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土壤侵蚀是当今世界普遍关注的重大环境问题之一。从雨滴降落到地面开始,土壤侵蚀随即发生,并由溅蚀逐渐发展为片蚀、细沟侵蚀、浅沟侵蚀、切沟侵蚀等。在雨滴冲击作用下,土壤因团聚体破碎、孔隙堵塞而形成表土结皮,它降低土壤入渗、增加地表径流,在坡面侵蚀中占据重要地位。目前表土结皮发育研究大多局限于某种地域性的土壤,其对土壤侵蚀的影响研究不够深入,特别是缺乏对其关键影响因子的探讨及不同土壤发育表土结皮敏感性的报道。本文基于大量的室内模拟降雨实验和野外实测数据,结合相关文献资料,探讨影响表土结皮发育的关键因子,提出评价表土结皮发育敏感性的指标,进而分析我国水土流失典型区土壤的表土结皮敏感性,并揭示不同土壤的溅蚀规律及表土结皮发育空间特征,明确表土结皮对击溅侵蚀、产流、产沙过程的影响,尝试构建含有表土结皮因子的产流模型框架。通过以上内容的研究,得出如下主要结论:
(1)细颗粒尤其是粉粒是表土结皮发育的物质基础,团聚体破坏是表土结皮发育的主要过程,雨滴打击是促使表土结皮发育的重要外界动力。室内模拟降雨条件下,不同粒径土样发育表土结皮的速度与程度不同,随着粒径的增大,表土结皮发育速度减慢;团聚体破坏方式因土壤含水量不同而异,干燥土壤在强降雨条件下比湿润土壤易于发育表土结皮;不同降雨动能下表土结皮发育差异明显,高强度降雨是促使表土结皮发育的外界动力;而不同容重下的表土结皮发育无明显差异。
(2)土壤颗粒组成、团聚体稳定性、降雨特征是评价表土结皮发育敏感性的关键指标。结合这些指标,对我国四大水土流失区的土壤性质及降雨特征进行分析,得出黄土高原地区土壤极易发育表土结皮,四川紫色土区土壤发育表土结皮的概率大,南方红壤区除花岗岩、页岩外其他母岩上发育的土壤很难发育表土结皮,东北黑土区典型黑土很难发育表土结皮,而非典型黑土发育表土结皮的可能性较大。
(3)由于理化性质不同,尤其是团聚体稳定性及颗粒组成不同,不同土壤具有不同的溅蚀特征。模拟降雨条件下,黑土(采自黑龙江省)因有机质含量高,团聚体稳定不易破坏,溅蚀量最低;黄土(采自内蒙古自治区)因含有大量的砂粒,溅蚀量最高;而黄土(采自山西省)、紫色土(采自湖北省)、红壤(采自湖北省或广东省)或因粉粒含量为主或因团聚体稳定性差而导致溅蚀量居中。
(4)表土结皮可以发育在两个空间位置:土壤表层和次表层,表土结皮发育的空间位置取决于土壤结构及颗粒含量。对于松散的、含有适量砂粒或团聚体的土壤,表土结皮发育在次表层:对于紧实的、细颗粒含量占主导的土壤,表土结皮发育在表层;而对于紧实的、砂粒含量占主导或团聚体稳定性高的土壤,不发育表土结皮。
(5)表土结皮在坡面侵蚀中占据重要地位。室内实验表明,表土结皮降低降雨入渗,导致产流时间提早,入渗降低与产流提早致使产流量增加,而产流量增加又导致侵蚀量的增加及侵蚀方式的改变。土壤发育表土结皮后,在随后的一场降雨中产流迅速增加,诱发细沟侵蚀,产沙量递增,因此,表土结皮产生后侵蚀力的增大远远大于抗蚀力的增大。
(6)表土结皮对坡面侵蚀的影响与坡度和降雨历时有关。小区实验表明,表土结皮和坡度均对产流有影响:随着坡度的增加,表土结皮的贡献降低,而坡度的贡献提高;在相同坡度下,随着时间的进行,表土结皮对产流的影响降低。
(7)模拟降雨条件下,降雨强度一定,表土结皮降低入渗,从而增加产流。而自然条件下,特别是黄土高原地区,雨强变化大,表土结皮降低入渗使得产流时的临界雨强显著降低,从而提高了产流的可能性。因此,黄土高原地区表土结皮对产流的影响是通过降低产流时的临界雨强条件而实现的。
(8)在构建土壤侵蚀模型时,应考虑不同的产流方式。对于超渗产流地区而言,根据表土结皮状态确定入渗曲线是将表土结皮因子纳入产流模型的关键,但是由于表土结皮的动态性,模型需要借助大量的室内实验及野外实测数据才能实现。对于蓄满产流地区而言,已有的STREAM模型提供了参考。