土地沙化问题管理论文提纲

论文题目：毛乌素沙地砒砂岩与沙复配土壤质量演变及其稳定性分析

摘要：毛乌素沙地是我国四大沙地之一,也是京津冀一带沙尘暴的沙源地,被国家列为“两屏三带”重点治理区域。长期以来,实施沙地综合治理一直是大家关注的热点和需要解决的难题。以生态安全为前提,能够在有限条件下,增大耕地面积更是有价值的沙地治理方向。近年来,砒砂岩与沙快速复配成土技术在毛乌素沙地土地整治与开发利用中推广很快,已见成效。然而,砒砂岩与沙复配工程化手段只实现了从“沙”到“土”的土体无机重构这一基础目标,“复配上”长期或一定时期利用过程后,质量稳定性和可持续利用性是检验从“土”到“壤”质的提升标准,其质量以及质量如何演变才是关键,需要进一步研究才能说明本质问题。本文基于砒砂岩与沙复配成土发生发育过程和作用机理,把土壤结构、肥力和作物生产力等作为从母质到成土过程的主要标准和判据,利用田间定位试验、室内实验模拟和模型拟合等,微观与宏观结合,找到复配土质量稳定性的关键控制因素,探索复配土的成土机理及质量演化趋势。主要研究进展及结论如下:（1）揭示了不同比例复配土有机无机胶结物质类型及演变,从微观-宏观角度解析了砒砂岩与沙复配成土的内在机理。基于扫描电镜和能谱仪分析,随着耕种年限的增加,复配土颗粒间开始相互黏结,颗粒间胶结物质丰富,土粒表面出现大量黏团,具备了团聚体特性,复配土大团聚体表面出现较多的铁质胶结点。复配土壤团聚化的主要有机胶结物质是总有机碳、易氧化有机碳和颗粒有机碳。不同比例复配土壤碳库管理指数随时间推移总体呈增加趋势,其中各土层1:1、1:2处理的碳库活度、碳库活度指数和碳库管理指数较其他处理显著增加,土壤有机碳库处于良性管理状况,土壤改良效果较好。复配土壤中无机胶结剂主要是碳酸钙和游离氧化铁,1:2复配比例更有利于0-30 cm耕层土壤中无机胶结剂的累积。（2）探明了土地利用过程中复配土壤结构稳定发育的关键控制因素。随着耕种年限的增加,1:1、1:2、1:5复配土壤均呈现出粘粒和粉粒含量上升,砂粒含量下降,分形维数值呈增加趋势,耕层土壤颗粒级配趋于细化及合理化,复配土壤质地总体由壤砂-砂壤-壤土类别过渡,即向适宜作物生长的良好状态发展。种植9年后,随着粉粒、粘粒的向下运移,耕作层厚度增加,在30-40 cm 土层形成了一层相对致密的黏化层,提高了复配土壤保水保肥性。有机无机胶结物质分别显著提升了 0.25-0.5 mm、0.5-1mm粒级的水稳性团聚体的形成。（3）分析了砒砂岩对复配土的持水保水能力,阐明了冻融交替对复配土壤结构和理化性质的影响。利用van Genuchten模型拟合水分特征曲线,拟合精度均在0.96以上,发现粒径＜1mm砒砂岩的持水性强于粒径＜2mm,在同一吸力下,含水量平均高约5.2%。不同粒径下的饱和含水量均以砒砂岩含量大于风沙土时为大,其中粒径＜1mm的饱和含水量高于＜2 mm的8.24%。沙地表层由于含水量小,从地表以下一段距离内形成冻结层,最大冻深98.0 cm,表层通常会形成干沙层,风蚀强烈。复配土壤由于有较好的保水持水性,表层含水量高,其从表层开始冻结,增强了抗风蚀能力,最大冻深达116.0 cm。冻融交替作用对复配土壤耕层团粒结构有一定的分散作用,而粘粒含量越高,其对团粒结构稳定性的破坏作用越小,1:1复配土壤经冻融交替后团粒结构稳定性大于1:2和1:5。短期的冻融交替作用增加了复配土壤碳氮矿化累积量,改善表层土壤的结构,而非破坏作用占主导,其中1:2复配土壤增加速率更显著,对有机质和氮素保持性能较好。综上,粉粒、粘粒、有机无机胶结物质是研究区沙化土地中土壤质量改善的最关键驱动因素。（4）明确了不同作物种植模式下复配土壤质量演变及作物适宜性。随着玉米和马铃薯种植年限的增加,不同比例复配土壤≥0.25mm粒径水稳性团聚体含量和WMD值呈持续增加趋势,成为团聚体的主要组成部分,其中以小粒径0.25～0.5mm为主,占比为36.6%～40.4%;与种植前相比较,1:1、1:2、1:5复配土壤WMD值分别增加了 1.05倍、1.62倍和2.13倍,团聚体稳定性提高,尤其是更能有效促进1:2和1:5复配土壤水稳性团聚体的形成。在1:2和1:5复配土中,粘粒含量、分形维数值、有机质含量增加速率快,玉米和马铃薯产量高,SYI值最大,CV值最小,产量稳定性和可持续性最好。研究结果证明,1:2和1:5复配土壤分别最适合玉米和马铃薯的种植,这两种比例表现出了复配土壤无机-有机胶体的良好复合状态,能够提高土壤结构的稳定性及农业适应性。综上所述,经过多年耕种后,不同比例复配土壤结构得到日益改善,逐步向无机-有机胶体复合状态发展,实现了从“土”到“壤”质的提升过程。复配土壤能够维持质地良好、发育稳定,不需要多年后再进行复配改良,但复配土养分含量整体较低,后期需要针对性提升。研究说明复配成土技术将土地沙化过程扭转为初育化成土过程,并加速了成土过程。

