紫色土区水蚀特征及其对人工植草与施肥的响应

摘要

土壤团粒在雨滴及水流作用下被剥离为更小粒径的颗粒，并由径流搬运自原地而发生土壤侵蚀。土壤侵蚀导致土壤颗粒、营养元素、有机质以及农药(杀虫剂)流失，进而降低农作物产量（农作物生产力下降17％），已成为社会及环境方面广泛关注的问题。本文主要包括了三个方面：
　　（1）紫色土水蚀的评估；
　　（2）紫色土水蚀对增加施肥措施的响应；
　　（3）紫色土水蚀对人工植草措施的响应。
　　基于模型预测紫色土侵蚀量以及紫色土不同坡度及降雨作用对径流及土壤流失的影响仍然存在着很大不确定性。本文利用诺顿模拟降雨器，在不同坡度(5°，10°，15°，20°，25°)与不同降雨强度（0.6，1.1，1.5，1.8 mmmin-1）共同作用下，开展了室内人工降雨试验，估算了紫色土产流及产沙量。结果表明：产流率在低坡度（5°）弱降雨（0.6 mmmin-1）条件下最小，在陡坡（20°）强降雨（1.8 mmmin-1）条件下达到最大，其大小随坡度变化为：200>150>100>250>50；皮尔逊相关分析表明降雨强度与产流率之间存在极显著关系；土壤流失随着产流率及坡度的增大而线性增加，可由较小的56.10 gm-2h-1（坡度50、雨强0.6 mmmin-1）增加至1255.66 gm-2h-1（坡度250、雨强1.8 mmmin-1）。产流率能解释泥沙土壤剥离率53~81%的变化信息。评估不同降雨强度及坡度对紫色土水蚀的影响能够为区域土壤保持策略及措施的制定提供帮助。
　　合理的农业生产及联合管理虽然能够营造较好的生态环境，但其理论基础仍然缺乏。本文为明确降雨条件下耕作小区在不同施肥水平处理下径流，泥沙以及氮磷等物质的流失特征，以“冬小麦-夏玉米”模式为研究对象，设置了对照（CK），施用复合肥与农家肥（T1），施用化肥（T2）以及增加化肥施用量（T3）等4种处理，长期监测了不同处理小区水土流失及氮磷流失。结果表明：与对照（CK）相比，T1、T2、T3措施能够显著地减少径流，泥沙及氮磷的流失量，其中径流减少量分别达到35.7、29.6、16.8%，泥沙量分别减少40.5、20.9、49.6%；T1比 CK条件下的氮磷流失减少量达41.2%和33.33%；回归分析结果表明土壤流失与径流量存在显著的相关关系；在紫色土坡地，混合施用农家肥及化肥能够显著地减少水土流失，控制土壤侵蚀。
　　植草是已知的最有效的防治土壤侵蚀以及土壤退化的措施之一。黑麦草及紫花苜蓿是紫色土区广泛种植的草类植物，但是它们调节径流，控制泥沙的作用机理仍然有待研究。本文利用模拟降雨试验研究了人工植草在3个生长阶段：生长初期（5月底），生长中期（6月底）以及生长后期（7月底）等时段内的减流效益（RRB），减沙效益（SRB），减流减沙比（RRSR）以及土壤平均或者稳定入渗率。结果表明：在植草的生长初期与中期，黑麦草的RRB，SRB，RRSR以及土壤平均或者稳定入渗率都要大于紫花苜蓿。可是，在生长后期，紫花苜蓿的上述指标则优于黑麦草；随着植草的不停生长，黑麦草和紫花苜蓿的减流减沙能力逐渐增加，其中黑麦草在生长后期的RRB，SRB分别达到69.5%，98.6%，而同时段的紫花苜蓿RRB，SRB则为61.6%和95.4%；同时，在两种植草生长周期内，SRB总是高于90%，显著地大于RRB。此外，两种植草从生长初期到生长中期，RRSR显著地增加，表明当植草生长逐渐成熟时，其减流效率要高于减沙效率。由于植草在生长后期面临更多的暴风雨事件，应该强调人工植草减小坡面径流及泥沙的功能，并进一步地开展详细研究。

目录

封面

声明

致谢

目录

中文摘要

英文摘要

Chapter 1 Background

1.1 Soil as a resource

1.2 Soil degradation

1.3 Soil erosion by water

1.3.1 Causes of soil-water erosion

1.3.2 Hydrological basis of water erosion process

1.3.3 Effects of water erosion

1.3.4 Variation in water erosion

1.3.5 Type of soil erosion by water

1.3.6 Soil erosion rate in China and over world

1.4 Water erosion control by pasture vegetation

1.4.1 Principles of water erosion control by vegetation

1.4.2 Action of vegetation leaves and stems on rainfall

1.4.3 The Role of ground litter cover

1.4.4 Plant roots and erosion control

1.5 On-farm fertilization to improve crop yield

1.5.1 Chemical fertilization and soil erosion

1.5.2 Sustainable agriculture fertilization

1.5.3 Soil organic matter

1.5.4 Litter decomposition (Mineralization) and Nutrients uptake

Chapter 2 Materials and Methods

2.1 Materials and experiment design

2.1.1 Study area

2.1.2 Objectives and expectations

2.1.3 Design for erosion rate assessment

2.1.4 Fertilization experimental design and treatments

2.1.5 Pastures cover experimental design

2.1.6 Soil collection and packing

2.2 Measurements methods

2.2.1 Box plot experiment measurement

2.2.2 Farm plot experiment measurement

2.2.3 Data analysis

Chapter 3 Results and Discussion

3.1 Assessment of water and soil loss from purple soil surface

3.1.1 Runoff from different treatments

3.1.2 Soil erosion responses to slope angle and rainfall intensity

3.1.3 Purple soil surface hydrological characteristics:Analyze and discussion

3.2 Runoff, Nitrogen and Phosphorus losses under rating fertilization

3.2.1 Rainfall events and Runoff volumes

3.2.2 Runoff and sediment yield relationship

4.2.3 Nitrogen and phosphorus losses

3.3 Effects of pastures grass cover on runoff and sediments reduction

3.3.1 Runoff and sediment yield

3.3.2 Runoff reduction benefit(RRB) and sediment reduction benefit (SRB)

3.3.3 Ratio between runoff and sediment reduction (RRSR)

3.3.4 Relationship vegetation cover and runoff-sediments process

Chapter 4 Conclusion and recommendations

4.1 Conclusion

4.1.1 Water and Soil loss on purple soil surface

4.1.2 Purple soil erosion responses when rating fertilization

4.1.3 Effectiveness of pastures vegetation covers to control erosion

4.2 Recommendations

参考文献