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1、U n i v e r s i t yC o d e：10 2 2 5R e g i s t e rC o d e：B 11 0 3 3D i s s e r t a t i o nf o rt h eD e g r e eo fD o c t o rE f f e c to fm a c h i n e r yt i l l a g ea n ds e a s o n a lf r e e z e t h a wo ns o i ls t r u c t u r ei nb l a c ks o i lr e g i o nC a n d i d a t e：S u p e r v i s
2、o r：A s s o c i a t eS u p e r v i s o r：A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r：S p e c i a l i t y：D a t eo fO r a lE x a m i n a t i o n：U n i v e r s i t y：W a n gE n h e n gP r o f Z h a oY u s e nP r o f C h e nX i a n g w e i；P r o f R i c h a r dM C r u s eD o c t o r o fS c i e n c eS
3、o i la n d，a t e rC o n s e r v a t i o nJ u n e 2 0 1 1N o r t h e a s tF o r e s t r yU n i v e r s i t y摘受摘要以东北典型黑土区耕地土壤为主要研究对象，采用m 问机械作业过程与模拟机械压实试验相结合、用间季节性冻融过程与室内模拟冻融循环试验相结合的方法，从机械作业币负效益、季节性冻融循环特征等方面入手，研究了对土壤影响范围较深、影响程度较为强烈的机械作业和季节性冻融循环两个过程对典型黑土区土壤结构的影响。首先，通过对容重、硬度、孔隙度、团聚体分布及稳定性、三相比、速效养分等指标的测定与
4、分析，研究了不同机械类型以及前期含水量对机械作业条件下黑土耕作区、非耕作区土壤结构特征、有效养分的影响，结果表明：(1)机械作业对黑土区耕地土壤结构存在正负两方面效应，总体表现为对表层耕作区土壤的疏松改良效果，和对耕作层下土壤的积累压实作用，大机械和中机械作业条件下的压实积累区分别在4 1 6 0 c m 和3 1 4 0 c m 土层范围。(2)大机械对耕作区土壤环境的改善调节作用明显优于中小机械，显著降低了表层耕作区土壤的容重，收获和深松作业后土壤容重分别较收获前降低了3 5 和7 2(P O 0 5)，非毛管与毛管的比例(N C P C P)显著增加，而由于中机械收获和整地深度不一致，在
5、1 7 5 3 0 c m 深度产生了土壤再生板结。(3)大机械收获、整地作业可以显著增加土壤速效磷的含量，与收获前相比提高2 0 0 7-,3 8 0 9 1，中机械作业时土壤速效磷的含量整体上呈现降低趋势；大、中机械作业对土壤速效氮的影响均不明显，显著增加了下层非耕作区土壤速效钾含量，提高幅度分别为1 0 0 4-2 0 6 1 和1 7 0 5,-2 7 5 2(P O 0 5)。(4)自订期含水量不同对机械J i Z 实后黑土土壤结构特征的变化具有显著影响。前期含水量较高时机械压实对土壤的影响范围较深，可达4 0 c m，比较低前期含水量的影响范围增加了l O c m。但高含水量时，从
6、首次压实丌始就体现了积累压实的作用。(5)综合黑土耕作区O-3 0 c m 范阐内干筛团聚体和水稳性团聚体P A n 2 5、M W D、M W S S A、分维数D 值和P A D n 乃的变化，可以认为少次压实具有促进土壤团聚体团聚的作用，但同等负荷下多次积累压实会降低土壤的水稳定性和机械稳定性。其次，采用长期定位监测的方法对比分析了典型剖面、不同坡位(坡肩和坡脚)处季节性冻融特征；通过对容重、硬度、孔隙度、空隙比、饱和度、团聚体分和及稳定性等指标的测定和分析，研究了季节性冻融对黑土耕作区、非耕作区以及压实黑土结构特征的影响；最后采用美国中部黑土的原状土、填充土、团聚体样品，通过窀内模拟实
7、验，进行了冻融循环次数、含水量对孔隙结构、团聚体稳定性的研究，结果表明：(1)季节性冻融过程中(2 0 0 8 年1 0 月2 0 0 9 年6 月)，坡上部位的冻结强度较为明显，坡下部位积雪较深，坡上和坡下的最大冻结深度分别为2 2 9 c m 和1 9 1 c m，坡上部位的平均冻结和解冻速度分别为1 1 7 c m d 和2 8 3 c m d：而坡下部位则相应为1 0 3 c m d 和2 6 0 c m d。(2)季节性冻融后，5 0-7 0 c m 土层范围的土壤结构较其上下土层更为敏感(P O 0 5)，耕作区土壤(O-,3 0 c m)风干团聚体呈分散趋势，但大于0 2 5 m
8、 m 团聚体的水稳定性却显著增强(P O 0 5)。土壤硬度以表层(0-1 0 c m)变化最为显著，降低了8 4 1 1 东北林业大学博f：学位论文(P 5 m m 干筛团聚体和 O 2 5 m m 水稳性团聚体的含量；有水分补充时则加剧了团聚体的拆分作用，显著增加了 2 m m 干筛团聚体和0 2 5 l m m 水稳性团聚体的含量。(4)由于不同压实程度土体内水热运移规律和季节性冻融过程与特征差异所致，季节性冻融能够对压实土壤的团聚体、孔隙以及三相结构产生影响，呈现缓解并改善典型黑土耕作区压实土壤环境的趋势，但仅一季冻融循环作用均无法使各压实处理达到无碾压自然恢复的状态。(5)模拟冻融循
