三峡库区紫色砂岩林地土壤优先流特征及其形成机理
发布时间：2020-10-20 02:30
优先流是一种快速非平衡的土壤水分运动过程。森林流域中优先流的发生可提高土壤水分有效性,减少地表径流形成,对流域森林水文过程具有重要影响,有利于水资源保护和调控。探讨不同环境条件下优先流与土壤基质的相互作用,揭示优先流形成机理是当今土壤学和水文学交叉部分亟待解决的重点和难点问题之一。 本研究采用亮蓝溶液染色示踪与积水渗透试验相结合的方法,对三峡库区紫色砂岩地区广泛分布的阔叶林、针叶林、针阔混交林和灌丛等4种林地的土壤优先流过程进行观测,依据体视学原理,空间点格局方法和水分穿透曲线理论,分别对林地优先流的形态特征与发生类型,优先路径的分布状态和数量特征进行研究,揭示了紫色砂岩林地土壤优先流的形成机理。研究主要结论如下： (1)以体视学原理为基础,通过分析三峡库区紫色砂岩林地壤中流形态,发现土壤优先流多伴随基质流一同发生,其运移速率约为基质流的4-18倍。不同类型林地的土壤优先流发展过程具有一定差别,随土壤垂直深度增加,林地土壤优先流的空间异质性逐渐加剧。以染色路径宽度10 mm和100 mm为标准,参考水流运动形态变化状况,可将林地壤中流类型划分为：均质基质流、非均质指流、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类,其中指流和大孔隙流均属于土壤优先流范畴。紫色砂岩林地土壤优先流主要以大孔隙流的形式产生和发展,一般发生于土壤10-20 cm深度位置并直达剖面母质层顶部。 (2)采用点格局方法对三峡库区紫色砂岩林地优先路径的空间分布规律进行研究。结果显示在不同渗透水量条件下,半径25 cm的土壤剖面空间尺度范围内,林地优先路径整体上表现出了显著的聚集分布状态,且随着空间尺度扩大其分布状态具有向均匀分布发展的趋势。植物根系和优先路径的空间分布关系,在表层0-20 cm土壤范围内表现出显著正关联性,表土层优先路径的形成与植物浅根系生长密切相关；20-50 cm的中低层土壤中,紫色砂岩碎砾逐渐增多,植物根系数量减少,二者空间分布关联性逐渐降低；土壤剖面底层范围内植物根系与优先路径表现出了一定空间分布负关联性,可能是乔木垂直根系生长堵塞了土壤中原有裂隙所致。 (3)紫色砂岩林地优先流染色区和未染色区内土壤水分穿透曲线特征具有显著差异,水分出流速率与穿透时间成显著对数曲线关系,未染色区土壤达到水分稳定出流阶段的时间较其对应的染色区土壤一般滞后5-10 s。通过土壤水分穿透曲线计算得到紫色砂岩林地土壤大孔隙当量半径可分为0.3-0.5 mm、0.5-0.7 mm、0.7-1.5mm和1.5-3.0 mm等4个级别,不同类型林地的土壤大孔隙数量具有一定差别,染色区和未染色区相同当量半径的土壤大孔隙数量相差了近一个数量级。土壤大孔隙数量与土壤饱和渗透率的相关关系随其孔径减小逐渐降低。染色区内较密集的大孔隙分布状况,促进了林地土壤优先流的发生,以及优先流空间异质性的产生。 (4)林地土壤优先流的形成是通过外部因素和内部因素共同作用实现的。水分条件是优先流形成的外部因素,优先流形成的内部因素是与“植物-土壤”相关的环境因子。以Spearman相关分析结果为基础,筛选出土壤密度、砂粒含量、粉黏比、有机质含量、根孔数量、根重密度、根长密度、土壤初始含水量和渗透水量等13个环境因子进行主成分分析,结果表明土壤孔隙结构因素、土壤水分状况因素、土壤类型因素和外部降水因素等四个主成分影响着三峡库区紫色砂岩林地土壤优先流形成,其中土壤孔隙结构因素是林地土壤优先流形成的最重要因素,可解释其46.76%的方差变异。
