东北黑土区寒季表土水分变化特征

发布时间：2017-07-02 11:10

  本文关键词：东北黑土区寒季表土水分变化特征，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国作为世界上的第三大冻土国,季节性冻土面积占我国国土面积的一半以上。东北黑土区分布在黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古地区,地处季节性冻土区域,每年有一半的时间都在进行着土壤的冻结、融化过程。已有研究表明,季节性冻土区整个冬季及融雪期表层土壤经历了若干次冻融作用过程,冻融作用通过改变表土含水量及水分的固、液状态,使表土机械组成、容重、抗剪切能力、团聚体稳定性等发生变化,进而影响其抗蚀指。融雪期产生的融雪径流可使表土受到更严重的冲刷,增加了土壤侵蚀发生的可能性。土壤冻结过程中水分迁移指在冻结过程中土壤水分由势能高处向势能低处转移的现象,土壤水分的迁移导致冻结层土壤含水量增加,进而影响土壤的抗蚀性指标。本研究将冻结土壤水分迁移理论拓展到寒季表土水分空间变化上,研究了寒季表土水分在不同空间尺度上的变化特征,对了解冻融作用下融雪期表土抗蚀性变化,揭示相应的产流机制、防治土壤侵蚀具有重要意义。本文以东北黑土区为研究区域,针对东北黑土低山丘陵区垄作农田及其周边林地,通过野外观测试验,研究坡面尺度上不同坡位、坡向和不同土地利用表土水分在冻结期内的变化特征。在此基础上通过对2013和2014年不同地区降雨、气温等气象资料进行分析,研究表土水分在两年冻结期内的差异,研究结果表明：(1)在0-30cm耕层内,海伦、西丰、梅河口和扎兰屯采样坡面耕地土壤水分在冻结期内有明显的迁移过程,在土壤冻结初期水分迁移量较大,土壤冻结后相比冻结前有所增加,增加量大小为棕壤(西丰)白浆化暗棕壤(梅河口)黑土(海伦)暗棕壤(扎兰屯),分别增加了6.4%、4.1%、1.5%、0.6%。0-30cm耕层土壤完全冻结后土壤含水量大小为黑土(31.6%)、棕壤(27.4%)、白浆化暗棕壤(21.7%)、暗棕壤(23.6%)。在垂直方向上,四个地区采样坡面耕层土壤水分向0-10cm土层迁移量最大,耕层土壤剖面分布不同导致土壤水分在不同土层内增加量不同。海伦采样坡面黑土在0-10cm耕层内土壤水分增加量最多,平均增加了4.3%,在0-20cm和0-30cm耕层内土壤水分增加量较少,平均增加了0.8%和0.7%；西丰采样坡面棕壤和梅河口采样坡面白浆化暗棕壤耕层内不同层次土壤水分增加量较为均匀,棕壤0-10cm、0-20cm和0-30cm耕层土壤水分增加量分别为4.7%、2.7%、3.1%；白浆化暗棕壤0-10cm、0-20cm和0-30cm耕层土壤水分增加量分别为2.3%、1.8%和2.7%；暗棕壤耕层内不同层次土壤水分增加量相对较少,0-10cm、0-20cm和0-30cm耕层土壤水分增加量分别为1.02%、0.75%和0.7%。(2)在坡面尺度上,坡面土壤侵蚀的结果改变了表土层的厚度,表土厚度的变化又引起土壤物理性质的变化进而影响冻结期表土水分的变化。在不同地区采样坡面中,由于坡面土壤、地形和耕作扰动程度不同导致不同坡位表土冻结前水分分布不同,进而影响冻结过程中土壤水分向表层的迁移量。海伦采样坡面耕地不同坡位土壤水分向表层迁移量受土壤剖面物理性质影响较大；西丰和梅河口采样坡面耕地不同坡位土壤水分向表层迁移量受地形影响较大；扎兰屯采样坡面耕地不同坡位土壤水分向表层迁移量受外界环境影响较小。海伦采样坡面表土水分增加量大小为下坡位(5.4%)上坡位(4.7%)中坡位(1.2%)；西丰采样坡面表土水分增加量大小为中坡位(6.6%)上坡位(2.8%)下坡位(2.1%)；梅河口采样坡面表土水分增加量大小为下坡位(5.4%)中坡位(3.6%)上坡位(3.1%)。不同坡向由于接收太阳辐射不同导致冻结期表土水分变化不同,海伦和西丰采样坡面不同坡向表土水分变化差异较大；梅河口和扎兰屯采样坡面表土水分变化差异较小。(3)在不同地区采样坡面中,不同土地利用0-30cm土层土壤由于植被覆盖、根系分布、地形等因素的不同导致土壤物理性质有所差异,土壤物理性质的不同会对土壤的持水性和导水性产生影响,进而影响表土水分在冻结期内的变化。在海伦采样坡面中,林地表土由于土壤孔隙连通好于耕地,导致土壤水分向表层迁移量和迁移范围均大于耕地,0-30cm土层土壤水分增加量大小为林地(5.4%)耕地(0.8%)；在西丰采样坡面中,林地表土中砂粒含量高于耕地,土壤持水性较差,浅层土壤含水量较小,因此土壤水分向表层迁移量小于耕地,0-30cm土层土壤水分增加量大小为耕地(4.8%)林地(3.9%)；在梅河口采样坡面中,林地表土和耕地表土在剖面分布上差异较小,林地土壤根系含量较多导致其耗水作用较强,土壤冻结前浅层土壤含水量相对较少,因此土壤水分向表层迁移量小于耕地,0-30cm土层土壤水分增加量大小为耕地(4.2%)林地(2.4%);在扎兰屯采样坡面中,耕地地表蒸发强度较大,表土冻结前较为干燥,而林地表土由于有植被冠层的覆盖,在一定程度上减弱了土壤水分的蒸发,土壤冻结前较为湿润,因此土壤水分向表层迁移量大于耕地,0-30cm土层土壤水分增加量大小为林地(1.8%)耕地(0.57%)。(4)在2013-2014和2014-2015年间,气候、环境等条件变化使得冻结期表土水分存在年际间差异。在两年冻结期内,海伦和扎兰屯采样坡面表土含水量相差较小,西丰和梅河口相差较大,F值分别为2.07、3.62、12.69和24.02,这主要受降雨、土质等因素的影响。海伦采样坡面黑土土壤储水性能较好,在两年期间内,降雨量的不同对表土冻结前含水量的影响较小；西丰采样坡面棕壤储水性能稍差,在两年期间内,降雨量的不同对表土冻结前含水量有一定的影响；梅河口采样坡面白浆化暗棕壤土壤储水性能较差,在两年期间内,降雨量的不同对表土冻结前含水量的影响较大。降雨量的不同导致浅层土壤冻结前含水量不同,进而影响冻结期土壤水分向表层的迁移量,导致冻结期内表土含水量不同。气候条件的不同对冻结期表土水分空间分布格局没有显著的影响,在两年冻结期内,表土水分空间变异的机制不同。从年尺度来看,海伦采样坡面在两年期间表土水分变异格局较为一致,坡位、坡向和土地利用对表土水分的空间变异均有显著的影响；扎兰屯采样坡面不同坡位、坡向和土地利用对表土水分的空间变异影响较小；西丰和梅河口采样坡面坡向和土地利用对表土水分的空间变异有显著的影响。
【关键词】：土壤水分 变化特征 冻结期 东北黑土区
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S152.7
【目录】：

