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草地雀麦（Bromus riparius）对北京石灰性褐土地区水土保持作用及其机理研究

作　者: 张磊
导　师: 朴顺姬；孙铁军
学　校: 内蒙古大学
专　业: 生态学
关键词: 草地雀麦石灰性褐土水土保持灰色关联土壤侵蚀土壤水分
分类号: S157
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

为了评价人工牧草对石灰性褐土水土保持效应,探索影响石灰性褐土水土流失的主要因子、人工牧草植被指数以及生物特性在土壤侵蚀过程中的作用,在石灰性褐土荒坡上采用人工牧草和裸地径流小区试验,辅以不同覆盖度的土壤侵蚀槽-人工降雨系统,分别对生长季植被数量特征、枯落物持水特征,以及同期土壤侵蚀状况和土壤物理性状进行动态观测,同时观测地表枯落物持水特征随时间变化规律,经过对不同处理试验小区观测数据的比较研究,揭示了人工牧草在防止石灰性褐土荒坡水土流失过程中水土保持方面的生态效应。研究结果对利用遥感技术监测石灰性褐土荒坡水土流失和选择人工牧草进行有效的生态治理具有重要的实践意义,为北京石灰性褐土地区可持续发展提供生态学理论指导和技术支持。根据对天然石灰性褐土坡面草地雀麦样地与裸地水土流失的监测,草地雀麦对石灰性褐土水土保持效应显著。而且草地雀麦样地地表径流量、径流系数、土壤侵蚀量均显著低于裸地。在潜势盖度为50.50%情况下,保水能力为85.75%,固土能力为98.22%,土壤侵蚀模数降低97.68%,使土壤侵蚀模数降低到允许侵蚀量之下。依据灰色关联度分析,影响石灰性褐土地区土壤侵蚀量的主要因素由强到弱顺序为:地表径流量＞降雨量＞降雨强度＞坡度＞植被盖度＞植被高度＞植被密度。其中,植被因素是影响石灰性褐土土壤侵蚀的主要生物因素,并且植被盖度的影响大于植被高度和植被密度。根据对天然石灰性褐土坡面草地雀麦样地水土保持监测与不同盖度处理草地雀麦草土壤侵蚀槽人工降雨的试验研究,草地雀麦地上部分生物学特征以地上生物量为核心并且彼此之间显著相关。其特征表现为:植被盖度和归一化植被指数的变化与地表径流量和土壤侵蚀量的变化显著相关,同时土壤侵蚀量变化与地表径流量变化也具有显著的相关性。天然坡面草地植被覆盖度、归一化植被指数、植被密度5月显著提高,6-9月增加缓慢,而且变化不显著。地表径流量与土壤侵蚀量随植被盖度的增加而逐渐减小。植被盖度与地表径流量为负对数函数关系,与土壤侵蚀量为倒数函数关系。随着归一化植被指数的增加,地表径流量与土壤侵蚀量逐渐减小。归一化植被指数与植被盖度之间为线性函数关系,与地表径流量为负对数函数关系,与土壤侵蚀量为倒数函数关系。植被密度与植被盖度为负倒数函数关系,与植被高度为负对数函数关系,与地上生物量为对数函数关系。地表径流量与土壤侵蚀量随着地上生物量的增加逐渐减小。地上生物量与植被盖度之间为对数函数关系。天然坡面草地植被高度在5月到6月中旬显著提高,之后变化不显著,营养枝高度保持在36.28cm左右,生殖枝高度保持在76.62cm左右。在一定高度范围内,地表径流量与土壤侵蚀量随着植被高度的降低呈现逐渐减小的趋势。由此可知,草地雀麦地上部分各指标形成了以地上生物量为核心,植被盖度、植被密度、植被高度连同归一化植被指数彼此之间直接或间接地与地表径流和土壤侵蚀量存在不同形式的函数关系。根据对天然石灰性褐土坡面草地雀麦样地枯落物持水特征的研究,草地雀麦枯落物持水量与持水率随着浸泡时间的增加而逐渐提高,枯落物持水速率则随着浸泡时间的增加而逐渐降低。枯落物浸泡时间与持水量为负倒数函数关系,与持水速率为乘幂曲线函数关系。根据对天然石灰性褐土坡面草地雀麦样地以及裸地土壤特性的调查研究,草地雀麦改善了石灰性褐土土壤的物理性质。在0-30cm土层深度范围内,草地雀麦根系长度、根系平均直径、根系表面积、根系体积、根系数量、根系生物量随着土层深度的递增而逐渐减小;草地雀麦对石灰性褐土土壤田间持水量提高幅度随着土层深度的增加也逐渐减小,对石灰性褐土土壤容重降低幅度随着土层深度的增加逐渐减小,对石灰性褐土土壤紧实度亦有降低作用,在0-45cm土层深度范围内的降低作用以7.5-15cm土层为中心向地上、地下逐渐减弱。草地雀麦对土壤紧实度的降低值生长季末期大于生长季初期,降低范围也明显扩大。除此之外,在0-30min时间范围内土壤入渗过程中,随时间的延续,草地与裸地二者的入渗速率起始下降迅速,之后下降缓慢并趋于稳定、一致。通过比较得出,草地雀麦提高了石灰性褐土土壤的入渗速率,尤其是在0-10min时段内提高显著。根据对天然石灰性褐土坡面草地雀麦样地与裸地土壤水分变化的监测研究,10-100cm土层范围内,天然坡面裸地土壤含水量变化一般呈现双峰形,草地呈现正弦波形,但是这种规律会在降雨在季节以及年度间变化的影响下呈现其他变化情形。一般来说,10-80cm土层土壤含水量在降雨量少的时期草地低于裸地,80-100cm土层则草地高于裸地。但是随着降雨的增加,草地土壤含水量逐步提高并超过裸地。由于草地土壤持水能力高于裸地,雨后草地0-60cm土层土壤含水量下降速度比裸地缓慢。一般生长季初降雨相对较少的时期,10cm、20cm、30cm、40cm和60cm土层处土壤含水量的日进程变化裸地皆高于草地,只有100cm土层处草地高于裸地,而且土层由上至下日变化幅度呈递减状况,越往上波动幅度越大。10cm与20cm土层处裸地与草地土壤含水量日变化呈正弦波形,草地滞后于裸地;30cm与40cm土层处裸地与草地土壤含水量日变化均呈“V”字形,裸地呈波动性起伏,草地呈平缓性起伏,草地滞后于裸地;60cm土层处裸地土壤含水量日变化呈双峰形,草地呈单峰形;100cm土层处裸地与草地土壤含水量日变化呈“W”形,草地滞后于裸地。0-10cm土层土壤含水量日变化进程草地雀麦样地高于裸地,并且二者皆表现出呈“W”形变化。由此得出,土壤含水量的垂直分布总体表现出明显的分层特征和季节性变化规律。受大气降水、植物生长发育节律以和根系吸水的影响,表层土壤的水分含量波动剧烈,对降水反应迅速。下层土壤水分含量波动幅度较小,有比较明显的滞后现象。由于草地土壤持水能力的增强以及季节性降雨的变化,导致土壤含水量随着季节性降水的变化以及草地植物生长发育,使土壤蓄水的变化呈现出三个阶段:弱失水阶段、消耗阶段和缓慢恢复阶段。进而得出,人工牧草对石灰性褐土土壤水分变化的影响并不会造成土壤本身的长期干旱,其土壤水分的降低具有阶段性和可恢复性。此外,人工牧草还提高了土壤的持水能力,增加了土壤本身的持水量,这对于石灰性褐土地区的可持续发展无疑具有很大的促进作用。根据对不同处理石灰性褐土样地土壤水分蒸散动态变化的监测研究,一天中从8:00开始,石灰性褐土裸地、草地雀麦样地以及草地雀麦三者水分蒸散量随时间延续而逐渐降低。在8:00-16:00时间段,草地雀麦样地蒸散量＞草地雀麦蒸腾量＞裸地蒸发量,裸地蒸发量与草地雀麦样地蒸腾量之间差异不显著而与草地雀麦样地蒸散量有显著差异。在16:00-8:00时间段,草地雀麦样地蒸散量＞裸地蒸发量＞草地雀麦蒸腾量,草地雀麦样地蒸散量与草地雀麦蒸腾量之间有显著差异而与裸地蒸发量差异并不显著。即,草地雀麦降低了石灰性褐土土壤本身的水分蒸发量,但是却提高了石灰性褐土草地雀麦种植地整体的水分蒸散量,这种现象在8:00-12:00时间段表现显著,在16:00-8:00时间段表现不显著。而水分总体蒸散量主要来自于草地雀麦在水分蒸腾过程中的散失。由此可知,人工牧草植被的覆盖以及地下根系对石灰性褐土土壤物理性质的改变降低了土壤本身的水分蒸发,提高了土壤本身对水分的保持能力。

