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        黔中白云巖坡耕地土壤界限含水量與機(jī)械組成量化關(guān)系研究

        2018-09-21 09:29:46徐永服高華端楊海嬌黃朝海
        水土保持通報(bào) 2018年4期
        關(guān)鍵詞:塑限液限黏粒

        徐永服, 高華端, 楊海嬌, 黃朝海

        (貴州大學(xué) 林學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550025)

        土壤機(jī)械組成是研究土壤其他方面所必須掌握的基本屬性之一,土壤機(jī)械組成對(duì)土壤的其他物理和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生巨大的影響。鄧廷飛等[1]研究貴州典型山銀花土壤機(jī)械組成與養(yǎng)分特性關(guān)系得出砂粒含量與有機(jī)質(zhì)、堿解N、全N含量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性;高華端等[2]通過(guò)對(duì)貴州省主要的幾類(lèi)地面組成物質(zhì)發(fā)育的土壤進(jìn)行對(duì)比研究地面組成物質(zhì)與土壤機(jī)械組成的關(guān)系,得出地面組成物質(zhì)對(duì)土壤機(jī)械組成有顯著性影響;李卓[3]研究得出土壤機(jī)械組成對(duì)土壤的入滲能力、土壤蓄水能力有較大影響,入滲能力隨土壤黏粒含量增加遞減,土壤蓄水能力隨黏粒含量增加而遞增;史錕等[4]研究得出土壤機(jī)械組成與有機(jī)碳含量呈現(xiàn)顯著的相關(guān)關(guān)系;張素[5]研究沖溝不同部位土壤機(jī)械組成及抗沖性差異得出砂粒含量是影響3類(lèi)沖溝各部位土壤抗沖性的主要指標(biāo);唐炎林等[6]研究西雙版納不同林分土壤機(jī)械組成及其肥力2種土壤的全N、全P、全K與砂粒含量呈負(fù)相關(guān),與粉粒、黏粒呈正相關(guān);潘琇等[7]研究得出黏粒含量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量,砂粒含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量之間均存在顯著相關(guān)關(guān)系,砂粒含量與陽(yáng)離子交換量之間均存在極顯著相關(guān)關(guān)系;莊雅婷等[8]的研究崩崗紅土層土壤液塑限特性與極細(xì)砂粒和黏粒含量呈二項(xiàng)式關(guān)系;朱慧鑫等[9]分析得出花崗巖崩崗不同層次間的土壤液塑限差異顯著;花可可等[10]通過(guò)液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)和快速剪切試驗(yàn)得出黏粒和有機(jī)質(zhì)是影響土壤液限值的重要因素。坡耕地是中國(guó)西南喀斯特地區(qū)的主要耕作類(lèi)型之一,對(duì)于坡耕地的土壤侵蝕的研究是非常多的,土壤機(jī)械組成對(duì)界限含水量到底有什么關(guān)系,針對(duì)白云巖坡耕地土壤機(jī)械組成與界限含水量的相關(guān)性研究基本沒(méi)有相關(guān)報(bào)道,因此,本研究以黔中坡耕地白云巖發(fā)育的土壤為對(duì)象,分析討論坡耕地土壤機(jī)械組成對(duì)界限含水量的影響,具有一定的獨(dú)創(chuàng)性和前沿性,研究結(jié)果將會(huì)對(duì)白云巖區(qū)坡耕地的土壤侵蝕過(guò)程機(jī)理研究以及坡耕地土壤的液塑限快速獲取具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

        1 研究方法

        1.1 研究區(qū)概況

        地理位置為106°27′—106°52′E,26°11′—26°34′N(xiāo),國(guó)土總面積815.41 km2,該區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)溫和型氣候,夏無(wú)酷暑、冬無(wú)嚴(yán)寒,夏季平均溫度為23.2 ℃[11],花溪區(qū)地處云貴高原苗嶺山脈中段,位于長(zhǎng)江水系烏江與珠江水系西江的分水嶺地帶,海拔1 030~1 326 m,以中低山丘陵、河谷、盆地為主。花溪區(qū)土壤多為酸性黃壤土和石灰土,有一小部分紫色土和水稻土;受基巖性質(zhì)影響較深的石灰土和紫色土與黃壤呈復(fù)區(qū)分布,喀斯特坡耕地主要為石灰?guī)r母質(zhì)和白云巖母質(zhì)。