关键词：毛乌素沙地;复配成土;胶结物质;质量演变;冻融交替;结构稳定性

学科专业：水利水电工程

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 研究进展

1.2.1 砒砂岩与沙复配成土技术研究现状

1.2.2 土壤微观结构及颗粒胶结力分析

1.2.3 土体重构中有机无机胶体研究

1.2.4 气候环境-冻融交替作用对土壤结构的影响

1.3 存在的问题和不足

1.4 研究目标与内容

1.5 技术路线

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

2.2 试验小区设计

2.2.1 试验田一布设

2.2.2 试验田二布设

2.3 研究方法

2.3.1 实验一:土壤微观结构特征及胶结物质分析方法

2.3.2 实验二:复配土持水保水特性分析方法

2.3.3 实验三:复配土壤冻融特征分析方法

2.3.4 实验四:复配土壤质量演变及作物适宜性分析方法

3 不同种植年限下不同比例复配土壤胶结物质演变分析

3.1 复配土微观结构特征及团胶结类型分析

3.1.1 不同种植年限复配土微观结构特征

3.1.2 不同种植年限复配土壤团聚体剖面孔隙特征

3.1.3 不同种植年限复配土壤团聚体表面胶结类型能谱分析

3.1.4 不同种植年限复配土壤团聚体剖面胶结类型分析

3.2 砒砂岩与沙复配土中有机胶体的演变分析

3.2.1 不同比例复配土壤总有机碳的演变

3.2.2 不同比例复配土壤水溶性有机碳的演变

3.2.3 不同比例复配土壤易氧化有机碳的演变

3.2.4 不同比例复配土壤颗粒有机碳的演变

3.2.5 不同比例复配土壤碳库管理指数状况分析

3.3 砒砂岩与沙复配土中无机胶体的演替与变化

3.3.1 不同比例复配土壤碳酸钙的演变

3.3.2 不同比例复配土壤游离氧化铁的演变

3.3.3 不同比例复配土壤游离氧化铝的演变

3.4 砒砂岩与沙复配土中胶结物质与团聚体稳定性的关系

3.4.1 不同耕种年限复配土壤水稳性团聚体变化

3.4.2 不同耕种年限水稳性团聚体MWD的演变

3.4.3 复配土中有机无机胶体与水稳性团聚体的关系

3.5 讨论

3.5.1 不同种植年限复配土微观结构特征及团胶结类型分析

3.5.2 砒砂岩与沙复配土中有机无机胶体的演变

3.5.3 砒砂岩与沙复配土中胶结物质与团聚体稳定性的关系

3.6 小结

4 砒砂岩与沙复配土壤结构性对季节性冻融循环的响应

4.1 砒砂岩与沙复配土壤持水保水特性分析

4.1.1 不同粒径、不同复配质量比下水分特征曲线分析

4.1.2 不同粒径、不同复配质量比下非饱和导水率分析

4.2 砒砂岩与沙复配土冻融特征

4.2.1 风沙土与复配土冻结层形成特征分析

4.2.2 砒砂岩与沙复配土壤的冻融过程

4.3 冻融交替作用对不同比例复配土壤结构的影响

4.3.1 冻融交替作用对复配土壤团粒结构的影响

4.3.2 粘粒与冻融循环的交互作用对复配土壤团粒结构的影响

4.4 冻融交替作用对不同比例复配土壤养分的影响

