泰山药乡小流域四种植被类型土壤颗粒分形特征和水文生态特性研究

发布时间：2020-11-17 20:23

　　 水土流失引发的环境问题,至今仍然是我国的主要环境问题之一,是制约我国社会经济可持续发展的主要因素,泰山沂蒙山(泰沂山区)国家级水土流失重点治理区,是我国北方土石山区典型区域,麻栎、赤松、刺槐及其混交林是该区域重要的水土保持造林树种,在治理水土流失、改良土壤和保护生态环境等方面起到了重要的生态防护功能。本文以泰沂山区药乡小流域为研究区域,以该流域麻栎林、赤松林、刺槐林、麻栎×赤松混交林四种植被类型土壤为研究对象,采用野外定点测试与室内分析相结合方法,对其土壤颗粒组成、土壤理化性状、枯落物持水特性、土壤入渗与持水性能进行了较为系统的研究;运用分形学理论,研究分析了四种植被类型土壤颗粒分形特征与土壤性质关联性;采用层次分析理论和方法,对四种植被类型土壤水文生态特性进行了综合评价。研究结果可为泰沂山区国家级水土保持重点工程的实施与生态造林效益定量评价提供科学依据和技术支撑。(1)药乡小流域四种植被类型土壤颗粒组成、分形维数存在显著差异。土壤粘粒、粉粒含量及分形维数大小顺序基本一致,即,麻栎×赤松混交林刺槐林麻栎林赤松林,且随土层深度的增加有减小的趋势;土壤颗粒Rényi谱为典型的反S型递减曲线,整体表现出容量维数(D_0)信息维数(D_1)关联维数(D_2)的趋势;单重分形维数(D)与粘粒、粉粒含量成极显著的正相关,与砂粒含量成极显著的负相关;多重分形维数D_0与粘粒含量成极显著正相关,与粉粒含量成显著正相关,与砂粒含量成显著负相关。(2)药乡小流域四种植被类型具有较好的改良土壤理化性质效果,且差异显著。麻栎×赤松混交林的土壤容重最小、孔隙度最大,其次是刺槐林、麻栎林和赤松林;土壤全碳(C)、全氮(N)含量表现为刺槐林麻栎×赤松混交林麻栎林赤松林,且随土层深度的增加而减小。(3)药乡小流域四种植被类型土壤颗粒分形维数与土壤性质指标具有很好关联性。土壤容重与分形维数成负相关,与D、D_1成极显著负相关,与D_0、D_2成显著负相关;土壤总孔隙度、毛管孔隙度与分形维数成正相关,与D_0成极显著正相关,与D、D_1成显著正相关。土壤C、N、全磷(P)含量与分形维数(除了D_1/D_0之外)成正相关。研究表明,土壤分形维数是评价土壤质量的重要指标之一,能较好地表征了土壤结构和性质的变化。(4)药乡小流域四种植被类型枯落物层和土壤层的持水性能效果显著。四种植被类型枯落物层厚度、蓄积量、最大持水率(量)、有效拦蓄率(量)表现为麻栎林最大,刺槐林最小,且半分解层持水能力明显高于未分解层。四种植被类型0~40cm土层麻栎×赤松混交林有效持水量、毛管持水量最大,赤松林最小,且随着土层深度的增加呈现出减少的趋势;四种植被类型土壤在前5min入渗速率最大,之后随时间的增加逐渐减小,最终达到稳渗状态,稳渗速率介于2.57~3.88mm·min~(-1)之间,入渗性能排序为麻栎×赤松混交林刺槐林麻栎林赤松林。(5)基于AHP法的药乡小流域四种植被类型的土壤水文生态特性综合评价结果表明:枯落物层水文生态特性综合评价结果为麻栎林麻栎×赤松混交林赤松林刺槐林,土壤层水文生态特性综合评价结果为麻栎×赤松混交林刺槐林麻栎林赤松林。经计算得出四种植被类型土壤水文生态特性的综合评价得分介于0.793~0.960之间,排序依次为麻栎×赤松混交林麻栎林刺槐林赤松林,说明,药乡小流域四种植被类型土壤水文生态特性总体上表现出混交林优于纯林,阔叶林优于针叶林。
【学位单位】：山东农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：S714.7
【部分图文】：

