土壤持水特征测定中质量含水量、吸力和容重三者间定量关系I.填装土壤

在试验过程中,通常采用一个土样进行连续试验来测定土壤的持水特征。此时,土样的有机质、黏粒矿物类型和阳离子交换量等性质基本保持不变,而土壤的容重在水力学和机械压力共同作用下会发生很大的变化。因此,我们认为实测的土壤持水特征不再是土壤吸力和含水量相对应的一条曲线,而是由土壤质量含水量、吸力和容重三变量共同确定的一个曲面。本文在Brooks-Corey土壤水分特征曲线模型的基础上,提出了两种描述土壤质量含水量、吸力和容重三变量关系的曲面模型,分析了模型的优缺点和适用条件,并采用离心机石蜡控容重法实测了四种质地填装土壤的三变量特征曲面。研究结果表明:土壤持水特征是由土壤质量含水量、吸力和容重三变量共同确定的一个曲面这一假设是合理的;类似于Brooks-Corey模型的两种幂函数经验曲面模型能够合理地描述填装土壤的实测数据,决定系数均大于0.94;模型Ⅰ的拟合效果略好于模型Ⅱ,但模型Ⅱ包含两个物理意义明确的参数,具有一定的优势。这一研究将为校正容重变化对土壤水力学参数的影响提供新的途径。     

土壤持水特征测定中质量含水量、吸力和容重三者间定量关系Ⅰ. 填装土壤

在试验过程中，通常采用一个土样进行连续试验来测定土壤的持水特征。此时，土样的有机质、黏粒矿物类型和阳离子交换量等性质基本保持不变，而土壤的容重在水力学和机械压力共同作用下会发生很大的变化。因此，我们认为实测的土壤持水特征不再是土壤吸力和含水量相对应的一条曲线，而是由土壤质量含水量、吸力和容重三变量共同确定的一个曲面。本文在Brooks—Corey土壤水分特征曲线模型的基础上，提出了两种描述土壤质量含水量、吸力和容重三变量关系的曲面模型，分析了模型的优缺点和适用条件，并采用离心机石蜡控容重法实测了四种质地填装土壤的三变量特征曲面。研究结果表明：土壤持水特征是由土壤质量含水量、吸力和容重三变量共同确定的一个曲面这一假设是合理的；类似于Brooks—Corey模型的两种幂函数经验曲面模型能够合理地描述填装土壤的实测数据，决定系数均大于0．94；模型Ⅰ的拟合效果略好于模型Ⅱ，但模型Ⅱ包含两个物理意义明确的参数，具有一定的优势。这一研究将为校正容重变化对土壤水力学参数的影响提供新的途径。     

砒砂岩区原状和扰动土壤水分入渗过程

基于内蒙古准格尔旗砒砂岩区为研究对象,通过野外原状土的采集和室内模拟土柱试验,采用一维垂直入渗试验,分析了砒砂岩区黄土、砒砂岩、风沙土的原状土和填装土的水分入渗过程。结果表明:原状情况下入渗率、累积入渗量的变化趋势为风沙土黄土砒砂岩;扰动情况下入渗率、累积入渗量的变化趋势为风沙土砒砂岩黄土;两种土壤中湿润锋的变化趋势与累积入渗量变化趋势一致。利用Philip模型、Kostiakov经验公式和Green-Ampt模型对原状土和扰动土累积入渗量和入渗历时的关系拟合方程均可较好地描述原状土扰动土的入渗过程,其中Kostiakov经验公式拟合值更接近于实测值,拟合精度更高。     

土壤容重对溶质迁移过程的影响

土壤在径流作用下发生流失、土壤溶质迁移等现象,是一个受径流、土壤性质、下垫面特性、土地利用方式等多种因素综合影响的复杂过程.利用斜坡土槽,采用一定的坡度和实验流量,对不同容重的土样进行了室内放水实验,研究了在土壤饱和条件下,土壤容重对土壤溶质迁移过程的影响.实验结果表明:(1)随径流作用时间的增加,单位时间内土壤溶质迁移量逐渐减少,其关系可用幂函数来描述;(2)土壤溶质发生迁移是受地表径流和壤中流共同作用的结果;(3)土壤容重对土壤溶质迁移过程影响总体表现为土壤容重越大,随径流迁移的土壤溶质量越少;(4)土壤容重增加相同幅度,但同时刻随径流迁移的土壤溶质递减量逐渐减少.     