• 摘要9-11
• Abstract11-14
• 第一章 绪论14-21
• 1.1 研究目的和意义14-15
• 1.2 国内外研究进展15-18
• 1.2.1 土壤冻结过程中水分迁移研究15-17
• 1.2.2 土壤水分空间异质性研究17-18
• 1.3 研究目标18-19
• 1.4 研究内容及技术路线19-21
• 1.4.1 研究内容19-20
• 1.4.2 技术路线20-21
• 第二章 数据来源与研究方法21-26
• 2.1 数据来源21
• 2.1.1 野外试验21
• 2.1.2 气象资料21
• 2.2 试验方法21-26
• 2.2.1 寒季表土水分观测21-24
• 2.2.2 土壤物理性质测试24-26
• 第三章 研究区概况26-30
• 3.1 东北黑土区概况26
• 3.2 研究区的选取26-27
• 3.3 地域界定27-28
• 3.3.1 地形地貌特征28
• 3.3.2 植被分布特征28
• 3.3.3 土壤分布特征28
• 3.4 区域概况28-29
• 3.5 采样区域土壤概况29-30
• 第四章 东北黑土区垄作农田寒季表土水分变化特征30-39
• 4.1 耕地土壤水分变化特征30-33
• 4.1.1 耕地土壤水分随时间变化30-31
• 4.1.2 耕地土壤水分剖面变化31-32
• 4.1.3 不同耕作扰动下耕层土壤水分变化32-33
• 4.2 不同坡位耕地土壤水分变化特征33-37
• 4.2.1 坡面土壤水分迁移量与土壤物理性质关系33-35
• 4.2.2 不同坡位土壤水分变化35-37
• 4.3 不同坡向耕地土壤水分变化特征37-38
• 4.4 本章小结38-39
• 第五章 东北黑土区不同土地利用寒季表土水分变化特征39-46
• 5.1 不同土地利用土壤物理性质差异39-40
• 5.2 不同土地利用土壤水分随时间变化40-42
• 5.3 不同土地利用土壤水分剖面变化42-44
• 5.3.1 黑土不同土地利用土壤水分垂直分布特征42-43
• 5.3.2 棕壤不同土地利用土壤水分垂直分布特征43
• 5.3.3 白浆化暗棕壤不同土地利用土壤水分垂直分布特征43
• 5.3.4 暗棕壤不同土地利用土壤水分垂直分布特征43-44
• 5.4 本章小结44-46
• 第六章 东北黑土区两年寒季表土水分变化比较分析46-57
• 6.1 气候变化特征46-48
• 6.1.1 降雨量变化46-47
• 6.1.2 气温变化47-48
• 6.2 两年土壤水分变化比较分析48-56
• 6.2.1 土壤冻结前水分状况48-49
• 6.2.2 冻结期土壤水分随时间变化49-51
• 6.2.3 冻结期土壤水分空间变化51-56
• 6.3 本章小结56-57
• 第七章 结论与展望57-60
• 7.1 结论57-58
• 7.2 展望58-60
• 参考文献60-64
• 致谢64-65
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文65

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