扰动土的平均比水容量与坡腰原状土的平均比水容量的变化趋势一致,除灰棕紫泥的比水容量随砾石含量的增加规律不明显外,红棕紫泥和棕紫泥的比水容量随砾石含量的增加而降低。 (4)砾石含量显著地影响影响土壤水分运动。无论是垂直入渗或水平入渗,平均总入渗时间是灰棕紫泥<红棕紫泥<棕紫泥,平均总入渗率则相反。不同紫色土的总累计入渗量随砾石含量的增加而减少,总入渗时间随砾石含量的增加先下降后上升,入渗率则先上升后下降,转折点是含砾石为10﹪或20﹪的土柱。在入渗过程中,入渗率在不停的变化。0~5cm距离段的入渗率随砾石含量的增加而增大,5~10cm距离段的入渗率的下降幅度随砾石含量的增加而增加;随入渗距离的增加,入渗率下降幅度逐渐变小;在不同距离段的入渗率随砾石含量变化的规律与总入渗率随砾石含量变化的规律较为一致;入渗系数k随砾石含量的增加而增加,入渗指数a的变化规律则大致相反。表层为砾石的土样的初始含水量最小,混合土样的初始含水量随砾石含量的增加逐渐减少。在40℃恒温下的整个蒸发过程中,土壤表层为砾石的土样的累计蒸发量和蒸发率最小,混合土样的累计蒸发量则随砾石含量的增加而逐渐减少,蒸发率在不同时段则有不同的变化,在蒸发的前73h,蒸发率基本上是随砾石含量增大而增大,从73h后到蒸发结束这时段,蒸发率则基本上是随砾石含量增大而逐渐减少。
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