基于CT技术秸秆隔层与亚表层培肥的水盐调控机制研究

论文摘要

CT扫描技术是非破坏性检测土壤孔隙结构的一种新兴手段,该技术的引入为定量研究土壤孔隙结构与水盐运动的关系提供了重要方法。本研究基于团队在内蒙古河套灌区长期开展盐碱地改良工作的基础上,针对研发的秸秆隔层与亚表层构建两种农艺措施水盐调控机制不清的问题,将孔隙结构定量化分析作为突破口,通过采用室内土柱模拟和田间微区定位试验相结合的方法,运用CT扫描和图像处理技术,对不同措施下孔隙结构参数进行定量分析,明确土壤孔隙特征参数之间及其与水盐运动的关系,从而阐明其水盐调控机制。论文取得的主要进展如下:（1）阐明了不同物理形态玉米秸秆隔层孔隙结构特征及其对入渗过程的影响机制。采用土柱模拟实验,设置无秸秆隔层对照（CK）,在40-45 cm处分别铺设段状（SL）、颗粒状（SK）与粉末状（SF）三种物理形态的玉米秸秆隔层,定量分析了孔隙参数与灌溉水入渗特征之间的关系。结果表明:SF处理隔层处总孔隙度最高,分别较CK、SL与SK处理显著提高了29.25%、12.09%与12.61%（P<0.05）,同时,其在入渗各阶段均显著增加了当量直径<1 mm孔隙度,增大了封闭气体体积,阻碍灌溉水入渗效果最为显著。相关性分析表明:湿润锋通过秸秆隔层用时与入渗前、后隔层处总孔隙度、<1 mm孔隙度、>1 mm孔隙度均呈极显著相关,而在入渗结束后这种大孔隙的作用减弱,<1 mm孔隙度的阻渗作用依旧显著。与CK处理相比,入渗结束后SL、SK与SF处理0-40 cm土层平均含水率分别提高了18.04%、5.15%与15.13%,0-40 cm土层脱盐率分别提高了6.31%、7.16%和6.44%。SL与SF处理累积潜水蒸发量较CK处理分别降低了41.20%和49.00%,0-40 cm土层返盐率分别较CK处理显著降低了36.57%、47.08%。（2）明确了秸秆隔层措施的有效作用年限,在秸秆隔层埋设第3年,对抑制盐分表聚效果减弱,且0.1-0.5 mm当量直径孔隙对盐分分布的影响较大。基于3年的大田微区定位试验,设置CK（无秸秆隔层）,SL800(40 cm埋设秸秆隔层800 kg·亩-1)2个处理,探究了秸秆深埋对水盐调控减弱效应的机制。结果发现:秸秆深埋3年后SL800处理在不同土层的全盐含量、容重、饱和导水率与对照均无显著性差异。从孔隙结构来看,SL800处理在各土层中0.1-0.5 mm当量直径孔隙度与CK处理无显著性差异,该部分孔隙占总孔隙度的56.17%-78.17%,对盐分分布起主导作用,减弱了控抑盐的效果。此外,SL800处理仍显著增加了土壤中当量直径>1 mm孔隙度,可以促进形成优先流,一定程度上利于水土保持。（3）阐明了在10-30 cm土层采用有机培肥构建肥沃亚表层措施的抑盐保肥效应及其机制。采用田间微区定位试验方法,设翻耕（CK）、翻耕+地膜覆盖（PM）、亚表层有机培肥（OM）、亚表层有机培肥+地膜覆盖（PM+OM）4个处理,分析土壤孔隙特征变化对水肥盐调控的影响机制以及对微生物区系变化的影响。结果表明:2015年春灌后OM、PM+OM处理10-30 cm含盐量与CK及PM处理无显著差异,但促进了盐分向深层淋洗,2016年和2017年PM+OM处理春灌后1 m土体平均含盐量分别较CK处理降低了30.26%和7.77%,同时其在收获后表现出很强的抑制返盐效果。2015-2017年,与CK相比,在10-30 cm土层,PM+OM处理pH值显著降低,有机质、速效氮、速效磷、速效钾分别增加了8.11%-126.64%、42.86%-104.87%、79.41%-827.36%和185.05%-400.37%,并提高了水稳性团聚体含量,改善土壤微生物区系结构及丰度。OM与PM+OM处理三年食葵产量分别较对照提高了4.78-49.16%和11.15-45.08%。通过CT扫描发现,与CK处理相比,OM处理土壤亚表层处孔隙数量显著提高了42.57%、总孔隙度显著提高了11.94%、连通度显著提高了78.49倍（P<0.05）。其中当量直径<1.5 mm孔隙度对提高春灌后土壤保水效果有显著影响,当量直径<0.5 mm孔隙度对促进春灌后盐分淋洗效果有显著影响。综上所述,CT扫描技术可作为定量研究秸秆隔层、肥沃亚表层构建的盐碱地改良措施下土壤孔隙结构特征及其水盐调控机制的手段。从水盐调控结果与田间可操作性综合考虑,优选段状5 cm秸秆作为最佳物理形态秸秆隔层措施在大田进行应用。秸秆隔层埋设三年后对水盐调控效果没有显著作用,这种减弱效应主要与当量直径0.1-0.5 mm的孔隙有关。同时,亚表层培肥措施可大幅增加速效养分含量并合理调控耕层水盐分布从而达到显著增产效果,该措施实施三年后提高了水稳性团聚体含量、土壤孔隙度与连通度,形成了复杂多孔的土壤结构。该研究为利用CT扫描技术揭示不同农艺措施下水盐调控机制及盐碱地改良措施的优化提供了科学依据。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 英文缩略表
• 第一章 引言
•   1.1 研究背景
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 CT扫描技术在土壤物理学应用研究进展
•     1.2.2 隔层对土壤水盐运移影响及调控机制的研究进展
•     1.2.3 有机培肥改良盐碱地的研究进展
•   1.3 有待深入研究的主要问题
•   1.4 研究内容
•   1.5 技术路线
• 第二章 材料与方法
•   2.1 研究区概况
