长期免耕措施下土壤结构定量化研究

发布时间：2020-11-20 00:05

　　 以免耕为代表的保护性耕作被视为能够促进土壤团聚性,改善孔隙分布和持水性能的有效措施,但该措施下如何定量研究土壤结构变化尚不够深入。本研究基于我国黄土高原干旱区长期耕作定位试验,选取三种耕作方式,包括传统翻耕(CK)、浅松秸秆覆盖(ST)和免耕秸秆覆盖(NT),通过分析土壤基本理化性状、团聚体分布和稳定性以及CT扫描方法定量分析耕作层(0-20 cm)土壤结构特征。研究内容及相关测定方法如下:(1)采用定水头法测定土壤饱和导水率,沙箱法测定土壤充气孔隙度,烘干法测定土壤容重,进而计算得出土壤总孔隙度;(2)土壤各级团聚体含量的测定采用湿筛法,并用平均当量直径和土壤大团聚体占比来衡量团聚体稳定性;(3)土壤孔隙三维结构利用Image J软件处理,相关孔隙参数(各向异性、分形维数、连通度、平均孔径、最大孔径等)的提取均在插件Bone J中实现。主要研究结果如下:(1)NT和ST处理显著提高了0-10 cm土层中的饱和导水率,在10-20 cm土层中,ST处理显著提高了总孔隙度,NT处理显著增加了充气孔隙度,表明NT处理改善了耕层土壤物理性状,提升了耕层土壤的通气和透水性;(2)NT处理能够显著提高0-10 cm土层深度中土壤大团聚体含量及团聚体稳定性,表明耕作方式是影响0-10 cm土层中土壤大团聚体含量及团聚体稳定性的关键因素;(3)长期免耕显著提高了0-10 cm土层中孔隙连通性,降低孔隙分形维数,改善了孔隙形态;此外,在10-20 cm土层中,NT处理增加了生物性大孔隙和平均孔径,显著提高了大孔隙度。(4)土壤容重、大孔隙度、孔隙连通度、大团聚体占比和团聚体平均当量直径等结构参数之间相互影响,需要综合多种参数定量分析土壤结构状况。总之,本研究表明实施免耕处理对耕层土壤(尤其是0-10 cm)中基本物理特性、土壤团聚状况和孔隙状况均有不同程度的改善,有助于改善土壤结构以及土壤质量状况。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：S152.4
【部分图文】：

第二章研究区域与方法10第二章研究区域与方法2.1研究区域长期保护性耕作试验点位于黄土高原区山西省临汾市城隍乡（35°23′~36°57′N，110°22′~112°34′E），地处半干旱、半湿润季风气候区。年均日照小时数为1748.4~2512.6h，年均气温9.0-12.9℃，≥0℃年积温在4500~5200℃，全年无霜期在127~280天，年均降雨量为500~822mm。地带性土壤为褐土，同时也是山西省的主要耕作土壤，土壤质地为壤土，土壤类型为石灰性褐土。该定位试验始于1997年7月，耕作制度为一年一熟冬小麦，小麦在每年9月下旬播种并在次年6月上旬收获。图2-1山西临汾长期免耕试验地研究区位图Fig.2-1Locationmapofalong-termno-tillagetestareainLinfen,Shanxi

第二章研究区域与方法14试中心进行，并用工业CT设备（PhoenixNanotomX-rayμ-CT,GE,SensingandInspectionTechnologies）对原状土柱进行扫描。该CT主要应用在医学领域，为保证扫描土壤样品图像的质量和精度，通过预实验确定在脊柱（spine）扫描参数的基础上设定土芯扫描的参数。扫描电压为110kV，电流110μA，样品台沿水平方向从0到360°匀速旋转，共采集约2000幅图像，图像分辨率为30μm。共扫描54个土柱，其中包含2个土层，3个处理，3个重复，3个平行。利用ImageJ软件进行图像重建并获取孔隙结构参数(李文昭,2014)，定量研究不同耕作措施下土壤孔隙结构特征。（2）CT图像处理与孔隙参数提取图2-2CT图像处理与孔隙参数提取步骤Fig.2-2CTimageprocessingandporeparameterextractionsteps本文中利用ImageJ软件完成土柱三维结构的可视化、定量化(房焕等,2018)，并按照图2-2所示进行图像处理与土壤孔隙参数提龋首先利用ImageJ中的Normalize命令对图像进行归一化处理。然后利用中值滤波法（medianfilter）消除CT扫描过程中会产生的伪影及噪声。为减小边际效应选取了土柱中间部分（1260x1260pixel2）作为感兴趣区域进行图像分析。通过对灰度图像进行阈值实现了CT图像的二值分割，将土壤基质与孔隙区分开来。土壤大孔隙的定义一直没有一个统一的标准。近年来，随着CT扫描技术的发展，学者们将研究中高于分辨率的土壤孔隙定义为大孔隙(Pituelloetal.,2016;周虎等,2010)。本研究中由

中国地质大学（北京）工程硕士学位论文17异（P>0.05）。其中，CK、ST和NT处理的总孔隙度分别为53.3%、51.6%和51.6%。而在10-20cm土层中，ST与CK处理之间的总孔隙度差异（P<0.05）显著，ST和NT处理的总孔隙度比CK处理分别提高了8.9%和6.7%。3.1.3充气孔隙度如表3-1所示，0-10cm土层中CK、ST和NT处理的充气孔隙度孔隙度分别为10.7%、10.0%和7.0%，0-10cm土层中的充气孔隙度随着耕作强度的增加而增大。其中，ST和CK处理下的土壤充气孔隙度ε100显著高于NT处理(P<0.05)，CK和ST处理下的充气孔隙度分别比NT处理增加了53.1%和42.5%。在10-20cm土层中，CK处理、ST处理和NT处理的ε100分别为5.6%、6.1%和7.7%，NT处理下的ε100显著高于CK和ST处理(P<0.05)。3.1.4饱和导水率图3-1不同耕作措施下小麦土土壤饱和导水率Fig.3-1Saturatedsoilhydraulicconductivityofwheatsoilunderdifferenttillagemeasures注：传统翻耕(CK)、浅松秸秆还田(ST)、免耕秸秆还田(NT)，不同字母代表不同耕作处理之间的显著性水平(P<0.05)，竖线为平均值的标准误差。Note:CK:conventionaltillagewithoutresidue,ST:shallowtillagewithresidue,NT:notillagewithresidue.Valuesfollowedbyadifferentlowercaseletterwithinadepthandamongtreatmentsaresignificantlydifferent(P<0.05).Barsarestandarderror.耕作和秸秆管理措施对Ks的影响见图3-1。由图可知，在0-10cm土层深度
【参考文献】

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本文编号：2890633