【学位单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：S714
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 引言
1.1 研究背景
1.2 研究目的与意义
1.3 土壤优先流特征及其形成机理研究进展
1.3.1 优先流定义与类型
1.3.1.1 优先流与优先路径
1.3.1.2 优先流类型
1.3.2 优先流观测方法
1.3.2.1 形态观测方法
1.3.2.2 水力观测方法
1.3.2.3 非侵入性观测方法
1.3.3 优先流特征
1.3.3.1 单体优先路径形态特征
1.3.3.2 优先路径数量特征
1.3.3.3 优先流分形特征
1.3.3.4 优先流体视学特征
1.3.4 优先流形成机理
1.3.4.1 优先路径形成机制
1.3.4.2 优先流发生机制
1.3.5 存在问题与研究展望
1.3.5.1 存在问题
1.3.5.2 研究展望
2 研究区概况
2.1 三峡库区自然环境概况
2.2 试验区自然环境概况
2.2.1 地质地貌
2.2.2 土壤特征
2.2.3 气象水文
2.2.4 植被状况
3 研究内容与研究方法
3.1 研究内容
3.2 研究技术路线
3.3 研究方法
3.3.1 样地布设调查
3.3.2 染色示踪观测
3.3.3 染色图像处理
3.3.4 特征参数解析
3.3.5 土壤样品分析
3.3.6 植物样品分析
4 林地土壤优先流观测样地的植被特征
4.1 优先流观测样地植被垂直结构特征
4.1.1 乔木层郁闭度
4.1.2 灌木层覆盖度
4.1.3 草本层覆盖度
4.2 优先流观测样地植物组成状况
4.2.1 植物种重要值计算方法
4.2.2 观测样地植物组成及其重要值
4.2.2.1 阔叶林样地优势种及其重要值
4.2.2.2 针叶林样地优势种及其重要值
4.2.2.3 针阔混交林样地优势种及其重要值
4.2.2.4 灌丛样地优势种及其重要值
4.3 优先流观测样地物种多样性
4.3.1 基于Shannon-Wiener指数的林地植被多样性分析
4.3.2 基于Pielou指数的林地植被均匀度分析
4.4 小结
5 林地土壤优先流形态特征及其空间异质性
5.1 林地壤中流过程与优先流形态特征
5.1.1 阔叶林土壤优先流发生与形态特征
5.1.2 针叶林土壤优先流发生与形态特征
5.1.3 针阔混交林土壤优先流发生与形态特征
5.1.4 灌丛土壤优先流发生与形态特征
5.2 林地土壤优先流形态变化规律
5.2.1 林地土壤优先流形态的纵向变化规律
5.2.1.1 不同类型林地土壤染色面积比的纵向变化
5.2.1.2 染色面积比与土壤垂直深度的回归关系
5.2.1.3 土壤优先流形态对试验渗透水量的响应
5.2.2 林地土壤优先流形态的横向变化规律
5.2.2.1 不同类型林地染色面积比的横向分布
5.2.2.2 优先流形态的横向变化及其影响因素
5.3 林地土壤优先流形态的空间异质性
5.3.1 林地壤中流过程及优先流形态的空间变化
5.3.2 渗透水量对土壤优先流空间异质性的影响
5.4 小结
6 林地土壤染色路径宽度与优先流发生类型
6.1 垂直染色剖面表面积密度与染色路径宽度分布
6.1.1 林地土壤垂直染色剖面的表面积密度
6.1.1.1 阔叶林土壤垂直染色剖面的表面积密度
6.1.1.2 针叶林土壤垂直染色剖面的表面积密度
6.1.1.3 针阔混交林土壤垂直染色剖面的表面积密度
6.1.1.4 灌丛土壤垂直染色剖面的表面积密度
6.1.2 林地土壤染色路径数量的垂直变化规律
6.1.3 林地土壤染色路径宽度分布特征
6.2 林地壤中流过程中的优先流发生类型判定
