【摘要】：随着退耕还林工程的深入进行,黄土高原植被建设的可持续发展受到了越来越多的关注。大量增加的植被覆盖对土壤理化性质造成显著的影响,而且极大地消耗了土壤水分,进而阻碍了植被建设的可持续发展。如何提高降水入渗效率、增加土壤水储量成为了当地亟待解决的问题。植被根系可以改善土壤结构,另外大量的植被恢复为地栖性土壤动物提供了合适的栖息地和充足的食物,土壤动物的筑巢活动可以提高土壤大孔隙的数量。而土壤大孔隙与黄土高原土壤水库及其调蓄降水能力紧密相关。研究土壤大孔隙特征及其与土壤水分之间的关系,在理论上有助于揭示黄土高原土壤大孔隙对降雨的调蓄机制,在实践中可以为该地区的植被建设提供指导性建议。本论文利用CT扫描技术量化了黄土高原富县和神木县四种植被[辽东栎Quercus liaotungensis(QLI)、油松Pinus tabuliformis(PTA)、柠条Caragana korshinskii(KOP)和苜蓿Medicago sativa(MSA)]覆盖下的土壤大孔隙结构特征,分析了大孔隙指标与饱和导水率之间的回归关系。用石膏浇筑法和CT扫描法,对比了室内和室外日本弓背蚁(Camponotus japonicus)巢穴的结构特征,分析了日本弓背蚁巢穴对土壤水分入渗以及土壤水分蒸发过程的影响。另外,我们探索了影响蚂蚁巢穴结构的主要因素,所取得主要结论如下:1、利用医学CT扫描设备和ImageJ图像分析软件量化了黄土高原辽东栎、油松、柠条和苜蓿四种不同植被覆盖条件下的土壤大孔隙特征(2D和3D),大孔隙二维指标包括土壤大孔隙度、大孔隙数、大孔隙分形维数、大孔隙成圆率和最大孔隙面积,大孔隙三维指标包括大孔隙表面积密度、分支密度、连接点密度和连续性。除了大孔隙成圆率以外,四种植被覆盖下的土壤大孔隙二维和三维结构特征值大小排序均为:QLIPTAKOPMSA。土壤大孔隙特征随植被年龄的增加而逐渐优化,和22年生柠条(KOP22)相比,40年生柠条(KOP40)覆盖下的土壤拥有更好的孔隙结构。土壤大孔隙分形维数和大孔隙数量之间有显著的回归关系(P0.001),决定系数R2=0.928,分形维数和大孔隙度之间也存在显著的回归关系(P0.001),决定系数R2=0.838。2、土壤饱和导水率在四个处理之间变异较大,对于整个土柱的平均导水率,辽东栎(QLI)覆盖下的土壤饱和导水率最大(0.073 cm/min),其次是油松(PTA)(0.063 cm/min)和柠条(KOP)(0.054 cm/min),苜蓿(MSA)最小(0.018 cm/min)。40年生柠条处理(KOP40)的饱和导水率(0.054 cm/min)大于22年生柠条(KOP22)处理(0.048 cm/min)。土壤大孔隙度、大孔隙数量、大孔隙分形维数与土壤饱和导水率之间均存在显著的(p0.001)正相关关系,其中,大孔隙分形维数与土壤饱和导水率之间回归方程的决定系数达到了0.737。土壤容重和饱和导水率之间存在负相关关系,土壤容重与土壤饱和导水率之间回归方程的决定系数最大(r2=0.801)。而且,土壤容重与大孔隙度两因素相结合最大程度上解释了饱和导水率的变化(r2=0.862)。三维大孔隙指标和饱和导水率之间也存在正相关关系,但是它们的决定系数低于二维孔隙指标和饱和导水率之间的决定系数。土壤有机质和土壤质地与饱和导水率之间的关系并不显著(p0.05)。3、野外条件下日本弓背蚁巢穴结构由垂直的通道和水平的巢室组成,通道的直径大小约为4.1-6.6mm,巢穴深度可以达到60cm。