【摘要】：隨著退耕還林工程的深入進行,黃土高原植被建設的可持續(xù)發(fā)展受到了越來越多的關注。大量增加的植被覆蓋對土壤理化性質(zhì)造成顯著的影響,而且極大地消耗了土壤水分,進而阻礙了植被建設的可持續(xù)發(fā)展。如何提高降水入滲效率、增加土壤水儲量成為了當?shù)刎酱鉀Q的問題。植被根系可以改善土壤結構,另外大量的植被恢復為地棲性土壤動物提供了合適的棲息地和充足的食物,土壤動物的筑巢活動可以提高土壤大孔隙的數(shù)量。而土壤大孔隙與黃土高原土壤水庫及其調(diào)蓄降水能力緊密相關。研究土壤大孔隙特征及其與土壤水分之間的關系,在理論上有助于揭示黃土高原土壤大孔隙對降雨的調(diào)蓄機制,在實踐中可以為該地區(qū)的植被建設提供指導性建議。本論文利用CT掃描技術量化了黃土高原富縣和神木縣四種植被[遼東櫟Quercus liaotungensis(QLI)、油松Pinus tabuliformis(PTA)、檸條Caragana korshinskii(KOP)和苜蓿Medicago sativa(MSA)]覆蓋下的土壤大孔隙結構特征,分析了大孔隙指標與飽和導水率之間的回歸關系。用石膏澆筑法和CT掃描法,對比了室內(nèi)和室外日本弓背蟻(Camponotus japonicus)巢穴的結構特征,分析了日本弓背蟻巢穴對土壤水分入滲以及土壤水分蒸發(fā)過程的影響。另外,我們探索了影響螞蟻巢穴結構的主要因素,所取得主要結論如下:1、利用醫(yī)學CT掃描設備和ImageJ圖像分析軟件量化了黃土高原遼東櫟、油松、檸條和苜蓿四種不同植被覆蓋條件下的土壤大孔隙特征(2D和3D),大孔隙二維指標包括土壤大孔隙度、大孔隙數(shù)、大孔隙分形維數(shù)、大孔隙成圓率和最大孔隙面積,大孔隙三維指標包括大孔隙表面積密度、分支密度、連接點密度和連續(xù)性。除了大孔隙成圓率以外,四種植被覆蓋下的土壤大孔隙二維和三維結構特征值大小排序均為:QLIPTAKOPMSA。土壤大孔隙特征隨植被年齡的增加而逐漸優(yōu)化,和22年生檸條(KOP22)相比,40年生檸條(KOP40)覆蓋下的土壤擁有更好的孔隙結構。土壤大孔隙分形維數(shù)和大孔隙數(shù)量之間有顯著的回歸關系(P0.001),決定系數(shù)R2=0.928,分形維數(shù)和大孔隙度之間也存在顯著的回歸關系(P0.001),決定系數(shù)R2=0.838。2、土壤飽和導水率在四個處理之間變異較大,對于整個土柱的平均導水率,遼東櫟(QLI)覆蓋下的土壤飽和導水率最大(0.073 cm/min),其次是油松(PTA)(0.063 cm/min)和檸條(KOP)(0.054 cm/min),苜蓿(MSA)最小(0.018 cm/min)。40年生檸條處理(KOP40)的飽和導水率(0.054 cm/min)大于22年生檸條(KOP22)處理(0.048 cm/min)。土壤大孔隙度、大孔隙數(shù)量、大孔隙分形維數(shù)與土壤飽和導水率之間均存在顯著的(p0.001)正相關關系,其中,大孔隙分形維數(shù)與土壤飽和導水率之間回歸方程的決定系數(shù)達到了0.737。土壤容重和飽和導水率之間存在負相關關系,土壤容重與土壤飽和導水率之間回歸方程的決定系數(shù)最大(r2=0.801)。而且,土壤容重與大孔隙度兩因素相結合最大程度上解釋了飽和導水率的變化(r2=0.862)。三維大孔隙指標和飽和導水率之間也存在正相關關系,但是它們的決定系數(shù)低于二維孔隙指標和飽和導水率之間的決定系數(shù)。土壤有機質(zhì)和土壤質(zhì)地與飽和導水率之間的關系并不顯著(p0.05)。3、野外條件下日本弓背蟻巢穴結構由垂直的通道和水平的巢室組成,通道的直徑大小約為4.1-6.6mm,巢穴深度可以達到60cm。