荒漠草原灰钙土土壤入渗特征及测定方法比较

为了研究荒漠草原土壤水分入渗特征,并对比不同方法间的差异,以宁夏天然草地地带性灰钙土为研究对象,采用双环法和环刀法测定其入渗过程,分析并比较2种方法的试验结果及影响因素,利用模型拟合土壤的水分入渗过程。结果表明:环刀法测得的初渗率、稳渗率、平均入渗率和达到稳渗时间均小于双环法,分别小了77.69%~94.67%,27.69%~52.88%,56.74%~64.79%,12.50%~42.5%。双环法更适宜采用Horton模型描述入渗速率随时间变化的过程;环刀法更适宜采用Kostiakov模型。土壤累计入渗量采用一元二次方程拟合效果最好,其决定系数R^2均在0.991以上。土壤物理性质对入渗特征的影响因土壤内部条件在2种试验方法中的差异而略有不同。     

田间尺度土壤入渗规律和空间变异性研究

为了探究北京市大兴区内典型土壤的入渗规律及其影响因素,采用双环法测定大兴基地36个试验点的土壤水分入渗过程,并分别利用Kostiakov、Horton和Philip模型对土壤入渗特征参数进行拟合,同时运用经典统计学和地统计学方法分析入渗模型的回归系数、计算特征参数的统计值、揭示特征参数的空间变异规律。研究结果表明Philip模型可以作为研究区域最优入渗模型,其相关系数的均值达到0.934,各入渗特征参数的概率分布均服从正态分布或对数正态分布。入渗特征参数具有中等或强烈的空间相关性,说明随机性因素对土壤的空间变异影响较小。基于Kriging插值法得到特征参数的空间分布规律,特征参数由西向东呈现一定的递增趋势。     

草甸草原不同放牧强度草地土壤水分入渗特征

土壤入渗性能是影响降雨产流过程和土壤侵蚀过程中的关键因子,为探究草甸草原放牧强度对土壤入渗性能和草地水土保持能力的影响,以呼伦贝尔草原不同放牧强度草地为研究对象,利用双环入渗实验测定不放牧草地、中度放牧草地以及重度放牧草地的土壤入渗过程,分析其入渗特性及其影响因素。结果表明:3种放牧强度草地土壤入渗速率差异显著,不放牧草地土壤入渗速率最大,重度放牧草地最小。影响土壤入渗的主要因素有土壤初始含水量、土壤容重、土壤总孔隙度和非毛管孔隙度,4种因素与土壤初始入渗速率、温度入渗速率、累积入渗量呈显著相关,相关系数都达到0.69以上。利用4种入渗模型模拟不同放牧强度草地土壤入渗过程发现,Horton模型可以更好的描述入渗速率随时间的变化过程,模拟效果最好。     

红枣经济林不同植被覆盖土壤水分入渗特征

【目的】模拟不同植被覆盖土壤水分入渗过程并选择该研究区的最适模型。【方法】采用野外双环入渗试验方法,测定了不同植被覆盖下土壤水分入渗特征,采用Philip模型、Horton模型、Kostiakov模型对不同植被覆盖区土壤水分入渗过程进行拟合。【结果】①不同植被覆盖区土壤水分入渗速率均表现为初始入渗速率最大,平均入渗速率次之,稳定入渗速率最小;②自然生草区土壤初始入渗速率最大,清耕区土壤的平均入渗速率和稳定入渗速率最大,且清耕区与自然生草区土壤初始入渗速率、平均入渗速率和稳定入渗速率均差异显著;③Horton入渗模型对不同小区土壤入渗过程拟合效果最好,Philip入渗模型拟合效果次之,Kostiakov入渗模型拟合效果最差。【结论】红枣经济林不同植被覆盖下土壤水分入渗特征具有显著差异,Horton入渗模型更适合研究该区域红枣经济林土壤水分入渗过程。     

四种入渗模型在KCl溶液入渗的适应性

为了探讨4种常规的入渗模型在含盐水入渗条件下的适用性,采用室内一维垂直土柱进行积水入渗实验,对比不同KCl质量浓度下的土壤入渗规律,并采用4种模型分别拟合土壤入渗率变化特征。结果表明,相同时间内的累积入渗量随KCl质量浓度的增加而增加,并且湿润锋的推进距离与累积入渗量之间具有较好的线性关系(R2>0.7)。Philip和Horton入渗模型的拟合效果要优于Green-Ampt模型和Kostiakov公式。     