9、环时，冻融循环对各粒级风干团聚体、水稳定性团聚体比例的影响均达到了显著水平(P O 0 1)，而前期含水量仅对小于5 m m 的水稳性团聚体分布比例有显著影响(尸 D 0 1)。风干团聚体对冻融交替更加敏感，取样方式对风干团聚体的M W D 影响显著(P 5 m m 孔隙的平均数目与平均面积的影响最为显著(P O 0 5)，冻融循环显著降低了粘化层(4 0 8 0 c m)填充土柱的平均孔隙数目，相比之下，含水量对填充土柱孔隙的影响较小。与此同时，在研究过程中借鉴柯布道格拉斯生产函数边际递减效益的思想，构建了旱作土壤介质中“三相投入”与“结构产出”的土壤结构生产函数(G 跚)和土壤三相结构距离
10、(S T P S D)，为定量化研究、分析和综合评价土壤结构状态与变化动态提供了新的综合指标及方法。研究的结果不仅可以为进一步深入系统研究东北黑土区十壤质量演变与管理提供理论参考和借鉴，而且对黑土资源的利用与保护、科学指导机械作业、恢复和改善黑土土壤结构与功能具有重要的现实意义。关键词黑土；季节性冻融；机械作业；土壤结构；团聚体A b s t r a c tA b s t r a c tA g r i c u l t u r a lm a c h i n e r yt i l l a g ea n ds e a s o n a lf r e e z e-t h a wc y c l e sa
11、let w om a j o rp r o c e s s e sa f f e c t i n gs o i ls t r u c t u r ei nb l a c ks o i lr e g i o no fN o r t h e a s tC h i n a C o m b i n i n gp r a c t i c a lm a c h i n e r yo p e r a t i o na n dn a t u r a lf r e e z e t h a wc y c l e sw i t ha r t i f i c i a lm a c h i n e r yc o m p
12、 a c t i o ni nt h ef i e l da n da r t i f i c i a lf r e e z e t h a wc y c l e si nt h el a b，t h ep l u sa n dm i n u sb e n e f i t so fm a c h i n e r yt i l l a g e，c h a r a c t e r i z a t i o no fs e a s o n a lf r e e z e t h a wc y c l e s，a n dt h e i re f f e c t sO i ls o i ls t r u c
13、 t u r ew e r es t u d i e db a s e do nt y p i c a lb l a c ks o i l F i r s t l y，t h ee f f e c t so fm a c h i n e r yt y p ea n da n t e c e d e n tw a t e rc o n t e n to ns o i ls t r u c t u r ea n ds o i la v a i l a b l en u t r i e n tw e r ei n v e s t i g a t e db ym e a s u r i n gs o
14、i lb u l kd e n s i t y，s o i ls t r e n g t h，s o i lp o r o s i t y,s o i la g g r e g a t ed i s t r i b u t i o na n ds t a b i l i t y,t h r e es o i lp h a s e sa n da v a i l a b i l i t yo fn i t r o g e n，p h o s p h O r u S，p o t a s s i u m T h er e s u l t ss h o w e dt h a t(1)M a c h i
15、 n e r yt i l l a g eh a dp o s i t i v ea n dn e g a t i v ei n f l u e n c eo ns o i ls t r u c t u r e,s o i li nt o pc u l t i v a t e dl a y e rc a nb el o o s e n e da n da m e l i o r a t e dh o w e v e rt h es u b s o i lc o m p a c t i o nw a sr e s u l t e d F o rh e a v ya n dm e d i u mm
16、 a c h i n e r y,s u b s o i lc o m p a c t i o nf o r m e di nt h es o i ld e p t ho f4 1-6 0 c ma n d31-4 0 c m，r e s p e c t i V e ly(2)H e a V ym a c h i n e r yd i db e t t e ri ni m p r o v i n gs o i le n v i r o n m e n tc o m p a r e dw i t hm e d i u mm a c h i n e r y,s o i lb u l kd e n
17、s i t yu n d e rh e a v ym a c h i n e r yo p e r a t i o nd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yb y3 5 a n d7 2 a f t e rh a r v e s t i n ga n ds u b s o i l i n ga n dN C P f C Pi n c r e a s e dd r a m a t i c a l l ya l s o(P O 0 5)；h o w e v e rd u r i n gt h es o i ld e p t ho f17 5-3 0 c