6.2.1 基于染色路径宽度的壤中流类型划分标准
6.2.2 不同类型林地土壤优先流的发生类型
6.2.2.1 阔叶林壤中流过程与土壤优先流发生类型
6.2.2.2 针叶林壤中流过程与土壤优先流发生类型
6.2.2.3 针阔混交林壤中流过程与土壤优先流发生类型
6.2.2.4 灌丛壤中流过程与土壤优先流发生类型
6.3 土壤优先流类型对林地水分条件的响应
6.3.1 土壤优先流类型对初始含水量的响应
6.3.2 土壤优先流类型对水分梯度的响应
6.3.3 土壤优先流类型对渗透水量的响应
6.4 小结
7 林地土壤优先路径的水平空间分布规律
7.1 林地水平染色剖面内优先路径数量
7.1.1 林地水平染色剖面优先路径信息提取方法
7.1.2 不同类型林地土壤优先路径的水平空间分布数量
7.1.2.1 阔叶林优先路径的水平空间分布数量
7.1.2.2 针叶林优先路径的水平空间分布数量
7.1.2.3 针阔混交林优先路径的水平空间分布数量
7.1.2.4 灌丛优先路径的水平空间分布数量
7.2 林地优先路径的水平空间分布状态
7.2.1 点格局分析方法及其原理
7.2.2 低渗透水量下林地优先路径的水平空间分布状态
7.2.3 高渗透水量下林地优先路径的水平空间分布状态
7.3 植物根系与优先路径的空间分布关联性
7.3.1 空间分布关联性分析方法与原理
7.3.2 阔叶林地植物根系与优先路径的空间分布关联性
7.3.3 针叶林地植物根系与优先路径的空间分布关联性
7.3.4 针阔混交林地植物根系与优先路径的空间分布关联性
7.3.5 灌丛植物根系与优先路径的空间分布关联性
7.4 小结
8 林地土壤大孔隙特征及其与水分传导特性关系
8.1 基于水分穿透曲线的大孔隙数量计算方法
8.2 林地土壤水分穿透曲线及其变化规律
8.2.1 不同类型林地土壤水分穿透曲线特征
8.2.1.1 阔叶林土壤水分穿透曲线特征
8.2.1.2 针叶林土壤水分穿透曲线特征
8.2.1.3 针阔混交林土壤水分穿透曲线特征
8.2.1.4 灌丛土壤水分穿透曲线特征
8.2.2 林地土壤水分穿透曲线的变化规律
8.3 林地染色区与未染色区的土壤大孔隙特征
8.3.1 林地染色区土壤大孔隙特征
8.3.1.1 染色区土壤大孔隙孔径与数量
8.3.1.2 染色区大孔隙数量随土壤深度的变化
8.3.1.3 不同类型林地染色区土壤大孔隙数量差异
8.3.2 林地未染色区土壤大孔隙特征
8.3.2.1 未染色区土壤大孔隙孔径与数量
8.3.2.2 土壤深度与林地类型对未染色区大孔隙数量的影响
8.3.3 林地染色区与未染色区土壤大孔隙数量分布规律
8.4 林地大孔隙特征对土壤饱和导水率的影响
8.5 小结
9 紫色砂岩林地土壤优先流形成机理
9.1 土壤理化性质对林地土壤优先流形成的影响
9.1.1 优先流发生区域的土壤密度
9.1.2 优先流发生区域的土壤质地
9.1.3 优先流发生区域的有机质含量
9.1.4 优先流发生区域的Al和Fe元素含量
9.2 植物根系对林地土壤优先流形成的影响
9.2.1 根长密度与土壤优先流的关系
9.2.2 根重密度与土壤优先流的关系
9.2.3 植物根孔与土壤优先流的关系
9.3 紫色砂岩林地土壤优先流发生的影响因素
9.4 小结
10 结论与讨论
10.1 研究结论
10.2 讨论与展望
参考文献
个人简介
导师简介
获得成果目录清单
致谢
【引证文献】
本文编号：2848075
【学位单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：S714