•   2.2 不同物理形态秸秆隔层水分入渗室内土柱模拟试验
•     2.2.1 供试材料
•     2.2.2 供试设备与填装过程
•     2.2.3 实验设计
•     2.2.4 实验过程
•     2.2.5 土样采集与测定方法
•     2.2.6 CT扫描和图像处理过程
•     2.2.7 计算公式
•     2.2.8 数据处理
•   2.3 田间秸秆隔层水盐调控定位试验
•     2.3.1 实验设计
•     2.3.2 土样采集与测定方法
•     2.3.3 CT扫描和图像处理过程
•     2.3.4 数据处理
•   2.4 田间肥沃亚表层构建水盐调控试验
•     2.4.1 实验设计
•     2.4.2 取样方法与数据测定
•     2.4.3 高通量测序方法分析
•     2.4.4 CT扫描和图像处理过程
•     2.4.5 数据处理
• 第三章 基于CT技术的不同物理形态秸秆隔层孔隙特征及其对入渗过程的影响机制
•   3.1 不同物理形态的秸秆隔层孔隙形态特征目视分析
•   3.2 不同物理形态的秸秆隔层孔隙特征参数分析
•     3.2.1 秸秆隔层孔隙特征
•     3.2.2 秸秆隔层孔隙度的垂直分布特征
•     3.2.3 秸秆隔层孔隙频率分布
•   3.3 入渗过程湿润锋运移
•   3.4 入渗后水盐分布
•     3.4.1 不同土层水分分布
•     3.4.2 不同土层盐分分布
•   3.5 入渗后盐分平衡
•   3.6 湿润锋运移用时与孔隙参数的相关性分析
•   3.7 讨论
•     3.7.1 不同物理形态秸秆隔层处孔隙度及其分布
•     3.7.2 不同物理形态秸秆隔层处孔隙连通性
•     3.7.3 不同物理形态秸秆隔层对灌溉水入渗过程中水盐分布的影响
•     3.7.4 入渗前后秸秆隔层孔隙参数与入渗特征指标的关系
•   3.8 本章小结
• 第四章 基于CT技术的秸秆隔层水盐调控减弱效应及机制
•   4.1 秸秆深埋对土壤盐分分布的影响
•   4.2 秸秆深埋3年后对土壤理化性质的影响
•   4.3 秸秆深埋3年后对土壤团聚体的影响
•     4.3.1 团聚体组成
•     4.3.2 水稳性团聚体
•   4.4 秸秆深埋3年后对土壤孔隙特征的影响
•     4.4.1 土壤孔隙目视特征
•     4.4.2 土壤孔隙定量特征
•   4.5 讨论
•   4.6 本章小结
• 第五章 基于CT技术的亚表层有机培肥措施水盐调控机制
•   5.1 亚表层有机培肥对土壤水盐与pH值的调控效应
•     5.1.1 土壤水分含量
•     5.1.2 土壤盐分含量
•     5.1.3 土壤pH值
•   5.2 亚表层有机培肥对土壤有机质及养分含量的影响
•     5.2.1 土壤有机质
•     5.2.2 土壤碱解氮
•     5.2.3 土壤有效磷
•     5.2.4 土壤速效钾
•   5.3 亚表层有机培肥对盐碱土壤微生物区系的影响
•     5.3.1 不同处理土壤细菌多样性分析
•     5.3.2 不同处理对土壤属水平细菌相对含量的影响
•     5.3.3 主要细菌类群与土壤化学指标的相关性分析
•   5.4 亚表层有机培肥对作物生长状况的影响
•     5.4.1 亚表层有机培肥对作物根系生长及产量状况的影响
•     5.4.2 食葵产量与盐分、水分、养分的相关性
•   5.5 亚表层有机培肥三年后对盐碱土壤团聚体的影响
•     5.5.1 团聚体组成
•     5.5.2 水稳性团聚体
•   5.6 亚表层有机培肥三年后对盐碱土壤孔隙结构特征的影响
•     5.6.1 土壤孔隙形态特征目视分析
•     5.6.2 土壤孔隙的基本特征
•     5.6.3 土壤孔隙大小分布
•     5.6.4 土壤孔隙的垂直分布
•   5.7 土壤孔隙结构特征参数相关性分析
•   5.8 讨论
•     5.8.1 土壤盐分和pH调控
•     5.8.2 土壤有机质及速效养分含量
•     5.8.3 细菌类群与土壤化学性质的相关性
•     5.8.4 食葵产量与土壤养分、盐分、水分的关系
•     5.8.5 亚表层有机培肥对土壤团聚体分布的影响
•     5.8.6 亚表层有机培肥对土壤孔隙特征的影响
•     5.8.7 土壤孔隙结构特征与水盐调控的关系
•   5.9 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张宏媛

导师: 李玉义

关键词: 河套灌区,显微,不同物理形态秸秆隔层,孔隙特征,亚表层有机培肥

来源: 中国农业科学院

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 自然地理学和测绘学,农业基础科学,农艺学

单位: 中国农业科学院

基金: 国家自然科学基金(31471455,31871584),国家重点研发计划项目(2016YFC0501302),中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(1610132016051)

分类号: S156.4

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