自然條件下,巢穴在垂直和水平兩個方向發(fā)展,而室內(nèi)培育時,pvc土柱限制了巢穴結構的橫向發(fā)展。在土柱橫截面中,大孔隙面積最小為17.8mm2,最大為2117.4mm2,整個土柱孔隙面積的平均值為362.7mm2。室外調(diào)查結果表明,日本弓背蟻群落在壤土和黃綿土中都有廣泛分布,但是在土壤顆粒較大的干燥沙土中并不常見。在含水量過低或者過高的沙土中,洞穴容易坍塌。土壤含水量適中的濕沙是較為穩(wěn)定的,足以支撐較大的螞蟻巢穴。另外,土壤含水量是影響螞蟻生長繁殖過程的重要因素之一。當含水量為6%-20%的時候,日本弓背蟻蟻后可以在土壤中筑巢,并在巢穴中產(chǎn)卵繁殖后代,而且隨著含水量的增加,蟻后產(chǎn)卵數(shù)量有增加的趨勢。但是當含水量高于25%或者過低0.2%時,日本弓背蟻蟻后沒有挖掘行為,并在3周的時間內(nèi)死亡。土壤容重也是影響巢穴結構的因素之一,土壤容重越大,螞蟻巢穴的結構越簡單,通道的長度、分支、節(jié)點和總體積更小。但是,不同土壤質(zhì)地和水分條件下日本弓背蟻巢穴通道的平均尺寸是相對穩(wěn)定的,洞穴直徑主要和螞蟻體型有關。4、日本弓背蟻巢穴內(nèi)和巢穴外土壤水分差異隨降雨條件變化而發(fā)生明顯變化。當降雨稀少,土壤含水量處于較低水平時,日本弓背蟻巢穴內(nèi)部土壤含水率和巢穴外部土壤含水率非常接近。當累積降雨量達到24.8mm時,在0-30cm土層中,日本弓背蟻巢穴內(nèi)部土壤的含水量大于對照土壤,但是差異不顯著(p0.05)。當累積降雨量達到47.9mm時,螞蟻巢穴內(nèi)外土壤含水率差異較大,螞蟻巢穴內(nèi)部0-80cm范圍內(nèi)土壤含水率均大于對照土壤,對于個別土層,兩者的土壤含水率差異顯著(p0.05)。亮藍染色液在有螞蟻巢穴存在的土壤中的入滲速率顯著(p0.01)大于沒有螞蟻巢穴存在的對照土壤。螞蟻孔隙將相同條件下的入滲速率提高了20倍。螞蟻巢穴對溶液的入滲深度也有顯著影響,在有螞蟻孔隙存在的條件下,溶液的入滲深度顯著大于(p0.01)沒有螞蟻巢穴的入滲深度。螞蟻巢穴對入滲深度的促進作用在壤土中表現(xiàn)的更為明顯,有螞蟻巢穴的壤土中溶液的入滲深度大于沙土中的入滲深度。通過定位觀測日本弓背蟻巢穴對土壤剖面水分動態(tài)的影響發(fā)現(xiàn),在0-120 cm土層范圍內(nèi),沒有螞蟻巢穴的土壤水分比有螞蟻巢穴的土壤水分有更高的變異性。沒有螞蟻巢穴存在的處理中,土壤儲水量的減小速率大于有螞蟻巢穴存在的土壤。在4月到9月之間,沒有螞蟻巢穴的處理中0-120 cm土壤儲水量減少了72.3 mm,但是,有螞蟻巢穴的土壤儲水量只減少了57.1 mm。5、螞蟻筑巢過程中可以制造平均直徑為1.6 mm的土壤團粒并將其搬運至地表形成一個新的覆蓋層而間接影響土壤蒸發(fā)過程。土壤表層堆積的團粒隨著螞蟻群落規(guī)模的增加而增加,兩者之間有顯著的回歸關系(P0.001,R2=0.8927)。當初始土壤含水量一致時,土壤團粒覆蓋層對土壤蒸發(fā)過程的影響隨著團粒層厚度(0-9 mm)的增加而更加明顯。在白天,團粒覆蓋層較高的水汽含量和較大的孔隙度顯著(P0.05)降低了土壤蒸發(fā)速率。但是在晚上,當太陽輻射較低的時候,有團粒覆蓋和無團粒覆蓋處理間的蒸發(fā)速率差異不顯著。另外,與傳統(tǒng)的覆蓋材料不同的是,在降雨過程中土壤團粒結構易水解,水解后的團粒結構層失去減緩土壤蒸發(fā)過程的作用。本文對不同植物及螞蟻巢穴大孔隙特征進行了研究,豐富了黃土高原土壤大孔隙的研究范圍。分析了土壤飽和導水率的影響因素,量化了各因素對飽和導水率的貢獻比例。探索了螞蟻巢穴大孔隙優(yōu)先流特征及其對土壤剖面水分分布的影響,深化了我們對土壤大孔隙與土壤水分之間關系的認識,以期為改善黃土高原降雨入滲效率以及植被恢復可持續(xù)發(fā)展提供參考。
