黄土丘陵区治沟造地新造耕地水盐空间分布及运移机制

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我国黄土丘陵区是全球土壤侵蚀严重区域,导致该区以往生态环境遭到严重破坏。1999年国家开始实施退耕还林工程以来,该区生态环境明显改善,土壤侵蚀强度大大降低,同时,传统淤地坝淤地年限增长、淤地效果锐减。2008年该区开始实施了一项新兴的“治沟造地”工程,进一步改善沟域环境,形成大面积新造耕地以增加优质耕地数量。然而,治沟造地工程抬升了地下水位,加之该地区蒸散量高,增大了土壤盐碱化风险,部分新造耕地已经受到土壤盐碱化侵害,严重影响着新造耕地优质资源最佳效益的有效发挥,研究新造耕地土壤盐碱化问题无疑十分必要。开展新造耕地土壤水盐空间分布及运移特征研究,可以阐明土壤水盐时空耦合机制,揭示土壤盐碱化过程机制,促进土壤盐碱化研究进一步发展,为新造耕地土壤盐碱化预防与科学调控,保证新造耕地高效利用,实现区域可持续发展提供科学依据。本论文以位于陕西省延安市安塞区南沟流域治沟造地新造耕地为对象,采用野外采样与室内测试、经典统计、多重分形等方法,研究揭示了新造耕地土壤水盐空间分异特征、土壤水盐动态运移规律、耕作措施对土壤水盐的调控作用以及土壤水盐耦合机制。取得主要结论如下:(1)确定了新造耕地土壤水盐空间分异特征。1)土壤水分和盐分含量由沟头至沟口皆逐渐降低,上游耕地平均土壤水分和盐分含量分别为17.6%和0.81 g kg–1,比下游分别高23.0%和14.1%。该分布特征与地下水影响区深度由沟头至沟口表现出逐渐降低的趋势显著相关(P<0.05),上、下游耕地平均地下水影响区深度分别为–1.33 m和–3.67 m;2)上游耕地土壤水分和盐分空间变异性均高于下游。坡面产流产沙汇入并不均匀入渗、沉积于新造耕地上游是造成上游土壤水盐空间变异性高的一个重要原因。地下水影响区深度是影响土壤盐分空间变异性的另一个重要因素,其与土壤盐分的多重分形参数均呈现显著相关性(P<0.05),表明上游耕地浅的地下水影响区深度促进了地下水和土壤水之间水分交换,提高了盐分在土壤中的累积速率,是未来土壤盐碱化预防的重点区域。(2)探明了新造耕地土壤水盐动态运移规律。1)次暴雨事件后整个土层水分动态运移过程可划分为快速上升和缓慢下降阶段。潜在蒸散量影响着土壤水分动态运移的全过程(P<0.05),而降雨量和地下水影响区深度分别影响着土壤水分快速上升和缓慢下降阶段(P<0.05);2)次暴雨事件后0-40 cm土层盐分动态运移过程可划分为淋溶阶段、快速累积阶段和缓慢累积3个阶段,分别受降雨量、潜在蒸散量和地下水影响区深度的影响(P<0.05);40-80 cm土层盐分动态运移过程可划分快速积累阶段、淋溶阶段和缓慢累积3个阶段,淋溶阶段和快速积累阶段土壤盐分动态运移过程皆受降雨量的影响(P<0.05),缓慢累积阶段土壤盐分动态运移过程受地下水影响区深度和潜在蒸散量的共同影响(P<0.05)。土壤水盐在不同运移阶段受不同影响因素控制,针对土壤水盐在不同运移阶段的规律,采用合适措施来降低相应阶段控制因素对土壤盐分的影响,进而降低盐分在土壤中的累积,为预防土壤盐碱化提供了新的思路。(3)阐明了耕作措施对新造耕地土壤水盐调控作用。1)新造耕地土壤盐分正在积累,0-40 cm和40-80 cm土层平均盐分积累量分别为0.08 g kg–1和0.06 g kg–1。在整个土层,平作、垄作、覆膜和覆秸秆措施平均土壤盐分积累量分别为0.19、0.16、0.08和0.12 g kg-1,在没有相应治理措施下(即在平作措施下),新造耕地将在10年后转变为轻度盐碱地;2)覆膜措施土壤盐分积累量最低,比覆秸秆、垄作和平作措施分别低33.3%、50.0%和57.8%,同时覆膜措施土壤水分含量最高,为13.8%,比覆秸秆、垄作和平作措施分别高4.9%、8.9%和9.7%。这些结果表明覆膜措施具有良好的保水抑盐效果,推荐其在新造耕地农业生产中应用。(4)揭示了新造耕地土壤水盐耦合机制。土壤水分与盐分空间分布在不同空间采样点均具有较高的相关性,其本质是土壤水盐耦合作用的结果,土壤水分是盐分运移的载体,盐分随着土壤水分运移而迁移,土壤水分的空间分布很大程度上决定盐分的空间分布。当土壤相对含水量在0.52~0.75范围时,土壤水盐才具有耦合作用,使土壤水分与盐分空间分布具有较高的相关性。当土壤相对含水量大于0.75时,土壤盐分被降雨不均匀淋溶导致土壤水分与盐分空间分布相关性低。当土壤相对含水量小于0.52时,低的土壤水分含量导致盐分从土壤水分中结晶析出,固体结晶减小了土壤孔隙的孔径和体积,影响土壤水分和盐分空间分布,导致土壤水分与盐分空间分布的相关性降低。该研究结果扩展了水盐耦合作用对土壤水盐空间分布影响的认识,同时给出了当土壤水分与盐分空间分布具有较高相关性时土壤相对含水量的范围,未来可以应用于土壤水盐耦合模型来提高模型模拟精度以及预测土壤水盐空间分布特征等相关领域。
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