土壤质地和供水压力对竖插式微润管入渗的影响

为探明土壤类型和压力水头2个因素对竖插式微润管入渗的交互影响,采用3种土壤(红壤土、砂壤土和砂土)和3个水头(1.0,1.5,2.0 m),探究竖插式微润管的入渗速率、累计入渗量、湿润体体积及湿润体含水率分布特征.研究发现:竖插式微润管不同时间的入渗速率符合Horton修正模型;累计入渗量为灌水时间的2次函数;土壤湿润体随水头的升高而增大,形状为下部略大而上部略小的梨形.水头较低时湿润体增长速率变化平缓;入渗开始后4-6 h内湿润体增长速率达到极大值,变化过程服从对数正态分布.土壤类型对土壤含水率大小影响显著,而水头对土壤含水率大小的影响较小;红壤土和砂壤土湿润体内含水率分布均匀度高于砂土.研究结果可为微润灌溉的合理应用提供理论依据和实践参考.     

土壤膨胀性对降雨入渗产流影响试验

入渗产流是水循环的重要环节,膨胀性土会改变土壤水分运动参数,从而对降雨入渗产流过程产生影响。以具有膨胀性的黄绵土和娄土为研究对象,在室内模拟降雨条件下,研究了土壤膨胀性对4种厚度(分别为10、20、30、40cm)的土壤容重、累积入渗量、径流强度等土壤水分运动参数的影响,并采用Philip公式、Kostiakov公式和Horton公式对土壤水分运动特征曲线拟合。结果显示:各种厚度的膨胀性土壤受到膨胀力和重力双重作用均导致表层0~10 cm土壤平均干容重相对减小,10 cm以下深度土壤干容重随深度增加而相对增加。随着土壤厚度增大,黄棉土和娄土的土壤累积入渗量变小。径流强度随历时增加而增加,然后稳定,且因不同土层土壤颗粒稳定性不同影响波动幅度。Philip公式拟合效果不理想,Kostiakov公式只适用于土壤饱和段的拟合,而Horton公式考虑到膨胀土体积变化影响土壤饱和过程中土壤水入渗速率,适用于初始入渗至稳定入渗的过程。     

太行山低山丘陵区坡位对土壤渗透性能影响研究

【目的】探究太行山低山丘陵区坡位对土壤渗透性能的影响,模拟不同坡位土壤水分入渗过程并选择该研究区的最适模型。【方法】选择栓皮栎林、侧柏林及撂荒地的典型坡面,通过野外调查和室内分析相结合的方法,研究了该地区不同植被类型条件下土壤渗透性能的坡位差异,分析了Horton模型、Philip模型和Kostiakov模型对不同坡位水分入渗过程的拟合效果。【结果】3种林型不同坡位间的初渗率、稳渗率及平均入渗率总体均表现为坡上坡中坡下。在栓皮栎林坡上的稳渗率比坡中及坡下分别增加了29.41%和83.33%,在侧柏林分别增加了90.43%和67.29%,在撂荒地分别增加了20.00%和36.63%。Horton模型、Philip模型和Kostiakov模型对不同坡位水分入渗过程拟合的判定系数分别为0.90、0.74和0.96。【结论】不同植被类型下的土壤渗透性能具有显著的坡位差异。在整个入渗阶段,坡上的累积入渗量是最大的,体现了较好的入渗性能。Kostiakov模型和Horton入渗模型更适合研究太行山低山丘陵区坡面的土壤水分入渗过程。     

不同种植年限压砂地土壤水分入渗过程及模型分析

为探究不同种植年限对土壤水分入渗的影响,利用室内垂直一维土柱入渗试验分析了不同种植年限(2,5,10,20,30,40 a)压砂地土壤水分入渗速率、累积入渗量和湿润锋运移规律,借助4种入渗模型对土壤水分入渗过程进行拟合并评价其适用性,通过一维代数模型及相关参数预测土壤剖面含水率分布特征.结果表明:随种植年限增加,土壤累积入渗量、入渗速率及湿润锋运移距离均减小,入渗时间为300 min时,5,10,20,30,40 a的累积入渗量相较于2 a分别减少了27.01%,43.32%,53.22%,54.79%和54.68%,湿润锋运移距离减小了24.84%,38.38%,48.56%,52.67%和54.00%.4种入渗模型的R²从大到小依次为Horton模型、通用经验模型、Kostiakov模型、Philip模型.入渗完成后同一深度土壤剖面含水率呈现出随种植年限增大而减小的趋势,一维代数模型拟合的不同种植年限土壤剖面含水率值与实测值间的MAE均位于0.48%~2.09%,RMSE为0.52%~2.13%,D均大于0.782,t检验P值均大于0.05,说明其可以较好地拟合不同种植年限压砂地水分分布状况.压砂地种植年限越长,水分入渗能力越差、土壤剖面含水率越低,建议通过加强农田管理、休耕等措施实现压砂地可持续发展.     

