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《北京林业大学》 2013年
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三峡库区三种土地利用方式优先流特征及其对硝态氮运移的影响

吕文星  
【摘要】:坡面土壤优先流能够造成养分深层流失、农作物减产、地下水污染、河流富营养化等一系列恶果。研究坡面土壤优先流对了解土壤养分深层流失的作用机制、优先流在农业生产上的作用、减轻地下水污染和提高环境质量均具有重要意义。 本研究采用田间亮蓝染色示踪观测和室内土柱试验相结合的方法,以三峡库区坡面荒地、玉米地、柑橘地三种土地利用方式为对象,依据图像解析、空间点格局分析等方法对土壤优先路径数量及空间分布状态、优先流形态特征、优先流形成的影响因素、土壤水分及硝态氮优先运移特征进行了分析,系统研究三峡库区坡面土壤优先流特征及其对硝态氮运移的影响。研究主要结论如下: (1)采用点格局方法对三峡库区坡面土壤优先路径的空间分布规律进行研究,结果表明水平染色剖面中,荒地优先路径的总数量最大,而竖直染色剖面中柑橘地处理最大。三种土地利用方式不同影响半径的优先路径分布上表现为:≤1mm的优先路径数量最多,10mm的优先路径数量极少,5-10mm的优先路径多分布于0-20cm表土层。水平染色剖面中,荒地除了10mm的优先路径分布状态以随机分布为主外,其他径级优先路径多数呈聚集分布或聚集分布向随机分布发展状态,玉米地和柑橘地均以聚集分布状态为主;三种土地利用方式竖直染色剖面10mm的优先路径均表现出显著的随机分布状态,其他径级优先路径均表现出显著的聚集分布状态,说明土壤中不同径级的优先路径竖直空间分布格局具有一致性。 (2)通过图像解析提取染色面积比参数,进一步研究了土壤优先流的形态变化特征。三种土地利用方式水平剖面染色面积比均随着土层深度增加呈显著递减趋势,其中荒地各土层染色面积比较大,说明其水平剖面优先路径数量较多;竖直剖面染色图像表明柑橘地剖面内土壤优先流现象最为明显,最深可延伸到基岩母质层顶部,荒地次之,而玉米地10cm以下的深层土壤中无明显优先流现象。水平染色剖面内染色面积比变化趋势多数表现为多峰型,说明优先流形态存在显著分化,优先路径密集分布,土壤剖面有着较强的整体水分传导能力;竖直剖面土壤优先流形态主要以垂直方向延伸为主,部分存在一定的弯曲、侧向流动现象,这主要与根系延伸、土壤质地和结构特征随土壤深度的变化以及优先流路径连通性有关。 (3)坡面土壤优先流的形成受到土壤基本理化性质、作物根系状况等环境因子影响。在三种土地利用方式土壤剖面染色区的染色面积比与土壤理化性质及作物根系状况等25个指标之间进行Spearman相关分析,结果表明:染色面积比与土壤密度、体积含水量、粘粒含量呈极显著负相关(p0.01),与总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、砂粒含量、0.25mm水稳性团聚体含量、饱和导水率、有机质含量、3-5mm根长密度、根孔数量呈极显著正相关(p0.01),与1mm根长密度、1-3mm根长密度和根重密度呈显著正相关(p0.05),与粉粒含量、全氮含量、碱解氮含量、全磷含量、速效磷含量、全钾含量、有效钾含量、A1元素含量、Fe元素含量和5mm根长密度不相关(p0.05)。说明三峡库区坡面三种土地类型土壤优先流主要受土壤基本物理性质和径级在5mm以下的细根系生长状况的影响。 (4)分别采用三维原状和重塑土柱以及二维重塑土柱,观测大孔隙对坡面土壤水分及硝态氮运移影响。三维原状和重塑土柱试验结果表明各处理土壤中均存在优先流,相同时间内,原状土柱的累积出流量均显著高于重塑土柱,说明原状土柱与重塑土柱中水分运动存在差别。土壤优先水流出流速率具有不稳定性,水分穿透曲线具有不对称性和拖尾等特征。土壤优先流导致了硝态氮的快速大量运移,优先运移的溶质量占总运移量的40.9%-48.8%。二维重塑土柱试验结果表明O-C处理(包含大孔隙的土柱,孔隙顶部与表土连通,底部埋于土壤基质中)土柱的出流速率是CK处理(无大孔隙的土柱)的1.6倍。O-C处理土柱中水流通过大孔隙到达大孔隙底端的速度要远远大于CK处理,其早期的水流分布主要是沿水平方向,而CK处理土柱中水流分布主要是沿垂直方向。O-C处理土柱内亮蓝浓度分布图的质心在施加相同体积溶液条件下显著深于CK处理,亮蓝主要通过大孔隙底端向大孔隙两侧的土壤内扩散。
【学位授予单位】:北京林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:S157.1

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