黄土高原沟壑区不同土地利用下的土壤水力学性质变化研究

摘要

黄土高原沟壑区既受水土流失威胁，又担负当地农民致富的重任，优化当地土地利用方式，增强土壤导水、储水能力的实践是实现减灾兴利的必然选择。自1999年国家实施退耕还林还草的土地利用调整工程以来，在植被恢复的同时产生了土壤干化现象，如何保护区域水循环和水安全成为这次土地利用调整的关键所在。本研究选择代表黄土高原沟壑区的长武县王东沟村为对象，于2015-2016年对比研究了6种主要土地利用方式下的土壤水力学性质变化及其内在机制。研究选取草地、灌草地、苹果园、废弃苹果园、小麦地和玉米地为研究对象，采用野外与室内相结合的方法，对6种土地利用类型下的土壤基本物理性质、导水性能、土壤团聚体与土壤孔隙结构、土壤根系特征等做了系统研究，深入分析了土壤水力学变化主要影响因素和主导因子，明确了农地转化为非农用地有利于土壤有机碳积累，以及土壤团聚体和根系等的发育，进而促进了大孔隙在导水中的重要贡献。研究结果可用于评估土地利用和覆盖变化对土壤地下水补给能力的影响，有助于深入了解区域水文响应机制，从而为国家生态建设提供可靠的依据。主要结论包括：
　　草地和灌木林地相比其它几种土地利用方式更有利于土壤有机质的保存：草地0-20 cm土壤的有机质含量最高，为17.96±0.89 g·kg-1，玉米地40-60cm土壤的有机质含量最低。耕地向草地或其它合理土地利用方式转化，是有利于土壤有机质和土壤性质的理想方式。苹果园土壤的电导率最高，其它依次为废弃苹果园、草地、玉米地、小麦地、灌丛草地，反映了农业投入的差异。
　　土壤团聚体稳定性是控制水土流失、提高土壤质量的重要指标。灌丛草地和草地0-20 cm土壤的水稳性团聚体含量较高，分别为65％和61%。小麦地土壤的干湿筛团聚体含量分别为56%和42%，玉米地分别为50%和49%，废弃苹果园分别为73%和50%，苹果园分别为55%和50%。草地土壤团聚体的平均质量直径和几何平均直径均高于其它几种土地利用方式。土壤团聚体的形成及其稳定性与土壤有机碳含量、根系生物量呈正相关关系。此外，平均重量直径、几何平均直径、根系生物量和土壤有机碳含量的相关系数也非常显著，说明土壤有机碳含量的提高和大团聚体的形成密切相关。因此，退耕还林地还草可以改善侵蚀风险较高地区（黄土高原）土壤水稳性团聚体含量。
　　土壤导水率的研究结果表明,草地土壤的入渗速率较快,不同负压水头下（0 cm,-1 cm,-3 cm,-6 cm和-12 cm），入渗速率分别为10.58±0.02 cm min-1,8.86±0.04 cm min-1,5.39±0.06 cm min-1,3.76±0.01 cm min-1,1.36±0.03 cm min-1；灌草地土壤入渗速率相对较慢，分别为9.03±0.01 cm min-1,7.59±0.03 cm min-1,4.11±0.01 cm min-1,3.24±0.03 cm min-1,0.66±0.01 cm min-1。苹果园土壤入渗速率最小，分别为6.02±0.04 cm min-1,5.17±0.01 cm min-1,3.76±0.02 cm min-1,1.50±0.03 cm min-1,0.59±0.02 cm min-1。小麦地的入渗速率较玉米地快，不同负压下的入渗速率分别为8.08±0.05 cm min-1,6.20±0.06 cm min-1,3.01±0.01 cm min-1,1.64±0.02 cm min-1,0.85±0.01 cm min-1和7.64±0.02 cm min-1,7.59±0.05 cm min-1,4.67±0.01 cm min-1,2.21±0.03 cm min-1,1.27±0.02 cm min-1。总体来看，土壤入渗速率由快到慢依次为草地、灌草地、废弃苹果园、小麦地、玉米地、苹果园。
　　土壤大孔隙数量特征与土地利用类型密切相关，草地和灌草地土壤>1 mm孔隙较其它几种土地利用方式多，分别为88个· m-2和69个· m-2，小麦地和玉米地分别为21个· m-2和67个· m-2，孔隙数量由多到少依次为：草地、灌草地、玉米地、废弃苹果园、苹果园、小麦地。草地土壤的大孔隙度最大，苹果园土壤的大孔隙度最小。土壤水分特征曲线的研究结果表明草地土壤的饱和含水率最高为44.89%，玉米地土壤的饱和含水率最低为38.31%。草地土壤的田间持水量最高为28.93%，玉米地土壤的田间持水量最低为18.31%。土壤饱和含水率由高到低依次为草地、废弃苹果园、灌草地、苹果园、小麦地、玉米地。另外，0-10 cm土层的最大含水量由高到低分别为草地、废弃苹果园、苹果园、灌草地、小麦地、玉米地。
　　根系特征参数分析结果表明，草地的根系生物量最大，为95.75±1.16 g m-2，小麦地的根系生物量（51.46±1.27 g m-2）大于玉米地（46.66±0.52 g m-2），苹果园的根系生物量最小为10.81±0.18 g m-2。草地表层0-20 cm土壤根系特征参数相对优良，根长密度、根表面积密度、根平均直径分别为26.72±0.63 cm cm-2,5.95±0.32 cm2 cm-2,和0.77±0.04 mm，苹果园土壤根系特征参数相对较差，分别为2.53±0.13 cm cm-2,1.86±0.08 cm2 cm-2, and1.40±0.07 mm。
　　研究表明，黄土高原沟壑区植被恢复可改善土壤的物理性质、根系特征和水力传导力，引起这种改善的内部动力是土壤有机质积累和土壤根系的作用，两者共同发育了土壤中的大团聚体和大孔隙，进而促进了土壤导水能力提高。

目录

声明

CHAPTER 1 Introduction to Research

1.1 The purpose and significance of research

1.2 The research review and background of the Loess Plateau

CHAPTER 2 Research Objective and Methodology

2.1 Characteristic of research area

2.2 Research objectives

2.3 Material and methods

CHAPTER 3 Assessment of Soil Organic Matter in Different Land Use

3.1 Introduction to soil organic matter

3.2 Results and Discussion

3.3 Conclusion

CHAPTER 4 Assessment of Soil Aggregation in Different Land use

4.1 Introduction to soil aggregate

4.2 Results and discussion

4.3 Conclusion

CHAPTER 5 Assessment of Soil Hydraulic Properties in Different Land use

5.1 Introduction to soil hydraulic properties

5.2 Results and Discussion

5. 3 Conclusion

CHAPTER 6 Assessment of Water Characteristic Curve in Different Land use

6.1 Introduction to soil water characteristic curve

6.2 Results and Discussion

6.3 Conclusion

CHAPTER 7 Comparison of Roots in Different in Land use

7.1 Introduction to root characteristic

7.2 Results and Discussion

7.3 Conclusion

CHAPTER 8 Summary of the Research

8.1 Main findings

8.2 Innovative Points

8.3 Some Problems

8.4 Recommendations

APPENDIX

参考文献

ABOUT THE AUTHOR

致谢

RESEARCH PUBLICATIONS