紫色丘陵区城镇化不同地貌单元的水文特征及土壤重构

城镇化过程中由于开挖、堆垫以及路面硬化等建设活动,造成各种扰动地貌单元,其中,弃土弃渣堆积体是城镇主要的绿化用地及城市绿地建设客土来源;扰动地貌与原地貌单元共同组成城镇建设项目区的复杂下垫面。采用野外和室内试验方法,系统地比较了城镇建设中不同地貌单元的物质组成、入渗和持水性能的差异性,并探讨了三种城市土壤重构类型及其减缓城市内涝的潜在作用。结果表明:(1)不同地貌单元土壤容重差异显著(p0.05),施工便道(1.74 g cm~(-3))2年弃渣堆积体(1.58 g cm~(-3))2月弃渣堆积体(1.52 g cm~(-3))荒草地(1.47 g cm~(-3))坡耕地(1.34 g cm~(-3))人工林地(1.32 g cm~(-3)),弃渣堆积体平台处土壤容重均大于边坡处。(2)不同地貌单元土壤稳定入渗率均表现为弃渣堆积体边坡原地貌弃渣堆积体平台;弃渣堆积体平台处稳定入渗率大小主要受平台压实过程中可能存在的滞水层影响。(3)不同地貌单元的各种土壤水库特征中库容差异显著(p0.05),扰动地貌单元的总库容(378.7 t hm~(-2))小于原地貌单元(472.6 t hm~(-2));扰动地貌单元总库容表现为2年弃渣堆积体2月弃渣堆积体施工便道,原地貌单元则表现为人工林地坡耕地荒草地。(4)城市绿地土壤重构类型主要有乔木适生型土壤构型、灌木适生型土壤构型和草本适生型土壤构型,土层厚度、容重、2 cm砾石含量和有机质是影响重构土壤质量的关键因素;重构土壤类型(草本适生型、乔木适生型、灌木适生型)可保证草本植物在定植后2个月、乔灌木在定植后4~5个月左右充分发挥其调控地表径流、缓解城市内涝的潜在作用。研究结果可为三峡库区城镇化建设中绿地建设和城市洪水调控提供科学依据。     

红壤坡耕地耕层土壤质量特征及障碍因素研究

为探究红壤坡耕地耕层质量特征及其障碍因素,通过野外调查、资料查阅及室内土壤理化性质分析等综合性研究手段,对江西红壤坡耕地耕层土壤质量统计特征、演变特征及主要障碍因素进行分析。结果表明:(1)红壤坡耕地田面坡度主要分布在2~16°之间,耕层平均厚度13.40 cm,有效土层厚度平均88.30 cm,土壤容重平均为1.17 g/cm~3;耕层土壤有机质平均含量19.37 g/kg,土壤pH值平均5.36。(2)红壤坡耕地耕层质量近20年有明显提高,田面坡度从6°降至4°,耕层厚度从13.68 cm增至16.42 cm;耕层土壤有机质含量24.63 g/kg,提高33.93%,全氮、有效磷和速效钾含量分别增加10.53%、230.98%、44.18%。(3)红壤坡耕地低产耕层土壤质量的主要障碍因素是土壤养分贫瘠化、粘重化和酸化;花生和木薯低产耕层的土壤容重和粘粒含量均大于高产耕层,而土壤孔隙度、田间持水量、有机质含量及pH值均小于高产耕层,表明高产坡耕地耕层土壤质量优于低产坡耕地。研究结果可为江西红壤坡耕地耕层质量改善和合理耕层构建提供科学参考。     