自然条件下,巢穴在垂直和水平两个方向发展,而室内培育时,pvc土柱限制了巢穴结构的横向发展。在土柱横截面中,大孔隙面积最小为17.8mm2,最大为2117.4mm2,整个土柱孔隙面积的平均值为362.7mm2。室外调查结果表明,日本弓背蚁群落在壤土和黄绵土中都有广泛分布,但是在土壤颗粒较大的干燥沙土中并不常见。在含水量过低或者过高的沙土中,洞穴容易坍塌。土壤含水量适中的湿沙是较为稳定的,足以支撑较大的蚂蚁巢穴。另外,土壤含水量是影响蚂蚁生长繁殖过程的重要因素之一。当含水量为6%-20%的时候,日本弓背蚁蚁后可以在土壤中筑巢,并在巢穴中产卵繁殖后代,而且随着含水量的增加,蚁后产卵数量有增加的趋势。但是当含水量高于25%或者过低0.2%时,日本弓背蚁蚁后没有挖掘行为,并在3周的时间内死亡。土壤容重也是影响巢穴结构的因素之一,土壤容重越大,蚂蚁巢穴的结构越简单,通道的长度、分支、节点和总体积更小。但是,不同土壤质地和水分条件下日本弓背蚁巢穴通道的平均尺寸是相对稳定的,洞穴直径主要和蚂蚁体型有关。4、日本弓背蚁巢穴内和巢穴外土壤水分差异随降雨条件变化而发生明显变化。当降雨稀少,土壤含水量处于较低水平时,日本弓背蚁巢穴内部土壤含水率和巢穴外部土壤含水率非常接近。当累积降雨量达到24.8mm时,在0-30cm土层中,日本弓背蚁巢穴内部土壤的含水量大于对照土壤,但是差异不显著(p0.05)。当累积降雨量达到47.9mm时,蚂蚁巢穴内外土壤含水率差异较大,蚂蚁巢穴内部0-80cm范围内土壤含水率均大于对照土壤,对于个别土层,两者的土壤含水率差异显著(p0.05)。亮蓝染色液在有蚂蚁巢穴存在的土壤中的入渗速率显著(p0.01)大于没有蚂蚁巢穴存在的对照土壤。蚂蚁孔隙将相同条件下的入渗速率提高了20倍。蚂蚁巢穴对溶液的入渗深度也有显著影响,在有蚂蚁孔隙存在的条件下,溶液的入渗深度显著大于(p0.01)没有蚂蚁巢穴的入渗深度。蚂蚁巢穴对入渗深度的促进作用在壤土中表现的更为明显,有蚂蚁巢穴的壤土中溶液的入渗深度大于沙土中的入渗深度。通过定位观测日本弓背蚁巢穴对土壤剖面水分动态的影响发现,在0-120 cm土层范围内,没有蚂蚁巢穴的土壤水分比有蚂蚁巢穴的土壤水分有更高的变异性。没有蚂蚁巢穴存在的处理中,土壤储水量的减小速率大于有蚂蚁巢穴存在的土壤。在4月到9月之间,没有蚂蚁巢穴的处理中0-120 cm土壤储水量减少了72.3 mm,但是,有蚂蚁巢穴的土壤储水量只减少了57.1 mm。5、蚂蚁筑巢过程中可以制造平均直径为1.6 mm的土壤团粒并将其搬运至地表形成一个新的覆盖层而间接影响土壤蒸发过程。土壤表层堆积的团粒随着蚂蚁群落规模的增加而增加,两者之间有显著的回归关系(P0.001,R2=0.8927)。当初始土壤含水量一致时,土壤团粒覆盖层对土壤蒸发过程的影响随着团粒层厚度(0-9 mm)的增加而更加明显。在白天,团粒覆盖层较高的水汽含量和较大的孔隙度显著(P0.05)降低了土壤蒸发速率。但是在晚上,当太阳辐射较低的时候,有团粒覆盖和无团粒覆盖处理间的蒸发速率差异不显著。另外,与传统的覆盖材料不同的是,在降雨过程中土壤团粒结构易水解,水解后的团粒结构层失去减缓土壤蒸发过程的作用。本文对不同植物及蚂蚁巢穴大孔隙特征进行了研究,丰富了黄土高原土壤大孔隙的研究范围。分析了土壤饱和导水率的影响因素,量化了各因素对饱和导水率的贡献比例。探索了蚂蚁巢穴大孔隙优先流特征及其对土壤剖面水分分布的影响,深化了我们对土壤大孔隙与土壤水分之间关系的认识,以期为改善黄土高原降雨入渗效率以及植被恢复可持续发展提供参考。
