發(fā)布時(shí)間：2020-10-20 02:30

　　 優(yōu)先流是一種快速非平衡的土壤水分運(yùn)動過程。森林流域中優(yōu)先流的發(fā)生可提高土壤水分有效性,減少地表徑流形成,對流域森林水文過程具有重要影響,有利于水資源保護(hù)和調(diào)控。探討不同環(huán)境條件下優(yōu)先流與土壤基質(zhì)的相互作用,揭示優(yōu)先流形成機(jī)理是當(dāng)今土壤學(xué)和水文學(xué)交叉部分亟待解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一。 本研究采用亮藍(lán)溶液染色示蹤與積水滲透試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對三峽庫區(qū)紫色砂巖地區(qū)廣泛分布的闊葉林、針葉林、針闊混交林和灌叢等4種林地的土壤優(yōu)先流過程進(jìn)行觀測,依據(jù)體視學(xué)原理,空間點(diǎn)格局方法和水分穿透曲線理論,分別對林地優(yōu)先流的形態(tài)特征與發(fā)生類型,優(yōu)先路徑的分布狀態(tài)和數(shù)量特征進(jìn)行研究,揭示了紫色砂巖林地土壤優(yōu)先流的形成機(jī)理。研究主要結(jié)論如下： (1)以體視學(xué)原理為基礎(chǔ),通過分析三峽庫區(qū)紫色砂巖林地壤中流形態(tài),發(fā)現(xiàn)土壤優(yōu)先流多伴隨基質(zhì)流一同發(fā)生,其運(yùn)移速率約為基質(zhì)流的4-18倍。不同類型林地的土壤優(yōu)先流發(fā)展過程具有一定差別,隨土壤垂直深度增加,林地土壤優(yōu)先流的空間異質(zhì)性逐漸加劇。以染色路徑寬度10 mm和100 mm為標(biāo)準(zhǔn),參考水流運(yùn)動形態(tài)變化狀況,可將林地壤中流類型劃分為：均質(zhì)基質(zhì)流、非均質(zhì)指流、高相互作用大孔隙流、混合作用大孔隙流和低相互作用大孔隙流等5類,其中指流和大孔隙流均屬于土壤優(yōu)先流范疇。紫色砂巖林地土壤優(yōu)先流主要以大孔隙流的形式產(chǎn)生和發(fā)展,一般發(fā)生于土壤10-20 cm深度位置并直達(dá)剖面母質(zhì)層頂部。 (2)采用點(diǎn)格局方法對三峽庫區(qū)紫色砂巖林地優(yōu)先路徑的空間分布規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果顯示在不同滲透水量條件下,半徑25 cm的土壤剖面空間尺度范圍內(nèi),林地優(yōu)先路徑整體上表現(xiàn)出了顯著的聚集分布狀態(tài),且隨著空間尺度擴(kuò)大其分布狀態(tài)具有向均勻分布發(fā)展的趨勢。植物根系和優(yōu)先路徑的空間分布關(guān)系,在表層0-20 cm土壤范圍內(nèi)表現(xiàn)出顯著正關(guān)聯(lián)性,表土層優(yōu)先路徑的形成與植物淺根系生長密切相關(guān)；20-50 cm的中低層土壤中,紫色砂巖碎礫逐漸增多,植物根系數(shù)量減少,二者空間分布關(guān)聯(lián)性逐漸降低；土壤剖面底層范圍內(nèi)植物根系與優(yōu)先路徑表現(xiàn)出了一定空間分布負(fù)關(guān)聯(lián)性,可能是喬木垂直根系生長堵塞了土壤中原有裂隙所致。 (3)紫色砂巖林地優(yōu)先流染色區(qū)和未染色區(qū)內(nèi)土壤水分穿透曲線特征具有顯著差異,水分出流速率與穿透時(shí)間成顯著對數(shù)曲線關(guān)系,未染色區(qū)土壤達(dá)到水分穩(wěn)定出流階段的時(shí)間較其對應(yīng)的染色區(qū)土壤一般滯后5-10 s。通過土壤水分穿透曲線計(jì)算得到紫色砂巖林地土壤大孔隙當(dāng)量半徑可分為0.3-0.5 mm、0.5-0.7 mm、0.7-1.5mm和1.5-3.0 mm等4個(gè)級別,不同類型林地的土壤大孔隙數(shù)量具有一定差別,染色區(qū)和未染色區(qū)相同當(dāng)量半徑的土壤大孔隙數(shù)量相差了近一個(gè)數(shù)量級。土壤大孔隙數(shù)量與土壤飽和滲透率的相關(guān)關(guān)系隨其孔徑減小逐漸降低。染色區(qū)內(nèi)較密集的大孔隙分布狀況,促進(jìn)了林地土壤優(yōu)先流的發(fā)生,以及優(yōu)先流空間異質(zhì)性的產(chǎn)生。 (4)林地土壤優(yōu)先流的形成是通過外部因素和內(nèi)部因素共同作用實(shí)現(xiàn)的。水分條件是優(yōu)先流形成的外部因素,優(yōu)先流形成的內(nèi)部因素是與“植物-土壤”相關(guān)的環(huán)境因子。以Spearman相關(guān)分析結(jié)果為基礎(chǔ),篩選出土壤密度、砂粒含量、粉黏比、有機(jī)質(zhì)含量、根孔數(shù)量、根重密度、根長密度、土壤初始含水量和滲透水量等13個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析,結(jié)果表明土壤孔隙結(jié)構(gòu)因素、土壤水分狀況因素、土壤類型因素和外部降水因素等四個(gè)主成分影響著三峽庫區(qū)紫色砂巖林地土壤優(yōu)先流形成,其中土壤孔隙結(jié)構(gòu)因素是林地土壤優(yōu)先流形成的最重要因素,可解釋其46.76%的方差變異。
【學(xué)位單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：S714
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
1 引言
    1.1 研究背景
    1.2 研究目的與意義
    1.3 土壤優(yōu)先流特征及其形成機(jī)理研究進(jìn)展
        1.3.1 優(yōu)先流定義與類型
            1.3.1.1 優(yōu)先流與優(yōu)先路徑
            1.3.1.2 優(yōu)先流類型
        1.3.2 優(yōu)先流觀測方法
            1.3.2.1 形態(tài)觀測方法
            1.3.2.2 水力觀測方法
            1.3.2.3 非侵入性觀測方法
        1.3.3 優(yōu)先流特征
            1.3.3.1 單體優(yōu)先路徑形態(tài)特征
            1.3.3.2 優(yōu)先路徑數(shù)量特征
            1.3.3.3 優(yōu)先流分形特征
            1.3.3.4 優(yōu)先流體視學(xué)特征
        1.3.4 優(yōu)先流形成機(jī)理
            1.3.4.1 優(yōu)先路徑形成機(jī)制
            1.3.4.2 優(yōu)先流發(fā)生機(jī)制
        1.3.5 存在問題與研究展望
            1.3.5.1 存在問題
            1.3.5.2 研究展望
2 研究區(qū)概況
    2.1 三峽庫區(qū)自然環(huán)境概況
    2.2 試驗(yàn)區(qū)自然環(huán)境概況
        2.2.1 地質(zhì)地貌
        2.2.2 土壤特征
        2.2.3 氣象水文
        2.2.4 植被狀況
3 研究內(nèi)容與研究方法
    3.1 研究內(nèi)容
    3.2 研究技術(shù)路線
    3.3 研究方法
        3.3.1 樣地布設(shè)調(diào)查
        3.3.2 染色示蹤觀測
        3.3.3 染色圖像處理
        3.3.4 特征參數(shù)解析
        3.3.5 土壤樣品分析
        3.3.6 植物樣品分析
4 林地土壤優(yōu)先流觀測樣地的植被特征
    4.1 優(yōu)先流觀測樣地植被垂直結(jié)構(gòu)特征
        4.1.1 喬木層郁閉度
        4.1.2 灌木層覆蓋度
        4.1.3 草本層覆蓋度
    4.2 優(yōu)先流觀測樣地植物組成狀況
        4.2.1 植物種重要值計(jì)算方法
        4.2.2 觀測樣地植物組成及其重要值
            4.2.2.1 闊葉林樣地優(yōu)勢種及其重要值
            4.2.2.2 針葉林樣地優(yōu)勢種及其重要值
            4.2.2.3 針闊混交林樣地優(yōu)勢種及其重要值
