砒砂岩添加对风沙土水分运动和苜蓿生长的影响

论文摘要

晋陕蒙接壤区露天矿开采形成大面积的排土场。该区属于干旱半干旱生态脆弱区,干旱少雨,水资源匮乏,且排土场表层土土壤质地粗糙、结构疏松、土层薄和保水性差等都限制了排土场的植被恢复。如何就地取材,高效低成本构建排土场表层土,提高其保水抗旱能力,成为当前该地区土地复垦和生态恢复的首要任务。本文将晋陕蒙接壤区广泛分布的砒砂岩作为土壤结构的改良剂,以风沙土为主要试验土壤,采用室内、外模拟试验,研究不同砒砂岩改良模式对风沙土土壤水力学参数、土壤水分入渗、土壤蒸发性能以及苜蓿生长适宜性的影响,并基于Hrdrus-1D模型,模拟各重构土体的土壤水分运动过程及土壤剖面水分分布,在此基础上探讨砒砂岩对风沙土的改良机制,提出适于矿区植物生长的科学改良方案。主要得到以下结论:（1）随着风沙土中砒砂岩比例增加,土壤田间持水量和饱和含水量逐渐增加,饱和导水率和入渗速率逐渐降低,同一基质吸力下土壤含水量逐渐增加。以上结果表明砒砂岩具有提高风沙土持水能力和阻碍水分运动的作用,可以将其作为一种物理改良剂改善风沙土的吸水和持水性能。结合水力学参数随砒砂岩含量的变化,并与黄绵土土壤水力学参数指标做对比,发现风沙土中添加40%砒砂岩（S4）的水力学特性与黄绵土最为接近,可以作为该研究区改良风沙土的最优混合比例。（2）在相同土壤材料配比下,层状土的保水能力要高于混合的均质土,其中上砂下粘和上粘下砂处理的保水能力增加的幅度相近,砂夹粘处理的保水能力提高幅度最大。水分特征曲线van Genuchten模型可以较好地模拟层状土体在不同转速下的土壤含水量。在相同土壤材料配比下,层状土体的滞留含水量和饱和含水量较均质土增加,形状参数α值较均质土则有所减小。该结论可为研究层状土壤保水性、水分有效性以及矿区表层土体重构提供理论依据和技术支撑。（3）均质土入渗能力由大到小依次为风沙土、混合土、砒砂岩。砒砂岩以层状形式对风沙土进行改良时,砒砂岩层位置越靠上,厚度越大,对土体水分入渗阻碍作用越明显。对于多个砒砂岩层存在,且上层位置一致的情况下,层数对水分入渗没有显著影响。各层状处理土壤的累积蒸发量没有呈现显著差异,但是层状土体的储水量显著增加。从持水能力的角度来看,砒砂岩层存在的层状土体可以作为晋陕蒙矿区的表层土重构的一种适宜模式。（4）Hydrus-1D软件在反演模拟土壤水力学参数方面具有一定适用性,能够较好的模拟均质和层状土体一维积水入渗情况下的水分运移。在砒砂岩改良风沙土应用中我们可以利用容易获得的土壤水分含量资料来反推土壤水力参数,从而大大降低获得这些参数的难度。（5）砒砂岩与风沙土均匀混合处理和部分层状处理都可以显著促进苜蓿生长。层状土体中较高的生物量和较均匀的根系分布表明:风沙土中具有砒砂岩的层状土体是一种适合用于植物生长的表层重构土。砒砂岩层可以作为蓄水层来控制土壤水分的分布,从而影响苜蓿的生长。综合考虑生物量、根系生长状况、可操作性以及经济投入等,土体深度20-40 cm处存在20 cm厚的砒砂岩层处理可以作为矿区表层土复垦的最优选择。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及目的意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 矿区复垦研究进展
•     1.2.2 层状土壤水分运动模拟研究进展
•     1.2.3 砒砂岩的特性及改良利用研究进展
•   1.3 小结
• 第2章 研究区概况、研究内容与方法
•   2.1 研究区概况
•     2.1.1 地理位置
•     2.1.2 土壤状况、气候及植被条件
•     2.1.3 晋陕蒙露天煤矿复垦状况
•   2.2 研究内容与技术路线
•     2.2.1 研究内容
•     2.2.2 技术路线
•   2.3 研究方法
•     2.3.1 实验样品的采集
•     2.3.2 土壤理化性质的测定
•     2.3.3 不同混合比例的水力学试验研究
•     2.3.4 层状土体的持水性试验研究
•     2.3.5 不同重构土体的入渗和蒸发特征及模拟
•     2.3.6 不同重构土体苜蓿生长适宜性研究
•   2.4 数据处理与分析
• 第3章 混合添加砒砂岩对风沙土水力学参数的影响
•   3.1 材料方法
•     3.1.1 实验材料
•     3.1.2 实验设计与方法
•   3.2 结果与分析
•     3.2.1 土壤颗粒分析
•     3.2.2 饱和含水量和田间持水量
•     3.2.3 土壤水分特征曲线
•     3.2.4 饱和导水率
•     3.2.5 土壤入渗
•     3.2.6 最优的混合比例
•   3.3 本章小结
• 第4章 不同层状结构土体的持水性研究
•   4.1 材料与方法
•     4.1.1 供试材料
•     4.1.2 模型描述
•     4.1.3 数据处理
•   4.2 结果与讨论
•     4.2.1 不同层状结构土体土壤水吸力与含水量的关系曲线
•     4.2.2 不同处理下土壤水吸力与含水量曲线评价分析及模型参数估计..
•   4.3 本章小结
• 第5章 混合及分层添加砒砂岩对风沙土入渗和蒸发的影响
•   5.1 材料与方法
•     5.1.1 试验材料
•     5.1.2 试验设计与方法
•     5.1.3 两种水分探测仪器的使用与校准
•   5.2 结果与分析
•     5.2.1 两种水分探测仪器的比较
•     5.2.2 水分入渗过程中湿润锋的变化特征
•     5.2.3 入渗条件下剖面含水量的动态变化
•     5.2.4 不同类型土柱累积蒸发量差异
•     5.2.5 不同类型土柱蒸发过程剖面含水量的动态变化
•     5.2.6 不同结构层状土对持水量的影响
•   5.3 本章小结
• 第6章 不同重构土体水分入渗和蒸发模拟
•   6.1 材料与方法
•     6.1.1 实验材料
•     6.1.2 试验设计与方法
•   6.2 结果与分析
•     6.2.1 不同土体入渗剖面含水量随时间变化模拟分析
•     6.2.2 层状土累计入渗量随时间的变化特征
•     6.2.3 不同重构土体水分入渗过程数值模拟分析
•     6.2.4 蒸发过程中不同重构土体的储水量模拟
•   6.3 本章小结
• 第7章 不同重构土体苜蓿生长的适宜性研究
•   7.1 材料和方法
•     7.1.1 实验材料
•     7.1.2 实验设计
•   7.2 结果与分析
•     7.2.1 土壤特性
•     7.2.2 生物量
•     7.2.3 根冠比（R/S）
•     7.2.4 根系形态
•   7.3 本章小结
• 第8章 主要结论与研究展望
•   8.1 主要结论
•   8.2 主要进展
•   8.3 主要创新点
•   8.4 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 贾俊超

导师: 张兴昌

关键词: 晋陕蒙能源区,砒砂岩,层状土体,水分运动,紫花苜蓿

来源: 中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心)

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,农业基础科学,农艺学,农艺学,农作物

单位: 中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心)

分类号: S152.7;S156.2;S541

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