18、 mu n d e rm e d i u mm a c h i n e r yo p e r a t i o nt h e r ew a san e wp l o wp a np r o d u c e db e c a u s eo ft h ed e p t hd i f f e r e n c eb e t w e e nh a r v e s t i n ga n ds u b s o i l i n g(3)H e a v ym a c h i n e r yh a r v e s t i n ga n ds u b s o i l i n gc o u l di n c r e a
19、 s ep h o s p h o r u sa v a i l a b i l i t yb y2 0 0 7 3 8 0 9 1 o v e r a l l，a n di n c r e a s ep o t a s s i u ma v a i l a b i l i t yb y1 0 0 4-2 0 6 1(P D 0 5)i nt h es u b s o i l；m e d i u mm a c h i n e r yo p e r a t i o np r e s e n t e dai n c r e a s ea n dd e c r e a s et r e n do f
20、p h o s p h o r u sa v a i l a b i l i t ya n di n c r e a s ep o t a s s i u ma v a i l a b i l i t yb yI7 0 5 2 7 5 2(P O 0 5)i nt h es u b s o i l；b o t hh e a v ya n dm e d i u mm a c h i n e r yh a dn os i g n i f i c a n c eo ns o i ln i t r o g e na v a i l a b i l i t y(4)A n t e c e d e n t
21、w a t e rc o n t e n th a das i g n i f i c a n te f f e c to ns o i ls t r u c t u r eu n d e rm a c h i n e r yo p e r a t i o n s H i g h e rw a t e ra n t e c e d e n tr e s u l t e di nd e e p e rs u b s o i lc o m p a c t i o na tp o r o s i t y,v o i dr a t i o，s o i ls a t u r a t i o n,s o
22、i la g g r e g a t ed i s t r i b u t i o na n ds t a b i l i t y R e s u l t ss h o w e dt h a t(1)D u r i n gs e a s o n a lf r e e z i n ga n dt h a w i n gc y c l e so fO c t o b e r,2 0 0 8t oJ u n e，2 0 0 9，s o i lo nt h eh i#I e l e l e v a t i o nh a dm o r ei n t e n s i v ef r e e z ep r o
23、 c e s sw i t hs h a l l o ws n o wd e p t h；t h eb i g g e s tf r o z e nd e p t hi nh i g h e l a n dl o w e re l e v a t i o nw e r e2 2 9 c ma n d191c mr e s p e c t i v e l y T h es p e e do ff r e e z ea n dt h a wp r o c e s s e sw e r e1 17 c m da n d2 8 3 c m di nh i g h e l e l e v a t i o
24、 np o s i t i o n，w h i c hw e r e1 0 3 c m da n d2 6 0 c m df o rl o w e re l e v a t i o np o s i t i o n(2)S o i la td e p t ho f5 0-7 0 c mw a sm o r eS U s c e p t i v et os e a s o n a lf r e e z i n ga n dt h a w i n gc y c l e s(P 0 0 5 0；a f t e rs e a s o n a lf r e e z i n ga n dt h a w i
25、 n g，d r ya g g r e g a t e si nc u l t i v a t e ds o i l(O-一3 0 c m)l a y e rd i s p e r s e da n ds t a b i l i t yo fw a t e rs t a b l ea g g r e g a t e sb i g g e rt h a n0 2 5 m mi n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y(P 0 0 5)s o i ls t r e n g t hi no lO c md e c r e a s e db y8 4 11(P
