土壤初始含水率对浑水膜孔灌肥液自由入渗水氮运移特性影响

为了探究浑水膜孔灌肥液入渗在不同土壤初始含水率下水氮运移特性,通过室内肥液入渗试验,研究了不同土壤初始含水率(6.02%,7.40%,8.23%,10.08%和13.20%)条件下入渗特性、湿润锋运移、土壤水分分布以及铵态氮和硝态氮的运移特性,建立了浑水膜孔灌肥液入渗累积入渗量、各向湿润锋运移距离与土壤初始含水率之间的关系,提出了不同土壤初始含水率的累积入渗量以及各向湿润锋运移距离的经验模型。结果表明:累积入渗量、各向湿润锋运移距离以及湿润体内水分和氮素的分布规律均受到土壤初始含水率的影响;同一入渗时刻,累积入渗量随土壤初始含水率的增大而减小,而湿润锋运移距离却呈现出随时间增大的趋势;土壤初始含水率越大,湿润体体积越大,湿润体内水分、铵态氮以及硝态氮分布范围越广;土壤初始含水率越大,入渗系数K值越小,入渗指数α越大。灌水结束时,湿润体内铵态氮绝大部分分布在湿润体半径r≤5cm范围内,而湿润体半径10cmr5cm范围的土壤铵态氮含量随土层深度的增加而降低,当湿润体半径r≥10cm时,铵态氮含量明显降低;硝态氮主要集中分布在由膜孔中心至半径为10cm范围内,水平方向和垂直方向硝态氮含量均随着膜孔中心距离的增加而降低,距离膜孔中心越近硝态氮含量越高;在同一位置处,铵态氮和硝态氮质量分数均随土壤初始含水率的增大而增大;随土壤水分再分布,湿润锋逐渐下移,湿润体内铵态氮逐渐向下运移且其含量呈现降低趋势;随时间继续运移,上层土壤硝态氮含量逐渐减小,下层新湿润体中硝态氮含量逐渐增加,整个湿润体内硝态氮含量分布趋于均匀。研究成果为进一步研究浑水膜孔灌肥液入渗氮素运移及转化奠定了基础。     

浑水含沙率对膜孔灌肥液入渗土壤水氮运移特性的影响

为研究浑水膜孔灌条件下含沙率对膜孔灌肥液入渗土壤水氮运移特性的影响,通过室内膜孔入渗试验,设5个含沙率水平(0、3%、6%、9%、12%),观测累积入渗量、湿润锋运移距离、湿润体内水分以及NO-3-N和NH4+-N运移变化特性。结果表明:浑水含沙率越大,湿润锋运移距离越小,相同入渗历时内湿润体体积和高含水率区域越小,湿润体内同一位置处土壤含水率越小。单位膜孔面积累积入渗量与入渗时间符合Kostiakov模型(R2>0.9,P<0.01);随着浑水含沙率的逐渐增大,入渗系数逐渐减小,而入渗指数基本不变。垂直湿润锋运移距离和减渗率均与入渗时间呈极显著的幂函数关系,含沙率对减渗率的影响主要是通过对减渗系数的影响来实现。湿润体土壤NO-3-N和NH4+-N含量随着浑水含沙率的增大而减小,且在膜孔中心附近区域其含量均较高。土壤NO-3-N主要集中分布在湿润半径10 cm范围内,湿润体水平方向及膜孔垂向土壤NO-3-N含量均随着距膜孔中心距离的增加而降低;而土壤NH4+-N主要集中分布在湿润半径5 cm范围内,湿润半径5~10 cm范围内的土壤NH4+-N含量随着土壤深度的增加而降低。研究结果可为进一步深入研究浑水膜孔灌肥液入渗提供理论依据。     

