东北典型薄层黑土区土壤可蚀性关键因子分析与土壤可蚀性计算

东北黑土区是我国主要粮食生产区和商品粮基地,长期以来受“重用轻养”掠夺式开垦,土壤侵蚀日益严重,严重影响我国的粮食安全。因此,揭示黑土区土壤侵蚀发生发展规律及其调控机理,有效控制水土流失,保护宝贵的黑土资源,是保障国家粮食安全的迫切需求。本研究选择侵蚀严重的黑龙江省宾县宾州河流域为研究区,以典型薄层黑土为研究对象,通过野外调查与定位测试、室内理化分析和统计分析相结合的研究方法,分析流域上、中、下游不同地形部位土壤有机质、入渗性能、土壤质地和团聚体稳定性特征及其空间分布,确定土壤可蚀性关键因子的敏感性,探讨EPIC、USLE、RUSLE2三种模型K值估算方法在东北黑土区的适用性,估算宾州河流域土壤可蚀性K值范围,分析K值的空间分布特征及关键影响因子,为薄层黑土区及相似地区的土壤侵蚀定量评价、土壤质量危险性评价与农业可持续性发展提供重要科学依据。主要研究结论如下: (1)建立了LD法快速测定土壤粒径分布(PSD)转换模型,阐明LD法“低估”黏粒含量的差异性来源。与吸管法相比,激光衍射法(LD法)平均“低估”土壤的黏粒含量为19.69%,相应“高估”粉粒含量14.66%。造成LD法判定的土壤质地相对吸管法总体偏向粉砂方向,不适用于传统土壤质地分类系统。因此,建立LD法与吸管法PSD转换模型。模型验证结果表明,LD法测定结果转化后与吸管法测得结果间的误差降低至1.29%～3.03%,转换后判定土壤质地的准确率达83.15%。同时,阐述了LD法“低估”黏粒含量主要为测定粒径范围及获取信息量与理论基础不同所致。 (2)研究了流域的土壤质地及其分布特征,结果表明,土壤质地以粉黏壤(Silt clay loam)为主,占流域土壤样本总数的80%以上,其次为粉黏土(Silty clay)和粉壤(Silt loam);随土壤剖面土层深度的增加,土壤质地趋于黏重。178个土壤样品的土壤颗粒分形维数的研究表明,土壤颗粒分形维数D随土壤剖面深度增加呈增加趋势,并与砂粒、粉粒含量呈极显著或显著负相关关系,与黏粒存在极显著正相关关系,各粒级对分形维数D的贡献排序为:黏粒含量>粉粒含量>砂粒含量。 (3)分析了土壤有机质和CEC在流域的分布规律,发现土壤有机质和CEC在流域尺度上均呈现由上游至下游波动增加的趋势。而在土壤剖面上的分布特征,由于受土壤侵蚀—搬运—沉积过程及土壤剖面构型的双重影响,表现为在侵蚀—搬运为主或正常土壤剖面构型的地区,土壤有机质和CEC随土壤剖面深度增加而递减;反之,在侵蚀—沉积为主的埋藏土壤剖面上则表现为随土壤剖面深度的增加而递增的趋势。 (4)探讨了流域上、中、下游不同地形部位表层土壤的孔性和入渗特性,发现流域上游至中上游地区,有效孔径λm的排序为坡面上部>坡面下部,增幅约为50%;而流域中下游至下游呈相反规律。初始入渗率和稳定入渗率在流域上游至中上游地区表现坡面下部大于坡面上部,而在流域下游地区呈相反的变化规律。 (5)揭示了薄层黑土团聚体的破坏机制,阐述了土壤团聚体稳定性的空间分布特征,发现薄层黑土团聚体的破坏机制主要为快速湿润引起“气爆”的消散作用和慢速湿润产生的黏粒膨胀作用,团聚体破坏机制的作用次序为消散作用(快速湿润处理)﹥黏粒膨胀作用(慢速湿润处理)﹥机械破坏作用(机械震荡)。同时发现,WSA>0.25和MWDSW具有较强的稳定性与敏感性。LB三种土壤团聚体稳定性处理方法的对比表明,LB中慢速湿润处理方法更适用于黑土团聚体稳定性的测定。土壤黏粒含量与团聚体稳定性间存在双重效应,但主要表现为黏粒作为胶结物质的正向效应。土壤团聚体稳定性在流域的空间分异明显。0～20 cm表层土壤的团聚体稳定性在流域尺度上呈现流域中游<流域下游<流域上游,其在20～40 cm土层表现为流域上游<流域下游<流域中游。土壤团聚体稳定性在土壤剖面上的呈现为0～5 cm≈5～10 cm>10～20 cm>20～40 cm的变化趋势。 (6)探究了东北典型薄层黑土区土壤可蚀性的关键因子,发现MWDSW、有机质和黏粒含量可作为土壤可蚀性的关键敏感性指标。探讨了USLE、EPIC及RUSLE2等模型土壤可蚀性K值估算方法在研究区的适用性。发现RUSLE2模型中的K值算法更适于研究区的K值估算,K值变化范围为0.08～0.33 t.acre.h/100.acre.ft.t.in,平均值为0.23 t.acre.h/100.acre.ft.t.in。 (7)阐明了土壤可蚀性K值在流域的分布规律。在流域尺度上,土壤可蚀性K值整体变化趋势为流域上游>流域中游>流域下游;受地形部位和开垦年限的影响,K值沿坡长分布表现出明显的差异,即K值大小排序为坡面上部>坡面中部>坡面下部。在土壤剖面上,土壤可蚀性整体表现为随土层深度增加而增加的趋势,即土层深度越深土壤对侵蚀的敏感程度越高,越容易发生侵蚀。因此,保护表层土壤是保护黑土资源的关键所在。