毛乌素沙地砒砂岩与沙复配土土壤特性及可持续利用研究

摘要

毛乌素沙地是我国农牧交错区的典型代表，土地沙化和砒砂岩水土流失是困扰土地利用的两大危害。为了充分挖掘毛乌素地区耕地后备资源，缓解耕地保护压力，经研究发现，通过砒砂岩与沙复配成土，变“两害”为一宝，使毛乌素沙地得以治理并变为高产耕地成为可能。鉴于毛乌素地区地处生态脆弱区，其农业开发能否持续，新造土壤能否稳定，是关系该技术能否在该地区大面积推广的首要问题。2010-2013年，本研究通过室内实验、小区试验和大田野外研究，对复配土壤特性、水资源的可持续利用和固沙效应等三个方面进行了三年多的持续监测和研究，从复配土壤质地变化、保水持水性、水稳性团聚体、养分运移等角度，探讨了砒砂岩与沙复配比例、种植年限对复配土壤稳定性的影响：从起沙风速、土壤结皮、粗糙度、冻土层等角度，揭示了砒砂岩粒径、复配比例等对复配土壤固沙效果的影响，研究结果为毛乌素沙地基于砒砂岩与沙复配成土技术的推广应用提供理论依据和工程实例。
　　本研究主要内容包括：⑴小区和大田试验发现，砒砂岩在减少水分渗漏、氮素淋失以及提高复配土水分、氮素和肥料利用效率方面具有显著的作用。随着作物种植季数的增加，粉粒和粘粒会在土壤表层和耕层底部形成致密的结皮和犁底层，从而可以保证原沙地耕层土壤质地的改良；复配土耕层水稳性团聚体含量逐渐增大；复配土耕层有机质含量逐渐增力加。复配土肥力较低，农业生产中应注意培肥；复配土重金属含量在土壤环境质量标准安全内，无重金属污染；复配土作物种植具有普遍性和适宜性。⑵Gardner模型能很好地拟合砒砂岩与沙比例分别为1:0、5:1、2:1、1:1、1:2、1:5、0:1下复配土的水分特征曲线，且土壤含水最随砒砂岩含量增加而增加，储水潜力逐渐增强：在对7个不同砒砂岩与沙复配比例的复配土的土壤饱和导水率进行预测时，Rosetta模型预测结果准确性明显要好于HYPRES模型。⑶以种植玉米为例，研究了1:1、1:2和1:5三个混合比例下玉米生长过程中复配土水储量的变化。结果表明，受灌溉和降水的影响，在生长期内呈波动变化，但是总体来讲，第二年的三个混合比例下复配土土壤储水量较第一年的有所减少。在三个比例中，混合比例为1:2的复配土，其土壤储水量的变化较为稳定，更加适合玉米的种植，该复配土混合比例可在研究区推广应用；玉米生长期内，未发生铵态氮积累，且淋失量少，氮素淋失以硝态氮为主，当混合比例为1:2时，硝态氮主要积累在0-40 cm处，处于耕作层，有利用作物根系吸收氮素。⑷通过田间试验与土壤作物系统模型模拟相结合的方法，对不同比例砒砂岩与沙复配土的农田水肥管理进行了定量研究。随着复配土中砒砂岩含量的降低，蒸散量逐渐减少，渗漏量则明显增加。对砒砂岩：沙为1:1、1:2和1:5三种复配土而言，水分利用效率最高可达1.30 kg m-3。氨挥发和氮淋失是氮素主要损失途径，作物吸收是氮素的主要流向。氮素利用效率和肥料利用效率最高可分别达到33.13和24.93 kg kg-1 N-1。水分渗漏和氮素淋失主要发生在灌溉过量或是降雨过多时期。砒砂岩在提高沙地水分、氮素和肥料利用效率方面发挥了显著的作用。⑸通过计算区域水资源平衡情况，对示范区的水资源持有量与土地开发规模的可持续利用进行了研究。沙土地在一般灌溉制度下，通过年降水、近60年平均年降水量、近10年平均年降水量三种情况，计算结果均显示，项目区的水资源供给均不能满足灌溉需水的要求。以近60年灌溉期平均降水量290.6mm条件下平衡分析显示：相比一般灌溉措施，喷灌节水措施II与滴灌节水措施III下，灌溉期的供需平衡差均为负值。复配土与喷灌综合节水措施IV、复配土与滴灌综合节水措施V下，灌溉期的供需平衡都变为正值，水资源平衡差分别达到了0.36×104 m3/a和5.12×104 m3/a，说明复配土技术对于灌溉水资源平衡的盈余产生了积极的影响，项目区的水资源利用具有可持续性。⑹通过对大田土壤结皮、冻土层、粗糙度、积雪消融和风洞试验等研究，复配土对区域生态环境修复效应作用显著。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 砒砂岩与沙复配成土技术研究进展及现状

1.3 研究目标及意义

1.4 研究内容

1.5 研究方法

1.6 技术路线

2 研究区概况及试验设计

2.1 研究区概况

2.2 试验区概况

2.3 试验主要材料

2.4 试验设计

2.5 测试项目及方法

3 复配土的土壤特性研究

3.1 复配土水分特性研究

3.2 复配土土壤结构变化

3.3 复配土土壤质量评价

3.4 本章小结

4 复配土水肥管理研究

4.1 复配土水储量研究

4.2 复配土氮素运移研究

4.3 复配土水肥运移模拟

4.4 本章小结

5 区域水土资源匹配研究

5.1 水资源储量

5.2 水资源可持续利用分析

5.3 复配土持水保水特性及效果分析

5.4 不同措施灌溉制度水资源平衡分析

5.4 本章小结

6 复配土固沙效应研究

6.1 毛乌素沙地生态环境问题

6.2 固沙效应分析研究

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 主要创新点

7.3 展望

致谢

参考文献

附录A 博士期间发表的论文情况

附录B 博士期间出版专著情况

附录C 博士期间参与的科研项目情况

附录D 博士期间获奖情况