浑水膜孔灌多向交汇入渗湿润体特征数值研究

为了研究浑水膜孔灌不同膜孔直径对多点源交汇入渗湿润体特征的影响,设置4种不同大小的膜孔直径,通过室内试验,在膜孔灌入渗方式下,测量不同膜孔直径多向交汇湿润体特征的变化过程。结果表明：膜孔直径越大,相同入渗时间内水平和垂直湿润锋运移距离越大;自由入渗剖面,水平和垂直湿润锋运移距离均与入渗时间符合幂函数模型,运移参数随膜孔直径的增大而增大,运移指数则减小;交汇剖面水平和垂直湿润锋运移距离与入渗时间符合对数函数模型;随着膜孔直径的增大,膜孔周围土壤含水率均接近土壤饱和含水率,其他相同位置土壤含水率增大,发生单向交汇和多向交汇的时间逐渐减小;浑水膜孔灌湿润体内灌水均匀系数均大于90%,灌水均匀度非常高。     

土壤容重对浑水膜孔灌单点源自由入渗特性的影响

为揭示土壤容重对浑水膜孔灌单点源自由入渗条件下土壤水分入渗特征的影响,通过开展不同土壤容重的浑水膜孔灌自由入渗试验,研究了土壤容重对浑水膜孔灌自由入渗能力、湿润体特征及土壤含水率分布的影响,提出了不同土壤容重的浑水膜孔灌自由入渗单位膜孔面积累积入渗量和稳定入渗率模型;建立了浑水膜孔灌自由入渗率、湿润锋运移距离与土壤容重的关系。结果表明:浑水膜孔灌自由入渗随着土壤容重的增大,单位膜孔面积累积入渗量、稳定入渗率以及水平湿润锋运移距离都逐渐减小;在相同入渗时间内,随着土壤容重的增大,距膜孔中心相同位置处的土壤含水率减小。该研究成果可为更深入的研究浑水膜孔灌自由入渗规律和浑水膜孔灌技术提供参考。     

土壤初始含水率对膜孔灌湿润体特征的影响

为了研究膜孔灌中土壤初始含水率对湿润体特征及累积入渗量的影响,首先通过室内试验验证HYDRUS模拟西安粉壤土膜孔灌湿润体形状以及含水率分布的可靠性,然后基于HYDRUS模型模拟在不同初始含水率条件下膜孔灌湿润体的变化过程。结果表明:基于HYDRUS模型模拟的累积入渗量和湿润锋运移距离与室内试验结果的R~2均接近1,标准偏差绝对值均小于10%,拟合良好,表明HYDRUS模型模拟入渗过程的可靠性。膜孔灌湿润锋形状可采用椭圆方程表示。当初始含水率较小(不大于0.1 cm~3/cm~3)时,湿润体半径的含水率分布可采用椭圆方程表示;从膜孔中心到湿润锋表面,随着初始含水率的增大,湿润体内的含水率梯度减小,湿润体半径的含水率分布曲线由椭圆曲线逐渐转变为平缓曲线。基于湿润体含水率分布规律建立了考虑初始含水率的累积入渗量模型,累积入渗量与湿润体半径的三次方呈正比,湿润体半径可表示为湿润锋水平运移距离和垂向运移距离的几何平均值;对于不同的膜孔半径(1～5cm),模型计算累积入渗量与HYDRUS模拟值的R~2为0.99,标准偏差绝对值小于10%;对于粉土、粉壤土和壤土,当初始体积含水率不大于0.25 cm~3/cm~3算累积入渗量与HYDRUS模拟值的R~2为0.99,标准偏差绝对值小于10%,结果表明该模型对不同土壤质地和膜孔半径的适用性良好;该模型在计算作物灌水需求量方面优于Kostiacov模型等传统的经验模型。该研究揭示了不同初始含水率下的膜孔灌湿润体特征,并建立了累积入渗量模型,可为膜孔灌灌溉水量的计算提供参考依据。     