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 引言
1.1 研究背景
1.2 研究目的与意义
1.3 土壤优先流特征及其形成机理研究进展
1.3.1 优先流定义与类型
1.3.1.1 优先流与优先路径
1.3.1.2 优先流类型
1.3.2 优先流观测方法
1.3.2.1 形态观测方法
1.3.2.2 水力观测方法
1.3.2.3 非侵入性观测方法
1.3.3 优先流特征
1.3.3.1 单体优先路径形态特征
1.3.3.2 优先路径数量特征
1.3.3.3 优先流分形特征
1.3.3.4 优先流体视学特征
1.3.4 优先流形成机理
1.3.4.1 优先路径形成机制
1.3.4.2 优先流发生机制
1.3.5 存在问题与研究展望
1.3.5.1 存在问题
1.3.5.2 研究展望
2 研究区概况
2.1 三峡库区自然环境概况
2.2 试验区自然环境概况
2.2.1 地质地貌
2.2.2 土壤特征
2.2.3 气象水文
2.2.4 植被状况
3 研究内容与研究方法
3.1 研究内容
3.2 研究技术路线
3.3 研究方法
3.3.1 样地布设调查
3.3.2 染色示踪观测
3.3.3 染色图像处理
3.3.4 特征参数解析
3.3.5 土壤样品分析
3.3.6 植物样品分析
4 林地土壤优先流观测样地的植被特征
4.1 优先流观测样地植被垂直结构特征
4.1.1 乔木层郁闭度
4.1.2 灌木层覆盖度
4.1.3 草本层覆盖度
4.2 优先流观测样地植物组成状况
4.2.1 植物种重要值计算方法
4.2.2 观测样地植物组成及其重要值
4.2.2.1 阔叶林样地优势种及其重要值
4.2.2.2 针叶林样地优势种及其重要值
4.2.2.3 针阔混交林样地优势种及其重要值
4.2.2.4 灌丛样地优势种及其重要值
4.3 优先流观测样地物种多样性
4.3.1 基于Shannon-Wiener指数的林地植被多样性分析
4.3.2 基于Pielou指数的林地植被均匀度分析
4.4 小结
5 林地土壤优先流形态特征及其空间异质性
5.1 林地壤中流过程与优先流形态特征
5.1.1 阔叶林土壤优先流发生与形态特征
5.1.2 针叶林土壤优先流发生与形态特征
5.1.3 针阔混交林土壤优先流发生与形态特征
5.1.4 灌丛土壤优先流发生与形态特征
5.2 林地土壤优先流形态变化规律
5.2.1 林地土壤优先流形态的纵向变化规律
5.2.1.1 不同类型林地土壤染色面积比的纵向变化
5.2.1.2 染色面积比与土壤垂直深度的回归关系
5.2.1.3 土壤优先流形态对试验渗透水量的响应
5.2.2 林地土壤优先流形态的横向变化规律
5.2.2.1 不同类型林地染色面积比的横向分布
5.2.2.2 优先流形态的横向变化及其影响因素
5.3 林地土壤优先流形态的空间异质性
5.3.1 林地壤中流过程及优先流形态的空间变化
5.3.2 渗透水量对土壤优先流空间异质性的影响
5.4 小结
6 林地土壤染色路径宽度与优先流发生类型
6.1 垂直染色剖面表面积密度与染色路径宽度分布
6.1.1 林地土壤垂直染色剖面的表面积密度
6.1.1.1 阔叶林土壤垂直染色剖面的表面积密度
6.1.1.2 针叶林土壤垂直染色剖面的表面积密度
6.1.1.3 针阔混交林土壤垂直染色剖面的表面积密度
6.1.1.4 灌丛土壤垂直染色剖面的表面积密度
6.1.2 林地土壤染色路径数量的垂直变化规律
6.1.3 林地土壤染色路径宽度分布特征
6.2 林地壤中流过程中的优先流发生类型判定
6.2.1 基于染色路径宽度的壤中流类型划分标准
6.2.2 不同类型林地土壤优先流的发生类型
