基于同步辐射光源微型CT技术分析土壤结构演变与降雨入渗的关系

发布时间：2017-06-04 03:05

  本文关键词：基于同步辐射光源微型CT技术分析土壤结构演变与降雨入渗的关系，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：黄土高原地区是我国重要的生态屏障和畜牧业生产基地。但不合理的人类活动导致草地退化严重,水土流失剧烈,生态系统可持续性受到威胁。施行植被恢复措施,利用植物—土壤系统间的互馈效应,恢复和重建“土壤水库”巨大调节功能,是解决该区域生态环境问题的根本举措。本研究选取位于黄土高原典型草原区的云雾山草地自然保护区不同退耕年限的样地为研究对象,采用人工模拟降雨、显微CT扫描和室内分析相结合的方法,研究退耕草地植被恢复过程中土壤物理化学和水力性质的变化规律,分析土壤结构的演变特征,阐明土壤结构演变对降雨入渗过程的作用机制,以期为黄土高原地区植被恢复重建提供一定的科学依据。取得以下主要结论:1、退耕还草过程改善土壤理化性质。表现为降低土壤容重、增加土壤孔隙度,植被恢复过程中砂粒含量有所降低,粉粒含量有所增加,主要体现在退耕初期(3年)和0-10 cm土层,但没有引起土壤质地的改变。退耕3-8年是土壤有机碳、全氮含量恢复的阶段,从退耕8年开始积累,退耕22-24年是土壤有机碳、全氮含量迅速积累的阶段。0-10 cm土层土壤有机碳、全氮含量分别从退耕8年、退耕22年开始显著高于10-40 cm土层。土壤有机碳的积累速度大于全氮的积累速度。2、退耕还草过程促进大团聚体形成,提高团聚体稳定性。表现为退耕8-24年水稳性大团聚体含量显著增加了21.34%-52.78%,退耕22-24年团聚体稳定性最强。0-10cm土层团聚体稳定性高于10-40 cm土层。水稳性大团聚体含量直接提高团聚体稳定性,与稳定性呈显著正效应,主要体现在1 mm水稳性大团聚体。有机碳含量间接提高团聚体稳定性。3、退耕3年后退耕地植被恢复有利于提高孔隙结构稳定性。表现为有利于土壤0-10 cm土层中1-5 mm团聚体总孔隙度的提高、孔隙总数的减少。其中,毛管孔隙度(3.25μm-20μm)随退耕年限的延长逐渐降低,退耕8-22年降低显著。20μm-100μm通气孔隙的孔隙度随退耕年限的延长逐渐降低,而100μm通气孔隙的孔隙度逐渐提高。100μm通气孔隙的孔隙度最高,占总孔隙的99%以上。植被恢复有利于增加狭长孔隙(形状因子≤0.2)的孔隙度,降低不规则孔隙(0.2形状因子0.5)和规则孔隙(形状因子≥0.5)的孔隙度。狭长孔隙的孔隙度最高,占总孔隙度的99%以上。土壤粉粒含量是影响团聚体孔隙结构特征的最主要因素,与1-5mm团聚体中不规则孔隙度、规则孔隙度、毛管孔隙度呈极显著负相关(Sig.0.001)。4、退耕还草过程显著提高了土壤导水和持水性能。随着植被恢复的进行,土壤饱和导水率从退耕3年的4.16 mm·min-1提高到退耕22年的6.74 mm·min-1,显著增加了61.9%。与坡耕地相比,当有机碳含量和水稳性大团聚体含量分别增加1g·kg-1和1%时,饱和导水率分别提高1.2%和2.4%。植被恢复有利于提高土壤持水能力,主要体现在0-10 cm土层,退耕22-24年持水性能显著提高。土壤水稳性大团聚体含量和有机碳含量是影响饱和导水率的主要因素,而有机碳含量是影响土壤持水能力的最主要因素。有机碳含量增加可通过增加水稳性大团聚体含量来改善土壤结构,从而提高饱和导水率和持水能力。5、退耕还草提高了土壤降雨入渗能力。表现为随植被恢复的进行,初始入渗率增加,达到稳定入渗率的时间延长。植被恢复过程中入渗率随雨强增大而增加。1-5 mm团聚体不规则孔隙度和毛管孔隙度是影响初始入渗率的主要因素,与初始入渗率呈负相关。降雨强度为60 mm·h-1时,稳定入渗率与2-1 mm团聚体不规则孔隙度呈负相关。降雨强度为90 mm·h-1时,稳定入渗率与5-2 mm团聚体狭长孔隙度呈正相关。
