坡耕地退化机理及侵蚀退化防治措施研究

摘要

针对我国西南中心地带的贵州山区红黄壤坡耕地退化的主要驱动因子和研究中存在的问题与不足,选择有代表性的贵州省南部罗甸县、边阳镇红黄壤坡耕地为研究对象,采用侵蚀小区径流泥沙观测法；中子活化Eu土芯定位示踪法；地面定位插钎法；土壤养分系统研究法以及坡耕地侵蚀退化防治的耕作措施(等高种植)、生物措施(林草覆盖)、工程措施(坡改梯)及综合措施,展开坡耕地退化机理和侵蚀退化防治措施研究。主要结论如下： 红黄壤坡耕地退化主要表现为土壤的侵蚀退化、土壤养分退化和土壤酸化。 1.红黄壤坡耕地侵蚀退化的关键因子。 2.红黄壤坡耕地养分退化的途径为：土壤侵蚀引起的坡耕地养分的数量性退化、土壤吸附固定造成的坡耕地养分的有效性退化和作物收获造成的坡耕地生物消耗性退化。 3.坡耕地土壤酸化的机理是：1)红黄壤坡耕地土壤的CEC和盐基饱和度都比较低,大部分土壤的CEC在11 Cmol(+)/kg左右,大部分土壤盐基饱和度在30％以下,而且变化不大。2)土壤中交换性铝离子浓度明显高于交换性氢离子。土壤中交换性铝离子浓度较高,总体平均值达7.188Cm01(+)/kg,土壤中氢离子浓度较低,总体平均值达0.688Cmol(+)/kg,铝离子浓度平均是氢离子的10倍。3)红黄壤坡耕地的土壤缓冲性能不高,土壤的平均酸缓冲性能高于碱缓冲性能。图解法求得的土壤酸缓冲容量在4-16Cmol/kg范围内,碱缓冲容量在2.5-14.0Cmol/kg之间。酸碱缓冲曲线拟合参数的方法中回归系数b的范围在-1.4981～-2.1297。铁、阳离子代换量、硝态氮和粘粒含量是土壤酸缓冲性能的主要影响因素,而锰、活性酸、有机质、硝态氮、pH、镁是土壤碱缓冲性能的主要影响因素。 4.侵蚀针法操作简单,测定容易,省工省时,它能粗略测定土壤侵蚀量,可反映出侵蚀针点位上土壤的侵蚀或沉积动态变化。但周边的异常物和异常现象、侵蚀针细小的刻度、坡度等环境因素影响侵蚀针地上部分长度判读的精确性,从而极大影响侵蚀针的土壤侵蚀量计算结果,同时存在点面转换问题。中子活化Eu定位土芯示踪法可反映出土芯小面积上土壤的侵蚀或沉积动态变化,但不能测定地表径流。该方法毕竟是个新方法,操作规程有待于进一步完善。同样中子活化Eu定位土芯周边的异常物和异常现象影响其测量的准确性。中子活化Eu定位土芯示踪法测定的土壤侵蚀量也存在点面转换问题,且测定需精密仪器,成本较高。径流小区法实用性、灵活性都比较强,准确性高。可同时监测土壤流失量和地表径流量。可根据研究的目的展开多方面的研究。然而,径流小区法不能很好地反映坡面土壤侵蚀空间变异。另外,径流小区法需要修建径流场,需野外观察测定,工作量较大,成本较高。 5.坡耕地侵蚀退化防治的关键技术有耕作措施、工程措施、林草措施和综合措施。它们都具有保持水、土、肥的作用,具有增加地表覆盖度、土壤根系含量和生物多样性的作用,具有提高土壤有机质、全氮、全钾、全磷、碱解氮、速效钾和缓效钾的作用。而不同措施的增产增收、土壤改良和土壤有效磷提升作用各有差异。植物篱措施具有很好的增产增收作用,并在实践中得到了较好的推广应用,产生了很好的效益。分带能作措施具有很好的提高土壤pH、全磷、全钾、有效磷和缓效钾的作用。粮草间作措施具有很好的提高土壤的抗蚀性、土壤水分和提高地表糙度的作用。工程措施具有很好的保持水、土、肥和降低坡度缩短坡长的作用。林地措施具有很好的改良土壤可蚀性、提高地表覆盖度、提高生物多样性、提高土壤有机质和全氮的作用。草地措施具有很好的提高土壤根系含量、提高土壤水分稳渗速率和土壤碱解氮的作用。综合措施具有很好的缩短坡长坡度的作用。不同措施的防治红黄壤坡耕地侵蚀退化综合效益,与农民习惯种植为对照,综合措施的效果最好,工程措施的效果次之,再其次是林草措施,最后是耕作措施。然而不同耕作措施其防治红黄壤坡耕地侵蚀退化效果也有不同。相比之下,植物篱耕作措施最好,其次是粮草间作,最后是分带轮作。 6.研究中初步肯定红黄壤坡耕地研究区侵蚀性降雨临界值为9.1mm。初步明确红黄壤坡耕地研究区引起水土流失发生最关键的气候因子是降雨侵蚀力因子R10。初步肯定红黄壤坡耕地研究区传统种植制度下耕地的土壤侵蚀临界坡度在20.00-24°之间,而植物篱种植下土壤侵蚀临界坡度在17.10-20.00°之间。初步对美国通用土壤流失方程的参数进行修正,得出红黄壤坡耕地研究区概念土壤流失方程表达式为:A=b·R·K·C·Pb值分别为混交林179,农民习惯668,分带轮作375,经果林195,工程梯化165,粮草间作219,植物条带214,草地202和裸坡耕地147。K值为0.379。C值分别为混交林0.851,农民习惯0.219,分带轮作0.385,经果林0.724,工程梯化0.853,粮草间作0.681,植物条带0.697和草地0.728P值分别为混交林0.191,分带轮作0.788,经果林0.353,工程梯化0.189,粮草间作0.409,植物条带0.388和草地0.348。 初步得出裸露红黄壤坡耕地侵蚀模数达到25.8-631.2t/ha.a。达到中华人民共和国水利部采用土壤侵蚀模数拟定水蚀强度分级标准的Ⅲ-Ⅳ级范围,即中度侵蚀和强度侵蚀的范围。虽然各种种植制度和土地利用方式可减少土壤流失(侵蚀模数达到5.02-26.29t/ha.a),但耕作制度下(农民习惯、分带轮作、粮草间作和植物篱)的坡耕地仍然具有较大的土壤侵蚀危险,经果林和草地的坡耕地在短期内也具有土壤侵蚀危险。初步明确红黄壤坡耕地研究区土壤酸化明显,pH值在4.420-5.790之间。初步肯定用公式II计算土壤侵蚀性K值,其变异程度小；用诺谟图查值,变异程度也较小,且方法简便。它们是红黄壤坡耕地研究区土壤侵蚀性K值计算的较好方法。团聚状况、团聚度和机配比的变异程度相对较低,评价红黄壤坡耕地抗蚀性的规律性强,结果相似,因此它们是评价红黄壤坡耕地抗蚀性对相对较好的指标。初步肯定酸碱缓冲曲线拟合参数方法可较好定量求取这一特定区域土壤的酸碱缓冲容量。初步肯定采用模糊数学用于评价坡耕地不同措施防治土壤退化综合效益是可行的。

