黄土高原水蚀风蚀交错区沙柳根系抗侵蚀机理研究

发布时间：2020-10-24 01:59

　　 植被建设是黄土高原水蚀风蚀交错区防治土壤侵蚀最有效的措施之一。根系在植被调控土壤侵蚀中发挥着重要作用。本文以黄土高原水蚀风蚀交错区乡土灌木沙柳(Salix psammophyla)为研究对象,在沙柳根系野外调查的基础上,通过野外定位观测、室内模拟降雨+风洞试验,系统研究了沙柳根系分布特征、根系对土壤水蚀、风蚀的调控效应,揭示了根系抗侵蚀性的内在机理,构建了土壤水蚀、风蚀及其交互作用与沙柳根系的关系方程,以期为水蚀风蚀交错区沙生植被与生态环境建设提供科学依据。主要结论如下:(1)沙柳根系在土壤剖面中呈倒金字塔形分布。根系随土壤埋深和距根基水平距离增大而减小,垂直方向上主要分布在0~40 cm深度土层范围内,水平方向上主要分布在0~80 cm半径范围内。1 mm径级的根系在根系总量中所占比例可达51.00%,主要分布在0~20 cm深度和距根基水平距离40~120 cm的土层范围内。(2)沙柳根系改善了坡面水动力学性质,增大了土壤临界切应力,显著增强了土壤抗水蚀能力。根系延长了坡面产流时间,增大了土壤入渗速率,减小了坡面流流速、雷诺数、单位水流功率,增大了水深、水流切应力和阻力系数;根系增大了土壤临界切应力,减小了土壤可蚀性,与裸土相比,根系作用坡面土壤临界切应力平均增大4.19倍,土壤可蚀性参数平均减小50.83%;室内模拟降雨试验下,根系减沙效益最高可达66.52%,最低为11.39%,平均为35.62%,野外整个水蚀观测期内,根系减沙效益最高可达69.41%,最低为4.38%,平均为19.75%,野外观测印证了室内模拟结果。(3)沙柳根系通过调控近地表输沙通量,显著增强了土壤抗风蚀能力。根系对输沙通量廓线以及输沙通量随地表高度的分布特征没有影响,但根系减小了地面不同高度的输沙通量,与裸土相比,根系作用坡面输沙通量在地表不同高度平均减小21.58%(11m s~(-1))和39.38%(14 m s~(-1));室内风洞试验下,根系抗风蚀效益平均可达26.87%,野外风蚀观测期内,根系减小了坡面土壤风蚀强度,基于~7Be核素示踪技术计算的根系抗风蚀效益平均为4.66%。(4)沙柳根系弱化了风蚀对水蚀的影响,线性方程较好地反映了土壤侵蚀速率与根系特征参数的关系。随风蚀水蚀交互水平增大,根系对坡面入渗产流及坡面水动力参数的影响作用减弱;根系改变了坡面侵蚀率随降雨历时的变化趋势,与裸土坡面侵蚀率随降雨历时延长呈波动增大趋势不同,根系作用坡面侵蚀率随降雨历时延长先增大后减小最后趋于稳定;室内模拟风洞+降雨试验下,根系减沙效益最高可达61.56%,最低为6.53%,平均为37.21%,且随风蚀水蚀交互水平增大,根系减沙效益增大;线性方程可较好地表达土壤侵蚀速率与根系特征参数(根重密度、根长密度和根表面积密度)的关系。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S157
【部分图文】：

黄土高原水蚀风蚀交错区沙柳根系抗侵蚀机理研究黄土高原水蚀风蚀交错区环境各要素过渡明显，加之农牧交错、人为活动强度水蚀风蚀形成机理、环境演变的典型区域。1）该区域范围大致自风蚀地区长城沿南，到水蚀地区北部的绥德、吴起、定西、灵武、固原一线以北一带，具有明显的西南走向；2）沿分布带的垂向采样可以穿越多的地貌类型和生物气候变化带；3）区是一个以水分过渡明显为典型特征的狭长地带，不仅从东北向西南形成渐变过且自北向南变化也非常明显。综上所述，本研究采用条带法，实地调查水蚀风蚀交沙柳根系的分布特征。调查路线分为 A、B 和 C 三条路线（图 1）：A）鄂托克前旗池→定边一线（西北东南向）；B）乌审旗→横山→榆林一线（西北东南向）；C）→榆林→神木一线（南北向）。

直接测量单位面积单位时间获得的，其计算公式如下（李超 2016）：WQST Q 为单位宽度输沙通量（g cm2min-1）；W 为集沙量（g）；S 为集沙盒面积（cm吹蚀时间（min）3.4 根系抗风水复合侵蚀的室内模拟该部分试验在中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农点试验室人工模拟降雨大厅和风洞实验室进行。该研究采用先风蚀后水蚀的顺验，且风洞与模拟降雨试验只进行 1 次交替。考虑到试验成本和可操作性，该了 11 m s-1×60 mm h-1和 14m s-1×100 mm h-1两个风水交互水平，具体试验设风洞试验结束后，在试验土槽上安装截流槽和四周降雨挡板，并调节土槽坡度至将土槽缓慢转移至降雨区，这一过程尽量保证土槽表面不产生裂缝。11m s-1风土样在 60mm h-1雨强下进行降雨，14m s-1风速风蚀后土样在 100mm h-1雨强下，具体试验方法、过程和坡面流水动力学参数计算见 2.2.3.2。 技术路线

24黄土高原水蚀风蚀交错区沙柳根系抗侵蚀机理研究120 cm 土层范围内分布较少，只占总根量的 9.85%。根系长度是描述根系空间分布特征的重要参数之一，根系越长，根土接触面积就越大，对植物营养来说，就越有利于植物在地下大范围内吸收更多的养分、水分和微量元素（郭正刚等 2002）。从图 3-1（b）可以看出，沙柳根长的垂直分布特征与根量相似，主要分布在 0～40 cm 深度土层范围内，该土层内根长占总根长的 92.43%，40～120 cm 土层范围内分布较少，占总根长的 7.57%此外，从图 3-1 可以看出，虽然根长的垂直分布特征与根量相似，但与根量相比，根长随土层深度增加减小速率相对更快。
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本文编号：2853852