本文是一篇土木工程论文，本文基于野外大田试验，以西北旱区不同种植年限的压砂地为研究对象，选取 32 m×32 m 的研究区域，采集 0-40 cm 深度的土样，研究了西北旱区不同种植年限对压砂地土壤水动力学参数的影响，借助经典统计学和地统计学理论方法，进一步分析了压砂地土壤水动力学参数的空间变化规律，运用分形学理论研究了土壤粒径分布与土壤水分特征曲线分形学特征的关系，并利用线性回归模型对土壤水分特征曲线进行了预测。研究结果可为压砂地的土壤水分运移规律分析和计算提供理论依据。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景
土壤不仅是农业可持续发展的基础，而且也是人类赖以生存的环境资源[1-3]。土壤的各种特性，如土壤颗粒分布、土壤含水率、土壤水分特征曲线、饱和导水率、土壤电导率、土壤有机质等在同一时间、同一质地、不同空间位置上存在横向或纵向的变化，这种属性便被称为空间变异性[4-7]。土壤各种参数的空间变异性受到气候环境、土壤质地、地形地貌以及人类活动等综合作用的影响[8-10]。土壤水分运动是生态水文循环的重要组成部分，而科学认识土壤水分动态变化规律的基础和前提是掌握土壤水动力学参数的特征及其空间变异特征[11]。
土壤水分特征曲线是一个重要的土壤水动力学参数，体现了土壤水的能量和数量之间的关系[12]，同时它也是研究土壤水动力学性能的基础。土壤水分特征曲线对于评价土壤持水性和土壤水分有效性具有重大意义[13]，其受到土壤质地、土壤结构等因素的影响，由于这些因素的异质性，土壤水分特征曲线在时间和空间上都存在很大的变化[14-16]。
土壤饱和导水率也是土壤的主要水动力学参数之一，它是衡量土壤饱和渗透率的一个重要指标，也是水文模型中的重要参数[17]。土壤饱和导水率是指土壤在饱和状态下，在单位水势梯度发展作用下，单位时间内通过单位面积的水流通量[18]。其对于估算土壤非饱和导水率、模拟土壤水文过程都具有重要的意义[19-22]。土壤饱和导水率由于受到土壤质地、有机质和植被类型等因素的影响，使其在空间上呈现出明显的变异性[23-25]。
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1.2 研究目的和意义
土壤水分特征曲线和土壤导水率是表征土壤特性的重要参数，在生产实践中有着重要意义[38-40]。土壤水分特征曲线是研究土壤持水性能的基本特性曲线，可以为研究土壤-植物-大气连续体（SPAC 系统）中水流运动的机理分析与数值模拟提供科学依据[41-43]。土壤导水率不仅反映了土壤的水分入渗和渗漏性质，而且具有较强的空间变异性，其主要与土壤质地、结构、容重、养分、盐分、有机质含量等相关[44-46]，研究土壤导水率的影响因素及空间变异对探索土壤改良途径及水土保持提供重要的理论支持。同时，大量研究表明，土壤粒径分形维数不仅能够表征土壤颗粒的分布特征[47-49]，还可以有效反映土壤水动力学参数的特性[50-51]，因而土壤粒径分布与土壤水分特征曲线分形学关系的研究对土壤水分调控和评价都有重要意义。
为了更合理的利用农田土地资源，提高土地利用率，许多专家和学者通过在农田表面覆盖秸秆、地膜以及砂石的方法，来改善土壤表层的理化性质，从而达到促进作物生长的目的[52-54]。而压砂地作为西北旱区传统的抗旱耕作模式，可以改善土壤内部条件，保持水分含量，减少表面盐分积累，起到蓄水保墒、增温保肥、减蒸压盐的作用。
压砂地作为我国干旱地区一种独特的耕作模式，对其土壤水动力学参数特征以及压砂地土壤水动力学参数的空间变异规律的研究还有待深入，因此本文结合大田实地采样和实验室测定分析，以不同种植年限压砂地在 0-40 cm 深度处的土壤为研究对象，分析了压砂年限对土壤水分特征曲线及土壤导水率的影响，进而探究了不同种植年限压砂地土壤水分特征曲线的空间变异规律，拟合了土壤粒径分布与土壤水分特征曲线分形学特征的关系。以期为西北旱区压砂地资源的合理规划及利用提供科学参考。
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第 2 章 研究区概况与研究方法
2.1 研究区概况
以甘肃省白银市景泰县境内的压砂地土壤作为本次论文的研究对象（图2.1）。景泰县地处甘、蒙、宁三省（区）交界处，地理位置位于北纬36°43′至37°38′，东经103°33′至104°43′之间，是黄土高原与腾格里沙漠的过渡地带。
景泰县地势呈西南高，东北低，海拔范围处于1276m~3321m之间。该地区主要为洪积灰棕荒漠土和灰钙土。全县总面积5483 km2，现有耕地69.33万亩；草场面积522.8万亩，占总土地面积的64.16%；森林面积34.3万亩，森林覆盖率3.3%；宜林地10.2万亩。地处季风区与非季风区过渡地带，县境内气候呈现出明显的大陆性气候特征，年均降水量185mm，多集中在七、八、九三个月，占全年降水量的61.4%，年均蒸发量3038mm，是降水量的16倍。光热资源丰富，日照时间长，是我国除青藏高原之外，光热资源最丰富的地区之一，无霜期141天。