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摘要  4-9
ABSTRACT  9-17
目录  17-19
1 绪论  19-26
  1.1 选题背景  19-25
  1.2 研究目的与意义  25-26
2 研究区概况  26-32
  2.1 自然条件  26-32
    2.1.1 地理位置与地形地貌  26
    2.1.2 气候条件  26-29
    2.1.3 水文地质  29-30
    2.1.4 土壤  30-31
    2.1.5 植被  31-32
3 材料与方法  32-38
  3.1 实验材料  32-33
    3.1.1 供试材料  32-33
    3.1.2 天然坡面径流小区设置  33
    3.1.3 土壤侵蚀槽设置  33
  3.2 研究方法  33-36
    3.2.1 降雨监测  33-34
    3.2.2 土壤侵蚀测定  34
    3.2.3 土壤物理性质测定  34-35
    3.2.4 植被特性测定  35-36
    3.2.5 水分蒸散测定  36
  3.3 分析方法  36-38
4 结果与分析  38-77
  4.1 草地雀麦对石灰性褐土水土保持效应分析  38-39
  4.2 石灰性褐土水土流失影响因子灰度关联度分析  39-41
  4.3 草地雀麦地上部分对石灰性褐土水土流失的影响  41-55
    4.3.1 地上部分生物学特性与水土流失的相关性分析  41-43
    4.3.2 植被覆盖度对水土流失的影响  43-45
    4.3.3 植被NDVI值与水土流失的关系  45-49
    4.3.4 植被密度对水土流失的影响  49-52
    4.3.5 植被生物量对水土流失的影响  52-53
    4.3.6 植被高度对水土流失的影响  53-55
  4.4 枯落物对石灰性褐土水土流失的影响  55-57
    4.4.1 枯落物持水特性分析  55-57
  4.5 草地雀麦根系对石灰性褐土土壤物理性质的影响  57-63
    4.5.1 根系分布特征分析  57-58
    4.5.2 对土壤田间持水量的影响  58-59
    4.5.3 对土壤容重的影响  59-60
    4.5.4 对土壤紧实度的影响  60-62
    4.5.5 对土壤入渗的影响  62-63
  4.6 草地雀麦对石灰性褐土土壤水分的影响  63-74
  4.7 草地雀麦对石灰性褐土水分蒸散的影响  74-77
5 结论与讨论  77-83
参考文献  83-86
附录1  86-96
  国内、外草地植被水土保持研究进展  86-96
附录2  96-105
  世界各国水土保持形势与政策  96-105
附录3  105-107
致谢  107-109
攻读硕士期间发表的学术论文目录  109

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