不同耕作深度对红壤坡耕地耕层土壤特性的影响

红壤坡耕地不同耕作深度对耕层质量和作物产量具有重要影响。以江西红壤坡耕地示范区耕层为研究对象,从土壤属性角度,对红壤坡耕地不同耕作深度处理下垂直深度土壤水分、容重、孔隙度、土壤紧实度、土壤抗剪强度、土壤有机质、有效磷和速效钾等进行分析。结果表明:(1)不同耕作深度对土壤孔隙度、饱和含水量和田间持水量的影响为免耕翻耕20 cm翻耕10 cm常规耕作翻耕30 cm,对容重的影响为翻耕30 cm常规耕作翻耕10 cm免耕翻耕20 cm;与常规耕作比较,翻耕30 cm使土壤饱和含水量、田间持水量和土壤孔隙度分别提高了18.17%,12.67%,5.94%,土壤容重降低6.90%。(2)不同耕作深度下土壤紧实度表现为翻耕30 cm翻耕10 cm翻耕20 cm免耕常规耕作,土壤抗剪强度表现为翻耕30 cm常规耕作翻耕10 cm免耕翻耕20 cm;与常规耕作对照,翻耕30 cm使土壤紧实度和抗剪强度分别降低27.07%和24.82%。(3)土壤有机质含量以翻耕20 cm处理下最高(13.48 g/kg),免耕处理含量最低(9.39 g/kg),土壤速效养分主要集中分布在0-20 cm土层,但20-40 cm土层中翻耕处理较免耕处理有不同程度的增加,以翻耕20 cm和常规耕作表现显著。(4)主成分分析结果表明,翻耕30 cm处理对红壤坡耕地土壤的综合改善效果最好。研究结果可为红壤坡耕地耕层土壤改善和合理耕层构建提供技术参考。     

基于土壤管理评估框架的云南坡耕地耕层土壤质量评价

坡耕地作为云南地区耕地资源的重要组成部分,坡耕地耕层土壤质量评价和参数适宜范围确定是合理耕层构建的基础。基于土壤管理评估框架(soil management assessment framework,SMAF),构建坡耕地耕层土壤质量指数评价模型(cultivated-layer soil quality index,CLSQI),采用最小数据集(minimum data set,MDS)法筛选评价指标,对云南地区坡耕地耕层土壤质量进行评价,提出坡耕地合理耕层土壤参数适宜范围。结果表明:云南坡耕地耕层土壤质量评价最小数据集由pH值、全氮、总孔隙度、抗剪强度、田面坡度5个指标组成,基于MDS的坡耕地耕层土壤质量评价精度较高。在初选指标体系中,土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、抗剪强度、田面坡度5个指标的权重较大,而在MDS指标体系中,田面坡度、全氮含量的权重较大。坡耕地耕层土壤质量指数(CLSQI)分布在0.39～0.84之间,均值为0.59±0.11,变异系数为0.19,坡耕地耕层土壤质量总体处于“中等”偏上水平。不同采样区坡耕地CLSQI差异显著(P0.05),其大小关系为:楚雄双柏宣威宁洱马龙石林。0～20 cm采样深度坡耕地CLSQI(均值0.59)大于20 cm(均值0.56),紫色土坡耕地CLSQI(均值0.61)大于红壤(均值0.54)(P0.05),垄作和等高耕作模式坡耕地CLSQI大于顺坡耕作,旋耕方式下的坡耕地CLSQI大于翻耕,不同农业分区坡耕地CLSQI的大小顺序为:滇东北山原区滇中高原湖盆区滇西南中山宽谷区。坡耕地合理耕层MDS土壤指标适宜范围为:pH值5.58～7.82,全氮≥1.37 g/kg,总孔隙度≥52.28%,抗剪强度≥5.19kPa,田面坡度≤11.79°。研究可为坡耕地耕层土壤质量评价及合理耕层构建提供理论依据和参数支持。     