基于土壤导气率的燥红土孔隙结构及弯曲连通性研究

土壤气体传输高度依赖土壤孔隙结构,导气率的获取简单、快速、高效,且对土壤结构破坏小,利用PL-300土壤空气传导性测量系统分别对不同含水率、不同容重条件下的原状土与扰动土进行导气率测量,展开针对土壤孔隙结构与弯曲连通性的讨论。结果表明:(1)原状土样本孔隙弯曲连通性随气相饱和度增加而增加的程度较扰动土样本显著,两者相对导气率与饱和度的关系曲线变化走势差异不大,表明即便饱和度一样的条件下,孔隙弯曲连通程度仍然不同;(2)原状土导气率依赖于大孔隙的存在,扰动土导气率不仅依赖于孔隙连通的程度,还取决于孔隙弯曲程度。基于土壤导气率对土壤孔隙结构及弯曲连通性的讨论,在建立气体传输模型时应考虑孔隙尺寸分布对导气率的影响,就原状土与扰动土不同的弯曲连通系数加以区分与讨论,为进一步揭示土壤气体传输的内在机制提供参考。     

黄土区原状土壤分离过程的水动力学机理研究

对土壤分离过程进行模拟是建立土壤侵蚀过程模型的基础。利用变坡实验水槽,在较大流量(0.5~2.0L/s)和坡度(8.8%~46.6%)范围内,系统研究了黄土区原状土壤分离过程的水动力学机理。研究结果表明:原状黄土的分离速率远小于扰动土的分离速率,因此,用原状土研究土壤侵蚀机理是十分必要的;土壤分离速率随着流量和坡度的增大而增大,但增大的形式稍有差异,可以用流量和坡度的幂函数准确模拟土壤分离速率(R2=0.95);用平均流速可以对土壤分离速率进行比较准确的模拟和估算;受径流输沙和土样扰动的影响,国内外扰动土样的土壤可蚀性参数与原状黄土的研究成果差异显著;在水流剪切力、单位水流功率和水流功率3个国际上流行的用于模拟土壤分离过程的水动力学参数中,水流功率与土壤分离速率间的关系最为密切,从而表明土壤侵蚀过程受水流能量大小的控制。     

不同孔隙度土壤气体扩散系数测定

土壤气体扩散系数是研究土壤气体传输过程的一个重要参数,它随土壤质地、容重和孔隙的改变而变化,难以估算,为准确测定和研究其特征,依据气体扩散原理设计并研制了土壤气体扩散系数测定装置。以石英砂和砂质壤土为试验材料,利用该装置研究了气体扩散系数与不同含水量和容重下的充气孔隙度间的关系。结果表明:砂质壤土原状土和装填土的气体扩散系数差别很小;土壤相对扩散系数随土壤总孔隙度减小而变小,且粒径较小的土壤具有相对较小的气体扩散系数;原状和装填砂质壤土的相对扩散系数与充气孔隙度之间的关系均可以用幂函数方程来拟合,方程中的参数与土壤质地密切相关,原状土非活性孔隙度为0。Buckingham模型的预测值与实测结果基本一致(均方根误差=0.008),但Millington and Quirk模型(均方根误差=0.032)和SWLR模型(均方根误差=0.023)的预测结果偏差较大。     

太湖地区农田生态环境中土壤饱和导水率研究

对太湖地区主要水稻土类型的饱和导水率进行了研究.结果表明,该土壤的饱和导水率变化于7.20×10-5～6.33×10-4 cm/s, 并随着深度的增加饱和导水率迅速下降;原状土和扰动土的饱和导水率相差很大, 土壤的质地、有机质含量、容重、孔隙度和结构系数等均对饱和导水率有一定的影响.原状土的饱和导水率能反映田间的实际情况, 对研究土壤水分平衡和水土保持有极其重要的意义. 而扰动土的饱和导水率只能作为一种农业工程的参考数据被运用.     

碱化盐土饱和导水率特征与影响因素研究

选择碱蓬地和碱斑地2组典型碱化盐土剖面,对原状土和扰动土的饱和导水率(K10)进行了测定,并分析了盐度、碱度、结构、有机质、质地、容重等土壤基本性质对土壤饱和导水率的影响。结果表明:碱化盐土的K10极低,原状土仅为0.05~0.22mm d-1,其与土壤碱度、盐度、结构系数、团聚度的相关性均无显著统计学意义,与土壤有机质含量极显著(p0.01)负相关,与砂粒和粉粒含量分别呈极显著(p0.01)正相关和负相关,与砂粒/(粉粒+黏粒)呈极显著(p0.001)直线递增关系,底层(20~100 cm)原状土和表层(0~10 cm、10~20 cm)扰动土K10均与土壤容重呈极显著(p0.001)幂函数递减关系;土壤质地和容重对K10的影响存在交互作用。     

