秸秆覆盖条件下土壤融化期水热过程及蒸发入渗规律研究

摘要

松嫩平原是中国最重要的粮食生产基地之一，然而由于水土资源分配不均，加之灌溉水利用率低，水资源浪费污染严重，使得原本水资源就匮乏的松嫩平原更加缺水，干旱已经成为制约松嫩平原经济发展的重要因素。因此如何高效利用水土资源，提高水资源利用效率已经成为如今需要迫切解决的问题。
　　秸秆覆盖作为我国北方最普遍的农田管理方式，能够有效的减少土壤水分的蒸发，保持土壤水分。本文针对松嫩平原季节性冻土区，在融化期分别设置裸地(BL)、4500kg/hm2秸秆覆盖(SM1)、9000kg/hm2秸秆覆盖(SM2)、13500kg/hm2秸秆覆盖(SM3)四种不同的处理，观测了土壤冻深、土壤液态含水率、土壤温度、土壤蒸发和入渗的变化过程，并根据实测数据，采用Mallat算法、信息量系数及统计学方法分析了不同秸秆覆盖对土壤冻深、土壤液态含水率、土壤温度、土壤蒸发和入渗的影响。得到的主要结果如下:
　　(1)季节性冻土的融化是一个双向融化的过程，且深层冻土率先开始融化，而表层冻土融化的速率明显比深层冻土融化的快，表层冻土的融化速率大约是深层的四倍。秸秆具有低导热率的特性，阻碍了大气热量向土壤中的传递，因此在融化期，覆盖秸秆会推迟表层冻土开始融化的时间，延缓表层土壤融化的速率，推迟土壤完全融化的时间。BL处理完全融化的时间比其他三种处理早3-6d。融化期覆盖秸秆对深层冻土的融化没有影响。
　　(2)整个融化期各个处理的土壤液态含水率基本呈现出先逐渐增加当达到峰值后又逐渐降低的趋势。融化期秸秆覆盖会延缓土壤液态含水率达到峰值的时间，增加土壤液态含水率，减小土壤液态含水率的变化幅度。在10cm土层，BL土壤液态含水率比SM1、SM2和SM3三种处理低2.50-6.00％，变幅比其他三种处理小5.20-6.10％,达到峰值时间比其他三种处理早2-5d。沿着土壤剖面垂直向下，土壤液态含水率变化逐渐减小，秸秆覆盖对土壤液态含水率的影响也逐渐减小。在3月10日BL处理的土壤液态含水率沿着剖面垂直向下呈现出逐渐增加的趋势，在3月21日和4月2日BL处理的土壤液态含水率沿着剖面垂直向下呈现出“S”型，在4月14日土壤液态含水率又沿着剖面垂直向下逐渐增加。在SM1、SM2和SM3三种处理也出现了相似的现象。
　　(3)融化期各个处理的土壤温度整体呈现出先缓慢增加而后又大幅度的波动上升。融化期秸秆覆盖会减小土壤温度的变化幅度。10cm土层BL、SM1、SM2和SM3四种处理土壤温度的变化范围分别为0.13-14.56℃，-0.13-7.69℃，-1.44-6.13℃和-1.75-5.00℃。随着土层深度的增加，土壤温度的变化幅度逐渐减小。在BL处理中，融化期10cm-100cm土壤温度的变化范围分别为14.43℃、8.88℃、6.75℃、5.88℃、5.06℃、4.44℃、3.88℃、3.31℃、2.75℃和2.25℃。在3月10日BL处理的土壤温度呈现出先略微增加而后又逐渐减小的趋势，到了4月14日BL处理的的土壤温度呈现出先急剧减小而后缓慢增加的趋势，在SM1、SM2和SM3三种处理也出现了相似的现象。在3月21日，四种处理的土壤温度随剖面变化最小，在4月2日BL和SM1的土壤温度随剖面变化最大，在4月14日SM2和SM3的土壤温度随剖面变化最大。
　　(4)融化期秸秆覆盖会起到抑制土壤蒸发的作用，融化期SM3处理的累计蒸发量分别BL、SM1和SM2三种处理的少7.4mm、4.8mm和2.9mm。在融化前期，BL处理的土壤日蒸发量比秸秆覆盖条件下的大，而在融化后期BL处理的日蒸发量反而比秸秆覆盖条件下的小。裸地的土壤日蒸发量的变化趋势是先保持不变然后逐渐减小，其他三种处理土壤日蒸发量的变化趋势是先增长后降低。融化期秸秆覆盖能够减小土壤日蒸发量的变化范围，抑制土壤日蒸发量的变化幅度，减小土壤日蒸发量受随机因素的影响。液态含水率和水汽压是影响融化期土壤蒸发最主要的两个因素。
　　(5)在融化期，各个处理的土壤入渗过程基本一致，在开始入渗时土壤入渗量增长迅速，随着时间的推移土壤入渗量增长逐渐变缓，直到最后达到稳定入渗。随着土壤融化的推移，土壤初始入渗率、稳定入渗率和累计入渗量呈现出逐渐增加的趋势。在融化期，秸秆覆盖会减少土壤初始入渗率、稳定入渗率和累计入渗量。通过相关性分析发现表层土壤温度对入渗的影响明显高于深层土壤温度。在融化期表层土壤温度对入渗过程的影响主要分为三个阶段:当土壤温度低于0℃时，随着土壤温度的增加，土壤入渗缓慢增加，当土壤温度到达0℃附近时，土壤入渗会随着土壤温度的增加而迅速增加，当土壤温度高于0℃时，土壤入渗率和随着土壤温度的增加又开始缓慢增加。表层土壤液态含水率和土壤融化深度均与土壤累积入渗量和稳定入渗率呈现良好的线性关系。表层土壤液态含水率过高会抑制土壤的入渗，而土壤融化深度会促进土壤入渗。

