荒石滩土地整治耕层构建关键技术研究

摘要

荒石滩作为一种重要的耕地后备资源，可供综合治理开发利用，采用相关优化工程措施将其整理为耕地，不仅具有巨大的防洪减灾效益，还具有巨大的农业产出效益。在对荒石滩进行综合整治过程中，如何重建耕层，保障耕层的稳定性，满足作物生长是亟待解决的重要问题。土体结构是土壤的一个基本特性，直接影响了植物的生长和发育情况，与土壤肥力密切相关，不仅是土地生产力的重要指标，还是判定土壤侵蚀程度的重要依据。本文综合了2011～2014年小区模拟实验、模型模拟和室内实验的结果，针对荒石滩地区砾石裸露、土层浅薄、河床比降较大等问题，开展了该地区土地整治的客土厚度、耕层构建、土壤沉降以及表层侵蚀等方面的研究，并通过RZWQM2模型模拟丫耕层构建以后1990～2013年的作物产量，分析作物产量与覆土厚度和容重的相关关系，为耕层构建结构的稳定性评价与优选提供依据，得出主要结论如下： （1）揭示了不同土层厚度处理下的水分渗漏及上壤颗粒迁移特征。随着土层厚度增大，土体水分渗漏量和渗漏速率均会降低，20cm厚度土层的水分累积渗漏量和平均渗漏速率分别约为Scm土层的35.60%和33.63%。土壤颗粒迁出量与土层厚度呈负相关关系，土层厚度越大，土壤颗粒迁出量越小；土壤颗粒累积迁出量与土层厚度的拟合关系式为：y=3.19e-0.11x(R2=0.96);20cm厚度土层的土壤颗粒迁出量仅为5cm厚度土层的21.8%：上壤颗粒迁移主要发生在水分渗漏lOOmin以内，后期各土层渗漏液中的土壤颗粒迁出量趋于稳定。土壤迁出颗粒中粉粒(＞0.005mm)含量最高，黏粒(0.002～0.005mm)含量次之，砂粒(＜0.002mm)含量最低；随着土层厚度的增加，渗漏液中粘粒的浓度逐渐增加，渗漏液中土壤颗粒粒径变化表现为黏粒、粉粒粒径随渗漏时间的增加呈先增大后趋于稳定的变化趋势，而砂粒呈先减小后趋于稳定的变化趋势。土层越薄，则土体结构越不稳定，土层越厚，土体保水保肥能力越强。 （2）揭示了不同容重构型处理下的土壤水肥渗漏和土壤侵蚀特征。隔离层容重和水分初始渗漏能力、平均渗漏速率均呈负相关关系。养分总渗漏量在容重不大于1.5g/Cm3时养分渗漏量随容重的增加而降低，当隔离层容重为大于1.5～1.7g/cm3时养分渗漏量差异较小，说明隔离层容重为1.5g/Cm3为最优保肥容重构建结构。侵蚀产沙量与土壤容重呈正相关关系，土壤容重越大，侵蚀产沙量越大。综合分析耕层结构的稳定性及保水保肥特性，得出最优容重组合如下：自下而上容重分别为隔离层容重1.5g/cm3，厚度10cm；过渡层容重1.3g/cm3，厚度20cm；耕作层容重1.2g/cm3，厚度20~30cm。 （3）阐明了不同覆土厚度耕层构建模式下土壤质量的变化特征。不同覆土厚度小区构建以后，土体沉降深度与覆土厚度呈正相关关系，即覆土厚度越大，其沉降深度也越大，而覆土厚度为50cm时，土体沉降率最低。土壤容重、紧实度与覆土厚度均呈正相关关系，土壤孔隙度与覆土厚度呈负相关关系，但上层土体（0~20cm）的容重、紧实度以及二者随覆土厚度的增幅均小于下层土体（20~40cm），但上层土体孔隙度大于下层土体，当覆土厚度小于50cm时，两土层孔隙度随覆土时间而增大，覆土厚度大于50cm时，两土层孔隙度随覆土时间均发生减小。当覆土厚度为50cm时，上、下土层体的容重、孔隙度、紧实度差值最大，且随时间变幅较小，形成保水保肥的土体结构。除第五季作物外，各季0~30cm土层养分均表现为覆土厚度为50和60cm时养分含量较高。覆土厚度为50cm时各养分指标随时间呈稳定的上升趋势，在第七季养分含量达到最高，同时土壤质量指数也达到最高，约为0.84。覆土厚度为50cm时，土壤理化性质较为稳定，有利于根系生长和水肥保存。 （4）基于RZWQM2模型模拟结果，阐明了不同耕层构建模式对作物产量的影响。覆土厚度为50cm、60cm时，夏玉米和冬小麦的株高整体偏高，作物产量最大，穗数、穗粒数及千粒重较大；基于RZWQM2模型模拟结果表明，覆土厚度为50~60cm时，土壤的持水能力和对作物的供水能力较强，作物产量最高，作物产量随覆土厚度的增加而增大，但是当覆土厚度大于50cm时，作物产量增加幅度减缓。隔离层容重大于1.5g/cm3时，土壤相对含水量较高，对作物的供水能力强，但当隔离层容重为1.5~1.6g/cm3，作物产量最高，容重偏高或偏低均会造成产量减小。 （5）结合工程成本，荒石滩耕层构建的最优模式为：覆土厚度为50cm，自下而上隔离层容重1.5~1.6g/cm3，厚度10cm；过渡层容重1.3g/cm3，厚度20cm；耕作层容重1.2g/cm3，厚度20~30cm。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2.1 土地整治研究进展