非充分供水土壤水分入渗模型的试验研究

基于均质土壤的非充分供水入渗试验数据,通过回归分析的方法,分析讨论了Kostiakov二参数模型、三参数模型、Horton模型和Philip模型,对非充分供水条件下土壤控制阶段入渗过程的适用性。结果表明:Kostiak-ov二参数模型、三参数和Philip模型的显著性和相关性都较高;综合考虑Kostiakov三参数模型的显著性、相关性以及回归参数与实际入渗过程边界值的吻合性,认为用Kostiakov三参数模型描述土壤入渗能力控制阶段入渗特性效果最好。     

黄土台塬区不同时代黄土水分入渗特性和迁移规律的试验研究

为了探索黄土台塬地区不同时代黄土水分入渗特性和迁移规律，通过黄土台塬区不同时代黄土(Q₄,Q₃,Q₂)分层垂向一维积水入渗试验、自然降雨和地表入渗池800 mm入渗条件下的土壤水分迁移试验，分析了不同时代黄土的入渗特性和土壤水分迁移特征，并采用3种入渗模型对入渗过程进行拟合。结果表明：Q₂黄土入渗能力最弱，稳定入渗率为0.53 mm/min，较Q₄和Q₃黄土的稳定入渗率分别低44.2%和45.4%;Q₄黄土的入渗过程较好地符合Kostiakov模型，Q₃、Q₂黄土的入渗过程较好地符合Horton模型。研究区自然降雨和蒸发对土壤水分的最大影响深度约1.0 m，入渗后第4～83 d，入渗池中心土壤湿润锋从2.65 m运移到4.20 m，入渗池中心垂向入渗湿润锋深度随时间呈幂函数关系变化。     

土壤容重对红壤水分垂直入渗特性的影响

为分析红壤地区土壤容重对水分入渗的影响并将其应用于指导灌溉生产,以江西红壤土为研究对象,采用垂直一维入渗方式模拟土壤容重对红壤中水分垂直运动规律影响.结果表明:在同一时刻湿润锋、累积入渗量、入渗率均随土壤容重的增大而减小,时间对湿润锋运移及累积入渗量影响程度相比于土壤容重较高,湿润锋与累积入渗量呈线性关系;入渗初期土壤容重对入渗率影响程度较高,随着入渗的进行其影响程度逐渐减小;饱和导水率与土壤容重呈负幂函数关系,Green-Ampt模型与Philip模型中饱和导水率模拟值在土壤容重大于1.30 g/cm3时相对误差小于9.62%,计算精度较高;再分布过程中,土壤容重越大,同一土层高度上土壤含水量越小,0~50 cm土层中土壤含水量随再分布时间增大而明显减小,土壤容重对含水量影响具有统计学意义(P0.05),50~70 cm土层中土壤容重对其变化影响不具有统计学意义.该研究成果可为红壤地区农作物的灌溉提供理论支撑.     

压砂条件下水分一维垂直入渗试验研究

为研究压砂对土壤水分垂直入渗规律的影响,选取沙土和壤土这2种土壤作为研究对象,采用土柱试验模拟压砂条件下沙土和壤土的水分入渗垂直运动的影响规律,并分别设置2种土壤无压砂处理的对照试验,分析压砂对2种土壤的水分入渗垂直运动的影响规律.结果表明:压砂提高了包含砂层在内的土壤入渗能力,但抑制了砂层下土壤的入渗性能;通过函数拟合得到了累积入渗量随入渗时间变化的经验方程式,拟合程度较高;压砂条件对土壤初渗速率有较大影响,压砂条件下的沙土的初渗速率为不压砂的1.67倍,壤土为2.37倍,压砂对壤土初渗速率影响更为明显;稳渗速率均较小,且压砂对2种土壤的稳渗速率无明显影响;压砂对2种土壤的湿润深度随累积入渗量的变化均起到抑制作用,且对壤土抑制作用更强,2种土壤去除砂层影响后土层的湿润锋深度与累积入渗量的关系均近似呈线性规律.     