【关键词】：退耕还草 土壤结构 微型CT 土壤水力性质 降雨入渗
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S812
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-18
• 1.1 选题背景及意义12
• 1.2 国内外研究进展12-17
• 1.2.1 植被恢复12-13
• 1.2.2 土壤团聚体13
• 1.2.3 土壤孔隙13-14
• 1.2.4 土壤水力性质14-15
• 1.2.5 降雨入渗15
• 1.2.6 土壤结构与降雨——入渗的关系15-17
• 1.3 存在问题及研究目的17-18
• 第二章 研究内容与方法18-30
• 2.1 研究内容18-19
• 2.1.1 技术路线18-19
• 2.2 研究方法19-30
• 2.2.1 研究区概况19-20
• 2.2.2 样地选择及样品采集20-22
• 2.2.3 测定方法22-26
• 2.2.4 数据处理与分析26-30
• 第三章 植被恢复过程中土壤理化性质的变化30-38
• 3.1 植被恢复对土壤颗粒组成的影响30-31
• 3.2 植被恢复对土壤容重和含水量的影响31-33
• 3.3 植被恢复对土壤有机碳、全氮含量的影响33-37
• 3.4 小结37-38
• 第四章 植被恢复过程中土壤团聚体分布及稳定性特征38-50
• 4.1 植被恢复过程中土壤团聚体的分布特征38-41
• 4.2 植被恢复过程中水稳性团聚体的分布特征41-44
• 4.3 植被恢复过程对团聚体稳定性的影响44-46
• 4.4 土壤理化性质与团聚体稳定性的关系46-48
• 4.5 小结48-50
• 第五章 植被恢复过程中土壤团聚体孔隙变化特征50-65
• 5.1 各样地 0-10 cm土层中 5-2 mm团聚体孔隙变化特征50-56
• 5.1.1 团聚体孔隙度的变化50-53
• 5.1.2 团聚体孔径分布特征53-55
• 5.1.3 团聚体形状、数量特征55-56
• 5.2 各样地 0-10 cm土层中 2-1 mm团聚体孔隙变化特征56-61
• 5.2.1 团聚体孔隙度的变化56-59
• 5.2.2 团聚体孔径分布特征59-60
• 5.2.3 团聚体形状、数量特征60-61
• 5.3 土壤理化性质与孔隙结构的关系61-64
• 5.4 小结64-65
• 第六章 植被恢复过程中土壤水力性质演变65-77
• 6.1 植被恢复过程中土壤饱和导水率的变化特征65-69
• 6.1.1 饱和导水率的分布65-67
• 6.1.2 土壤理化性质对饱和导水率的影响67-69
• 6.2 植被恢复过程中土壤持水性能的变化特征69-76
• 6.2.1 van Genuchten水分特征曲线拟合69-72
• 6.2.2 Gardner水分特征曲线拟合72
• 6.2.3 土壤比水容量72-74
• 6.2.4 土壤水分有效性分级74-75
• 6.2.5 土壤理化性质与持水能力的关系75-76
• 6.3 小结76-77
• 第七章 植被恢复过程中降雨入渗特征77-83
• 7.1 不同降雨强度下的入渗性能比较77-80
• 7.2 土壤结构演变对降雨入渗的影响80-81
• 7.3 小结81-83
• 第八章 主要结论83-86
• 8.1 植被恢复过程中土壤理化性质的变化83-84
• 8.2 土壤团聚体分布及稳定性演变84
• 8.3 土壤团聚体孔隙特征演变84
• 8.4 土壤水力性质演变84-85
• 8.5 土壤结构演变对降雨入渗的影响85-86
• 参考文献86-92
• 作者简介92

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