目录

声明

摘要

1 引言

1．2 研究目的和意义

1．3 国内外研究动态

1．3．1 土壤水热运移规律

1．3．2 土壤水分蒸发

1．3．3 土壤水分入渗

1．4 国内外动态评价

1．5 主要研究内容及技术路线

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 技术路线

2 试验条件与方法

2．1 试验区域概况

2．1．1 试验区内的土壤状况

2．1．2 试验区域的气候情况

2．2 试验方法

2．2．1 试验区布置

2．2．2 观测指标与方法

2．3 试验期内的气象资料

3 秸秆覆盖条件下的土壤水热过程

3．1 融化期土壤的特性

3．1．1 融化期土壤的基本组成

3．1．2 融化期土壤的水力学特性

3．1．3 融化期土壤的热力学特性

3．2 秸秆覆盖条件下的土壤融化过程

3．3 融化期不同秸秆覆盖条件下的土壤液态含水率

3．3．1 融化期土壤液态含水率的时间演替

3．3．2 融化期土壤液态含水率的沿垂向剖面分布

3．4 融化期不同秸秆覆盖条件下的土壤温度

3．4．1 融化期土壤温度的时间演替

3．4．2 融化期土壤温度的沿垂向剖面分布

4 秸秆覆盖条件下的土壤蒸发及影响因素

4．1 秸秆覆盖条件下的土壤蒸发规律

4．1．1 研究方法

4．1．2 秸秆覆盖条件下的累积蒸发量和日蒸发量

4．1．3 秸秆覆盖条件下的日蒸发量变化趋势

4．1．4 秸秆覆盖条件下日蒸发量的差异性

4．1．5 秸秆覆盖条件下日蒸发量的复杂性

4．2 土壤蒸发的影响因素分析

4．2．1 水汽压对土壤蒸发的影响

4．2．2 土壤液态含水率对土壤蒸发的影响

4．3 融化期土壤蒸发模型

5 秸秆覆盖条件下的土壤入渗及影响因素

5．1 秸秆覆盖对土壤水分入渗影响

5．2 融化期土壤入渗的影响因素

5．2．1 土壤温度对土壤入渗的影响

5．2．2 土壤液态含水率对土壤入渗的影响

5．2．3 土壤融深对土壤入渗的影响

5．3 融化期土壤入渗模型

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望与不足

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文