發(fā)布時間：2017-12-10 03:14

  本文關(guān)鍵詞：黃土高原土壤大孔隙特征及其對土壤水分的影響

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【摘要】：隨著退耕還林工程的深入進(jìn)行,黃土高原植被建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展受到了越來越多的關(guān)注。大量增加的植被覆蓋對土壤理化性質(zhì)造成顯著的影響,而且極大地消耗了土壤水分,進(jìn)而阻礙了植被建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。如何提高降水入滲效率、增加土壤水儲量成為了當(dāng)?shù)刎酱�解決的問題。植被根系可以改善土壤結(jié)構(gòu),另外大量的植被恢復(fù)為地棲性土壤動物提供了合適的棲息地和充足的食物,土壤動物的筑巢活動可以提高土壤大孔隙的數(shù)量。而土壤大孔隙與黃土高原土壤水庫及其調(diào)蓄降水能力緊密相關(guān)。研究土壤大孔隙特征及其與土壤水分之間的關(guān)系,在理論上有助于揭示黃土高原土壤大孔隙對降雨的調(diào)蓄機(jī)制,在實(shí)踐中可以為該地區(qū)的植被建設(shè)提供指導(dǎo)性建議。本論文利用CT掃描技術(shù)量化了黃土高原富縣和神木縣四種植被[遼東櫟Quercus liaotungensis(QLI)、油松Pinus tabuliformis(PTA)、檸條Caragana korshinskii(KOP)和苜蓿Medicago sativa(MSA)]覆蓋下的土壤大孔隙結(jié)構(gòu)特征,分析了大孔隙指標(biāo)與飽和導(dǎo)水率之間的回歸關(guān)系。用石膏澆筑法和CT掃描法,對比了室內(nèi)和室外日本弓背蟻(Camponotus japonicus)巢穴的結(jié)構(gòu)特征,分析了日本弓背蟻巢穴對土壤水分入滲以及土壤水分蒸發(fā)過程的影響。另外,我們探索了影響螞蟻巢穴結(jié)構(gòu)的主要因素,所取得主要結(jié)論如下:1、利用醫(yī)學(xué)CT掃描設(shè)備和ImageJ圖像分析軟件量化了黃土高原遼東櫟、油松、檸條和苜蓿四種不同植被覆蓋條件下的土壤大孔隙特征(2D和3D),大孔隙二維指標(biāo)包括土壤大孔隙度、大孔隙數(shù)、大孔隙分形維數(shù)、大孔隙成圓率和最大孔隙面積,大孔隙三維指標(biāo)包括大孔隙表面積密度、分支密度、連接點(diǎn)密度和連續(xù)性。除了大孔隙成圓率以外,四種植被覆蓋下的土壤大孔隙二維和三維結(jié)構(gòu)特征值大小排序均為:QLIPTAKOPMSA。土壤大孔隙特征隨植被年齡的增加而逐漸優(yōu)化,和22年生檸條(KOP22)相比,40年生檸條(KOP40)覆蓋下的土壤擁有更好的孔隙結(jié)構(gòu)。土壤大孔隙分形維數(shù)和大孔隙數(shù)量之間有顯著的回歸關(guān)系(P0.001),決定系數(shù)R2=0.928,分形維數(shù)和大孔隙度之間也存在顯著的回歸關(guān)系(P0.001),決定系數(shù)R2=0.838。2、土壤飽和導(dǎo)水率在四個處理之間變異較大,對于整個土柱的平均導(dǎo)水率,遼東櫟(QLI)覆蓋下的土壤飽和導(dǎo)水率最大(0.073 cm/min),其次是油松(PTA)(0.063 cm/min)和檸條(KOP)(0.054 cm/min),苜蓿(MSA)最小(0.018 cm/min)。40年生檸條處理(KOP40)的飽和導(dǎo)水率(0.054 cm/min)大于22年生檸條(KOP22)處理(0.048 cm/min)。土壤大孔隙度、大孔隙數(shù)量、大孔隙分形維數(shù)與土壤飽和導(dǎo)水率之間均存在顯著的(p0.001)正相關(guān)關(guān)系,其中,大孔隙分形維數(shù)與土壤飽和導(dǎo)水率之間回歸方程的決定系數(shù)達(dá)到了0.737。土壤容重和飽和導(dǎo)水率之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,土壤容重與土壤飽和導(dǎo)水率之間回歸方程的決定系數(shù)最大(r2=0.801)。而且,土壤容重與大孔隙度兩因素相結(jié)合最大程度上解釋了飽和導(dǎo)水率的變化(r2=0.862)。三維大孔隙指標(biāo)和飽和導(dǎo)水率之間也存在正相關(guān)關(guān)系,但是它們的決定系數(shù)低于二維孔隙指標(biāo)和飽和導(dǎo)水率之間的決定系數(shù)。土壤有機(jī)質(zhì)和土壤質(zhì)地與飽和導(dǎo)水率之間的關(guān)系并不顯著(p0.05)。