1.2.2 荒石滩整治研究进展

1.2.3 作物产量模型研究进展

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

1.3.3 技术路线

1.3.4 本论文创新点

2.1 研究区概况

2.1.1 研究区自然条件概况

2.1.2 研究依托工程所在项目区概况

2.2 试验设计

2.2.1 土壤颗粒渗漏试验

2.2.2 水肥渗漏试验

2.2.3 放水冲刷试验

2.2.4 田间小区试验

2.3 数据处理

3不同耕层厚度下土壤颗粒迁移特征

3.1 耕层厚度对水分渗漏过程的影响

3.2 耕层厚度对土壤颗粒迁移过程的影响

3.3 水分渗漏量对土壤颗粒迁移过程的影响

3.4 渗漏溶液的土壤颗粒浊度分布特征

3.5 本章小结

4 耕层结构对水肥运移过程的影响

4.1不同耕层结构的水肥运移特征

4.1.1 土壤水分渗漏随时间的变化特征

4.1.2 隔离层容重对水分渗漏特性的影响

4.1.3 养分渗漏量的变化特征

4.2不同耕层结构下表土层侵蚀特征分析

4.2.1土壤容重与侵蚀产沙的关系

4.2.2坡度对径流过程及其产沙量的影响

4.3 本章小结

5不同覆土厚度下耕层土壤质量变化规律分析

5.1 覆土厚度对耕层沉降的影响

5.1.1沉降深度及沉降率的变化特征

5.1.2沉降速度的变化特征

5.2.1 覆土厚度对容重的影响

5.2.2 覆土厚度对孔隙度的影响

5.2.3 覆土厚度对紧实度的影响

5.3.1土壤养分的多年统计分析

5.3.2土壤养分的动态变化特征

5.4 土壤质量的稳定性评价

5.5 本章小结

6荒石滩耕层构建技术的效果评价

6.1 覆土厚度与作物株高的关系

（1）第一季作物株高分析

（2）第二季作物株高分析

（3）第三季作物株高分析

（4）第四季作物株高分析

（5）第五季作物株高分析

（6）第六季作物株高分析

（7）第七季作物株高分析

6.2 覆土厚度与作物产量的关系

（1）试种作物产量及构成因素分析

（2）第一季作物产量及构成因素分析

（3）第二季作物产量及构成因素分析

（4）第三季作物产量及构成因素分析

（5）第五季作物产量及构成因素分析

（6）第六季作物产量及构成因素分析

（7）第七季作物产量及构成因素分析

6.3.1 模型构建

6.3.2 不同覆土厚度下夏玉米产量模拟研究

6.3.3 不同耕层容重结构下夏玉米产量模拟研究

6.4 本章小结

7 结论和展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的主要研究成果