26、0 2 5 m mi n c r e a s e dw h e nt h e r eW a sn oe x t r aw a t e ra p p l i e dd u r i n gf r e e z i n ga n dt h a w i n gc y c l e s；h o w e v e rs o i la g g r e g a t e sd i s p e r s e dm o r ew h e na p p l y i n gw a t e rd u r i n gf r e e z i n ga n dt h a w i n gc y c l e s，d r ya g g r
27、e g a t e ss m a l l e rt h a n2 m ma n dw a t e rs t a b l ea g g r e g a t e so fO 2 5 lm mi n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y(P 0 0 5)(4)S e a s o n a lf r e e z e t h a wc y c l e sc o u l dl o o s e na n di m p r o v es o i le n v i r o n m e n ti nc u l t i v a t e dl a y e rc o m p a c
28、 t e db yt r a c t o Lb u to n es e a s o n a lf r e e z e t h a Wp r o c e s sw o u l dn o tm a k et h ec o m p a c t e ds o i lr e c o v e rt ot h en a t u r a ll e v e l(5)D u r i n ga r t i f i c i a lf r e e z i n g t h a w i n gp r o c e s s，d r ya g g r e g a t e sa n dw a t e rs t a b l ea g
29、 g r e g a t e sw e r ei n f l u e n c e db vt h en u m b e ro fc y c l e ss i g n i f i c a n t l y(P 0 O J)，a n t e c e d e n tw a t e rc o n t e n tc o u l do n l ya f f e c tw a t e rs t a b l ea g g r e g a t e ss m a l l e rt h a n5 m m(P O 0 1)。D r ya g g r e g a t e sw e r em o r es u s c e
30、p t i v et h a nw a t e rs t a b l ea g g r e g a t e s，a n dt h eM W Do fd r ya g g r e g a t e sw a sa f f e c t e db ym e t h o do fs a m p l i n gs o i l(P O 0 1)(6)F r o mt h ei m a g ea n a l y s i sr e s u l t so fC T,f r e e z e-t h a wc y c l e sc o u l di n c r e a s et h ea v e r a g en u
31、 m b e ro fp o r e so fs o i la td e p t ho fO-4 0 c ma n dd e c r e a s ea v e r a g en u m b e ra n dF e r e td i a m e t e ro fp o r e sd u r i n gs o i ld e p t ho f4 0-8 0 c m F o ra r g i l l i cl a y e r(4 0 8 0 c m)，a v e r a g en u m b e ra n da r e ao fp o r e sw i t hs i z eb i g g e ra n
32、 de q u a lt o5 m mw e r ei n f l u e n c e db ya n t e c e d e n tw a t e rc o n t e n ts i g n i f i c a n t l y(P n)；T h en u m b e ro ff r e e z e-t h a wc y c l e sh a dm o r ei n f l u e n c eo nt h ea v e r a g en u m b e ro fp o r e sc o m p a r e dw i t ha n t e c e d e n tw a t e rc o n t
33、e n t M e a n w h i l e w ec o n s t r u c t e dg e n e r a l i z e ds o i ls t r u c t u r ei n d e x(G S S l)a n ds o i lt h r e ep h a s e si n d e x(G S S l)b a s e do nt h eC o b b D o u g l a sp r o d u c t i o nf u n c t i o n，w h i c hc a nu s et oq u a n t i f ya n de v a l u a t es o i ls
