紫色土团聚体稳定性的水力学机制

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土壤团聚体是土壤结构的基本单元,在调节土壤性质、肥力与生态功能中扮演重要角色,其稳定性与它们之间的孔隙关系水分运动和储存、土壤通气性、生物活性和作物生长情况。目前,有关团聚体水力学稳定性的研究较为普遍,且主要集中在消散作用、非均匀膨胀作用、机械打击作用和物理化学作用。尽管四种作用造成土壤团聚体破碎的机制各不相同,但从整体看,四种作用机制均存在一个共同特点,那就是土壤团聚体在破碎前均被水润湿,这表明四种作用机制可能仅是造成土壤团聚体破碎的表面现象。而在没有外力作用下,土壤—水体系中颗粒间的相互作用可能是造成土壤团聚体破碎的内在机制,其中,水合作用逐渐被认为是主导颗粒间相互作用的重要作用机制,没有这种作用机制,干团聚体在润湿后就无法再次分散。然而,众多学者在研究水合作用对土壤团聚体破坏程度的影响时,均选择去离子水和酒精作为分散媒介,众所周知,酒精是一种极性溶剂,水也是一种极性溶剂,选择去离子水和酒精作为分散溶液不能明确水合作用对土壤团聚体稳定性的影响。因此,本文以选择一种非极性溶剂(己烷)为切入点,通过对比分析去离子水、酒精、己烷三种溶液分散下土壤团聚体的破碎率,探讨水合作用对土壤团聚体稳定性的影响,并在此基础上,通过对比不同降雨动能下土壤团聚体的稳定性,探讨雨滴打击和水合作用共同作用下土壤团聚体稳定性特征,为明确土壤团聚体稳定性的水力学机制以及影响土壤团聚体稳定性的关键因素提供理论依据。主要得出以下结论:(1)土壤理化特性及团聚体微观形态特征通过对比砂壤土到黏壤土系列质地土壤的理化性质发现,土壤容重主要集中在1.37g/cm3~1.60 g/cm3范围内,孔隙度主要集中在39.70%~48.33%范围内;碳酸钙(CaCO3)主要集中在9.89g/kg~31.74 g/kg范围内;黏粒含量在18.45%~34.79%范围内,粉粒含量在29.16%~51.12%范围内,砂粒含量在21.18%~52.39%范围内。同时,我们分析了系列质地土壤理化性质的相关性,结果表明,土壤黏粒与有机质(SOM)和阳离子交换量(CEC)呈显著正相关关系,且随土壤质地的变化,SOM大小表现为:S6(黏壤土)>S5(黏壤土)>S2(粉壤土)>S4(壤土)>S3(壤土)>S1(砂壤土);CEC大小表现为:S6(黏壤土)>S5(黏壤土)>S2(粉壤土)>S4(壤土)>S1(砂壤土)>S3(壤土)。此外,通过对比分析系列质地土壤团聚体的微观特征发现,黏壤土团聚体的基本结构单元主要为片状颗粒和扁平状聚集体,以面—面接触为主形成的片状体;颗粒与颗粒之间的排列类型为胶结结构,压实程度比较紧。壤土团聚体的基本结构单元则是片状颗粒,以面—面接触和边—面接触为主,颗粒内部压实程度比黏壤土松。粉壤土和砂壤土团聚体的基本结构单元主要为片状颗粒,以边—面接触或面—面接触,片状颗粒较大,颗粒间孔隙较大,排列较为松散。(2)水合作用下土壤团聚体稳定性特征首先采用静置崩解法测定重塑土壤团聚体和自然土壤团聚体间稳定性的差异,结果表明,自然土壤团聚体的稳定性显著高于重塑土壤团聚体,说明选用重塑土壤团聚体为试验材料不能准确反映土壤团聚体的稳定性。在此基础上,我们对比分析自然土壤团聚体在去离子水、酒精和己烷溶液分散下的稳定性,结果表明,去离子水、酒精和己烷三种溶液分散团聚体的强度均表现出:去离子水>酒精>己烷。