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土壤退化是指在不利的自然条件与人类的不合理活动等因素影响下,所发生的不同程度的水土流失,致使土壤质量、土地生产力以及土壤环境恶化的过程。花岗岩发育的崩岗具有突发性、自然性和剧烈性的特点,其危害严重且难以治理。崩岗带来的水土流失造成土壤退化,土壤有机质含量等降低,总生产力下降,加剧水土流失区生态环境的恶化。本文以赣南花岗岩崩岗侵蚀区为研究对象,选取了不同发育阶段崩岗与未受侵蚀坡面的表土为试验材料,开展基本理化性质测定、原位水分入渗试验、饱和抗剪强度试验和土壤分离速率试验,通过土壤各性质参数与抗侵蚀能力的分布规律,综合分析了崩岗侵蚀区的土壤退化机制与土壤分离机制。
(1)崩岗在发育过程中土壤基本性质间相互影响。崩岗系统土壤物理结构较差,孔隙大,颗粒组成以粉粒居多,黏粒含量较低,粗骨质化现象明显,土体养分含量低、酸性强、固结作用较弱,抗蚀性差,容易因降雨和径流冲刷导致土体失稳形成进一步的侵蚀,使得崩岗系统植物生长困难。
(2)崩岗系统的土壤孔隙大,初始入渗阶段的水分运移快,耗时短。崩岗系统的土壤入渗速率受压力水头和崩岗发育的交互影响。不同发育阶段崩岗的饱和导水率从大到小顺序为:初期、稳定期和活跃期。入渗速率随负压的增大呈逐渐增大趋势,当负压逐渐减小时,表征土壤导水状况的孔隙尺寸随之逐渐减小。大孔隙的变异程度大于小孔隙,即孔隙度逐渐变小,其分布越来越均匀。
(3)崩岗各部位粘聚力和内摩擦角随崩岗的发育呈逐渐下降的趋势,随地势的降低也呈逐渐下降的趋势。其中,土壤黏聚力与根系密度和黏粒含量存在极显著地相关关系(P<0.01),内摩擦角与容重、总孔隙度、砾石含量存在极显著地相关关系(P<0.01),将土壤性质与抗剪强度参数进行回归分析,得到砾石含量、粉粒含量和黏粒含量与内摩擦角呈正幂函数关系,根系密度与粘聚力呈正线性关系。试验以根系密度和粒径配级来表征土壤饱和抗剪强度,建立了基于崩岗发育过程的抗剪强度预报模型。结果显示,预测模型的可信程度较好,精度较高。
(4)基于主成分分析法对18个土壤指标分析表明,涵盖了全氮、全磷、pH、毛管孔隙、砂粒含量、土壤黏聚力和根系密度的土壤指标最小数据集能够解释所有测量指标所代表土壤性质的80.77%。通过对不同发育阶段崩岗的土壤质量指数进行对比研究,发现随着崩岗的发育,土壤质量指数呈现先减小后增加的趋势,且发育活跃期崩岗土壤质量指数最低,土壤退化明显。与非侵蚀坡面相比,发育初期、发育活跃期和发育稳定期的土壤质量指数分别下降了27.85%,37.78%和29.29%。除沟道外,随着地势的降低,崩岗不同空间部位的土壤质量指数大致呈逐渐增加的趋势,沟道的土壤质量指数最低,土壤退化最严重,土壤物理性质比土壤养分更容易遭受侵蚀地影响。
(5)不同发育阶段崩岗的土壤分离速率差异显著。土壤分离速率与容重、黏聚力、黏粒含量、有机质和根系密度呈显著地负相关关系(P<0.01或P<0.05),与总孔隙呈极显著地正相关关系(P<0.01),随着水流剪切力的增大,土壤分离速率逐渐增大。通过WEPP细沟侵蚀模型,土壤容重、有机质和根系密度与细沟可蚀性因子呈现良好的幂函数相关关系(NSE=0.97),临界剪切应力与土壤黏聚力呈现良好的线性相关关系。以容重、有机质、根系密度和土壤黏聚力来表征土壤分离速率,进一步回归分析,得出崩岗发育过程土壤分离速率的预报模型,结果显示模型能够准确简便的预测崩岗侵蚀中土壤的分离速率(NSE=0.98)。
(1)崩岗在发育过程中土壤基本性质间相互影响。崩岗系统土壤物理结构较差,孔隙大,颗粒组成以粉粒居多,黏粒含量较低,粗骨质化现象明显,土体养分含量低、酸性强、固结作用较弱,抗蚀性差,容易因降雨和径流冲刷导致土体失稳形成进一步的侵蚀,使得崩岗系统植物生长困难。
(2)崩岗系统的土壤孔隙大,初始入渗阶段的水分运移快,耗时短。崩岗系统的土壤入渗速率受压力水头和崩岗发育的交互影响。不同发育阶段崩岗的饱和导水率从大到小顺序为:初期、稳定期和活跃期。入渗速率随负压的增大呈逐渐增大趋势,当负压逐渐减小时,表征土壤导水状况的孔隙尺寸随之逐渐减小。大孔隙的变异程度大于小孔隙,即孔隙度逐渐变小,其分布越来越均匀。
(3)崩岗各部位粘聚力和内摩擦角随崩岗的发育呈逐渐下降的趋势,随地势的降低也呈逐渐下降的趋势。其中,土壤黏聚力与根系密度和黏粒含量存在极显著地相关关系(P<0.01),内摩擦角与容重、总孔隙度、砾石含量存在极显著地相关关系(P<0.01),将土壤性质与抗剪强度参数进行回归分析,得到砾石含量、粉粒含量和黏粒含量与内摩擦角呈正幂函数关系,根系密度与粘聚力呈正线性关系。试验以根系密度和粒径配级来表征土壤饱和抗剪强度,建立了基于崩岗发育过程的抗剪强度预报模型。结果显示,预测模型的可信程度较好,精度较高。
(4)基于主成分分析法对18个土壤指标分析表明,涵盖了全氮、全磷、pH、毛管孔隙、砂粒含量、土壤黏聚力和根系密度的土壤指标最小数据集能够解释所有测量指标所代表土壤性质的80.77%。通过对不同发育阶段崩岗的土壤质量指数进行对比研究,发现随着崩岗的发育,土壤质量指数呈现先减小后增加的趋势,且发育活跃期崩岗土壤质量指数最低,土壤退化明显。与非侵蚀坡面相比,发育初期、发育活跃期和发育稳定期的土壤质量指数分别下降了27.85%,37.78%和29.29%。除沟道外,随着地势的降低,崩岗不同空间部位的土壤质量指数大致呈逐渐增加的趋势,沟道的土壤质量指数最低,土壤退化最严重,土壤物理性质比土壤养分更容易遭受侵蚀地影响。
(5)不同发育阶段崩岗的土壤分离速率差异显著。土壤分离速率与容重、黏聚力、黏粒含量、有机质和根系密度呈显著地负相关关系(P<0.01或P<0.05),与总孔隙呈极显著地正相关关系(P<0.01),随着水流剪切力的增大,土壤分离速率逐渐增大。通过WEPP细沟侵蚀模型,土壤容重、有机质和根系密度与细沟可蚀性因子呈现良好的幂函数相关关系(NSE=0.97),临界剪切应力与土壤黏聚力呈现良好的线性相关关系。以容重、有机质、根系密度和土壤黏聚力来表征土壤分离速率,进一步回归分析,得出崩岗发育过程土壤分离速率的预报模型,结果显示模型能够准确简便的预测崩岗侵蚀中土壤的分离速率(NSE=0.98)。