桂西北喀斯特峰丛洼地石质土壤入渗试验研究

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我国西南地区是全球喀斯特三大分布中心之一,属于典型的脆弱生态系统。喀斯特峰丛洼地土壤中碎石含量较多,其对土壤入渗、蒸发有明显的影响。这方面研究国外开展较多,国内近期也开展了相关研究,但总体上还处于探索阶段。本文针对喀斯特峰丛洼地土层浅薄且分布不连续、碎石含量较多且变异性较大的特点,为明确土-石坡面碎石分布特征及其与土壤入渗的关系,在调查坡面、洼地碎石分布及组成的基础上,利用盘式负压入渗仪原位测定与室内模拟试验相结合的方式研究了碎石对土壤水分入渗的影响。研究结果表明:(1)坡面Ⅰ不同坡位碎石覆盖率、碎石分布密度和碎石含量差异较大,上坡和下坡均较中坡高。坡面Ⅱ则表现为从坡脚至坡顶增大的趋势。两坡面不同坡位碎石覆盖率均在4%-20%之间,土壤碎石含量最高可达39.49%;两坡面土壤表面碎石覆盖的优势粒级为75-250mm粒级碎石,其次为20-75mm粒级碎石。75-20mm和20-5mm粒级碎石为两坡面土壤碎石含量优势粒级,除5-2mm粒级碎石外,其他粒级碎石体积含量沿坡面从下而上具有逐渐增大的趋势,且坡面不同坡位不同粒级碎石分布变异系数较大;洼地碎石体积含量较小,最大为11.64%。同一地块各粒级土壤碎石体积含量的差异小,20-5mm和75-20mm粒级的碎石为优势粒级。碎石体积含量与地块在洼地中所处的位置及其高程和土层厚度有较为密切的关系。最小粒级的碎石体积含量的变异系数最大,其他粒级碎石体积含量的变异系数较小;含碎石剖面碎石体积含量随土层深度增加有变大的趋势。(2)坡面Ⅰ和坡面Ⅱ不同坡位累计入渗量、入渗率、近似饱和导水率、吸渗率的入渗指标差异明显。坡面Ⅰ各坡位土壤入渗变化趋势表现为:上坡>下坡>中坡;坡面Ⅱ沿坡面具有由下而上逐渐增大的变化趋势。拟合稳定入渗率、近似饱和导水率与碎石体积含量的关系,符合递增的指数函数Y=aebx;不同粒级碎石含量与土壤稳定入渗率、近似饱和导水率均符合Y=aebx关系,250-75mm、75-20mm、20-5mm粒级碎石体积含量与土壤稳定入渗率、近似饱和导水率呈正相关,且75-20mm粒级碎石含量对于土壤入渗具有显著的促进作用,说明碎石对于坡面石质土壤入渗具有促进作用。(3)无碎石剖面各层土壤累计入渗量、稳定入渗率、近似饱和导水率、吸渗率等入渗指标均具有随土层深度的增加而减小的总趋势,含碎石土壤剖面入渗指标则表现为:25-52cm>52-85cm>7-25cm>0-7cm;除第三层外,含有碎石的剖面土壤入渗率均大于等于无碎石剖面对应层次,说明在喀斯特洼地碎石也具有促进土壤入渗的作用。(4)经相关分析除碎石外,土壤比重、土壤总孔隙度、粉粒含量、粘粒含量等部分理化性质指标与稳定入渗率、近似饱和导水率显著相关。坡面土壤容重、pH值、有机质含量与近似饱和导水率和稳渗率呈正相关,洼地土壤容重、pH值、粘粒含量等与近似饱和导水率、稳定入渗率呈正相关关系。(5)根据原位测定结果模拟不同条件下进行土壤入渗测定,结果显示:当碎石体积含量从0增加至30%时,土壤入渗表现出“增大-减小-增大”的过程;随着碎石粒级的增大,土壤各时段入渗性能具有增强的趋势,10-20mm、20-30mm粒级碎石对于土壤入渗性能的促进作用最为明显;土壤容重从1.2g·cm-3增加至1.4g·cm-3时,土壤入渗表现出“先增大后减小”的过程;随着土壤初始含水率的增加,土壤入渗减小;石灰土与红壤相比较,石灰土的入渗能力远强于红壤。(6)根据正交试验分析结果,对土壤稳定入渗率的影响从大到小依次为初始含水率>碎石粒级>容重>碎石含量;对土壤近似饱和导水率的影响从大到小依次为容重>碎石粒级>初始含水率>碎石含量,且组合有利于土壤入渗的因子可知,当土壤中以20-30mm粒级碎石为主,碎石含量为10%,土壤容重接近1.2g·cm-3,初始含水率接近10%时,土壤的入渗能力最强。
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