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《南京林业大学》 2017年
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亚热带典型植被类型土壤水变化规律及影响机制研究

郭晓平  
【摘要】:土壤水是植物生长和生存的重要物质基础,开展森林土壤水研究对于水土保持、生态保护、林业管理具有重要意义。森林植被类型差异导致了土壤容重、土壤有机碳总量、水稳性团聚体、土壤水饱和传导率等土壤性状的差异,并成为影响森林土壤水分特性变化的重要因素。本研究以浙江凤阳山国家级自然保护区内的常绿阔叶林、针阔混交林、竹林以及茶园为研究对象,通过野外调查、模拟实验、定点观测、室内分析等手段,研究了树木根系穿孔、土壤特征因子及剖面构造等对土壤水分传输和优先流特性的影响。在研究过程中,为表征土壤含水率变化特性及树木根系对优先流的影响,定义了“土壤含水率变化时间指数”、“土壤含水率变化幅度指数”、“细根根系渗透比”、“根系相对渗透面积”及“根系渗透影响指数”5个参数。研究结果如下:(1)植被类型对土壤性状及细根生物量影响显著。随土壤深度增加,4种植被类型土壤容重呈上升趋势,土壤总有机碳呈减少趋势。常绿阔叶林和针阔混交林中,土壤毛管孔隙度随土壤深度增加而减少,竹林和茶园中土壤毛管孔隙度变化不显著。土壤非毛管孔隙度在常绿阔叶林先下降后上升,在针阔混交林和竹林呈现上升趋势,在茶园中则呈下降趋势;常绿阔叶林、针阔混交林和竹林的土壤细根生物量呈现下降趋势,在茶园中先下降后上升。土壤大型团聚体含量在常绿阔叶林先增加后减少,在针阔混交林中先减少后增加,在竹林和茶园无显著差异。土壤中型团聚体含量在常绿阔叶林和竹林先减少后增加,在针阔混交林和茶园则先增加后减少。土壤小型水稳性团聚体含量在常绿阔叶林和茶园先下降后上升,在针阔混交林逐渐上升,而在竹林基本保持不变。水稳性团聚体组成结构的主要影响因素为土壤总有机碳、非毛管孔隙度,以及细根生物量。随土层深度的增加,土壤饱和导水率在常绿阔叶林呈上升趋势,在针阔混交林和竹林差异不显著,而在茶园先下降后上升;在土壤饱和导水率的各潜在影响因子中,非毛管孔隙度、土壤大型水稳性团聚体、中型水稳性团聚体对土壤饱和导水率的影响较大,其影响程度所占的比重分别为51.2%、17%、10.6%。(2)常绿阔叶林中,0-10cm及10-20cm土壤层土壤含水率接近,但低于20-30cm土层;针阔混交林与竹林中,各土壤层土壤含水率接近;茶园土壤层含水率与常绿阔叶林类似,但茶园不同土壤层含水率差异显著;2014年、2015年、2016年,4种植被类型各土壤层含水率最大值多出现于5-8月的春夏季节,而各土壤层含水率最小值则多出现于11月到次年1月的冬季。降雨对土壤含水率变化具有主导作用,降雨时间是影响“土壤含水率变化时间指数”最重要的正效应因素,“土壤含水率变化时间指数”与降雨时间之间的通径系数为0.699;总降雨量是影响“土壤含水率变化幅度指数”最重要的负效应因素,“土壤含水率变化幅度指数”与总降雨量之间的通径系数为0.549,此外,上述指数随着土壤温度升高都有增加的趋势。(3)随着降雨强度的增加,经由剖面产生的优先流量、经由枯根产生的优先流量,以及经由1mm与2mm根径细根产生的优先流量逐渐增加,并且增加的幅度随之增加。在同一降雨强度条件下,各土壤层之间经由剖面产生的优先流量、经由枯根产生的优先流量,以及经由1mm与2mm根径细根产生的优先流量均有较大差异,特别是在降雨强度为240mm h~(-1)时,10cm土壤层经由剖面产生的优先流量、经由枯根产生的优先流量,以及经由1mm与2mm根径细根产生的优先流量明显大于20cm与30cm。同一降雨强度条件下,10cm土壤层与30cm土壤层相比,经由剖面产生的优先流量与经由枯根产生的优先流量分别相差可达10倍,经由1mm与2mm根径细根产生的优先流量分别相差达70倍与20倍。“细根根系渗透比”受降雨强度及土壤深度影响规律各不相同。降雨强度为150 mm h~(-1),200 mm h~(-1)以及240 mm h~(-1)条件下,10 cm土壤层的枯根、1mm细根及2mm细根根系渗透比存在显著差异,20cm及30 cm土壤层,不同类型的细根根系渗透比差异不显著;在降雨强度分别为100 mm h~(-1),150 mm h~(-1),200 mm h~(-1)以及240 mm h~(-1)条件下,各根系相对渗透面积的差异主要体现在10 cm土壤层,在其余土壤层,根系相对渗透面积的差异并不显著;在降雨强度分别为150 mm h~(-1),200 mm h~(-1),240 mm h~(-1)条件下,不同类型细根根系渗透影响指数差异也表现在10 cm土壤层。对“根系渗透比”以及“根系渗透影响指数“进行了结构平衡方程模型分析后发现,全部因子可以解释73.2%“根系渗透影响指数”,其中降雨强度及“根系渗透比”对于“根系渗透影响指数”有显著的直接正效应。(4)在人工模拟降雨与自然降雨条件下,发现“土壤优先流产生过程中,流量逐渐减少甚至停止现象”的现象,本研究将其定义为“土壤栓塞”,简称“土栓”,该现象的消除称之为“土壤栓塞消除”,简称“土栓消除”。自然降雨条件下,随着时间的延伸,经由细根产生的土壤优先流总量呈现逐渐减少的趋势;产生优先流的细根数量总体上呈现阶梯下降的趋势;尽管产生优先流的细根数量总体上在减少,但就每次观测而言,会产生“部分原先产生优先流的细根不再产生优先流,原先并未观测到优先流产生的细根出现优先流”的情况。在人工模拟降雨条件下,经由土壤剖面、枯根、1mm与2mm细根所产生优先流过程中,均有不同程度的“土壤栓塞”以及“土壤栓塞消除”发生。“土壤栓塞”多出现于较大的降雨强度条件下,而且,在较大降雨强度条件下更容易产生“土壤栓塞消除”。
【学位授予单位】:南京林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S714

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