水质对塔克拉玛干沙漠公路防护林土壤水分特征曲线的影响及模型模拟

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土壤水分是干旱区植物生长的主要限制因子。塔克拉玛干沙漠公路防护林长期利用2-30 g/L的咸水进行灌溉,盐分在土壤表层聚集,因而盐害是防护林植物所面临的另一主要问题。防护林建设使沙漠公路沿线的土壤理化性质发生了显著变化,对防护林土壤水盐动态的研究将有助于防护林的可持续管理与利用。而土壤水分特征曲线是土壤水分调控、溶质运移等研究中必不可少的水力学参数。本文以塔克拉玛干沙漠公路防护林的土壤为研究对象,选取不同林龄(0a、16a、19a、25a)防护林下(US)、林间无植被覆盖的裸地(BL)不同土层(0-5 cm、5-10 cm、10-20 cm、20-30 cm)的土壤,流沙地为对照(CK),并在室内用不同盐分种类(Na2SO4、Ca Cl2、Na Cl)及浓度(0.5%、1%、2%、3%)进行处理,系统研究了盐分类型与浓度、林龄与不同土层对土壤水分特征曲线(SWCC)的影响,应用常用模型(van Genuchten模型、Brooks-Corey模型、Gardner模型)进行拟合并从中筛选出最优模型,进一步分析了土壤理化性质与模型参数的关系,在此基础上依据BP神经网络建立了模型参数的传输函数。主要结论如下:(1)咸水灌溉下防护林建设对土壤理化性质和水分特征曲线影响显著,且随着土层深度的增加而减小。防护林建设显著降低了表层(0-5 cm)土壤的容重,提高了土壤EC和有机碳含量,土壤质地由砂土变为壤砂土、砂壤土。CK土壤EC和有机碳含量随深度逐层增加,BL、US则表现出相反规律。与CK相比,BL和US处理的土壤饱和含水量θs增加了4.42%和12.67%,田间持水量θf增加了68.9%和70.41%,有效水含量θa增加了87.84%和70.97%。VG模型最适用于咸水灌溉防护林SWCC的拟合。(2)林龄、质地、盐分种类及浓度改变了SWCC的走势,提高了土壤的持水能力。土壤持水能力随着林龄的增加而增加,但增速减缓,表现为25a>19a>16a>0a。Na2SO4、Ca Cl2、Na Cl三种盐分的输入提高了流沙地及林下土壤的持水性能,对林下土壤持水能力的促进作用表现为Na2SO4≥Ca Cl2>Na Cl,但不同盐分种类及其浓度对流沙地土壤持水性的增幅并无显著差异,且三种盐分对林下土壤持水能力的影响是不同,其中Na2SO4对θf、θr的提升最大,Ca Cl2对θa的提升最大。与盐分、有机质的变化相比,土壤持水能力对质地的响应最明显。不同土壤颗粒下的土壤持水能力的变化表现为FN(粉黏粒)>XS(细砂粒)>ZS(中砂粒)>CS(粗砂粒)。当土壤颗粒由全为CS、ZS变到全为XS、FN时土壤的各项水分常数均明显增大,其中θf、θa、θra提高了6-9倍。(3)随着EC、有机碳的增加,VG模型的拟合精度呈降低趋势,且VG模型的参数a、n与土壤p H、EC、有机质、容重、含沙量、粉粒含量、黏粒含量有较高的关联度,将土壤容重、p H、EC、有机质、砂粒含量、粉黏粒含量作为BP神经网络的输入变量去建立SWCC的土壤传递函数是可行的。在本研究中,BP神经网络对于VG模型参数a、n预测值的平均相对误差均在10%以内,因此建立的BP神经网络预报模型较为可靠,能够实现对VG模型参数的预测。总之,咸水灌溉防护林建设改变了浅层土壤的理化性质和持水性能,盐分、质地、有机质的变化均会改变土壤的持水性,三种盐分对林下土壤持水能力均表现为促进作用,VG模型最适用于防护林土壤SWCC的拟合,并且利用BP神经网络对其进行参数修正是可行的。
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