34、t r u c t u r ec o n d i t i o n R e s u I t s 舳mt h i sr e s e a r c hc o u l do f f e rt h et h e o r yr e f e r e n c et of u r t h e rs t u d yq u a l i t ya n dm a n a g e m e n to fb l a c ks o i la n dc o n t r i b u t er e a l i s t i cs i g n i f i c a n c et og u i d em a c h i n e r yt i
35、l l a g ea n da m e l i o r a t es o i ls t r u c t u r ea n df u n c t i o no fb l a c ks o i l K e y w o r d sB l a c ks o i l；S e a s o n a lf r e e z e t h a wc y c l e s；M a c h i n e r yt i l l a g e；S o i ls t r u c t u r e；S o i la g g r e g a t eI V 目录摘要。目录A b s t r a c t I I I1 绪论1 1 研究背景1
36、1 2 国内外研究进展21 2 1 黑土及其丌发利用现状21 2 2 黑土侵蚀及影响因素61 2 3 机械作业对土壤结构与性质的影响71 2 4 季节性冻融对土壤结构与质量的影响1 02 基于土壤三相广义土壤结构的定量化表达及应用1 22 1G S S I 函数的选择与建立1 32 2G S S I 函数的检验142 3G S S I 函数的应用一l62 4 土壤三相结构距离的计算及应用1 82 5 小结与讨论2 02 5 1 小结2 02 5 2 讨论2 l3 机械作业过程对土壤结构与速效养分的影响2 23 1 研究地区与研究方法2 23 1 1 研究区自然概况一2 23 1 2 研究方法2
37、 33 2 结果与分析2 33-2 1 机械作业对土壤硬度的影响一2 33 2-2 机械作业对土壤容重的影响2 53 2 3 机械作业对土壤N C P C P 的影响2 53 2 4 机械作业对土壤三相比的影响一2 73 2 5 机械作业对土壤速效养分的影响2 83 3 本章小结3 04 机械模拟压实对土壤结构与团聚体特征的影响3 24 1 材料与方法3 24 1 1 实验设计3 24 1 2 样点的命设与样品采集3 34 1 3 指标与测定方法3 3东北林业人学博f：学位论文4 1 4 数据处理3 44 2 结果与分析3 44 2-1 前期含水量对机械压实土壤结构特征的影响3 44 2 2
38、压实对土壤团聚体特征的影响一3 74 2 3 前期含水量对压实土壤团聚体特征的影响4 l4 3 本章小结4 55 季节性冻融对土壤结构与团聚体特征的影响4 75 1 材料与方法一4 75 1 1 试验设计4 75 1 2 指标与方法4 95 1 3 数据处理4 95 2 结果与分析一4 95 2 1 季节性冻融特征及其对土壤侵蚀的潜在影响一4 95 2 2 季节性冻融对耕作区土壤结构的影响一5 35 2 3 季节性冻融对典型土壤团聚体特征的影响一5 75 2 4 季节性冻融后机械压实黑土自然恢复特征6 15 3 小结与讨论6 45 3 1 小结6 45 3 2 讨论6 56 模拟冻融循环对土壤
39、团聚体分布与稳定性的影响。6 1 材料与方法6 86 1 1 土壤样品采集一6 86 1 2 实验设计6 96 1 3 指标与测定方法6 96 1 4 数据处理6 96 2 结果与分析一6 96 2 1 团聚体的分布特征一6 96 2 2 平均霉量卣径与团聚体稳定性一7 l6 2 3 不同取样方式测定结果的比较一7 26 3 小结与讨论7 37 模拟冻融循环对土壤孔隙特征的影响7 47 1 材料与方法7 47 1 1 样品采集与制备一7 47 1 2C 丁扫描一7 57 1 3 图像处理一7 57 1 4 数据处理7 6目录7 2 结果与分析7 67 2-1 冻融循环后土壤剖面孔隙的变化7 6
40、7 2-2 冻融循环对粘化层土壤孔隙的影响7 87 3 小结与讨论8 57 3 1 小结一8 57 3 2 讨论8 51 占论；7参考文献8 9攻读学位期间发表的学术论文致谢。东北林业火学博l：学位论文A b s t r a c ti nC h i n e s e A b s t r a c ti nE n g l i s hC a t a l o g1I n t r o d u c t i o n 11 1B a c k g r o u n d。11 2P r o g r e s s e sa n dp e r s p e c t i v e so f r e s e a r c h e s
41、o nb l a c ks o i l 2。I 2。IC u r r e n ts i t u a t i o no fe x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o n 21 2 2S o i le r o s i o na n di t si n f l u e n c i n gf a c t o r s 61 2 3E f f e c t so f m a c h i n e r yo p e r a t i o no ns o i ls t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s 71 2 4E f
42、f e c t so fs e a s o n a lf r e e z e-t h a wo ns o i ls t r u c t u r ea n dq u a l i t y 102Q u a l i f y i n gS o i lS t r u c t u r eB a s e do nS o i lT h r e eP h a s e sa n dI t sA p p l i c a t i o n 122 1S e l e c t i o na n de s t a b l i s h m e n to fG：豁，f o u n c t i o n 1 32 2T b s to
