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    壓砂地土壤水動力學參數特征及其空間變異規律探求

    日期:2021年05月22日 編輯:ad201107111759308692 作者:無憂論文網 點擊次數:55
    論文價格:150元/篇 論文編號:lw202105101502487179 論文字數:33563 所屬欄目:土木工程論文
    論文地區:中國 論文語種:中文 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis

    本文是一篇土木工程論文,本文基于野外大田試驗,以西北旱區不同種植年限的壓砂地為研究對象,選取 32 m×32 m 的研究區域,采集 0-40 cm 深度的土樣,研究了西北旱區不同種植年限對壓砂地土壤水動力學參數的影響,借助經典統計學和地統計學理論方法,進一步分析了壓砂地土壤水動力學參數的空間變化規律,運用分形學理論研究了土壤粒徑分布與土壤水分特征曲線分形學特征的關系,并利用線性回歸模型對土壤水分特征曲線進行了預測。研究結果可為壓砂地的土壤水分運移規律分析和計算提供理論依據。


    第 1 章 緒論


    1.1 研究背景

    土壤不僅是農業可持續發展的基礎,而且也是人類賴以生存的環境資源[1-3]。土壤的各種特性,如土壤顆粒分布、土壤含水率、土壤水分特征曲線、飽和導水率、土壤電導率、土壤有機質等在同一時間、同一質地、不同空間位置上存在橫向或縱向的變化,這種屬性便被稱為空間變異性[4-7]。土壤各種參數的空間變異性受到氣候環境、土壤質地、地形地貌以及人類活動等綜合作用的影響[8-10]。土壤水分運動是生態水文循環的重要組成部分,而科學認識土壤水分動態變化規律的基礎和前提是掌握土壤水動力學參數的特征及其空間變異特征[11]。

    土壤水分特征曲線是一個重要的土壤水動力學參數,體現了土壤水的能量和數量之間的關系[12],同時它也是研究土壤水動力學性能的基礎。土壤水分特征曲線對于評價土壤持水性和土壤水分有效性具有重大意義[13],其受到土壤質地、土壤結構等因素的影響,由于這些因素的異質性,土壤水分特征曲線在時間和空間上都存在很大的變化[14-16]。

    土壤飽和導水率也是土壤的主要水動力學參數之一,它是衡量土壤飽和滲透率的一個重要指標,也是水文模型中的重要參數[17]。土壤飽和導水率是指土壤在飽和狀態下,在單位水勢梯度發展作用下,單位時間內通過單位面積的水流通量[18]。其對于估算土壤非飽和導水率、模擬土壤水文過程都具有重要的意義[19-22]。土壤飽和導水率由于受到土壤質地、有機質和植被類型等因素的影響,使其在空間上呈現出明顯的變異性[23-25]。

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    1.2 研究目的和意義

    土壤水分特征曲線和土壤導水率是表征土壤特性的重要參數,在生產實踐中有著重要意義[38-40]。土壤水分特征曲線是研究土壤持水性能的基本特性曲線,可以為研究土壤-植物-大氣連續體(SPAC 系統)中水流運動的機理分析與數值模擬提供科學依據[41-43]。土壤導水率不僅反映了土壤的水分入滲和滲漏性質,而且具有較強的空間變異性,其主要與土壤質地、結構、容重、養分、鹽分、有機質含量等相關[44-46],研究土壤導水率的影響因素及空間變異對探索土壤改良途徑及水土保持提供重要的理論支持。同時,大量研究表明,土壤粒徑分形維數不僅能夠表征土壤顆粒的分布特征[47-49],還可以有效反映土壤水動力學參數的特性[50-51],因而土壤粒徑分布與土壤水分特征曲線分形學關系的研究對土壤水分調控和評價都有重要意義。

    為了更合理的利用農田土地資源,提高土地利用率,許多專家和學者通過在農田表面覆蓋秸稈、地膜以及砂石的方法,來改善土壤表層的理化性質,從而達到促進作物生長的目的[52-54]。而壓砂地作為西北旱區傳統的抗旱耕作模式,可以改善土壤內部條件,保持水分含量,減少表面鹽分積累,起到蓄水保墑、增溫保肥、減蒸壓鹽的作用。

    壓砂地作為我國干旱地區一種獨特的耕作模式,對其土壤水動力學參數特征以及壓砂地土壤水動力學參數的空間變異規律的研究還有待深入,因此本文結合大田實地采樣和實驗室測定分析,以不同種植年限壓砂地在 0-40 cm 深度處的土壤為研究對象,分析了壓砂年限對土壤水分特征曲線及土壤導水率的影響,進而探究了不同種植年限壓砂地土壤水分特征曲線的空間變異規律,擬合了土壤粒徑分布與土壤水分特征曲線分形學特征的關系。以期為西北旱區壓砂地資源的合理規劃及利用提供科學參考。

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    第 2 章 研究區概況與研究方法


    2.1 研究區概況

    以甘肅省白銀市景泰縣境內的壓砂地土壤作為本次論文的研究對象(圖2.1)。景泰縣地處甘、蒙、寧三?。▍^)交界處,地理位置位于北緯36°43′至37°38′,東經103°33′至104°43′之間,是黃土高原與騰格里沙漠的過渡地帶。

