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本文对宁南山区主要植被类型下坡地的土壤结构稳定性、土壤的持水、保水性能及野外模拟降雨条件下土壤入渗能力进行了研究。分析了与土壤结构稳定性相关的土壤有机质及全氮在土壤团聚体中的分布,利用新型的坡地的径流-入渗-产流测量方法和降雨设备,野外测定了坡地降雨的雨水入渗过程,探讨了土壤结构与降雨入渗过程及转化之间的关系。主要结果如下:
(1)分析了>0.25mm水稳性团聚体的数量与团聚体平均重量直径及分形维数之间的关系,得出>0.25mm水稳性团聚体的数量、团聚体平均重量直径和分形维数可以表征土壤结构的稳定性,分形维数与>0.25mm水稳性团聚体含量呈负相关,平均重量直径与>0.25mm水稳性团聚体含量呈显著的正相关关系。坡耕地的团聚体平均重量直径最低,沙棘林地团聚体平均重量直径最高,依次是苜蓿地、天然草地和柠条林地,分形维数的变化正好与平均重量直径的变化相反,但最终表征土壤结构稳定性:沙棘林地>苜蓿地>天然草地>柠条林地>坡耕地。植被提供土壤有机质胶结剂,改善土壤结构,提高了土壤团聚体平均重量直径,降低了土壤团聚体的分形维数,增强了土壤的结构稳定性。依据子午岭团聚体稳定性划分土壤团聚体稳定性等级标准,确定宁南地区植被恢复后土壤团聚体稳定性处在1-2等级。
(2)不同植被下土壤水吸力与土壤含水量符合幂函数:θ=aSb。参数α值反映土壤持水能力的大小及土壤结构稳定性的大小,其持水能力为:苜蓿地>沙棘林地>天然草地>柠条林地>坡耕地。在同一吸力范围内,苜蓿的含水量最高,沙棘次之,天然草地、柠条林地含水量基本相同,坡耕地最低。在低吸力段土壤平均含水量苜蓿地>沙棘林地>坡耕地>天然草地>柠条林地。在中吸力阶段,平均土壤含水量苜蓿地>天然草地,且苜蓿相对较高,随着土壤吸力的增大,其土壤含水量差异逐渐缩小。
苜蓿地和沙棘林地有效水含量最高,利于改善土壤结构及水分状况。天然草与苜蓿地土壤饱和导水率最高,坡耕地最低,沙棘、柠条等灌木林地居中。
有机质能改善土壤结构,提高土壤总孔隙度、毛管孔隙度,降低非毛管孔隙度及土壤容重,提高土壤导水性及持水性能。有机质含量与团聚体水稳性呈正相关关系。
(3)采用径流-入渗-产流法,实地测定了三种雨强下坡耕地、苜蓿地、天然草地、柠条林地及沙棘林地等坡地土壤降雨入渗性能。降雨入渗过程曲线符合函数关系:y=α+b-cx,随雨强的不同,α值的变化趋势基本与随雨强的变化而引起的土壤稳定的入渗率的变化相一致。随雨强的增大,苜蓿地和天然草地的土壤稳渗率增加,柠条林地和沙棘林地的土壤稳渗率基本不变,坡耕地土壤稳渗率降低。>0.25mm的土壤水稳性团聚体含量越高,地表产流时间越长,土壤降雨稳定入渗率增大,降雨入渗转化率开始时增大,最终趋于稳定。
与双环法相比,径流-入渗-产流法测定了坡地降雨打击作用下开始时的瞬间入渗速率值,反映野外降雨条件下产流前期土壤的真实入渗情况,而双环法测定的是积水条件下土壤的入渗过程,且双环法受地形的影响,必须在相对较平的地方进行测定,对于野外坡地入渗测定则不易进行,且与其它野外降雨试验方法相比,径流-入渗-产流法省水省工。体现了本文在野外降雨入渗研究方法方面的创新之处。
(4)随结构稳定性的提高,土壤蒸发损失水分坡耕地>柠条林地>天然草地>苜蓿地>沙棘林地,与土壤结构稳定性呈负相关;降雨入渗转化率天然草地>苜蓿地>沙棘林地>柠条林地>坡耕地。
土壤结构影响降雨的入渗过程及降雨入渗转化率,土壤结构越稳定,就有更多的雨水入渗到土壤中,以供生长在土壤中的各种植被利用,说明,土壤结构影响土壤水分蒸发、降雨入渗速率、降雨入渗转化率,最终影响土壤提供给作物或植被的水分潜力,进而影响降雨的水分利用率。