43、 fG 婚，f o u n c t i o n 1 42 3A p p l i c a t i o no fG S S If o u n c t i o n 1 62 4C a l c u l a t i o na n da p p l i c a t i o no fS T P S D 1 82 5S u m m a r ya n dd i s c u s s i o n 2 02 5 1S u m m a r y 2 02 5 2D i s c u s s i o n：2 13E f f e c t so fM a c h i n e r yO p e r a t i o no nS o
44、i lS t r u c t u r ea n d A v a i l a b l eN u t r i e n t 2 23 1S t u d ya r e aa n dm e t h o d s 2 23 1 1G e n e r a ls i t u a t i o no f t h es t u d ya r e a 2 23 1 2I n d e x e sa n dm e t h o d s 2 33 2R e s u l t sa n da n a l y s e s 2 33 2。IE f f e c to f m a c h i n e r yo p e r a t i o
45、no ns o i ls t r e n g t h 2 33 2 2E f f e c to f m a c h i n e r yo p e r a t i o no ns o i lb u l kd e n s i t y 2 53 2 3E f f e c to fm a c h i n e r yo p e r a t i o no ns o i lN C P C P 2 53 2 4E f f e c to fm a c h i n e r yo p e r a t i o no ns o i lt h r e ep h a s e s 2 73 2 5E f f e c to f
46、 m a c h i n e r yo p e r a t i o no ns o i la v a i l a b l en u t r i e n t 2 83 3S u m m a r y 3 04E f f e c to fS i m u l a n tM e c h i n e r yC o m p a c t i o no nS o i lS t r u c t u r ea n dA g g r e g a t e 3 24 1M a t e r i a l sa n dm e t h o d 3 24 1 1E x p e r i m e n t a ld e s i g n
47、3 24 1 2S p o ts e t u pa n ds a m p l e sc o l l e c t i o n 3 34 1 3l n d e x e sa n dm e t h o d s 3 3-V 1 1 14 1 4D a t ap r o c e s s i n g 3 44 2R e s u l t sa n da n a l y s e s 4 2 1E f f e c to fa n t e c e d e n tm o i s t u r ec o n t e n to ns o i ls t r u c t u r ec o m p a c t e db ym
48、a c h i n e r y 3 44 2 2E f f e c to fs o i lc o m p a c t i o no nt h es i z ea n dd i s t r i b u t i o no fs o i la g g r e g a t e s 3 74 2 3E f f e c to fa n t e c e d e n tm o i s t u r ec o n t e n to ns o i la g g r e g a t e sc o m p a c t e db ym a c h i n e r y 一4 14 3S u m m a r y 4 55E
49、f f e c to fS e a s o n a lF r e e z e t h a wo nS o i lS t r u c t u r ea n dA g g r e g a t eC h a r a c t e r 4 75 1M a t e r i a l sa n dm e t h o d 4 75 1 1E x p e r i m e n t a ld e s i g n 4 75 1 2I n d e x e sa n dm e t h o d s 4 95 1 3D a t ap r o c e s s i n g 4 95 2R e s u l t sa n da n a
50、 l y s e s 4 95 2 1C h a r a t e ro fs e a s o n a lf r e e z e t h a wa n di t sp o t e n t i a le f f e c to ns o i le r o s i o n 4 95 2 2E f f e c to fs e a s o n a lf r e e z e-t h a wo ns o i ls t r u c t u r ei nc u l t i v a t e dz o n e 5 35 2 3E f f e c to f s e a s o n a lf r e e z e t h