图2.1 研究区地理位置图
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2.2 采样方案选择
景泰县地势较为平坦的不同种植年限的压砂地作为试验样地，供试土壤类型为砂壤土。本试验以裸地（无植被、无覆砂）为对照组，选取不同种植年限的压砂地作为研究对象。压砂地主要包括新砂地（种植年限≤10 年）、中砂地（种植年限 25-30 年）和老砂地（种植年限 45-60 年）[101]。研究区面积为 15000 m2，为了保证取样精度并减小工作量，采样面积均取 32×32 m 的矩形样地，分别沿东西、南北方向依次取样，测点中心距 a 为 4 m，取样方法为土钻取土，采集 60-70 g 的土壤样品。取样深度为 0-20 cm、20-40 cm，每层 64 个取样点。采样点剖面分布如图 2.2 所示。
图 2.2 取样点剖面分布图
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第 3 章 压砂地对土壤水动力学参数的影响 .......................... 16
3.1 不同种植年限压砂地对土壤持水性能的影响 ....................... 16
3.2 不同种植年限压砂地土壤水分特征曲线的适宜模型 ............................... 17
第 4 章 压砂地土壤水分特征曲线的空间变异规律 ....................... 24
4.1 土壤水分特征曲线的描述性统计 .......................... 24
4.2 土壤水分特征曲线 VG 模型参数的空间变异分析.................. 25
第 5 章 土壤粒径与土壤水分特征曲线分形学的关系 .............. 38
5.1 土壤粒径频率分析 ............................. 38
5.2 土壤粒径的分布及其与粒径分形维数的关系 ................. 38
第 5 章 土壤粒径与土壤水分特征曲线分形学的关系
5.1 土壤粒径频率分析
采用美国制(USDA)粒级划分标准对研究区土壤粒径分级，即粘粒（0-2 μm）、粉粒（2-50 μm）和砂粒（50-2000 μm）。在分形维数计算中，粒径设定为 0-2 μm、2-5 μm、5-20 μm、20-50 μm、50-500 μm、500-2000 μm。土壤粒径分布频率曲线不仅可以确定土壤颗粒的相对含量，还可以根据曲线的平滑度判断土壤颗粒的均匀程度。以土壤粒径为横坐标，粒径体积分数为纵坐标绘制土壤粒径分布频率曲线，如图 5.1 所示。0-20 cm、20-40 cm 土层的曲线分布较均匀，砂粒体积较大。土壤颗粒主要分布在 0.2-500 μm 之间。
图 5.1 不同土层土壤颗粒体积含量的频率分布
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结论与展望
1. 结论
本文基于野外大田试验，以西北旱区不同种植年限的压砂地为研究对象，选取 32 m×32 m 的研究区域，采集 0-40 cm 深度的土样，研究了西北旱区不同种植年限对压砂地土壤水动力学参数的影响，借助经典统计学和地统计学理论方法，进一步分析了压砂地土壤水动力学参数的空间变化规律，运用分形学理论研究了土壤粒径分布与土壤水分特征曲线分形学特征的关系，并利用线性回归模型对土壤水分特征曲线进行了预测。研究结果可为压砂地的土壤水分运移规律分析和计算提供理论依据。主要研究结果如下：
（1）不同种植年限压砂地对土壤水动力学参数的影响规律：不同种植年限的土壤含水率均表现出随吸力增加而减小的趋势。在相同土壤水吸力条件下，0-20cm 土层土壤含水量的变化趋势表现为：新砂地>中砂地>老砂地>裸地，20-40 cm土层土壤含水量表现为：新砂地>中砂地>裸地>老砂地。压砂地土壤非饱和导水率变化趋势比裸地要快，其中新砂地的变化趋势最快。在 0-20 cm 和 20-40 cm 土层，当土壤非饱和导水率相同时，含水率均表现为新砂地>中砂地>老砂地>裸地。
（2）不同种植年限压砂地土壤水分特征曲线的适宜模型：VG 模型和 BC 模型对不同种植年限 0-40 cm 土层的土壤均具有良好的适用性，决定系数都大于0.98，误差小，拟合精度高。与 BC 模型相比，VG 模型精度更高，VG 模型可较好地同时对不同种植年限压砂地土壤水分特征曲线进行模拟。
参考文献（略）