间歇组合灌溉下中度盐碱土壤入渗规律

为了进一步揭示咸淡水间歇组合灌溉入渗的影响机制与规律,在室内采用垂直一维积水入渗试验,研究了不同间歇时间、组合次序下的土壤入渗特征;基于实测资料探讨3种常规的入渗模型对间歇组合灌溉在中度盐碱土壤入渗规律的适用性.结果显示:在同一入渗时间下,累积入渗量从大到小依次为间歇组合灌溉(0 min),间歇组合灌溉(30 min), 间歇组合灌溉(60 min), 间歇组合灌溉(120 min),且它们之间的差异随时间的延长越来越具有统计学意义;在整个入渗过程,入渗速率分为初渗阶段和稳渗阶段,且与先咸后淡相比,先淡后咸先到达稳定入渗率;与Green-Ampt模型、Philip模型相比,Kostiakov模型能更加准确地描述间歇组合灌溉的入渗率变化特征,但在Kostiakov模型中,先淡后咸拟合精度低于先咸后淡,说明咸淡水组合次序对模型拟合精度影响较大.     

生物炭对黑土区土壤水分及其入渗性能的影响

为探究黑土区施用生物炭对土壤水分及其入渗性能影响的持续性,2016—2018年连续3年在东北黑土区进行了单次施加生物炭(75 t/hm~2,BC处理)和不施加生物炭(CK处理)的室内外对比试验,分析各土层土壤含水率及土壤水分入渗过程。结果表明:施加生物炭可增加各土层土壤含水率,使其极值比K_a和变异系数C_v减小,且土壤含水率、K_a、C_v的变化幅度均随生物炭施用年限增加而减弱,2016—2018年苗期耕层土壤含水率增加最多,分别增加了14.54%、11.48%和7.08%;施加生物炭明显增大了土壤累积入渗量、土壤入渗速率,增强了土壤入渗能力,促进了湿润锋的运移,各年份BC处理土壤累积入渗量由大到小依次为2016年、2017年、2018年,初始入渗速率f_1分别增加了70.48%、58.98%和48.41%,土壤稳定入渗速率f_c由大到小依次为2016年BC处理(1.65 mm/min)、2017年BC处理(1.22 mm/min)、2018年BC处理(1.17 mm/min)、2016年CK处理(0.46 mm/min)、2017年CK处理(0.43 mm/min)和2018年CK处理(0.38 mm/min);2016—2018年中,2016年BC处理湿润锋运移距离最深(32.24 mm),各表征土壤入渗性能的指标均于生物炭施用当年效果最优,而后逐年减弱;土壤累积入渗量与时间具有幂函数关系,湿润锋运移距离与时间具有三次函数关系,R~2均在0.963～0.998之间;Philip、Kostiakov、Horton 3个入渗模型拟合对比结果表明,Kostiakov模型R~2最高(0.946～0.991)、RMSE最小(0.516～1.941 mm/min),拟合参数与实际情况相符,故本研究中Kostiakov模型拟合的土壤水分入渗过程最优。本研究可为东北黑土区施加生物炭后改良土壤水分入渗过程提供理论依据。     

垂直线源灌不同线源直径下的入渗规律及其模型适用性研究

为了提高垂直线源灌的水分利用效率,探明垂直线源灌不同线源直径下的入渗规律,通过模拟试验,研究了垂直线源灌不同线源直径下的入渗规律,比较了三种常规入渗模型的适用性。结果表明,随着线源直径的增加,入渗率和累积入渗量均增大;三种模型均能模拟不同线源直径下的入渗规律,其中Kostiakov入渗公式和Philip入渗模型较精确,Horton(变形)入渗公式更适合于入渗中期和后期的模拟;得出不同线源直径3种入渗模型的经验公式。该研究结果可为垂直线源灌技术推广应用提供理论依据。     