SWCC测定过程产生的容重变化对SWCC参数的影响

土壤水分特征曲线（SWCC）测定过程本身会引起很大的容重变化。随着容重的增大,土壤的持水特性也发生改变。为了明确这种容重变化对土壤水分特征曲线的影响,本研究以4种原状土壤为例,用离心机法测定了不同定容重下的土壤水分特征曲线,分析了容重变化对Brooks-Corey和van Genuchten模型参数的影响。结果表明：土壤的容重越大,相同吸力下所对应的有效饱和度就越大,水分特征曲线就越平缓。4种土壤的参数A和α均随容重的增大而减小,可用幂函数表示。黑垆土和土娄土的λ、n随容重的增加而增大,可用线性函数描述,有别于黄绵土和红壤。从总体上看,无论扰动与否,土壤水分特征曲线测定过程引起的容重变化对粉质粘壤土和粉质粘土的影响情况一致。与van Genuchten模型相比,Brooks-Corey模型参数与容重具有更强的关系性。本研究有益于土壤水分特征曲线测定过程中容重影响因素的修正。     

利用CT数字图像和网络模型预测近饱和土壤水力学性质

在近饱和状态下,土壤的有效水力学性质主要取决于较大孔隙的结构特征,而这又决定了土壤中的优势流通道以及溶质的运移.基于孔隙形态学特征的网络模型可以很好的表现出较大孔隙的几何形态与拓扑特征对有效水力学性质的影响.本文通过对连续土壤切片CT图像的分析,定量获取了土壤孔隙的大小分布以及连通性参数.在此基础上建立了相关网络模型,在孔隙尺度上模拟了土壤中的水分运动过程并预测了近饱和土壤水力学性质.实验结果表明,虽然随机网络模型对室内填装土样本水力学性质的预测结果要优于相关网络模型,但是结合了实测孔隙形态特征的相关网络模型能够表现出田间原状土样本的双重孔隙度结构,其预测结果更符合实际的土壤结构特征.     

紫色土坡耕地土壤大孔隙流的定量评价

为阐明大孔隙丰富且孔径呈两极分化的紫色土坡耕地土壤大孔隙流的运移规律,通过室内土柱试验获取耕作层0~20 cm、非耕作层20~40 cm原状土柱和填装土柱的穿透曲线,分析饱和条件下土壤大孔隙流发生规律,并采用解析法CXTFIT软件拟合了水分优先运移参数,PFSP指标(大孔隙流引起的穿透曲线延展量与水动力弥散作用及两区作用引起的延展量的比值)定量评价土壤大孔隙流的贡献率。研究结果表明:1)以填装土柱水流为平衡基质流计算,耕作层0~20 cm原状土柱中大孔隙流的导水贡献率为66.2%~68.5%,而Br-累积淋出量占总淋出量的62.3%~66.1%。对于非耕作层20~40 cm,土壤大孔隙流导水贡献率为0.2%~1.7%,而Br-随大孔隙流运移的比例却达14.5%~20.5%。说明耕作层土壤中大孔隙流现象远比在非耕作层土壤中更为显著;2)PFSP值结果表明大孔隙流作用对穿透曲线延展量的贡献率最大,两区交换运移作用次之,水动力弥散作用的最小。即PFSP值越大,大孔隙流对总水流通量的贡献率越大。     

黄河三角洲滨海盐渍土饱和导水率的研究

通过对黄河三角洲滨海盐渍土饱和导水率的研究, 结果表明: 原状土的饱和导水率随着土壤剖面深度的增加呈现出表土层高、中间土层低、底土层又升高的趋势; 扰动土与原状土的饱和导水率差异较大, 土壤饱和导水率与土壤容重呈负相关、而与孔隙度、结构系数、团聚度等均呈正相关。原状土的饱和导水率能反映田间水分运动以及孔隙状况, 对研究土壤水量平衡和水土保持有重要的意义。扰动土的饱和导水率对于土壤理化性质的理论研究有一定参考价值。     