    景泰縣地勢呈西南高,東北低,海拔范圍處于1276m~3321m之間。該地區主要為洪積灰棕荒漠土和灰鈣土。全縣總面積5483 km2,現有耕地69.33萬畝;草場面積522.8萬畝,占總土地面積的64.16%;森林面積34.3萬畝,森林覆蓋率3.3%;宜林地10.2萬畝。地處季風區與非季風區過渡地帶,縣境內氣候呈現出明顯的大陸性氣候特征,年均降水量185mm,多集中在七、八、九三個月,占全年降水量的61.4%,年均蒸發量3038mm,是降水量的16倍。光熱資源豐富,日照時間長,是我國除青藏高原之外,光熱資源最豐富的地區之一,無霜期141天。

    圖2.1 研究區地理位置圖

    圖2.1 研究區地理位置圖

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    2.2 采樣方案選擇

    景泰縣地勢較為平坦的不同種植年限的壓砂地作為試驗樣地,供試土壤類型為砂壤土。本試驗以裸地(無植被、無覆砂)為對照組,選取不同種植年限的壓砂地作為研究對象。壓砂地主要包括新砂地(種植年限≤10 年)、中砂地(種植年限 25-30 年)和老砂地(種植年限 45-60 年)[101]。研究區面積為 15000 m2,為了保證取樣精度并減小工作量,采樣面積均取 32×32 m 的矩形樣地,分別沿東西、南北方向依次取樣,測點中心距 a 為 4 m,取樣方法為土鉆取土,采集 60-70 g 的土壤樣品。取樣深度為 0-20 cm、20-40 cm,每層 64 個取樣點。采樣點剖面分布如圖 2.2 所示。

    圖 2.2 取樣點剖面分布圖

    圖 2.2 取樣點剖面分布圖

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    第 3 章 壓砂地對土壤水動力學參數的影響 .......................... 16

    3.1 不同種植年限壓砂地對土壤持水性能的影響 ....................... 16

    3.2 不同種植年限壓砂地土壤水分特征曲線的適宜模型 ............................... 17

    第 4 章 壓砂地土壤水分特征曲線的空間變異規律 ....................... 24

    4.1 土壤水分特征曲線的描述性統計 .......................... 24

    4.2 土壤水分特征曲線 VG 模型參數的空間變異分析.................. 25

    第 5 章 土壤粒徑與土壤水分特征曲線分形學的關系 .............. 38

    5.1 土壤粒徑頻率分析 ............................. 38

    5.2 土壤粒徑的分布及其與粒徑分形維數的關系 ................. 38


    第 5 章 土壤粒徑與土壤水分特征曲線分形學的關系


    5.1 土壤粒徑頻率分析

    采用美國制(USDA)粒級劃分標準對研究區土壤粒徑分級,即粘粒(0-2 μm)、粉粒(2-50 μm)和砂粒(50-2000 μm)。在分形維數計算中,粒徑設定為 0-2 μm、2-5 μm、5-20 μm、20-50 μm、50-500 μm、500-2000 μm。土壤粒徑分布頻率曲線不僅可以確定土壤顆粒的相對含量,還可以根據曲線的平滑度判斷土壤顆粒的均勻程度。以土壤粒徑為橫坐標,粒徑體積分數為縱坐標繪制土壤粒徑分布頻率曲線,如圖 5.1 所示。0-20 cm、20-40 cm 土層的曲線分布較均勻,砂粒體積較大。土壤顆粒主要分布在 0.2-500 μm 之間。

    圖 5.1 不同土層土壤顆粒體積含量的頻率分布

    圖 5.1 不同土層土壤顆粒體積含量的頻率分布

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    結論與展望


    1. 結論

    本文基于野外大田試驗,以西北旱區不同種植年限的壓砂地為研究對象,選取 32 m×32 m 的研究區域,采集 0-40 cm 深度的土樣,研究了西北旱區不同種植年限對壓砂地土壤水動力學參數的影響,借助經典統計學和地統計學理論方法,進一步分析了壓砂地土壤水動力學參數的空間變化規律,運用分形學理論研究了土壤粒徑分布與土壤水分特征曲線分形學特征的關系,并利用線性回歸模型對土壤水分特征曲線進行了預測。研究結果可為壓砂地的土壤水分運移規律分析和計算提供理論依據。主要研究結果如下:

    (1)不同種植年限壓砂地對土壤水動力學參數的影響規律:不同種植年限的土壤含水率均表現出隨吸力增加而減小的趨勢。在相同土壤水吸力條件下,0-20cm 土層土壤含水量的變化趨勢表現為:新砂地>中砂地>老砂地>裸地,20-40 cm土層土壤含水量表現為:新砂地>中砂地>裸地>老砂地。壓砂地土壤非飽和導水率變化趨勢比裸地要快,其中新砂地的變化趨勢最快。在 0-20 cm 和 20-40 cm 土層,當土壤非飽和導水率相同時,含水率均表現為新砂地>中砂地>老砂地>裸地。

    (2)不同種植年限壓砂地土壤水分特征曲線的適宜模型:VG 模型和 BC 模型對不同種植年限 0-40 cm 土層的土壤均具有良好的適用性,決定系數都大于0.98,誤差小,擬合精度高。與 BC 模型相比,VG 模型精度更高,VG 模型可較好地同時對不同種植年限壓砂地土壤水分特征曲線進行模擬。

    參考文獻(略)

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