不同耕作措施对红壤坡耕地耕层质量的影响

为探明不同耕作措施对云南红壤坡耕地耕层土壤抗侵蚀性能和生产性能的影响，以常规耕作为对照，设置免耕、翻耕20 cm、翻耕20 cm+压实、翻耕20 cm+深松30 cm四种耕作措施，采用土壤质量指数法对不同耕作措施下耕层质量变化特征进行分析评价。结果表明：（1）不同耕作措施对红壤坡耕地耕层土壤抗侵蚀性能影响显著。翻耕20 cm+深松30 cm处理下土壤饱和导水率最大（1.19 mm·min^-1）；与常规耕作相比，翻耕20 cm+深松30 cm处理下水稳性团聚体平均质量直径增加28.13%；免耕处理下土壤抗剪强度最高（12.12 kg·cm^-2），耕层土壤饱和导水率最大（1.27 mm·min^-1）；翻耕20 cm处理下大于0.25 mm水稳性团聚体含量、水稳性团聚体平均质量直径、几何平均直径均显著高于其他措施，分别为69.64 g·kg^-1、1.74 mm、0.77 mm。（2）不同耕作措施对红壤坡耕地耕层生产性能影响具有差异性表现，免耕处理下土壤容重显著增大，土壤有机质、有效磷在表层富集；翻耕20 cm、翻耕20 cm+深松30 cm处理下，耕层增厚效果显著，土壤有机质、有效磷含量显著增加。（3）红壤坡耕地耕层土壤质量及诊断指标的适宜性对耕作措施响应有差异，翻耕20 cm+深松30 cm处理耕层土壤质量指数最大（0.58）；翻耕20 cm、翻耕20 cm+深松30 cm处理的耕层厚度、容重及有效磷指标均在适宜性阈值范围。上述研究结论可为红壤坡耕地适宜耕作措施选择以及坡耕地合理耕层的构建与评价提供参考。     

岩溶区煤矿工程堆积体边坡细沟发育及其水沙关系研究

重力作用对坡面径流泥沙和细沟发育具有重要影响。以煤矿工程堆积体为研究对象,采用野外实地放水冲刷法研究不同坡度条件下,重力作用对工程堆积体边坡产流产沙细沟发育形态的影响。结果表明:(1)工程堆积体坡面侵蚀过程分为面蚀(产流3 min内)和细沟侵蚀阶段,其中细沟侵蚀存在扩张(产流3～24 min)、过渡(产流24～30 min)和稳定(产流30 min后)3个发展过程,细沟最快出现为4s、最慢为97s,二者出现时间约相差24倍。(2)重力作用是影响工程堆积体边坡产流产沙及其波动性变化的重要原因,对工程堆积体边坡总产沙量贡献在17.41%以上,最高可达99.60%;初步判定,重力作用对边坡细沟发育影响作用明显的临界径流条件为20 L·min~(-1),临界坡度条件为35°。(3)重力作用造成工程堆积体边坡细沟由短向长、由浅向深、由窄向宽发展,坡面细沟沟宽在7.89～19.73 cm之间,沟深在2.17～6.73 cm之间,宽深比在2.12～4.36之间,细沟密度在1.35～3.00m·m~(-2)之间;径流作用主导细沟深度发育,而重力作用主导细沟宽度发育;边坡细沟密度随放水流量及坡度增加呈先增大后减小的趋势。研究结果对于正确认识煤矿工程堆积体边坡产流产沙特征、影响因素及土壤侵蚀量测算具有重要参考意义。     

