植被恢复下土壤结构特征与入渗过程分析

摘要

本文对黄土高原典型草原云雾山自然保护区不同自然演替阶段植被和退耕草地（6 年、11 年和16 年）土壤的土壤结构稳定性、土壤大孔隙特征、土壤持水导水性能及野外模拟降雨条件下土壤入渗过程和性能进行了研究。分析了土壤结构评价指标的变化规律，利用CT 扫描设备测定了土壤大孔隙特征的基本参数，采用新型坡地的径流－入流－产流测定方法（产渗流法）和野外模拟降雨设备，测定了坡地土壤的降雨入渗过程，探讨了土壤结构特征与降雨入渗过程之间的关系。主要结果如下： （1）随着退耕地年限的延长和封育草地的自然正向演替，土壤有机碳含量显著增加，土壤<0.01 mm 物理性粘粒含量和> 2 mm 水稳性团聚体含量提高，<0.25 mm 水稳性团聚体含量降低，总孔隙度和毛管孔隙度增大，非毛管孔隙度减小，但退耕11 年中8 年的放牧对土壤孔隙状况有显著影响。表征土壤结构的>0.25mm 水稳性团聚体含量、平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）指标随着退耕地的年限延长和封育草地的正向演替逐渐增大，团聚体分形维数指标逐渐减小，机械组成分形维数指标没有较大差异；孔隙分形维数指标中，退耕11年受放牧影响其值较低，大针茅和长芒草群落较大，其他样地则无较大差异。四个指标团聚体分形维数、MWD、GMD 和>0.25 mm 水稳性团聚体含量之间呈极显著地相关关系，团聚体分形维数越小，MWD 和GMD 越大，则土壤越具有良好的结构与稳定性。根据回归分析，在封育草地中有机碳含量和粘粒含量分别是影响团聚体分维和MWD 的主要因子，且有机碳含量是影响退耕地MWD 的主导因子。植被恢复和封育提高了土壤结构稳定性，增加了土壤孔隙度，当植被达到顶级长芒草群落后土壤结构的改善更显著。 （2）利用CT 扫描仪测定了土壤模拟降雨前后土壤大孔隙特征的基本参数，本文依据CT 扫描仪的精度确定大孔隙最小直径为0.154 mm。相比退耕地，封育草地的大孔隙数总体上更多，大孔隙度更大，成圆率更高。受放牧的影响退耕11 年的大孔隙数目最少，大孔隙度最低。大孔隙度在土壤剖面的总体分布趋势为先增大后减少，最大值在土层20～40 mm 之间，这也是样地根系较多的区域，说明根系可以促进大孔隙度的增加。降雨显著减少了15～31 mm 土壤的大孔隙数目、大孔隙度和孔隙轮廓线分形维数，降雨对表层土壤结构的侵蚀是其主要原因。 （3）土壤含水量θ和土壤水吸力S 之间的经验模型θ=Α·S-B 对云雾山退耕地和封育草地土壤具有很好的模拟性，相关性极显著。土壤持水和土壤供水能力强弱的趋势均表现为随着退耕年限的延长和植被群落自然正向演替均逐渐增强，顶极群落长芒草群落的持水和供水性能均达到最大，放牧降低了退耕11 年样地的持水和供水性能。影响土壤导水性能的主导因子是团聚体分形维数、毛管孔隙度和物理性粘粒含量相关，相关性达显著水平。 （4）采用产渗流法实地测定了三种雨强下土壤的降雨入渗性能。坡耕地土壤稳渗率随着雨强的增大而降低，但退耕地土壤稳渗率随着雨强的增大而增大，退耕地和坡耕地表层土壤结构稳定性好坏是主要原因。随着退耕年限的延长，坡耕地、退耕6 年和退耕16 年土壤稳渗率依次增加，放牧降低了退耕11 年样地的土壤入渗性能。采用Horton 入渗公式拟和入渗结果，拟和精度高，拟和参数值与实际测定值所表现的趋势基本一致。对比产渗流法，双环法不能测定降雨过程中土壤入渗能力的真实变化情况，且没有反映降雨作用下雨滴打击、径流冲刷、地表结皮等因素对土壤入渗性能的影响，测定的结果偏大。 （5）土壤结构因子中有机碳和土壤质地与土壤结构特征指标>0.25mm 水稳性团聚体含量、MWD、GMD 和团聚体分维有显著的相关性。退耕地在17mm/h和56mm/h 雨强下土壤稳渗率与有机碳含量呈正相关，与容重呈负相关。在43mm/h 雨强下，稳渗率主要与毛管孔隙度相关。退耕11 年样地受放牧的影响容重变大和孔隙度降低，土壤入渗率较低，这也从反面也说明了土壤结构变差对水分入渗的阻止作用。孔隙分形维数为影响封育草地43mm/h 和56mm/h 雨强下土壤稳渗率的主导因子，而在17mm/h 雨强下土壤中粘粒的含量是影响土壤稳渗率的主要因子，毛管孔隙度次之。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第一章绪论

第二章研究内容与方法

第三章植被恢复下表层土壤结构特征及指标评价

第四章CT 扫描土壤大孔隙特征

第五章植被恢复下表层土壤水分特征研究

第六章坡地土壤水分入渗研究

第七章植被恢复下土壤结构特征对入渗过程的影响

第八章主要结论及有待进一步研究的问题

参考文献

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