【摘要】：黃土高原溝壑區(qū)既受水土流失威脅,又擔負當?shù)剞r民致富的重任,優(yōu)化當?shù)赝恋乩梅绞?增強土壤導水、儲水能力的實踐是實現(xiàn)減災興利的必然選擇。自1999年國家實施退耕還林還草的土地利用調整工程以來,在植被恢復的同時產生了土壤干化現(xiàn)象,如何保護區(qū)域水循環(huán)和水安全成為這次土地利用調整的關鍵所在。本研究選擇代表黃土高原溝壑區(qū)的長武縣王東溝村為對象,于2015-2016年對比研究了6種主要土地利用方式下的土壤水力學性質變化及其內在機制。研究選取草地、灌草地、蘋果園、廢棄蘋果園、小麥地和玉米地為研究對象,采用野外與室內相結合的方法,對6種土地利用類型下的土壤基本物理性質、導水性能、土壤團聚體與土壤孔隙結構、土壤根系特征等做了系統(tǒng)研究,深入分析了土壤水力學變化主要影響因素和主導因子,明確了農地轉化為非農用地有利于土壤有機碳積累,以及土壤團聚體和根系等的發(fā)育,進而促進了大孔隙在導水中的重要貢獻。研究結果可用于評估土地利用和覆蓋變化對土壤地下水補給能力的影響,有助于深入了解區(qū)域水文響應機制,從而為國家生態(tài)建設提供可靠的依據(jù)。主要結論包括:草地和灌木林地相比其它幾種土地利用方式更有利于土壤有機質的保存:草地0-20 cm土壤的有機質含量最高,為17.96±0.89 g·kg-1,玉米地40-60cm土壤的有機質含量最低。耕地向草地或其它合理土地利用方式轉化,是有利于土壤有機質和土壤性質的理想方式。蘋果園土壤的電導率最高,其它依次為廢棄蘋果園、草地、玉米地、小麥地、灌叢草地,反映了農業(yè)投入的差異。土壤團聚體穩(wěn)定性是控制水土流失、提高土壤質量的重要指標。灌叢草地和草地0-20 cm土壤的水穩(wěn)性團聚體含量較高,分別為65%和61%。小麥地土壤的干濕篩團聚體含量分別為56%和42%,玉米地分別為50%和49%,廢棄蘋果園分別為73%和50%,蘋果園分別為55%和50%。草地土壤團聚體的平均質量直徑和幾何平均直徑均高于其它幾種土地利用方式。土壤團聚體的形成及其穩(wěn)定性與土壤有機碳含量、根系生物量呈正相關關系。此外,平均重量直徑、幾何平均直徑、根系生物量和土壤有機碳含量的相關系數(shù)也非常顯著,說明土壤有機碳含量的提高和大團聚體的形成密切相關。因此,退耕還林地還草可以改善侵蝕風險較高地區(qū)(黃土高原)土壤水穩(wěn)性團聚體含量。土壤導水率的研究結果表明,草地土壤的入滲速率較快,不同負壓水頭下(0 cm,-1cm,-3 cm,-6 cm和-12 cm),入滲速率分別為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);灌草地土壤入滲速率相對較慢,分別為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)。蘋果園土壤入滲速率最小,分別為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)。小麥地的入滲速率較玉米地快,不同負壓下的入滲速率分別為8.08±0.05 cm min~(-1),6.20±0.06cm 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)。總體來看,土壤入滲速率由快到慢依次為草地、灌草地、廢棄蘋果園、小麥地、玉米地、蘋果園。土壤大孔隙數(shù)量特征與土地利用類型密切相關,草地和灌草地土壤1 mm孔隙較其它幾種土地利用方式多,分別為88個·m~(-2)和69個·m~(-2),小麥地和玉米地分別為21個·m~(-2)和67個·m~(-2),孔隙數(shù)量由多到少依次為:草地、灌草地、玉米地、廢棄蘋果園、蘋果園、小麥地。草地土壤的大孔隙度最大,蘋果園土壤的大孔隙度最小。土壤水分特征曲線的研究結果表明草地土壤的飽和含水率最高為44.89%,玉米地土壤的飽和含水率最低為38.31%。草地土壤的田間持水量最高為28.93%,玉米地土壤的田間持水量最低為18.31%。土壤飽和含水率由高到低依次為草地、廢棄蘋果園、灌草地、蘋果園、小麥地、玉米地。另外,0-10 cm土層的最大含水量由高到低分別為草地、廢棄蘋果園、蘋果園、灌草地、小麥地、玉米地。根系特征參數(shù)分析結果表明,草地的根系生物量最大,為95.75±1.16 g m~(-2),小麥地的根系生物量(51.46±1.27 g m~(-2))大于玉米地(46.66±0.52 g m~(-2)),蘋果園的根系生物量最小為10.81±0.18 g m~(-2)。草地表層0-20 cm土壤根系特征參數(shù)相對優(yōu)良,根長密度、根表面積密度、根平均直徑分別為26.72±0.63cm cm~(-2),5.95±0.32 cm~2 cm~(-2),和0.77±0.04 mm,蘋果園土壤根系特征參數(shù)相對較差,分別為2.53±0.13cm cm~(-2),1.86±0.08 cm~(2 )cm~(-2),and 1.40±0.07 mm。研究表明,黃土高原溝壑區(qū)植被恢復可改善土壤的物理性質、根系特征和水力傳導力,引起這種改善的內部動力是土壤有機質積累和土壤根系的作用,兩者共同發(fā)育了土壤中的大團聚體和大孔隙,進而促進了土壤導水能力提高。
【學位授予單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S152.7

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本文編號：2773142