            4.2.2.4 灌叢樣地優(yōu)勢種及其重要值
    4.3 優(yōu)先流觀測樣地物種多樣性
        4.3.1 基于Shannon-Wiener指數(shù)的林地植被多樣性分析
        4.3.2 基于Pielou指數(shù)的林地植被均勻度分析
    4.4 小結(jié)
5 林地土壤優(yōu)先流形態(tài)特征及其空間異質(zhì)性
    5.1 林地壤中流過程與優(yōu)先流形態(tài)特征
        5.1.1 闊葉林土壤優(yōu)先流發(fā)生與形態(tài)特征
        5.1.2 針葉林土壤優(yōu)先流發(fā)生與形態(tài)特征
        5.1.3 針闊混交林土壤優(yōu)先流發(fā)生與形態(tài)特征
        5.1.4 灌叢土壤優(yōu)先流發(fā)生與形態(tài)特征
    5.2 林地土壤優(yōu)先流形態(tài)變化規(guī)律
        5.2.1 林地土壤優(yōu)先流形態(tài)的縱向變化規(guī)律
            5.2.1.1 不同類型林地土壤染色面積比的縱向變化
            5.2.1.2 染色面積比與土壤垂直深度的回歸關(guān)系
            5.2.1.3 土壤優(yōu)先流形態(tài)對試驗(yàn)滲透水量的響應(yīng)
        5.2.2 林地土壤優(yōu)先流形態(tài)的橫向變化規(guī)律
            5.2.2.1 不同類型林地染色面積比的橫向分布
            5.2.2.2 優(yōu)先流形態(tài)的橫向變化及其影響因素
    5.3 林地土壤優(yōu)先流形態(tài)的空間異質(zhì)性
        5.3.1 林地壤中流過程及優(yōu)先流形態(tài)的空間變化
        5.3.2 滲透水量對土壤優(yōu)先流空間異質(zhì)性的影響
    5.4 小結(jié)
6 林地土壤染色路徑寬度與優(yōu)先流發(fā)生類型
    6.1 垂直染色剖面表面積密度與染色路徑寬度分布
        6.1.1 林地土壤垂直染色剖面的表面積密度
            6.1.1.1 闊葉林土壤垂直染色剖面的表面積密度
            6.1.1.2 針葉林土壤垂直染色剖面的表面積密度
            6.1.1.3 針闊混交林土壤垂直染色剖面的表面積密度
            6.1.1.4 灌叢土壤垂直染色剖面的表面積密度
        6.1.2 林地土壤染色路徑數(shù)量的垂直變化規(guī)律
        6.1.3 林地土壤染色路徑寬度分布特征
    6.2 林地壤中流過程中的優(yōu)先流發(fā)生類型判定
        6.2.1 基于染色路徑寬度的壤中流類型劃分標(biāo)準(zhǔn)
        6.2.2 不同類型林地土壤優(yōu)先流的發(fā)生類型
            6.2.2.1 闊葉林壤中流過程與土壤優(yōu)先流發(fā)生類型
            6.2.2.2 針葉林壤中流過程與土壤優(yōu)先流發(fā)生類型
            6.2.2.3 針闊混交林壤中流過程與土壤優(yōu)先流發(fā)生類型
            6.2.2.4 灌叢壤中流過程與土壤優(yōu)先流發(fā)生類型
    6.3 土壤優(yōu)先流類型對林地水分條件的響應(yīng)
        6.3.1 土壤優(yōu)先流類型對初始含水量的響應(yīng)
        6.3.2 土壤優(yōu)先流類型對水分梯度的響應(yīng)
        6.3.3 土壤優(yōu)先流類型對滲透水量的響應(yīng)
    6.4 小結(jié)
7 林地土壤優(yōu)先路徑的水平空間分布規(guī)律
    7.1 林地水平染色剖面內(nèi)優(yōu)先路徑數(shù)量
        7.1.1 林地水平染色剖面優(yōu)先路徑信息提取方法
        7.1.2 不同類型林地土壤優(yōu)先路徑的水平空間分布數(shù)量
            7.1.2.1 闊葉林優(yōu)先路徑的水平空間分布數(shù)量
            7.1.2.2 針葉林優(yōu)先路徑的水平空間分布數(shù)量