3、野外條件下日本弓背蟻巢穴結(jié)構(gòu)由垂直的通道和水平的巢室組成,通道的直徑大小約為4.1-6.6mm,巢穴深度可以達(dá)到60cm。自然條件下,巢穴在垂直和水平兩個方向發(fā)展,而室內(nèi)培育時,pvc土柱限制了巢穴結(jié)構(gòu)的橫向發(fā)展。在土柱橫截面中,大孔隙面積最小為17.8mm2,最大為2117.4mm2,整個土柱孔隙面積的平均值為362.7mm2。室外調(diào)查結(jié)果表明,日本弓背蟻群落在壤土和黃綿土中都有廣泛分布,但是在土壤顆粒較大的干燥沙土中并不常見。在含水量過低或者過高的沙土中,洞穴容易坍塌。土壤含水量適中的濕沙是較為穩(wěn)定的,足以支撐較大的螞蟻巢穴。另外,土壤含水量是影響螞蟻生長繁殖過程的重要因素之一。當(dāng)含水量為6%-20%的時候,日本弓背蟻蟻后可以在土壤中筑巢,并在巢穴中產(chǎn)卵繁殖后代,而且隨著含水量的增加,蟻后產(chǎn)卵數(shù)量有增加的趨勢。但是當(dāng)含水量高于25%或者過低0.2%時,日本弓背蟻蟻后沒有挖掘行為,并在3周的時間內(nèi)死亡。土壤容重也是影響巢穴結(jié)構(gòu)的因素之一,土壤容重越大,螞蟻巢穴的結(jié)構(gòu)越簡單,通道的長度、分支、節(jié)點(diǎn)和總體積更小。但是,不同土壤質(zhì)地和水分條件下日本弓背蟻巢穴通道的平均尺寸是相對穩(wěn)定的,洞穴直徑主要和螞蟻體型有關(guān)。4、日本弓背蟻巢穴內(nèi)和巢穴外土壤水分差異隨降雨條件變化而發(fā)生明顯變化。當(dāng)降雨稀少,土壤含水量處于較低水平時,日本弓背蟻巢穴內(nèi)部土壤含水率和巢穴外部土壤含水率非常接近。當(dāng)累積降雨量達(dá)到24.8mm時,在0-30cm土層中,日本弓背蟻巢穴內(nèi)部土壤的含水量大于對照土壤,但是差異不顯著(p0.05)。當(dāng)累積降雨量達(dá)到47.9mm時,螞蟻巢穴內(nèi)外土壤含水率差異較大,螞蟻巢穴內(nèi)部0-80cm范圍內(nèi)土壤含水率均大于對照土壤,對于個別土層,兩者的土壤含水率差異顯著(p0.05)。亮藍(lán)染色液在有螞蟻巢穴存在的土壤中的入滲速率顯著(p0.01)大于沒有螞蟻巢穴存在的對照土壤。螞蟻孔隙將相同條件下的入滲速率提高了20倍。螞蟻巢穴對溶液的入滲深度也有顯著影響,在有螞蟻孔隙存在的條件下,溶液的入滲深度顯著大于(p0.01)沒有螞蟻巢穴的入滲深度。螞蟻巢穴對入滲深度的促進(jìn)作用在壤土中表現(xiàn)的更為明顯,有螞蟻巢穴的壤土中溶液的入滲深度大于沙土中的入滲深度。通過定位觀測日本弓背蟻巢穴對土壤剖面水分動態(tài)的影響發(fā)現(xiàn),在0-120 cm土層范圍內(nèi),沒有螞蟻巢穴的土壤水分比有螞蟻巢穴的土壤水分有更高的變異性。沒有螞蟻巢穴存在的處理中,土壤儲水量的減小速率大于有螞蟻巢穴存在的土壤。在4月到9月之間,沒有螞蟻巢穴的處理中0-120 cm土壤儲水量減少了72.3 mm,但是,有螞蟻巢穴的土壤儲水量只減少了57.1 mm。5、螞蟻筑巢過程中可以制造平均直徑為1.6 mm的土壤團(tuán)粒并將其搬運(yùn)至地表形成一個新的覆蓋層而間接影響土壤蒸發(fā)過程。土壤表層堆積的團(tuán)粒隨著螞蟻群落規(guī)模的增加而增加,兩者之間有顯著的回歸關(guān)系(P0.001,R2=0.8927)。當(dāng)初始土壤含水量一致時,土壤團(tuán)粒覆蓋層對土壤蒸發(fā)過程的影響隨著團(tuán)粒層厚度(0-9 mm)的增加而更加明顯。在白天,團(tuán)粒覆蓋層較高的水汽含量和較大的孔隙度顯著(P0.05)降低了土壤蒸發(fā)速率。但是在晚上,當(dāng)太陽輻射較低的時候,有團(tuán)粒覆蓋和無團(tuán)粒覆蓋處理間的蒸發(fā)速率差異不顯著。另外,與傳統(tǒng)的覆蓋材料不同的是,在降雨過程中土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)易水解,水解后的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)層失去減緩?fù)寥勒舭l(fā)過程的作用。本文對不同植物及螞蟻巢穴大孔隙特征進(jìn)行了研究,豐富了黃土高原土壤大孔隙的研究范圍。分析了土壤飽和導(dǎo)水率的影響因素,量化了各因素對飽和導(dǎo)水率的貢獻(xiàn)比例。探索了螞蟻巢穴大孔隙優(yōu)先流特征及其對土壤剖面水分分布的影響,深化了我們對土壤大孔隙與土壤水分之間關(guān)系的認(rèn)識,以期為改善黃土高原降雨入滲效率以及植被恢復(fù)可持續(xù)發(fā)展提供參考。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S152

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本文編號：1272908