膜孔直径对浑水膜孔灌土壤水氮运移特性的影响

通过对西安粉壤土进行4种膜孔直径(6,8,10,12cm)的浑水膜孔肥液自由入渗室内试验,观测并分析了湿润锋运移距离、累积入渗量、湿润体内水分分布以及NO_3~--N和NH_4~+-N运移特性的变化规律。结果表明:膜孔直径对浑水膜孔灌土壤水氮运移特性具有较为显著的影响。不同膜孔直径的浑水膜孔灌肥液自由入渗累积入渗量符合Philip入渗模型;湿润锋运移距离与入渗时间呈极显著的幂函数关系;在相同的入渗时间内,膜孔直径越大,湿润锋运移距离越大,单位膜孔面积累积入渗量越小,同一位置处土壤NO_3~--N和NH_4~+-N含量越大。入渗400min内,在膜孔中心附近区域NO_3~--N和NH_4~+-N含量较高,湿润体内土壤NO_3~--N主要集中分布在距膜孔中心15cm范围内,而NH_4~+-N主要集中分布在距膜孔中心8cm范围内。     

不同膜孔直径的浑水膜孔灌单向交汇入渗特性

根据室内浑水膜孔灌单向交汇入渗试验资料,研究了不同膜孔直径的浑水膜孔灌单向交汇入渗特性;建立了浑水膜孔灌单向交汇入渗参数、单向交汇时间、湿润锋运移参数与不同膜孔直径的关系;提出了不同膜孔直径的浑水膜孔灌单向交汇入渗单位膜孔面积累积入渗量模型、稳定入渗率模型、自由面和交汇面湿润锋运移模型。结果表明:随着膜孔直径增大,单点膜孔累积入渗量逐渐增大,单位膜孔面积累积入渗量逐渐减小;单位膜孔面积累积入渗量的K值随着膜孔直径的增大而减小,α随着膜孔直径的增大而逐渐增大;在膜孔间距一定的情况下,入渗发生交汇的时间随着膜孔直径的增大而减小;在相同入渗时间内,随着膜孔直径的增大,自由面和交汇面垂直和水平湿润锋运移距离都逐渐增加。     

含沙率对层状土浑水膜孔灌单点源自由入渗特性的影响

为探究不同浑水含沙率对层状土入渗特性的影响,通过室内膜孔灌自由入渗试验,研究了以夹砂层位置为5~10cm的层状土条件下清水和不同含沙率的浑水(2%,5%,7%,9%)入渗的累积入渗量、湿润锋运移规律以及湿润体内土壤含水量分布情况,分别建立了层状土不同含沙率浑水膜孔灌入渗量、湿润锋运移距离与入渗时间之间的关系;提出了基于清水入渗的不同浑水含沙率单位膜孔面积累积入渗量模型。结果表明:不同浑水含沙率累积入渗量变化趋势一致,但含沙率越大,累积入渗量越小,浑水减渗作用越明显,对应入渗系数越小,入渗指数越大;湿润锋运移距离随含沙率的增大而减小,当水分入渗到壤—砂交界面时,湿润锋在垂向上出现明显停滞,仅在水平方向上随入渗时间不断推进;供水结束后不同浑水含沙率下土壤湿润体内水分主要集中砂层以上,土壤含水量随浑水含沙率的增大而减小。研究结果可为进一步研究层状土浑水膜孔灌灌溉技术提供理论参考。     

多因素影响下浑水膜孔肥液入渗土壤水分运移特性

为研究不同因素对浑水膜孔肥液入渗土壤水分运动特性的影响,开展室内土箱入渗试验,试验设土壤初始含水率、土壤容重、含沙率和肥液浓度4因素,每个因素设3个水平,共12组试验(9组正交试验,3组验证试验)。分析影响因素对浑水膜孔灌肥液入渗单位膜孔面积累积入渗量、入渗率及湿润体平均体积含水率增量的影响。利用多元回归推求并验证单位膜孔累积入渗量和湿润体平均体积含水率增量与影响因素的经验模型和模型参数。结果表明:土壤初始含水率、土壤容重、含沙率和肥液浓度对单位膜孔累积入渗量影响极显著(P<0.01),各影响因素影响程度由大到小依次为含沙率、土壤容重、土壤初始含水率、肥液浓度;土壤初始含水率、含沙率和肥液浓度对湿润体平均体积含水率增量影响极显著(P<0.01),土壤容重对其影响显著(P<0.05),各影响因素影响程度由大到小依次为土壤初始含水率、肥液浓度、含沙率、土壤容重。建立的经验模型及模型参数检验合格,预测值与实际测算值误差均在±10%以内,精度良好,可用于试验因素不同时土壤水分入渗情况预测。     