中国主要土壤类型的土壤容重传递函数研究

由于我国大多数土壤数据库缺失或部分缺失土壤容重数据,利用土壤其他属性来预测土壤容重具有重要意义。我国土壤类型多样,已有的土壤容重传递函数在不同土壤类型中的适用性也值得进一步探讨。本文基于我国现有的土壤数据库,对已有的两种土壤容重传递函数在不同土壤类型(土纲)中的预测精度与适用性进行评估,最后通过SPSS进行回归分析建立我国主要土壤类型最适宜的容重传递函数。研究结果表明,已有的两种土壤容重传递函数应用于部分土壤类型时预测精度不高,但基于土壤系统分类的数据分组后建立的容重传递函数能够明显提高预测精度。新建的容重传递函数对有机土、铁铝土、潜育土、均腐土、富铁土、淋溶土、雏形土、新成土和变性土土壤容重的预测精度较高,但人为土、盐成土和干旱土土壤容重传递函数的预测精度整体偏低,在应用时需要慎重。在利用土壤容重传递函数时一定要注意研究区及适用范围。     

原状土与装填土热特性的比较

土壤热特性是研究土壤—植物—大气系统中能量传输的必要参数。目前的研究集中在室内装填土柱上热特性与含水率、质地、温度和体积质量(容重)等因素的关系,田间条件下土壤结构对热特性影响的报道很少。该研究通过比较2种质地土壤田间原状土和室内装填土热特性的差异,初步探讨了不同含水率范围内结构形成对土壤热特性的影响。采集田间原状土,在室内利用热脉冲技术测定其热容量、热导率和热扩散率;然后将样品磨碎、过2mm土筛,填装后得到相同体积质量和含水率的装填土壤样品,并测定其热特性。结果表明,装填土和原状土的热容量基本一致;在中等含水率区域(砂壤土:0.07～0.24m3/m3;壤土:0.15～0.31m3/m3),重新装填后砂壤土和壤土的热导率分别降低了9.7%和9.8%。另外,结构形成增加了土壤热扩散率,在中等含水率区域尤其明显;在接近饱和区域,原状土与装填土的热扩散率趋于一致。因此,土壤结构形成对土壤热容量没有显著影响,但提高了中等含水率区域土壤的热导率和热扩散率。     

滴灌条件下原状土与扰动土水分运动特性

为了分析土壤结构对土壤入渗规律的影响,通过研究云南红壤土滴灌条件下水分运动特征,采用室内外对比试验,试验共设计了3个滴头流量,分别为2.68,3.74,4.68L/h,土壤容重为1.2g/cm~3,分别进行了单、双点源滴灌入渗试验,着重分析了原状土与扰动土在一定的滴头流量下的湿润锋、湿润体变化特征,揭示区域土壤水分运移规律,进而为区域性作物灌水提供参考依据。结果表明:(1)原状土湿润锋运移速率比较快,原状土地表湿润比随交汇时间增加的速率快于扰动土,说明湿润锋的运移速率与土壤孔隙有关;(2)相同观测时间下,原状土湿润体变化比较快,原状土湿润体扁率α大于扰动土,原状土α=16.53%,扰动土α=45%;(3)原状土与扰动土含水率等值线变化有相同趋势,但不重合,疏密程度有差异;(4)原状土分形维数比扰动土的小,说明原状土孔隙分布差异大,扰动土的质地较均匀。研究结果揭示了该地区原状土与扰动土水分运动特征,为进一步的机理研究提供参考。     

松散土样和填装土柱及紧实程度对土壤有机碳矿化的影响

土壤有机碳（SOC）矿化一般通过培养松散土样来测定,但是松散土样与原状土的结构存在很大差异,二者之间SOC矿化的关系尚不明确;通过填装土柱可以获得接近田间状态的土壤样品,但填装的紧实程度会改变土壤孔隙结构,因此可能影响SOC矿化。本研究首先以施用不同量有机肥的红壤为研究对象,设置松散土样和填装土柱两个处理,采用室内培养法比较二者之间SOC矿化的差异;然后选择其中一种土壤填装土柱,设置四个紧实程度处理,分别为1.1（BD1.1）、1.3（BD1.3）、1.5（BD1.5）和1.7 g?cm-3（BD1.7）,利用X射线显微CT（Computed Tomography, CT）成像技术分析土壤孔隙结构,分析紧实程度对土壤孔隙结构及SOC矿化的影响。结果表明,松散土样与填装土柱的SOC矿化量有显著差异,培养结束时（第57天）,松散土样的有机碳累积矿化量约是填装土柱的4倍。紧实程度增加较大程度地降低了土壤的总孔隙度和大孔隙度,降低比例分别为12.9% ~ 17.4%和18.7% ~ 88.5%;并且使充气孔隙度从63.6%下降到了8.2%,而充水孔隙度从36.4%增加到了91.8%。填装土柱的SOC矿化量随紧实程度增加呈先增加后降低的趋势,培养结束时（第28天）,BD1.5的SOC矿化量最高。回归分析的结果表明,SOC矿化量与总孔隙度、大孔隙度（>16 μm）、充水孔隙度（Water-filled pore space, WFPS）或充气孔隙度（Air-filled pore space, AFPS）之间存在显著的非线性关系。当总孔隙度或大孔隙度低于46%或3.7%时,SOC矿化量随孔隙度增加而增加;反之,SOC矿化量随孔隙度增加而降低。SOC矿化量与WFPS或APFS之间的关系呈现出类似的规律,当WFPS为66%或AFPS为34%时,SOC矿化量最高。以上结果说明,通过培养松散土样测定SOC矿化将会高估田间SOC的矿化潜力;紧实程度的变化会改变土壤的孔隙结构进而影响填装土柱的SOC矿化;SOC矿化量与孔隙度之间存在显著的非线性关系。     

