不同水耕年限稻田土壤大孔隙分布与优先流特征研究

摘要

江汉平原是我国重要的商品粮生产基地，水稻种植历史悠久。近年来，受经济利益驱使等因素影响，旱地改水耕稻田的面积日益增加。由于旱地与稻田耕作方式迥异，因此不同水耕年限稻田土壤大孔隙很可能存在显著差异，这种差异会显著影响稻田的水流特征和水肥流失过程。本论文利用计算机断层扫描技术(CT)和田间染色示踪的实验方法，定量化分析江汉平原2年稻田（旱地改水耕年限为2年）、18年稻田（旱地改水耕年限为18年）和100年稻田（连续水耕年限大于100年）的土壤大孔隙形态参数与剖面水流运动特征。期望为合理的稻田水分管理措施制定提供科学依据。本文所取得主要结论如下:
　　(1)由于水耕年限不同，导致2年、18年和100年稻田土壤大孔隙的三维图像特征差异明显。大孔隙分布总体随土壤深度增加而急剧减少，且分布较不均匀。大孔隙分布表现为100年稻田＜18年稻田＜2年稻田，且有秸秆土壤大孔隙分布较无秸秆土壤丰富。耕作层大孔隙分布远多于犁底层及以下土层，且有秸秆土壤表现更为明显。水耕2年稻田土壤大孔隙以条状分布为主，水耕18年稻田表现为点和条状并存，连续水耕大于100年稻田以点状为主。
　　(2)三种稻田土壤大孔隙度、大孔隙面积、大孔隙数量和周长变化规律相似，均随土壤深度增加而逐渐减少。耕作层的大孔隙度、大孔隙面积、大孔隙数量和周长均大于犁底层和底土层;犁底层及以下土层均表现为急剧减少，其中100年稻田＜18年稻田＜2年稻田。成圆率均随土壤深度增加而增大，最终趋近于1。有秸秆土壤和无秸秆土壤的大孔隙度、大孔隙数量、大孔隙面积、周长和成圆率差异显著，且有秸秆土壤波动较无秸秆土壤大。秸秆下方的根系主要影响耕作层土壤的大孔隙特征，而对深层土壤影响较小。
　　(3)土壤大孔隙比例随孔隙直径的增大呈现先增加后减少的趋势。每种稻田孔隙直径集中分布在1-2 mm，所占比例约为30％-40％，且100年稻田较另外两个稻田多。而＞2 mm直径的孔隙表现为2年稻田＞18年稻田＞100年稻田。直径＞2 mm的孔隙均表现为逐渐减少的趋势，其中100年稻田减少幅度最明显。有秸秆土壤和无秸秆土壤孔隙直径大小分布差异明显。2年稻田有秸秆土壤孔隙直径分布在0.6-3 mm，且数量明显较无秸秆土壤多。0-20 cm土层孔隙直径为100年稻田＞18年稻田＞2年稻田，而20 cm以下土层为100年稻田＜18年稻田＜2年稻田。
　　(4)三种稻田土壤染色特征呈现明显差异。各稻田的耕作层染色面积比最高，随土壤深度增加染色面积比急剧下降，以犁底层减少最明显，而底土层染色面积比明显增加，水耕2年和18年稻田明显较100年稻田多。长年受不同耕作和灌溉等措施影响，每种稻田土壤性质差异明显，从而引起不同的垂直和侧向水流特征。垂直入渗过程中，2年稻田水流现象最明显，18年稻田其次，100年稻田最不明显。随着与染料喷洒区距离的增加，染色面积逐渐减少。除耕作层外，100年稻田的其它土层染色面积比均小于2年和18年稻田;100年稻田侧向水流较另外两个稻田明显。
　　(5)染色路径数量和染色路径宽度变化规律相似，均随土壤深度的增加而波动减少，而底土层的染色路径数量和染色路径宽度明显增加，且2年和18年稻田较100年稻田明显。＜10mm、10-100mm和＞100 mm的染色路径宽度连通性差异明显。除了宽度＜10mm的染色路径可从土壤表层连续延伸到土壤剖面底部，另外两种级别的染色路径均表现出间断性，以宽度＞100 mm的染色路径最明显。耕作层以10-100 mm的染色路径宽度为主，且100年稻田远多于18年和2年稻田。随土壤深度的增加，各稻田犁底层的染色路径宽度均急剧减少;2年和18年稻田底土层以宽度＜10mm和10-100 mm的染色路径为主，且明显多于水耕大于100年稻田。耕作层的染色路径数量为100年稻田＞18年稻田＞2年稻田，耕作层以下土壤表现为2年稻田最多、18年稻田其次、100年稻田最少。
　　(6)每种稻田土壤水流类型差异较大。各块稻田土壤水流类型均出现3种以上。只有100年稻田和18稻田耕作层发生均质流。底土层水流类型差异明显，100年稻田以低相互作用大孔隙流为主，孔隙和水分交换作用不明显;而18年稻田以混合作用大孔隙流为主，以及2年稻田以高相互作用大孔隙流为主，孔隙和水分交换作用较为明显。2年稻田土壤优先流现象最显著、18年稻田其次、100年稻田最弱。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 土壤优先流的定义与类型

1．2．2 优先流的研究方法

1．2．3 优先流对土壤水分运动的影响

2 研究区概况、研究内容与方法

2．1 研究区概况

2．1．1 江汉平原基本情况

2．1．2 实验区概况与样地选择

2．2 研究目标和研究内容

2．2．1 研究目标

2．2．2 研究内容

2．3 技术路线

2．4 研究方法

2．4．1 采集原状土柱

2．4．2 土柱CT扫描

2．4．3 大孔隙相关参数提取

2．4．4 染色示踪试验

2．4．5 图像处理

2．4．6 图像参数解析

2．4．7 数据分析与制图

3 土壤大孔隙分布特征

3．1 土壤大孔隙三维形态特征

3．2 土壤大孔隙结构特征

3．3 土壤孔隙直径分布规律

3．3．1 土壤孔隙直径大小分布规律

3．3．2 不同土壤深度孔隙直径大小分布规律

3．4 讨论

3．5 本章小结

4 土壤垂直剖面染色特征

4．1 喷洒区土壤垂直入渗剖面染色特征

4．2 非喷洒区土壤侧向入渗剖面染色特征

4．3 讨论

4．4 本章小结

5 土壤优先流形态特征与水流路径形态

5．1 土壤优先流形态特征

5．2 土壤水流路径形态学特征

5．2．1 染色路径宽度分布特征

5．2．2 染色路径数量特征

5．3 土壤水流类型特征

5．4 讨论

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 本研究的特色与可能的创新点

6．3 不足与展望

参考文献

硕士期间参与项目及发表论文

致谢