6.2.2.1 阔叶林壤中流过程与土壤优先流发生类型
6.2.2.2 针叶林壤中流过程与土壤优先流发生类型
6.2.2.3 针阔混交林壤中流过程与土壤优先流发生类型
6.2.2.4 灌丛壤中流过程与土壤优先流发生类型
6.3 土壤优先流类型对林地水分条件的响应
6.3.1 土壤优先流类型对初始含水量的响应
6.3.2 土壤优先流类型对水分梯度的响应
6.3.3 土壤优先流类型对渗透水量的响应
6.4 小结
7 林地土壤优先路径的水平空间分布规律
7.1 林地水平染色剖面内优先路径数量
7.1.1 林地水平染色剖面优先路径信息提取方法
7.1.2 不同类型林地土壤优先路径的水平空间分布数量
7.1.2.1 阔叶林优先路径的水平空间分布数量
7.1.2.2 针叶林优先路径的水平空间分布数量
7.1.2.3 针阔混交林优先路径的水平空间分布数量
7.1.2.4 灌丛优先路径的水平空间分布数量
7.2 林地优先路径的水平空间分布状态
7.2.1 点格局分析方法及其原理
7.2.2 低渗透水量下林地优先路径的水平空间分布状态
7.2.3 高渗透水量下林地优先路径的水平空间分布状态
7.3 植物根系与优先路径的空间分布关联性
7.3.1 空间分布关联性分析方法与原理
7.3.2 阔叶林地植物根系与优先路径的空间分布关联性
7.3.3 针叶林地植物根系与优先路径的空间分布关联性
7.3.4 针阔混交林地植物根系与优先路径的空间分布关联性
7.3.5 灌丛植物根系与优先路径的空间分布关联性
7.4 小结
8 林地土壤大孔隙特征及其与水分传导特性关系
8.1 基于水分穿透曲线的大孔隙数量计算方法
8.2 林地土壤水分穿透曲线及其变化规律
8.2.1 不同类型林地土壤水分穿透曲线特征
8.2.1.1 阔叶林土壤水分穿透曲线特征
8.2.1.2 针叶林土壤水分穿透曲线特征
8.2.1.3 针阔混交林土壤水分穿透曲线特征
8.2.1.4 灌丛土壤水分穿透曲线特征
8.2.2 林地土壤水分穿透曲线的变化规律
8.3 林地染色区与未染色区的土壤大孔隙特征
8.3.1 林地染色区土壤大孔隙特征
8.3.1.1 染色区土壤大孔隙孔径与数量
8.3.1.2 染色区大孔隙数量随土壤深度的变化
8.3.1.3 不同类型林地染色区土壤大孔隙数量差异
8.3.2 林地未染色区土壤大孔隙特征
8.3.2.1 未染色区土壤大孔隙孔径与数量
8.3.2.2 土壤深度与林地类型对未染色区大孔隙数量的影响
8.3.3 林地染色区与未染色区土壤大孔隙数量分布规律
8.4 林地大孔隙特征对土壤饱和导水率的影响
8.5 小结
9 紫色砂岩林地土壤优先流形成机理
9.1 土壤理化性质对林地土壤优先流形成的影响
9.1.1 优先流发生区域的土壤密度
9.1.2 优先流发生区域的土壤质地
9.1.3 优先流发生区域的有机质含量
9.1.4 优先流发生区域的Al和Fe元素含量
9.2 植物根系对林地土壤优先流形成的影响
9.2.1 根长密度与土壤优先流的关系
9.2.2 根重密度与土壤优先流的关系
9.2.3 植物根孔与土壤优先流的关系
9.3 紫色砂岩林地土壤优先流发生的影响因素
9.4 小结
10 结论与讨论
10.1 研究结论
10.2 讨论与展望
参考文献
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导师简介
获得成果目录清单
致谢
【引证文献】
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本文编号：2848075
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