棕壤斥水性时空变异特征及其对氮素淋失过程的影响

摘要

土壤斥水性一方面加剧土壤侵蚀和水土流失,另一方面加剧地下水体污染风险,引发一系列环境问题,同时还会导致作物减产,影响农业生产。受土壤理化性质影响,土壤斥水性具有较强的时空变异性,这一特性深刻影响着其对土壤侵蚀的影响。以沂蒙山区的棕壤为例,比较自然降雨前后两种典型土地利用桃园和玉米地土壤斥水性的变化特征,分析其空间自相关性及其与理化性质之间的空间关系,获得土壤斥水性时空变异的影响因素及其对氮素淋失过程的响应特征,针对性地提出土壤斥水性改良的措施。
　　1土壤斥水性的时空变化特征
　　沂蒙山区棕壤条件下的典型农用地在雨季存在斥水性,且具有明显的时空分布特征:玉米地降雨前后都表现出较高的斥水持续时间,但桃园斥水持续时间变幅更大。实际斥水性对含水量响应不明显,烘干条件下的土壤斥水性随含水量降低呈现先增大后减小再趋于稳定的趋势,潜在斥水性与土壤含水量的相关关系符合指数模型。两地块的土壤斥水性及土壤属性均表现出较强的空间变异性。三坡位的实际土壤斥水性趋势基本一致,峰值都表现出上坡<中坡<下坡的规律。
　　2土壤斥水性的空间自相关性及其影响因素
　　在持续干旱条件下棕壤斥水程度强烈,降雨之后斥水性显著降低。降雨前后棕壤斥水性均表现为中等的变异强度和较强的空间自相关性,且呈指数模型分布,各向异性显著。受结构变异和随机变异共同作用,斥水性空间格局沿耕作方向呈条带状分布趋势,在垂直于耕作方向上变异最为强烈。含水量及黏粒含量具有强的空间自相关性,空间格局与斥水性相似;而粉粒、砂粒含量受随机性因素影响较大,空间自相关性较弱,分布格局与斥水性相反;有机质含量无空间自相关,为随机分布。
　　3不同土地利用土壤斥水性的空间变异性及其影响因素对比
　　沂蒙山区的棕壤总体表现为强烈斥水性。不同土地利用棕壤斥水性的空间分布、降雨前后的变化特征及其对理化性质的空间响应存在一定的差异:玉米地棕壤斥水性明显强于桃园,降雨之后桃园斥水性显著降低而玉米地仍强烈斥水。桃园棕壤斥水性空间分布表现出一定的空间集聚性,玉米地棕壤斥水性则为随机分布格局。桃园棕壤斥水性与含水量相关性为负,玉米地棕壤斥水性与含水量相关性为正。降雨前后桃园棕壤斥水性均与粉粒含量呈空间正相关,与砂粒、黏粒含量呈空间负相关,相关度及显著水平均为粉粒>砂粒>黏粒;玉米地斥水性对土壤质地的空间响应受含水量影响,雨前与砂粒含量呈显著正相关,与粉粒、黏粒含量呈显著负相关,相关性强度黏粒>砂粒>粉粒,降雨之后相关性相反,相关度仅粉粒含量达显著。
　　4土壤斥水性对氮素淋失过程的影响
　　烘干条件下桃园棕壤斥水性随含水量降低呈双峰趋势。土壤氮素淋失量与斥水强度成正相关,硝氮是主要的氮素淋失形态。无斥水条件下,渗漏液体积、氮素淋失浓度变化均较为平稳;轻微和强烈斥水时则呈明显的单峰趋势。无斥水和强斥水条件下硝氮、总氮淋失浓度均在20 min出现峰值而后稳定,轻微斥水时峰值出现时间存在不同程度的滞后。无斥水条件下的氨氮淋失浓度随降雨历时平稳下降,并在50 min处出现小峰值,强斥水和轻微斥水时则均在不同降雨时刻(20、30或40 min)出现峰值而后趋于稳定。
　　5土壤斥水性的改良措施
　　土壤斥水性改良措施分为直接和间接的两种。直接措施从消除斥水性的起源入手,间接措施旨在寻求改变斥水现象的管理措施。共提出12种改良措施:施用表面剂、粘土、缓释肥、石灰以及灭菌剂,生物措施包括蚯蚓、改进作物品种、灌溉、耕作、土壤通气和压实等。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究进展

1.3 研究内容与方法

2 材料与方法

2.1 研究区概况

2.2 采样点概况

2.3 棕壤斥水性测定

2.4 人工模拟降雨试验

2.5 棕壤理化性质测定

2.6 数据处理

3 棕壤斥水性的时空变化特征

3.1 基于日常监测的棕壤斥水性时空变化特征

3.2 典型降雨前后的棕壤斥水性变化特征

3.3 基于烘干过程的棕壤斥水性时空变化特征

3.4 讨论

4 桃园棕壤斥水性的空间变异特征

4.1 桃园棕壤斥水性与理化性质的统计特征

4.2 桃园棕壤斥水性与理化性质的空间变异性

4.3 桃园棕壤斥水性的空间方向性

4.5，说明若在长轴和短轴方向上达到相同的变异程度，在长轴方向上应达到距离为短轴方

5 桃园和玉米地棕壤斥水性的影响因素对比分析

5.1 降雨前后桃园和玉米地棕壤斥水性特征

5.2 桃园和玉米地棕壤斥水性的空间自相关分析

5.3 桃园和玉米地棕壤斥水性与理化性质的空间相关性

5.4 讨论

5.5 小结

6 棕壤斥水性对氮素淋失过程的影响

6.1 棕壤斥水性的变化趋势

6.2 棕壤斥水性对渗漏液渗出过程的影响

6.3 棕壤斥水性对氮素淋失量的影响

6.4 棕壤斥水性对氮素淋失浓度的影响

7 土壤斥水性的改良措施

7.1 土壤斥水性改良的间接措施

7.2 土壤斥水性改良的直接措施

7.3 小结

8 结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及参与的课题