区域尺度下土壤入渗特征参数的空间变异性研究

以华北平原中等区域尺度下农田土壤作为研究对象,利用双环入渗仪测定土壤入渗曲线,并利用经典入渗模型来率定入渗特征参数,同时采用经典统计学和地统计学方法来研究区内土壤入渗参数空间变异性特征。结果发现:适宜于该区域土壤入渗特征参数计算的是Horton和Kostiakov模型;各入渗特征参数具有中等的变异程度并服从正态分布。在区域尺度内各入渗特征参数空间变异程度受空间异质性影响较大,各入渗参数的空间自相关距离在2 979.12~4 079.11m。利用Kriging插值结果分析表明:区域上农田土壤入渗参数受到人为随机性影响较大,空间上并没有明显的规律性。     

垄沟灌溉施氮土壤水氮分布特征试验研究

为了指导垄沟间(套)作种植田间灌水技术和灌溉系统合理设计,通过长方体土槽模拟垄沟灌溉施氮二维土壤入渗试验,探究4种土壤质地的入渗量随时间变化规律,分析肥液入渗湿润体特征,研究土壤水分、硝态氮和铵态氮空间分布特征.结果表明,随着土壤黏粒含量的增多,土壤比表面积增大,在相同灌水时间内入渗量则小;入渗量累积曲线上升趋势因土壤质地不同存在显著差异.含3参数的Horton入渗模型计算的肥液入渗量精度高,其稳定入渗率参数实用性强,对灌水流量设计有重要的参考价值.随着土壤砂粒含量的增多,同等入渗条件下,湿润锋运移距离越远,且垂向运移距离均大于水平侧渗距离.水平侧渗距离与入渗时间呈指数函数关系,垂向湿润锋运移距离与入渗时间的1/2次方呈线性函数关系.垄沟灌溉施氮方式下,硝态氮在湿润锋边缘累积,铵态氮峰值出现在灌水沟附近.在质地重的土壤下应用垄沟灌溉施肥技术好.     

含钠盐量变化对土壤水分入渗特性影响的试验研究

【目的】研究土壤含钠盐量变化及钠盐含量垂向异性对土壤水分入渗特性的影响,以期为海涂盐渍土水土资源高效利用与保护提供理论依据。【方法】设置土壤含钠盐量垂向均质及垂向异质变化共6个处理,采用恒定水头入渗法进行土壤水分入渗试验。主要从入渗速率、累积入渗量及湿润峰距离3方面对土壤水分入渗特性进行分析讨论与模拟。【结果】对于盐分分布均匀的土壤,入渗初期水分入渗速率与土壤含盐量有显著关系,但对于盐分含盐量垂直分层土,土壤盐分含盐量与水分入渗速率关系较为复杂。在相同入渗时间内,盐分均质土累积入渗量随土壤含盐量增大呈显著降低趋势;对于盐分含盐量分层土壤,盐分含盐量垂向减小土壤累积入渗量大于盐分浓度垂向增加土壤,且土壤剖面垂向盐分含盐量变化对水分累积入渗量影响相比土壤盐分含盐量均匀变化对入渗过程的影响更显著。土壤湿润锋深度随入渗时间延长而增大,且在入渗初期速度较快,随后逐渐缓慢,最后趋于平缓,上层土壤盐分浓度对湿润锋深度影响较大。【结论】结合盐分均匀变化及垂向异质性变化土壤定水头入渗试验,明确了土壤孔隙水分运动与盐分浓度变化的响应规律。土壤垂向理化性质改变对水分入渗过程具有一定影响,同时利用Kostiakov入渗经验公式和简略Philip入渗方程可以较好地拟合该入渗过程。     

入渗模型对垂直线源灌线源长度的适用性

为了分析垂直线源灌下土壤水分的入渗规律,探明不同线源长度的入渗率和累积入渗量,通过室内土箱模拟试验,研究了3种常规入渗模型对垂直线源灌下不同线源长度入渗规律的适用性.结果表明,随着线源长度的增加,入渗率和累积入渗量均增大;3种模型均能模拟不同线源长度下的入渗规律,其中Kostiakov入渗公式最精确,Philip入渗模型更适合于入渗前期和中期的模拟,Horton(变形)入渗公式更适合于入渗中期和后期的模拟,并且更适合于线源长度大于20 cm的情况;得出不同线源长度下3种入渗模型的经验公式,3种入渗模型入渗率的经验公式精确度均高于累积入渗量的精确度,3种入渗模型累积入渗量的计算值均高于实测值.该研究结果可为垂直线源灌技术推广应用提供理论依据.