当团聚体崩解到0.25~2 mm范围内,去离子水分散土壤团聚体的强度显著高于酒精和己烷溶液,但酒精和己烷溶液分散下的团聚体破碎指数(ABI)无显著差异(p<0.05);当团聚体崩解到<0.25 mm范围内,去离子水分散土壤团聚体的强度显著高于酒精和己烷溶液,而酒精和己烷溶液分散下土壤ABI的差异由土壤质地和浸泡时间决定(p<0.05)。这说明利用酒精与去离子水对比不能正确评价水合作用对土壤团聚体稳定性的影响,而应该选择己烷与去离子水作为分散媒介来明确水合作用对团聚体稳定性的影响。此外,对比不同质地土壤团聚体的稳定性可以发现,水合作用对砂壤土团聚体的破坏强度最大,对黏壤土团聚体的破坏作用最小。同时,分析了浸泡时间与崩解后团聚体分布情况,结果表明,当团聚体崩解在0.25~2 mm和<0.25 mm范围内,随浸泡时间增加,0.05~2 mm团聚体的百分含量逐渐降低,而0.002~0.05 mm和<0.002 mm团聚体的百分含量逐渐增加。(3)雨滴打击和水合作用共同作用下土壤团聚体稳定性特征不同降雨高度下,土壤团聚体的稳定性存在差异,研究结果表明,随降雨动能增加,土壤团聚体的稳定性逐渐降低,同时,对降雨动能和团聚体稳定性的关系进行拟合,发现指数函数能够很好的描述两者之间的关系,相关系数均达到0.95以上。同时,随降雨动能的变化,团聚体分布特征也存在差异,结果表明,当团聚体破碎至0.25~2 mm范围内,随降雨高度增加,0.05~2 mm团聚体的百分含量呈降低趋势,0.002~0.05 mm和<0.002 mm团聚体的百分含量呈增加趋势;当团聚体破碎至<0.25 mm范围内,随降雨高度增加,各粒级团聚体的百分含量波动较大。但从整体看,除砂壤土(S1)外,降雨高度为2 m时0.05~2 mm团聚体的百分含量均低于降雨高度为0.5 m时0.05~2 mm团聚体的百分含量,降雨高度为2 m时0.002~0.05mm和<0.002 mm团聚体的百分含量均高于降雨高度为2 m时0.002~0.05 mm和<0.002 mm团聚体的百分含量。此外,随降雨高度变化,不同质地土壤团聚体的稳定性也存在差异。当降雨高度为0.5 m时,6种土壤团聚体的稳定性表现为:S6(黏壤土)>S5(黏壤土)>S2(粉壤土)>S4(壤土)>S3(壤土)>S1(砂壤土);当降雨高度为1 m时,表现为S6(黏壤土)>S2(粉壤土)>S5(黏壤土)>S4(壤土)>S3(壤土)>S1(砂壤土);而当降雨高度为1.5 m和2 m,表现为S2(粉壤土)>S6(黏壤土)>S5(黏壤土)>S4(壤土)>S3(壤土)>S1(砂壤土)。综上而言,在评价土壤团聚体稳定性时,应选用自然土壤团聚体为研究对象。同时,我们发现利用去离子水与己烷溶液对比,能够真实反映水合作用对土壤团聚体稳定性的影响。从水合作用以及其与雨滴打击作用共同作用下土壤团聚体稳定性的变化发现,土壤团聚体稳定性受土壤黏粒、CEC、砾石含量、浸泡时间和降雨动能等综合因素的影响。当团聚体仅受水合作用破坏时,团聚体的稳定性由土壤黏粒、CEC、浸泡时间和团聚体微观结构特征决定;当团聚体受雨滴打击和水合作用共同作用时,团聚体的稳定性由降雨动能、黏粒、CEC和砾石含量等综合因素决定。
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