晋陕蒙接壤区新构土体水分特征及对植物生长的影响机制
张燕乐
Subtype博士
Thesis Advisor张兴昌
2020-05-24
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Degree Name农学博士学位
Keyword土壤水分 排土场 砒砂岩 新构土体 风沙土
Abstract

  晋陕蒙接壤区位于黄土高原北部,气候干旱少雨,生态环境脆弱,同时也是我国重要的能源基地。煤炭开采带来经济效益的同时对当地环境造成了极大的破坏。土地复垦改善当地矿区生态环境的主要措施。然而,该地区的土地复垦受到土壤水分不足的制约。为更好认识矿区土地复垦对土壤水分的影响以及新构土体的土壤水分运动规律,本研究选择晋陕蒙接壤区的三种主要土壤(硬黄土,风沙土,黄绵土),采取原状土,测定其入渗能力、水分变化及植物的生长状况,为选择适宜的土壤类型进行土体新构提供基础支撑;在排土场附近的原地貌布设样地,采用双环测定土壤的入渗能力,使用中子仪监测2 m深剖面的土壤水分变化,并监测植被变化(包括植被盖度和植物群落组成等),为矿区生态恢复提供背景数据;在排土场选择5种主要植被类型设置观测小区,使用双环测定土壤的稳渗率等入渗指标,并监测0300 cm土壤剖面的水分变化状况,采用相对差分法对土壤水分的时间稳定性进行分析,以筛选适宜的植被恢复模式,并为矿区土体新构提供数据支撑;在矿区排土场设置小区(长120 cm120 cm100 cm)使用硬黄土、风沙土和砒砂岩进行土体新构,并种植苜蓿,测定新构土体的土壤物理质量,并对土壤水分的入渗和动态变化进行观测,以筛选适宜矿区气候条件的新构土体模式;设置土柱(内径23 cm,高度100 cm)试验研究新构土体(风沙土和砒砂岩混合,以及砒砂岩和黄土混合)的土壤—植物系统水分运动,以明确新构土体的土壤水分运动过程和特征,阐明土壤类型对新构土体土壤水分运动和分布的影响机制,主要得到以下下结论:

1)通过对3种土壤(风沙土、黄绵土和硬黄土)的土壤水分入渗和水分变化特征的进一步分析发现,土壤质地对水分入渗的影响明显,三种土壤的稳渗率差异较大,硬黄土的稳渗率最小(0.014 cm/min),风沙土的稳渗率是硬黄土的近10倍。硬黄土由于持水能力强,储水量高,且蒸散发较慢,变异系数小;在越冬期,硬黄土剖面的土壤水分均匀减小,风沙土底部含水量明显高于上层的现象。土壤水分条件好的年份,土壤类型对生物量没有显著影响,在土壤水分不足或生长时间较短的条件下,土壤类型会对生物量造成显著影响。

2)原地貌的植物覆盖度为38%左右;植物种类共有15种,优势种为窄颖赖草、披碱草和本氏针茅禾本科植物,其他为伴生种;原地貌土壤为黄绵土,具有较好的入渗性能;有机质含量低,土壤为弱碱性,保水保肥能力较弱。四种表土层处理方式(原植被、深翻、种植苜蓿、裸地)对原地貌3年间的土壤水分没有明显影响。降雨对土壤水分的补给深度一般在30-90 cm100 cm土层以下的土壤含水量几乎没有明显变化。

3)排土场沙打旺和长芒草植被(SC)具有较高的入渗能力(稳渗率0.196 cm/min),显著高于排土场的其他植被类型,接近原地貌的土壤稳渗率;荒地(H)的土壤水分含量显著高于排土场其他4种植被类型,苜蓿(M)和沙打旺(S)植被条件下的土壤含水量最低;MS对水分的消耗分别集中在60-220 cm120-260 cm,沙棘(SJ)和沙打旺与长芒草(SC)植被分别集中在表层的80 cm40 cm5种植被对土壤水分的消耗量顺序为M>S>SJ>SC>H(排土场农田撂荒地);时间稳定性的结果分析表明,90120180140140 cm分别可以作为MSSJSCH的代表性土层。长芒草植被或自然恢复有利于矿区排土场的土壤水分保存,苜蓿和沙打旺会造成排土场土壤水分的严重亏缺。