膜孔单点源肥液入渗湿润体特性试验研究

该文通过室内试验，研究了单点源肥液入渗的湿润体特性。研究结果表明：湿润锋的纵剖面形状曲线符合椭圆方程；湿润锋运移距离随时间的变化符合幂函数方程；建立了湿润体纵剖面动态变化的数学模型和膜孔肥液入渗累积入渗量的经验模型以及湿润体平均含水率随时间变化的关系。在此基础上，研究了湿润体内土壤水分的分布特性。该研究为进一步进行膜孔灌溉技术研究奠定了基础。     

残膜对土壤水分水平运动的阻滞作用

为探明不同残膜量对土壤水分水平运动过程的影响规律,设置6个残膜量水平,分别为0,80,160,320,640,1 280kg/hm~2,采用室内水平土柱吸渗法,分析残膜对水平湿润锋运移、累积入渗量、Boltzmann系数和土壤水分扩散率的影响。结果表明:水平湿润锋运移速率、土壤含水率和累积入渗量均随残膜量增加而减小,残膜量≥160kg/hm~2时,水平湿润锋运移速率和累积入渗量大幅降低;残膜对土壤水分水平运动的阻滞系数与残膜量呈正相关关系,残膜阻滞系数的最大增长率出现在80~160kg/hm~2残膜量区间,高达251.15%;随残膜量的增加,阻滞作用较强区域距离入渗点的距离增大,Boltzmann系数和水分扩散率则逐渐减小,土壤基质势对水分水平运动的驱动作用和土壤持水能力逐渐减弱;混有残膜的土壤水分水平运动过程,仍符合土壤水分扩散率单一参数模型和Kostiakov入渗模型。残膜是一种难降解持续性污染物,会降低水平湿润锋运移速率、累积入渗量和土壤水分扩散率,对土壤水分水平运动的阻滞作用随残膜增多而增强。     

土壤中不同残膜量对滴灌入渗的影响及不确定性分析

随着农用地膜的大规模使用土壤中残膜量也随之剧增,土壤中农膜残留阻碍了水分迁移,降低了水分入渗性能。本文通过室内滴灌入渗试验设置了3个残膜量处理,分别为0、50、200 kg/hm2,并设高、低2个滴头流量处理,研究了残膜对滴灌水分入渗的湿润锋、湿润体的影响,分析了残膜条件下滴灌入渗速率的不确定性的变化过程。结果显示：随着土壤中残膜量增加,在相同时间内滴灌湿润锋的运移距离明显变小,其中高滴头流量处理在垂直方向更明显;随着残膜量的增加滴灌湿润体明显变小,同时湿润体在10～20 cm残膜区出现明显的不规则分布;通过Kostiakov入渗模型结合贝叶斯概率系统分析显示,土壤中残膜量增加将导致入渗模型的后验参数的标准偏差变大,95%置信后验区间增大,特别是高滴头流量处理影响更明显,可见随着残膜量的增加滴灌入渗速率的不确定性随之增加。     