目录

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摘要

第一章土壤退化概论(文献综述)

1.1土壤退化的概念

1.2土壤退化的类型

1.3土壤退化的驱动因素

1.4土地资源与退化的现状

1.4.1世界土地资源与退化现状

1.4.2中国的土地资源与退化现状

1.5土壤退化的研究进展

1.6土壤退化研究存在的问题

参考文献

第二章研究的背景、意义及内容

2.1研究的背景及意义

2.2研究方法及内容

2.3研究技术路线

2.4创新之处

参考文献

第三章坡耕地侵蚀退化发生的机理研究

引言

3.1材料与方法

3.1.1研究区基本情况

3.1.2田间试验

3.1.3样品采集

3.1.4田间试验测定项目与方法

3.1.5.指标确定与计算

3.2结果与讨论

3.2.1红黄壤坡耕地可蚀性

3.2.2红黄壤坡耕地抗蚀性

3.2.3.降雨与降雨侵蚀力

3.2.4作物因子

3.2.5土壤地面地下状况

3.2.6坡度

3.2.7人为因子

3.2.8水土流失与土壤根系含量、生物种类、C值、土壤水分、覆盖度、地表糙度、渗透速率相关性

3.2.9红黄壤坡耕地水土流失特征

3.3本章小结

参考文献

第四章坡耕地肥力(养分)退化的机理研究

引言

4.1材料与方法

4.1.1研究区基本情况

4.1.2田间试验

4.1.3网室试验

4.1.4试验测定项目与方法

4.1.5.指标计算与确定

4.2结果与讨论

4.2.1坡耕地养分的数量性退化

4.2.2坡耕地养分的有效性退化

4.2.3坡耕地生物消耗性的养分退化

4.2.4不同坡耕地种植制度和利用方式下土壤养分平衡状况与土壤养分变化趋势

4.3本章小结

参考文献

第五章坡耕地酸化的原因、特点与机理研究

引言

5.1材料与方法

5.1.1研究区基本情况

5.1.2田间试验

5.1.3试验测定项目与方法

5.2结果与讨论

5.2.1坡耕地土壤酸化现状及变化

5.2.2土壤酸化的机制

5.2.3红黄壤坡耕地酸化的原因及变化

5.3本章小结

参考文献

第六章坡耕地侵蚀的地面监测方法

引言

6.1材料与方法

6.2结果与讨论

6.2.1径流小区法、侵蚀针法和中子活化Eu定位土芯示踪法的土壤流失／侵蚀量比较分析

6.2.2土壤流失量／侵蚀量动态变化

6.2.3土壤侵蚀量空间分异

6.2.4径流小区法、侵蚀针法和中子活化Eu定位土芯示踪法的利弊

6.3本章小结

参考文献

第七章坡耕地侵蚀退化防治及养分提升措施

引言

7.1材料与方法

7.1.1研究区基本情况

7.1.2田间试验

7.1.3试验测定项目与方法

7.1.3指标确定与计算

7.2结果与讨论

7.2.1坡耕地侵蚀退化防治、养分提升措施分类及特征

7.2.2不同措施的效益分析

7.2.3不同措施效益比较分析

7.2.4不同措施综合效益评价

7.3本章小结

参考文献

第八章全文总结、不足与后续研究

8.1主要结论

8.1.1坡耕地退化途径

8.1.2坡耕地侵蚀退化机理

8.1.3.坡耕地养分退化途径及机理

8.1.4.坡耕地土壤酸化的机理

8.1.5.坡耕地侵蚀退化的监测方法

8.1.6.坡耕地侵蚀退化防治的关键技术

8.1.7.研究中的新论点与方法

8.2.研究中的不足和后续研究工作

致谢