4)砒砂岩改良风沙土和硬黄土的小区试验结果表明,砒砂岩中添加少量硬黄土可以显著改善砒砂岩的渗透性;此外,添加砒砂岩后,风沙土的土壤物理质量显著改善,表现为有效含水量和相对田间持水量增加,土壤通气容量降低,其中以F3P1处理的改善效果最为明显,接近于土壤物理质量指标的最优范围;但添加砒砂岩对硬黄土的土壤质量指标的影响不大;添加砒砂岩显著提高了风沙土的剖面平均含水量;随砒砂岩添加量的增加,剖面上的水分分布更为均匀,代表性土层的深度变浅。在风沙土中添加少量砒砂岩(或在砒砂岩中添加少量风沙土)可以显著提高风沙土(或硬黄土)的生物量。同时在硬黄土中添加少量砒砂岩可以显著提高硬黄土的苜蓿生物量。

5)土柱试验表明,砒砂岩的添加可以显著降低风沙土的稳渗率,提高风沙土的保水性;在砒砂岩中添加少量硬黄土(即硬黄土与砒砂岩1:3处理)显著提高了砒砂岩的稳渗率(约1倍);砒砂岩的添加显著改变了风沙土的水分特征曲线和特征参数,但对硬黄土的影响较小。Hydrus 1D模型模拟的结果表明,砒砂岩添加降低了模型模拟的拟合效率,增加了拟合的根均方误差;对水平衡各组分的分析表明,砒砂岩的添加可以显著降低风沙土的蒸发量,提高根系对土壤水分的吸收利用。

6)对比小区试验和土柱试验的生物量结果发现,对于风沙土处理而言,小区试验与土柱试验的结果相似,但对硬黄土处理,小区试验与土柱试验的结果差异较大。造成这一差异的主要原因可能与从土柱到田间的尺度变化,以及试验条件的控制有关。一方面,土柱由于内径相对于小区较小,边壁效应的影响可能比较大;另一方面由于土柱底部悬空,接近零势面,一定程度上阻止了土壤水分进一步向下迁移,起到了保水的作用,增加了土柱底部的土壤水分含量,使得不同土壤处理对生物量的影响被弱化;此外,由于土柱采用人工灌水(每次50 mm),相对小区试验的自然降雨(总量同为50 mm雨量,但分次降下),这种方式可以使更多的水分保存在土壤中,减少土壤蒸发损失。

  本研究对晋陕蒙接壤区煤炭开采后的土地复垦和植被选择具有重要的参考价值。然而本论文主要集中于土壤的混掺处理,对土壤混掺的深度以及新构土体的剖面构型对土壤水分运动和分布的影响没有涉及。后期应当聚焦于土壤混掺深度以及剖面构型对土壤水分运动和分布以及植物生长的影响,以确定适宜当地气候条件土体配置模式。

Subject Area农学 ; 土壤学
MOST Discipline Catalogue农学::农业资源与环境
Table of Contents

摘  要

ABSTRAC

1  绪论...................................................................................... 1

1.1 研究背景.................................................................................... 1

1.2 研究目的意义............................................................................ 2

1.3 国内外研究进展........................................................................ 3

1.3.1 土壤水分研究进展............................................................ 3

1.3.2 新构土体研究进展............................................................ 7

1.3.3 土壤物理质量研究进展.................................................. 11

1.4 小结.......................................................................................... 12

2  研究区概况、研究内容与方法........................................ 13

2.1 研究区概况.............................................................................. 13

2.1.1 地理位置与气候.............................................................. 13

2.1.2 土壤与植被状况.............................................................. 14

2.1.3 地形与地质条件.............................................................. 14

2.1.4排土场复垦现状............................................................... 15

2.2 研究内容.................................................................................. 16