        1.2 試驗(yàn)樣品的采集

        試驗(yàn)于2017年8月選擇貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)白云巖發(fā)育的典型坡耕地貴惠大道沿線(xiàn)兩側(cè)坡耕地為取樣點(diǎn),并在坡耕地下設(shè)置40個(gè)5 m×5 m的樣方,并在樣方內(nèi)隨機(jī)挖取土壤坡面,采用環(huán)刀法分別取耕作層的土壤,并在野外利用烘干法(本試驗(yàn)采用酒精灼燒法)測(cè)定土壤的自然含水量,每個(gè)土樣3次重復(fù),求取平均值為該土樣的自然含水量;所采集的樣品帶回室內(nèi)進(jìn)行測(cè)定土壤的機(jī)械組成和液塑限的測(cè)定。

        1.3 坡耕地土壤機(jī)械組成測(cè)定方法

        土壤機(jī)械組成使用濕篩—吸管法(NY/T1121.3-2006)測(cè)定出土壤的機(jī)械組成,根據(jù)1930第二屆國(guó)際土壤學(xué)會(huì)上通過(guò)的“國(guó)際制”及實(shí)際情況將土粒分為了4個(gè)粒級(jí),分別為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002~0.02 mm)、細(xì)砂粒(0.02~0.25 mm)和粗砂粒(0.25~2 mm)。

        1.4 坡耕地界限含水量的測(cè)定方法

        采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法(GB/T50123-1999)測(cè)定土壤的界限含水量,通過(guò)液塑限測(cè)定然后按下式計(jì)算塑性指數(shù)和液性指數(shù):

        Ip=WL-WP

        (1)

        IL=(W-WP)/IP

        (2)

        式中:IP——塑性指數(shù);IL——液性指數(shù);WL——液限(%);WP——塑限(%);W——天然含水量(%)。

        2 結(jié)果分析

        2.1 土壤機(jī)械組成與界限含水量特性

        由表1可以看出,白云巖區(qū)坡耕地土壤粗砂粒含量平均為27.17%,砂粒平均值為29.96%,粉粒含36.46%,黏粒含量6.35%。由此說(shuō)明白云巖發(fā)育的土壤砂粒含量比較高,黏粒含量非常小,土壤孔隙度大,在降雨過(guò)程中雨水滲透比較快,土粒伴隨下滲水流往地下土層不斷遷移,坡耕地土壤侵蝕主要以地下漏失為主。白云巖區(qū)坡耕地土壤塑限平均值為20.20%,液限平均值為26.76%;塑性指數(shù)平均值0.07,液限指數(shù)平均值為1.54。白云巖區(qū)坡耕地土壤塑性指數(shù)小于0.16,且土壤液限均小于50%,屬于砂壤土。因此若降雨小而持續(xù)時(shí)間較短,白云巖區(qū)坡耕地土壤容易達(dá)到塑限值,土壤容易出現(xiàn)水土流失。

        2.2 機(jī)械組成與界限含水量的相關(guān)性檢驗(yàn)

        由表2可知,土壤的機(jī)械組成與土壤的塑限、液限、液性指數(shù)有及其顯著的相關(guān)性,與土壤的塑性指數(shù)無(wú)顯著相關(guān)性。說(shuō)明土壤機(jī)械組成對(duì)土壤的塑限、液限、液性指數(shù)有顯著的影響(p<0.01),機(jī)械組成對(duì)土壤的塑性指數(shù)影響較小或者說(shuō)基本沒(méi)影響??赡艿脑蛟谟谒苄灾笖?shù)等于液限減塑限,由分析可知當(dāng)土壤中的黏粒含量不斷增加土壤的液塑限都不斷增加,但在增加的過(guò)程中塑限的增幅遠(yuǎn)大于塑限的增幅,故而出現(xiàn)塑性指數(shù)與黏粒含量出現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。

        表1 土壤機(jī)械組與界限含水量的特性

        2.3 土壤機(jī)械組成對(duì)界限含水量的影響

        2.3.1 土壤機(jī)械組成對(duì)土壤塑限的影響 機(jī)械組成狀況是影響土壤抗蝕性的重要因素。顆粒組成越細(xì)小的土壤,土壤黏結(jié)力就越強(qiáng),在一定程度土壤容易形成團(tuán)聚體,其抗崩解的能力也就越高[12]。由圖1可以看出,白云巖區(qū)坡耕地土壤塑限與土壤黏粒含量、粉粒含量和細(xì)砂粒含量表現(xiàn)出正相關(guān)性,而與粗砂粒的含量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性。黏粒含量與塑限表現(xiàn)出正相關(guān)性,這與撞雅婷等[8]對(duì)崩崗紅土層土壤和朱慧鑫等[9]對(duì)鄂東南花崗巖崩崗剖面土壤研究結(jié)論相似,原因可能在于隨著土壤黏粒的增加,土體的比表面積也不斷增加,其吸附能力就越強(qiáng),需要吸附更多的水分子才能將顆粒表面完全覆蓋,從而形成吸附水膜,影響土體塑性特征[13];出現(xiàn)砂粒含量與塑限表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性的原因可能是隨著砂粒含量的不斷增加,土壤形成了一個(gè)松散的固相骨架,砂粒增多而黏粒較少,土粒間孔隙度不斷加大,內(nèi)部排水也加快,蓄水量不斷減少,水分由大空隙擴(kuò)散至土體表面而大量流失,從而土壤的塑限也就隨之下降。