基于聚类及PCA分析的红壤坡耕地耕层土壤质量评价指标

为准确评价红壤坡耕地耕层土壤质量特征,该文采用聚类分析法(CA)和主成分分析法(PCA)分别建立了南方红壤丘陵区坡耕地耕层质量诊断最小数据集(minimum data set,MDS),并利用最小数据集土壤质量指数(soil quality index-CA,SQI-CA和soil quality index-PCA,SQI-PCA)和全量数据集土壤质量指数(soil quality index-total,SQI-T)对坡耕地耕层特征进行分析。结果表明:1)红壤坡耕地耕层土壤质量变化特征差异明显,其中耕层平均厚度(19.93±4.9)cm,接近作物生长适宜水平;土壤有机质、全氮平均含量分别为(17.43±8.71)和(0.97±0.42)g/kg,处于中度贫瘠化水平;土壤有效磷和速效钾含量丰富,平均含量分别为(26.1±22.22)和(155.46±88.35)mg/kg;p H均值为(5.34±0.77),土壤呈弱酸性。2)红壤坡耕地耕层土壤质量评价最小数据集由耕层厚度、土壤容重、土壤贯入阻力、土壤有机质、p H值和有效磷组成。基于不同数据集的耕层土壤质量评价结果差异明显,土壤质量指数变化范围、均值表现为SQI-TSQI-CASQI-PCA,变异系数表现为SQI-TSQI-CASQI-PCA,SQI-CA与SQI-T的Nash有效系数和相关度高于SQI-PCA,而相对偏差系数和平均相对误差则低于SQI-PCA,这表明基于聚类分析最小数据集(MDS-CA)较基于主成分分析最小数据集(MDS-PCA)更适合替代全量数据集(total data set,TDS)对耕层土壤质量进行评价。3)从保水、保土、保肥及增产潜力角度看,红壤坡耕地合理耕层诊断指标适宜性阈值为耕层厚度≥20.39 cm,土壤容重0.92~1.21 g/cm3,土壤贯入阻力≤1.21 kg/cm3,土壤有机质含量≥18.82 g/kg,p H值5.04~5.38,有效磷≥28.83 mg/kg。合理深松是构建合理耕层的有效措施之一。该研究结果可为南方红壤丘陵区坡耕地耕层质量恢复、农作物生产适宜性调控和坡耕地水土流失阻控提供参考,有利于红壤丘陵区坡耕地资源持续利用。     

西南紫色土坡耕地农作物-耕层质量适宜性的耦合度诊断

【目的】紫色土坡耕地是西南区农业生产重要的耕地资源,其耕层质量集中表现为侵蚀性退化严重且农作物产量低而不稳,在地块尺度上农作物产量变化较土壤质量退化具有较明显的滞后效应。论文在紫色土不同地力等级坡耕地耕层土壤质量分析基础上,定量分析紫色土坡耕地耕层质量对农作物的适宜性程度。【方法】在不同地力等级耕层质量统计分析及聚类分析基础上,对农作物-耕层适宜性的耦合度程度进行诊断分析。【结果】（1）紫色土坡耕地不同地力等级的耕层厚度为19—21 cm,有效土层厚度在21—43 cm变化,耕层厚度比较稳定但有效土层浅薄现象严重,五级坡耕地不存在心土层;五级坡耕地产量限制因素为田面坡度、有效土层厚度、耕层厚度。（2）紫色土坡耕地3种耕层类型特征明显,其中Ⅰ类耕层土壤显弱酸性（pH 6.4）,阳离子交换量（21.0 cmol(+)·L ^-1）最大;Ⅱ类耕层田面坡度最小（11°）,有效土层厚度（38 cm）和耕层厚度（22 cm）最厚,土壤速效钾含量（136.5 mg·kg ^-1）最多;Ⅲ类耕层有效土层厚度（28 cm）最薄,土壤显酸性（pH 4.8）,阳离子交换量（9.2 cmol(+)·L ^-1）最小;田面坡度,有效土层厚度,土壤酸化,阳离子交换量是影响坡耕地作物产量主导因子。（3）紫色土坡耕地不同地力等级的农作物与耕层适宜性存在协调发展类和失调衰退类两种状态和同步型、滞后型、损益型、共损型4种表现,在同样地力条件下,农作物产量较耕层质量更为敏感,衰退表现更加明显;农作物-耕层耦合关系（C_d）为Ⅰ类耕层（0.4820）和Ⅱ类（0.5207）属于基本协调发展类农作物耕层同步型,农作物生长勉强适宜;Ⅲ类（0.3343）濒临失调衰退类耕层损益型,农作物生长中度不适宜。 【结论】紫色土坡耕地耕层厚度比较稳定但有效土层浅薄化现象严重,不同地力等级的农作物与耕层适宜性存在协调发展类和失调衰退类两种状态和同步型、滞后型、损益型、共损型4种表现,紫色土坡耕地改良应减小田面坡度,增加有效土层厚度,调节土壤酸碱度。研究结果可为地块尺度上紫色土坡耕地合理耕层调控及构建提供技术参数。     