2.3 研究方法.................................................................................. 17

2.3.1 实验设计和样品采集...................................................... 17

2.3.2 数据获取.......................................................................... 20

2.3.3 数据分析.......................................................................... 20

2.4技术路线.................................................................................. 21

3  原状土的土壤水分入渗、变化及生物量特征................ 22

3.1 引言.......................................................................................... 22

3.2 研究方法.................................................................................. 22

3.2.1试验设置........................................................................... 22

3.2.2数据获取........................................................................... 23

3.2.3数据分析........................................................................... 23

3.3 结果与讨论.............................................................................. 24

3.3.1 三种主要土壤的理化性质与入渗特征.......................... 24

3.3.2 土壤类型对水分变化特征的影响.................................. 26

3.3.3 土壤类型对植物生物量的影响...................................... 28

3.4 小结.......................................................................................... 29

4  原地貌不同植被处理方式对植物群落组成和土壤水分特征的影响............................................................................................ 31

4.1 引言.......................................................................................... 31

4.2 研究方法.................................................................................. 31

4.2.1小区布设和数据采集....................................................... 31

4.2.2 数据获取.......................................................................... 31

4.2.3 数据分析.......................................................................... 32

4.3 结果与讨论.............................................................................. 32

4.3.1 不同植被处理方式对原地貌物种组成的影响.............. 32

4.3.2 原地貌的土壤理化特征.................................................. 35

4.3.3 不同植被处理对土壤水分变化的影响.......................... 35

4.5 小结.......................................................................................... 38

5  排土场不同植被类型土壤水分分布特征的影响............ 39

5.1 引言.......................................................................................... 39

5.2 研究方法.................................................................................. 40

5.2.1 试验设置.......................................................................... 40

5.2.2 数据获取.......................................................................... 41

5.2.3 数据分析.......................................................................... 42

5.3 结果与讨论.............................................................................. 43

5.3.1 植被类型对水分入渗的影响.......................................... 43

5.3.2 植被类型对土壤水分动态变化的影响.......................... 44

5.3.3 基于时间稳定性确定代表性测量深度.......................... 49

5.5 小结.......................................................................................... 53

6  新构土体的土壤水分分布特征及其对植物生长的影响 54

6.1 引言.......................................................................................... 54

6.2 研究方法.................................................................................. 54

6.2.1 试验设置.......................................................................... 54

6.2.1 数据获取.......................................................................... 55

6.2.3 数据分析.......................................................................... 55

6.3 结果与讨论.............................................................................. 56

6.3.1 土体新构对饱和导水率和土壤物理质量的影响.......... 56

6.3.2土壤水分动态和变异特征............................................... 58

6.3.3 土体新构对植物生物量的影响...................................... 66

6.4 小结.......................................................................................... 68

7  新构土体土壤水分特征的土柱模拟研究........................ 69

7.1 引言.......................................................................................... 69

7.2 研究方法.................................................................................. 69

7.2.1 试验设置.......................................................................... 69

7.2.2 数据获取.......................................................................... 70

7.2.3 数据分析.......................................................................... 71

7.3 结果与讨论.............................................................................. 72

7.3.1 土体新构对入渗性能和土壤水分特征曲线的影响...... 72

7.3.2 土体新构对土壤水分动态和Hydrus模拟结果的影响 75

7.3.3 土体新构对株高和生物量的影响.................................. 78

7.4 小结.......................................................................................... 81

8  主要结论及需要进一步探讨的问题................................ 82

8.1 主要结论.................................................................................. 82

8.2 主要进展.................................................................................. 84

8.3 研究展望.................................................................................. 85

参考文献............................................................................................ 86

  .............................................................................................. 100

作者简历.......................................................................................... 102

Pages102
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.iswc.ac.cn/handle/361005/9226
Collection水保所2018--2020届毕业生论文(学位论文、期刊论文)
Recommended Citation
GB/T 7714
张燕乐. 晋陕蒙接壤区新构土体水分特征及对植物生长的影响机制[D]. 北京. 中国科学院大学,2020.
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