4.4.1 冻融频率对复配土壤有机质的影响

4.4.2 冻融交替作用下复配土壤团粒结构和有机质的关系

4.4.3 冻融交替作用对不同比例复配土壤氮素的影响

4.5 讨论

4.5.1 砒砂岩与沙复配土的冻融特征

4.5.2 冻融交替作用对复配土壤团粒结构的影响

4.5.3 冻融交替作用对复配土壤有机质的影响

4.5.4 冻融交替作用对复配土壤氮素的影响

4.6 小结

5 玉米种植模式下不同比例复配土壤质量演变及作物适宜性分析

5.1 复配土壤颗粒组成动态变化特征

5.1.1 砒砂岩含量对复配土壤颗粒组成的影响

5.1.2 种植年限对复配土壤颗粒组成的影响

5.1.3 复配土壤粉粒和粘粒分布随土层深度的变化

5.1.4 不同种植年限下复配土壤颗粒分形特征

5.2 复配土壤机械稳定性团聚体变化分析

5.2.1 不同比例复配土壤机械稳定性团聚体组成

5.2.2 种植年限对复配土壤团聚体稳定性的影响

5.2.3 不同比例复配土壤机械稳定性团聚体年际变化特征

5.3 复配土壤水稳性团聚体分布及稳定性

5.3.1 不同种植年限复配土壤水稳性团聚体组成

5.3.2 不同比例复配土壤≥0.25 mm水稳性团聚体分布

5.3.3 不同比例复配土壤水稳性团聚体稳定性

5.4 不同比例复配土壤有机质年际变化特征

5.5 不同比例复配土壤玉米产量的变化特征

5.6 讨论

5.6.1 复配土壤颗粒组成动态变化特征

5.6.2 复配土壤团聚体变化及稳定性分析

5.6.3 复配土壤有机质含量动态变化特征

5.6.4 玉米产量可持续性及稳定性分析

5.7 小结

6 马铃薯种植模式下不同比例复配土壤质量演变及作物适宜性分析

6.1 不同种植年限下复配土壤机械组成分析

6.1.1 复配土壤机械组成年际变化特征

6.1.2 复配土壤颗粒组成空间变化分析

6.1.3 复配土壤颗粒分形维数年际变化分析

6.2 不同种植年限复配土壤机械稳定性团聚体状况

6.2.1 种植年限对复配土壤机械稳定性团聚体的影响

6.2.2 复配土壤团聚体稳定性分析

6.3 不同比例复配土壤水稳性团聚体组成变化特征

6.3.1 不同比例复配土壤水稳性团聚体组成状况

6.3.2 不同比例复配土壤水稳性团聚体稳定性分析

6.4 种植年限对复配土壤有机质的影响

6.5 不同比例复配土壤马铃薯产量可持续性分析

6.6 讨论

6.6.1 马铃薯不同种植年限复配土壤机械组成特征

6.6.2 马铃薯种植模式下复配土壤团聚体稳定性分析

6.6.3 马铃薯不同种植年限下复配土壤有机质含量状况

6.6.4 不同比例复配土壤马铃薯产量年际变化特征

6.7 小结

7 主要结论及研究展望

7.1 主要结论

7.1.1 不同耕种年限复配土壤微观结构特征及团胶结类型

7.1.2 复配土有机无机胶结物质与团聚体稳定性之间的关系

7.1.3 砒砂岩与沙复配土壤结构性对季节性冻融循环作用的响应

7.1.4 不同作物种植模式下复配土壤质量变化特征及作物适宜性

7.2 创新点

7.3 研究展望

致谢

8 参考文献