【摘 要】
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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,
【基金项目】
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陕西省重点研发计划项目“陕西省典型盐渍化粮田土壤改良修复关键技术研发与示范推广”(编号:2022ZDLNY02-03); 国家自然科学基金面上项目“塔克拉玛干沙漠咸水滴灌林地土壤碳时空分布与淋溶过程研究”(编号:41877541);
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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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