            7.1.2.3 針闊混交林優(yōu)先路徑的水平空間分布數(shù)量
            7.1.2.4 灌叢優(yōu)先路徑的水平空間分布數(shù)量
    7.2 林地優(yōu)先路徑的水平空間分布狀態(tài)
        7.2.1 點(diǎn)格局分析方法及其原理
        7.2.2 低滲透水量下林地優(yōu)先路徑的水平空間分布狀態(tài)
        7.2.3 高滲透水量下林地優(yōu)先路徑的水平空間分布狀態(tài)
    7.3 植物根系與優(yōu)先路徑的空間分布關(guān)聯(lián)性
        7.3.1 空間分布關(guān)聯(lián)性分析方法與原理
        7.3.2 闊葉林地植物根系與優(yōu)先路徑的空間分布關(guān)聯(lián)性
        7.3.3 針葉林地植物根系與優(yōu)先路徑的空間分布關(guān)聯(lián)性
        7.3.4 針闊混交林地植物根系與優(yōu)先路徑的空間分布關(guān)聯(lián)性
        7.3.5 灌叢植物根系與優(yōu)先路徑的空間分布關(guān)聯(lián)性
    7.4 小結(jié)
8 林地土壤大孔隙特征及其與水分傳導(dǎo)特性關(guān)系
    8.1 基于水分穿透曲線的大孔隙數(shù)量計(jì)算方法
    8.2 林地土壤水分穿透曲線及其變化規(guī)律
        8.2.1 不同類型林地土壤水分穿透曲線特征
            8.2.1.1 闊葉林土壤水分穿透曲線特征
            8.2.1.2 針葉林土壤水分穿透曲線特征
            8.2.1.3 針闊混交林土壤水分穿透曲線特征
            8.2.1.4 灌叢土壤水分穿透曲線特征
        8.2.2 林地土壤水分穿透曲線的變化規(guī)律
    8.3 林地染色區(qū)與未染色區(qū)的土壤大孔隙特征
        8.3.1 林地染色區(qū)土壤大孔隙特征
            8.3.1.1 染色區(qū)土壤大孔隙孔徑與數(shù)量
            8.3.1.2 染色區(qū)大孔隙數(shù)量隨土壤深度的變化
            8.3.1.3 不同類型林地染色區(qū)土壤大孔隙數(shù)量差異
        8.3.2 林地未染色區(qū)土壤大孔隙特征
            8.3.2.1 未染色區(qū)土壤大孔隙孔徑與數(shù)量
            8.3.2.2 土壤深度與林地類型對未染色區(qū)大孔隙數(shù)量的影響
        8.3.3 林地染色區(qū)與未染色區(qū)土壤大孔隙數(shù)量分布規(guī)律
    8.4 林地大孔隙特征對土壤飽和導(dǎo)水率的影響
    8.5 小結(jié)
9 紫色砂巖林地土壤優(yōu)先流形成機(jī)理
    9.1 土壤理化性質(zhì)對林地土壤優(yōu)先流形成的影響
        9.1.1 優(yōu)先流發(fā)生區(qū)域的土壤密度
        9.1.2 優(yōu)先流發(fā)生區(qū)域的土壤質(zhì)地
        9.1.3 優(yōu)先流發(fā)生區(qū)域的有機(jī)質(zhì)含量
        9.1.4 優(yōu)先流發(fā)生區(qū)域的Al和Fe元素含量
    9.2 植物根系對林地土壤優(yōu)先流形成的影響
        9.2.1 根長密度與土壤優(yōu)先流的關(guān)系
        9.2.2 根重密度與土壤優(yōu)先流的關(guān)系
        9.2.3 植物根孔與土壤優(yōu)先流的關(guān)系
    9.3 紫色砂巖林地土壤優(yōu)先流發(fā)生的影響因素
    9.4 小結(jié)
10 結(jié)論與討論
    10.1 研究結(jié)論
    10.2 討論與展望
參考文獻(xiàn)
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致謝

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號：2848075