土壤初始含水率对涌泉根灌土壤水分及氮素运移特性的影响

为了探究涌泉根灌水肥一体化灌溉在不同土壤初始含水率下水氮运移特性,通过室内肥液入渗试验,研究了不同土壤初始含水率(4.13%,7.21%,8.77%,11.06%,14.01%)条件下入渗特性、湿润锋运移、土壤水分以及铵态氮和硝态氮的运移特性,建立了涌泉根灌累积入渗量、各向湿润锋运移距离与不同土壤初始含水率之间的关系,提出了不同初始含水率下涌泉根灌累积入渗量、各向湿润锋运移距离的经验模型。结果表明:累积入渗量、各向湿润锋运移距离以及湿润体内水分和氮素的分布、转化等均不同程度地受到土壤初始含水率的影响。同一时刻条件下,累积入渗量随着土壤初始含水率的增大而减小,而湿润锋运移距离却呈现出增大的趋势;土壤初始含水率越大,湿润体体积越大,湿润体内水分、铵态氮和硝态氮的分布范围越广泛;距离灌水器出水孔越近,土壤中的铵态氮和硝态氮含量越高。入渗系数K随着土壤初始含水率的增大而减小,入渗指数α随着土壤初始含水率的增大而增大;水平湿润锋拟合参数a、b均随土壤初始含水率的增大而增大,竖直向下湿润锋运移指数c随着土壤初始含水率的增大而增大,入渗指数d随着土壤初始含水率的增大而减小。随着土壤水分再分布的持续进行,湿润体内水分分布越加均匀,采用克里斯琴森均匀系数Cu评价灌水结束、再分布1,3天条件下湿润体内水分分布均匀度依次为61.99%,74.27%和83.60%;湿润体内铵态氮含量逐渐减小,但铵态氮的分布区域基本无变化;湿润体内硝态氮分布区域变大,平均值呈增大,最值区域有下移趋势。研究成果为进一步研究涌泉根灌水氮高效利用技术奠定了基础。     

点源供水条件下残膜对土壤水分运移的影响

通过室内模拟试验,研究残留地膜对土壤水分运移的影响,阐明不同残膜污染水平下土壤水分入渗过程。试验共设置6个残膜梯度,采用马氏瓶恒压供水175 min,根据时间间隔记录马氏瓶读数和湿润面积,分析不同残膜污染水平下土壤水分入渗过程的差异。研究结果表明,残膜会阻碍土壤湿润锋的运移,残膜量在0~360 kg/hm2区间时,当湿润锋经过0~10 cm土层,湿润锋横向距离随着残膜量的增加呈现先减小后增加的变化,当湿润锋经过10~20 cm土层,横向距离随着残膜量的增加而逐渐降低。残膜对湿润锋的垂向运移有显著的阻碍作用,但残膜量的多少对湿润锋垂向距离变化没有显著影响。残膜的存在会提高土壤湿润比和稳定入渗率,残膜区土壤湿润体变小,水分滞留在湿润体内,影响水分在土壤中正常运移与分布。当残膜量达到720 kg/hm2时,残膜区土壤大孔隙比例增加,导致土壤优势流明显,与其他残膜处理相比,湿润锋的运移加快,湿润比和稳定入渗率降低。该研究从土壤水分运移角度阐明了残膜污染危害的过程和机理,为残膜污染的防治提供了理论的依据。     

残膜对土壤水分入渗和蒸发的影响及不确定性分析

为探究残膜对土壤水分入渗和蒸发过程的影响规律,通过室内土柱试验,设置6个残膜量水平(0、80、160、320、640和1 280 kg/hm2),研究了残膜对湿润锋运移、土壤水分分布、累积入渗量和累积蒸发量及其不确定性的影响。结果表明:随残膜量增加,湿润锋垂直运移速率和累积入渗量逐渐减小;残膜量80 kg/hm2时,湿润锋运移速率大幅下降;累积蒸发量随残膜量增加而递减而蒸发系数呈递增趋势,土壤保水能力减弱;随残膜量增加,0~10和20~45 cm含水率呈降低趋势,而土壤水分的变异系数呈增加趋势,残膜加剧了土壤水分垂直分布的变异性,残膜量320 kg/hm2的处理会出现表土层"板结"现象;基于Gibbs抽样算法分析表明,Kostiakov入渗模型和Rose蒸发模型各参数的95%后验置信区间上下限的差值和标准差均随残膜量增加而增大,累积入渗量和累积蒸发量的95%后验置信区间面积呈增大趋势,土壤累积入渗量和累积蒸发量的不确定性随残膜增多而增强。该研究可探明残膜污染区的土壤水分运动规律,并为提高Kostiakov模型、Rose模型的模拟效率和模拟精度提供参考。