山东农业大学硕士专业学位论文72材料与方法2.1研究区药乡小流域基本概况2.1.1地理位置本研究区域位于山东省泰安市药乡小流域（E117°04′-117°22′，N36°27′-36°17′），依托山东省泰山森林生态系统国家定位观测研究站，药乡小流域位于泰安市与济南市的交界处，行政区划上属泰安市大津口乡，是泰安市黄前流域重要的集水区，属沂蒙山泰山国家级水土流失重点治理区、北方土石山区一级水土保持区，总面积4.20km2（图1）。该林场位于泰山主峰以北，所属的一级流域为黄河流域，所属支流为大汶河。图1研究区地理位置图Fig.1Mapofthelocationofthestudyarea2.1.2地形地貌药乡小流域三面环山，海拔高度在310m~950m，山脉自西北向东南蔓延，且西北高东南低，多为半阴坡和半阳坡，其地貌类型为山地丘陵在我国泰沂山区具有典型的代表性。2.1.3土壤类型该流域内土壤类型以棕壤、砂壤为主，pH值为5.5~6.5，多呈微酸性，山地丘陵区土层较薄，平均厚度40-60cm，岩石类型多为花岗片麻岩。2.1.4植被概况药乡小流域是国家级重点生态防护林，森林覆盖率为96%，植被类型为暖温带落叶阔叶林，种类丰富，主要乔木林为麻栎（QuercusacutissimaCarruth.）、刺槐（RobiniapseudoacaciaLinn.）、赤松（PinusdensifloraSieb.etZucc.）等。灌木林有胡枝子（LespedezabicolorTurcz.）、酸枣（ZiziphusjujubaMill.var.spinosa(Bunge)HuexH.F.）、华北绣线菊（SpiraeafritschianaSchneid.）等；草本主要有黄背草（Themedajaponica(Willd.)

泰山药乡小流域四种植被类型土壤颗粒分形特征和水文生态特性研究122.3.3土壤主要理化性质的测定（1）土壤容重、孔隙度的测定本研究依据《LY/T1215-1999》采用环刀法测定土壤容重及孔隙度（吴鹏，2017）。（2）土壤化学性质的测定土壤化学性质的测定参考其行业标准《LY/T1237-1999》、《LY/T1239-1999》、《LY/T1232-2015》、《LY/T1228-2015》。土壤C（有机碳）、N（全氮）、P（全磷）的测定分别采用重铬酸钾氧化-外加热法、凯氏定氮法、钼锑抗比色法（图3）（吴鹏，2017）。图3土壤C、N、P的测定Fig.3DeterminationofsoiltotalCarbon、totalNitrogenandtotalPhosphorus2.3.4土壤水文特性的测定采用室内浸泡法对四种植被类型枯落物最大持水量（率）、有效拦蓄量（率）进行测定，先测得样品鲜重M1，烘干后测量样品干重M2，然后浸泡并在浸泡0.5、1、2、4、6、8、10、12、24h时分别测量枯落物重量，利用下列公式进行计算。（2~6）（2~7）（2~8）式中：H0为自然含水率（%），Hm为最大持水率（%），M24为浸泡24h的重量（thm-2），E为有效拦蓄量（thm-2），M为枯落物蓄积量（thm-2），0.85为有效拦蓄系数（一般认

山东农业大学硕士专业学位论文15幅度越大；当土壤颗粒在每个粒级内均匀分布时，土壤粒径范围越大，土壤颗粒分布异质程度越大，曲线变化幅度越小（吕圣桥等，2011）。图4、图5为四种植被类型不同土层土壤粒径与土壤颗粒体积分数分布频率图。由图4、图5可知，不同粒径范围内土壤颗粒含量分布呈非均匀特性。麻栎×赤松混交林土壤颗粒中小于20μm的细粒物质含量最高，且不集中分布在某一粒径段内，土壤颗粒呈现的非均匀程度最大，刺槐林、麻栎林的次之，赤松林的非均匀程度最校从垂直分布上来看，四种植被类型20~40cm土层颗粒分布范围比0~20cm土层窄，大于20μm的粗粒物质比0~20cm土层含量高，且土壤颗粒在某一粒径段内分布较为集中，说明20~40cm土层颗粒的非均匀程度比0~20cm土层校四种植被类型0~40cm土层土壤颗粒非均匀程度排序为麻栎×赤松混交林>刺槐林>麻栎林>赤松林。图4药乡小流域四种植被类型0~20cm土层土壤颗粒体积分数分布图Fig.4Thedistributionofsoilparticlevolumefractionunderfourvegetationtypesfrom0~20cmsoillayersinYaoxiangsmallwatershed
【参考文献】

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本文编号：2887874