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《中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心》 2017年
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黄土丘陵区植被恢复过程土壤团聚体结构演变特征及其量化表征

赵冬  
【摘要】:土壤结构是维持土壤功能的基础,植被恢复改善土壤质量的核心就是改善土壤结构。土壤团聚体作为土壤结构的重要组成单元,其内部结构对土壤水、气、养分运移以及微生物活动具有重要作用。然而,目前植被恢复对土壤团聚体微结构的影响尚不明确。本研究选取黄土丘陵区不同植被恢复年限和不同植被恢复类型的典型样地作为研究对象,研究了土壤理化性质对植被恢复的响应,利用CT技术和图像分析技术量化表征团聚体微结构特征,分析了团聚体稳定性与团聚体孔隙参数的定量关系,建立了土壤结构评价体系,系统探究植被恢复过程土壤结构的演变特征。主要的研究结果如下:1、阐明了黄土丘陵区植被恢复过程土壤理化性质的演变特征,揭示了该土壤团聚体的主要破碎机制。土壤有机碳、总氮、土壤持水性、饱和导水率以及土壤有效水含量随着植被恢复的年限的增加而增加。虽然植被恢复提高了土壤总氮含量、土壤总孔隙度和毛管孔隙度,但与农地相比差异不显著。随着植被演替的年限的增加,大粒径团聚体含量不断提高,小粒径含量逐渐降低。随着撂荒演替进行,团聚体稳定性迅速提高,在撂荒6年后,土壤团聚体稳定性基本达到稳定状态。不同植被恢复措施对土壤理化性质改变具有不同作用强度。相较于人工草地和农地,人工乔木、天然草地和人工乔木具有较高的土壤有机质、总氮含量、土壤持水性、饱和导水率、土壤有效水含量、根系生物量以及2 mm团聚体含量和团聚体稳定性以及较低的容重。土壤总孔隙度以及毛管孔隙度在不同植被类型恢复之间差异不显著。Le Bissonnais法三种湿润处理对团聚体结构的破坏程度不同,团聚体的平均重量直径(MWD)表现为:快速湿润预湿润搅拌慢速湿润,可见黄土丘陵区团聚体破碎机制主要是快速湿润引起的消散作用。2、定量刻画了土壤团聚体内部结构的二维和三维结构,揭示了黄土丘陵区植被恢复过程土壤团聚体孔隙结构的演变特征,植被恢复年限以及恢复类型均显著地改变了土壤团聚体孔隙结构。土壤团聚体二维及三维结构图显示,植被恢复使得土壤团聚体内部微结构从紧密的细孔结构发育到疏松的复杂多孔结构。植被恢复显著提高了团聚体总孔隙度、75μm孔隙度、瘦长型孔隙度以及分形维数,而降低了孔隙总数量、75μm孔隙度、规则和不规则孔隙度和欧拉值。随着植被恢复年限的增加,土壤团聚体孔隙结构不断得到改善。不同的植被恢复类型对团聚体孔隙结构产生了不同的影响,其主要原因是土壤有机物含量和根系系统的差异。分形维数能够很好反映团聚体形态结构的变化,可作为黄土丘陵区植被恢复过程中土壤质量评价的指标之一。瘦长型孔隙决定着团聚体内水分、空气的储存和运输,因此瘦长型孔隙度可以作为衡量土壤团聚体结构是否改善的一个指标。3、揭示了团聚体孔隙结构与团聚体稳定性的定量关系,明确了影响团聚体稳定性的主要孔隙因子。通过偏最小二乘回归分析发现,总孔隙度、孔隙总数量、100μm孔隙度、长孔隙度以及分形维数对三种处理下团聚体稳定性均起着重要作用,其中总孔隙度、100μm孔隙度、长孔隙度以及分形维数对团聚体稳定性起着正向作用,而孔隙总数量的增加则会导致团聚体性的下降。植被恢复促进团聚体总孔隙数量减少,总孔隙度、100μm孔隙度、长孔隙度以及分形维数增加,可以提高孔隙疏水性,减缓湿润速度和降低消散应力,从而提高团聚体稳定性。4、评价了土壤结构质量对植被恢复的响应,分析了土壤结构质量与重要土壤理化因子的关系。团聚体瘦长型孔隙度、平均孔隙形状系数及MWD可作为评价黄土丘陵区植被恢复下土壤结构质量的关键指标。土壤结构指数与土壤有机质、土壤饱和导水率和土壤有效水含量均具有线性显著相关性。随着植被恢复年限的增加,土壤结构指数不断升高,且4个植被恢复阶段均显著高于对照农地。植被自然恢复过程中,土壤结构指数与土壤有机质、土壤饱和导水率和土壤有效水含量演变并不同步。4种植被恢复模式均显著提高了土壤结构指数,按照土壤结构指数的分级,5种植被类型分别处于三个不同水平,分别为达到高水平状态的人工灌木和天然草地、中等水平状态的人工乔木和人工草地以及低水平状态的农地。为了更有效地促进侵蚀土壤质量的改善进程,尤其是退化土壤结构的重建,在干旱半干旱地区宜优先选择人工灌木和天然草地作为主要的植被恢复模式。
【学位授予单位】:中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S152

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