        表2 土壤機(jī)械組與界限含水量的相關(guān)性檢驗(yàn)

        注:**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

        圖1 土壤機(jī)械組成對(duì)土壤塑限的影響

        2.3.2 土壤機(jī)械組成對(duì)土壤液限的影響 液限指的是土壤呈液態(tài)流動(dòng)的最低含水量。對(duì)液限與土壤機(jī)械組成各粒級(jí)所占比例進(jìn)行函數(shù)模擬分析可知(圖2),白云巖區(qū)坡耕地土壤液限與土壤黏粒含量、粉粒含量和細(xì)砂粒含量的增加而隨之增加,這與花可可[11]對(duì)紫色土和水稻土研究得出的結(jié)論相似,都表現(xiàn)出正相關(guān)性,這可能是由于隨著土壤黏粒的增加,土壤的整個(gè)骨架變得更加緊實(shí)黏結(jié),土粒間的空隙數(shù)目增多且變狹小,大量的非活性孔阻止了毛管水移動(dòng),當(dāng)降雨來(lái)臨時(shí)雨水難以下滲而且排水困難,土壤的疏水性和排水性能不斷下降,土壤滲透系數(shù)不斷變低,保水性能增加,進(jìn)而相應(yīng)提高了土壤液限值。而隨粗砂粒的含量的增加表現(xiàn)出不斷減小的趨勢(shì),隨粗砂粒的增加表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性的可能原因在于機(jī)械組成中砂粒含量的不斷增加,增大了土壤的孔隙度和土壤的毛管空隙,毛管水上升高度小,保水效果變差,從而影響了土壤的液限值;當(dāng)降雨小于或等于土壤的下滲能力的時(shí)候,水土流失主要以地下流失為主。以上分析結(jié)果表明黔中白云巖區(qū)坡耕地土壤中,當(dāng)砂粒的土粒含量增加時(shí),土壤液限將減小。

        圖2 土壤機(jī)械組成對(duì)土壤液限的影響

        2.3.3 土壤機(jī)械組成對(duì)土壤液性指數(shù)的影響 液性指數(shù)表示土壤天然含水量與界限含水量之間的相對(duì)關(guān)系,塑性指數(shù)表示了土壤在可塑狀態(tài)下含水量的變化范圍。

        由圖3可以看出,白云巖區(qū)坡耕地土壤液性指數(shù)與土壤的黏粒、粉粒、細(xì)砂粒的含量具有顯著的正相關(guān)性,而土壤塑性指數(shù)與粗砂粒的含量具有顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,出現(xiàn)顯著正相關(guān)的原因可能在于隨著土壤黏粒含量的增加,土壤中的Fe2O3,Al2O3,CaO,MgO,P2O5,K2O的相對(duì)含量不斷增加,相反土壤中的SiO2相對(duì)減少,導(dǎo)致土壤的粒徑減小,土壤顆粒的吸濕量,持水量、毛管持水量也不斷增加,故而增加了土壤的液性指數(shù)。

        2.3.4 土壤界限含水量與土壤機(jī)械組成方程擬合關(guān)系 由表3可以看出,量化模擬的3個(gè)方程的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到顯著水平,說(shuō)明擬合的方程可以較準(zhǔn)確地描述土壤塑限、液限值和液性指數(shù)與土壤機(jī)械組成中各粒級(jí)土壤含量的相關(guān)關(guān)系。今后研究過(guò)程中只要知道白云巖發(fā)育的坡耕地土壤的機(jī)械組成便可利用公式求算土壤的界限含水量。

        表3 土壤液塑限和各影響因素?cái)M合關(guān)系

        注:X1,X2,X3,X4分別代表<0.002 mm土粒含量、0.002~0.02 mm土粒含量、0.02~0.25 mm土粒含量、0.25~2 mm土粒含量。下同。

        圖3 土壤機(jī)械組成對(duì)土壤液性指數(shù)的影響

        3 結(jié) 論

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