【摘 要】
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西北地区干旱少雨,土壤贫瘠,蒸发量极高,特殊的地理位置和气候条件形成了大量盐渍化土壤。由于水资源匮乏,生态修复成本更高,修复难度更大。选择一种合适的生态修复方法至关重要。因此,本研究选择小麦秸秆作为土壤改良材料,以新疆准东红沙泉煤矿排土场的土壤为研究对象,设置秸秆混掺量和粉碎程度为影响因素,通过在开展室内土柱模拟实验,系统研究了不同秸秆处理下的土壤水盐的运移规律,以期能够改良土壤质地,改善矿区荒漠
【基金项目】
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自治区重点研发计划项目(2017B03017-3):卡拉麦里地区生态环境保护与修复技术研发示范-工矿废弃地生态修复技术研发与示范; 自治区重点实验室开放课题(2017D04025):干旱荒漠矿区复合添加物对碱性土壤的改良过程与机制;
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西北地区干旱少雨,土壤贫瘠,蒸发量极高,特殊的地理位置和气候条件形成了大量盐渍化土壤。由于水资源匮乏,生态修复成本更高,修复难度更大。选择一种合适的生态修复方法至关重要。因此,本研究选择小麦秸秆作为土壤改良材料,以新疆准东红沙泉煤矿排土场的土壤为研究对象,设置秸秆混掺量和粉碎程度为影响因素,通过在开展室内土柱模拟实验,系统研究了不同秸秆处理下的土壤水盐的运移规律,以期能够改良土壤质地,改善矿区荒漠化和盐渍化,达到生态修复的目的。主要研究成果如下:(1)在一维积水入渗实验处理下,不同秸秆处理均降低了土壤入渗性能,土壤入渗能力与秸秆混掺量和粉碎程度相关。在秸秆混掺量为1%和2%时,入渗能力表现为:粉末状>1cm>5cm;秸秆混掺量为3%时,入渗能力表现为粉末状>5cm>1cm。当秸秆为粉末状时,入渗能力表现为混掺量1%>混掺量3%>混掺量2%;粉碎程度为1cm时,入渗能力与秸秆混掺量呈负向关系,表现为混掺量1%>混掺量2%>混掺量3%;粉碎程度为5cm时,入渗能力表现为纯土>混掺量3%>混掺量1%>混掺量2%。(2)幂函数可以很好的拟合不同秸秆处理下湿润锋推进距离与时间之间的关系,相关系数R2在0.9922-0.9987之间。Kostiakov入渗模型能够准确的反映不同秸秆处理下土壤水分累积入渗量的变化规律,相关系数R2介于0.9925-0.9991之间。不同秸秆处理下湿润锋推进距离与累积入渗量符合线性关系,相关系数R2介于(0.9937-0.9994)之间。(3)在土壤0-15cm混掺小麦秸秆,能够抑制土壤水分蒸发,但不同处理之间不存在显著性差异。土壤累积蒸发量表现为纯土>粉末状(混掺量1%)>1cm(混掺量1%)>粉末状(混掺量3%)>1cm(混掺量3%)。土壤水分蒸发抑制作用表现为混掺量3%>混掺量1%,分段状秸秆>粉末状秸秆,且蒸发抑制作用与混掺量有关,混掺量越高,不同粉碎程度之间差异越大。粉末状秸秆蒸发抑制率随时间的增加略有下降,分段状秸秆蒸发抑制率则随时间不断增加。(4)Black蒸发模型和Rose蒸发模型可以很好的模拟不同秸秆处理下土壤水分累积蒸发量与时间的变化关系,相关系数R2介于0.961-0.998,具有强相关性。Rose蒸发模型的相关系数大于Black蒸发模型的相关系数,更能精确的反映秸秆混掺对土壤水分累积蒸发量的影响。(5)秸秆混掺提高了土壤上层的持水能力,持水能力表现为分段状秸秆>粉末状秸秆,混掺量3%>混掺量1%。在蒸发阶段,秸秆混掺增加了表层土壤水分的蒸发,抑制了下层土壤水分的蒸发,且秸秆混掺后,表层蓄水量增加,保水能力表现为1cm(混掺量3%)>粉末状(混掺量3%)>1cm(混掺量1%)>粉末状(混掺量1%)>纯土。(6)在土壤混掺秸秆有效抑制了土壤盐分表聚,且在入渗过程中对土壤盐分存在淋洗作用,对上层土壤有一定脱盐效果,淋盐效果表现为粉末状(混掺量3%)>1cm(混掺量3%)>1cm(混掺量1%)>粉末状(混掺量1%)>纯土。在21天蒸发实验结束后,土壤剖面盐分分布由“\”向“Z”字形变化,粉末状(混掺量1%)、粉末状(混掺量3%)、1cm(混掺量1%)、1cm(混掺量3%)处理在0-20cm土壤平均含盐量比纯土降低了7.98%、13.50%、9.36%、14.42%,控盐效果表现为混掺3%>混掺1%,分段状秸秆>粉末状秸秆。由此表明,在土壤中混掺秸秆能有效减少耕层土壤盐分含量,这对改良盐渍化土壤和植物生长具有重要的意义。(7)将力控组态软件与土壤传感器相结合研究土壤水分变化规律是一种行之有效的研究方式,实验过程中更加细致的反映了土壤水分的变化过程,增加数据量的同时避免了对土壤结构的破坏,有助于在研究中发现新的变化规律,为机理研究提供新的方法。目前的系统采用的是有线监测,在以后的大田研究中,可以将系统升级,利用网络开展远程监测,可以最大程度的减少工作量和降低研究成本。
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