林型和微立地类型及其土壤性质对土壤抗侵蚀能力的影响

采用原状土冲刷水槽法和静水崩解法测定土壤抗冲性和抗蚀性,以云冷杉红松林(PA)和椴树红松林(TP)的林隙和郁闭林分为对照,分析了小兴安岭地区2种林型由掘根倒木形成的不同丘和坑微立地类型及其土壤性质对土壤抗冲性和抗蚀性的影响,旨在揭示它们与土壤抗侵蚀能力的关系。结果表明:在2种林型下由掘根倒木形成的丘和坑微立地上,土壤砂粒含量均较高,其抗侵蚀能力均较弱,而对照却相反;2种林型下丘和坑微立地的土壤容重均与土壤抗冲性和抗蚀性呈无显著的负相关(P>0.05),而PA对照的土壤容重与它们均呈不显著正相关(P>0.05),TP林隙的土壤容重与它们却呈极显著正相关(P<0.01),其郁闭林分的土壤容重与它们呈极显著负相关;2种林型下丘和坑微立地的土壤有机质均与土壤抗冲性和抗蚀性呈不显著正相关,而对照则呈极显著正相关;土壤抗侵蚀能力随着林型和微立地类型而变化,TP丘和坑微立地的土壤抗侵蚀能力不显著高于PA,而PA对照的土壤抗侵蚀能力却显著高于TP的对照。由此可知,丘和坑微立地的形成会造成土壤抗侵蚀能力大幅下降,导致土壤养分的流失,土壤黏粒含量减少,土壤恢复过程较为困难。     

红壤生态站土壤物理性质研究

测定了生态站垦前8个代表性土壤剖面的物理性质,包括剖面的颗粒和微团聚体组成、土壤孔隙大小和穿透阻力、原位分层透水性以及原状土和扰动土的水分特征曲线等。根据测定结果阐述了红壤水分的入渗性和供水性都较差的主要原因,为合理利用红壤,特别为合理管理水分和结构提供了依据;并为进一步研究红壤利用中土壤物理性质的变化积累了基础资料。     

集约化生产条件下稻田土壤机械压实预测模型构建与验证

传统的土壤压实风险评估方法是基于土壤的先期固结压力理论,以机械的接地压力与土壤先期固结压力间关系作为判断依据,缺少针对集约化稻作“湿耕烂种”等生产场景中由定量机械压实造成的土壤结构破坏程度的评价方法和依据。为研究适合中国稻作特色,可以定量预测机械压实危害程度的压实容重预测模型,该研究基于土壤的回弹指数和压缩指数推导出土壤压实容重预测模型,以适用于集约化生产条件下稻田土壤机械压实预测。采用调控原状土含水率的单轴压缩试验法分别构建了土壤初始容重、初始含水率与弹性压缩模量、塑性压缩模量和先期固结压力之间的传递函数,然后基于典型机型的田间原位平板下陷试验验证所建模型的可靠性和实用性。结果表明,基于单轴压缩试验法构建的各传递函数拟合决定系数大于0.95。将各传递函数模型所得的弹性压缩模量、塑性压缩模量和先期固结压力输入土壤压实容重模型预测的压实后的土壤容重与实测值的相对误差小于5%。可见,该研究设计的土壤压实预测模型能够准确量化受机械压实情况下土壤容重的变化量,而土壤传递函数法能为构建和应用区域性农业土壤的压实模型提供便利。研究可为集约化生产条件下稻作“湿耕烂种”等生产场景中由定量机械压实造成的...