土壤侵蚀因素对紫色丘陵区坡耕地耕层质量影响

土壤侵蚀是导致坡耕地耕层土壤质量退化和土壤生产力不稳定的关键因素。该文以紫色丘陵区坡耕地为例,对坡耕地不同地力等级耕层土壤质量、渗透性能及耕层类型进行聚类分析,讨论了土壤侵蚀对坡耕地耕层厚度影响及合理耕层土体构型。结果表明:(1)紫色土坡耕地耕层土壤质量具有中等程度变异性,有效土层厚度(15~80 cm)和耕层厚度(15~25 cm)变异系数分别为12.18%和37.26%,土壤有效磷变异系数可达94.51%,说明土壤物理指标变异性小于化学指标变化;三级以下地力耕层构型为近似全虚或全实剖面结构,五等地力坡耕地产量下降50%左右。(2)紫色土坡耕地不同坡位、不同垂直深度的耕层土壤物理性质、持水性能及耕作性能差异显著(P0.05),土壤容重为上坡下坡中坡,土壤抗剪强度为上坡中坡下坡,土壤稳定入渗为下坡中坡上坡,土壤贯入阻力表现为中坡上坡下坡;除土壤入渗外,土壤容重、抗剪强度、贯入阻力均表现为底土层心土层耕层;坡耕地0~40 cm土层中蓄存降水可被农作物利用70%左右。(3)中度侵蚀程度坡耕地,年均耕层厚度薄化值为1.04~3.04 mm,坡耕地合理耕层建立可选择有效土层厚度、耕层厚度、土壤容重、土壤抗剪强度、土壤有机质、土壤渗透性为坡耕地合理耕层评价最小数据集,耕层构型总体保持上虚下实型、耕层厚度20~25 cm、有效土层厚度50~60 cm。(4)紫色土坡耕地可分为四种耕层类型,其障碍耕层主要表现为有效土层厚度限制型(第II类)、耕层厚度限制型(第III类)和土壤养分限制型(第IV类),分别占耕层总量30%、10%、3%;紫色土坡耕地合理耕层建立应重点关注有效土层厚度和耕层厚度调控。研究结果可为客观认识土壤侵蚀与紫色土坡耕地耕层退化关系、合理耕层构建提供理论依据和技术参数支持。     

土壤侵蚀对坡耕地土壤水分及入渗特性影响

土壤水分对雨养农业坡耕地具有重要的意义，利用铲土侵蚀模拟试验小区，对不同侵蚀程度坡耕地的土壤水分特征曲线、土壤入渗、土壤水库特征及抗旱性能进行了研究。结果表明：（1）土壤侵蚀程度加剧可以使相同吸力下土壤的容积含水量降低，不利于坡耕地土壤的水分贮存，使坡耕地土壤抗旱性能降低。紫色土坡耕地土壤入渗速率随着土壤侵蚀程度加剧，0～10 cm层土壤入渗速率逐渐降低，同时随着土壤侵蚀程度加剧，不同垂直深度上各个土层土壤入渗速率差异逐渐减小。（2）不同侵蚀程度坡耕地土壤水库特征差异显著，紫色土坡耕地土壤总库容随着土壤侵蚀程度加剧先呈现上升趋势，土壤总库容的大小表现为S-10（422.7 t?hm-2）>S-5（413.1 t?hm-2）>S-15（408.2 t?hm-2）>S-0（404.9 t?hm-2）>S-20（403.5 t?hm-2）。随着侵蚀程度加剧紫色土坡耕地土壤水库无效水分有着不同程度的增加，土壤侵蚀可以减小水库持水效率，但侵蚀程度对水库持水效率影响不大。（3）不同侵蚀坡耕地0～40 cm层土壤的各贮水特征之间差异不大，同一土层深度不同侵蚀程度坡耕地最大吸持贮水量占饱和贮水量的75 %左右。随侵蚀程度加剧坡耕地土壤抗旱性变差，相同吸力下，不同侵蚀程度坡耕地耕层土壤累计损失水百分率随侵蚀程度加剧呈现不同程度的增加。研究结果可为地块尺度上紫色土坡耕地土壤水分和抗旱性能调控提供技术参数。