黄土高原藓类生物结皮对表层土壤水分运动参数的影响

生物结皮普遍存在于干旱和半干旱地区土壤表层,对土壤水分有重要影响。为了进一步探究生物结皮对表层土壤水力学特性和水分运动过程的影响,该研究以黄土高原风沙土和黄绵土上发育的藓结皮为研究对象,通过野外采样与室内试验相结合,测定了藓结皮覆盖土壤和无结皮土壤的Boltzmann变换参数、土壤水分扩散率、入渗过程、比水容量和非饱和导水率,对比分析了有无藓结皮覆盖对表层土壤水分运动参数的影响。结果表明:藓结皮覆盖抑制了表层土壤水分的扩散,藓结皮覆盖土壤的Boltzmann变换参数和水分扩散率分别比无结皮土壤降低7.9%～27.3%和99.2%～99.6%;藓结皮覆盖后表层土壤渗透性显著降低,其水分入渗参数(初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率、累积入渗量)和非饱和导水率分别降低了17.1%～55.4%和84.8%～92.3%;藓结皮显著提升了表层土壤的持水和供水能力,藓结皮层的水分常数(田间持水量、萎蔫系数、重力水含量、有效水含量和易利用水含量)比无结皮土壤高40.9%～1 233.3%,土壤水吸力在100k Pa时的比水容量比无结皮土壤高7.4%～1 540.5%;相比黄绵土,藓结皮覆盖对风沙土的渗透性影响较小,而对土壤持水和供水性的影响较大。综上,黄土高原藓结皮覆盖降低了土壤渗透性,同时显著提高了表层土壤的水分有效性,这可能导致土壤表层在雨后截留较多水分,进而使土壤水分分布趋于浅层化,并改变该地区的土壤水分有效性和植物水分利用策略。     

晋西黄土区长期植被恢复对土壤表层入渗与水分储量差异的影响

[目的]探究晋西黄土高原残塬沟壑区长期不同植被恢复类型对土壤表层入渗与水分储量差异的影响,为未来筛选和增强黄土高原地区天然植被恢复以及人工植被恢复的生态效益评估提供科学参考。[方法]以黄土残塬沟壑区典型的4种植被恢复类型(油松纯林、刺槐纯林、侧柏纯林、天然林)为研究对象,测定4种植被恢复类型下表层30 cm内土壤入渗过程,同时测定土壤容重、机械组成等土壤理化性质,并且监测土壤水分动态变化,核算土壤水分储量并进行差异性、相关性和主成分分析,最后通过3种土壤入渗模型对实测过程进行拟合比较得出其在黄土残塬沟壑地植被恢复区域内的适宜性,对比不同植被恢复类型之间土壤入渗过程及储水量的差异,补充并完善黄土高原地区不同植被恢复类型下的表层土壤水分入渗规律。[结果](1)天然林相较于人工纯林对0—30 cm表层土壤物理性质改善效果更为明显,天然林表层土壤的水分含量较多且保水性较好,人工林相较于天然林对研究区土壤入渗能力改善效果更佳;(2)在不同植被类型下土壤的稳定入渗速率从大到小表现为：天然林>刺槐纯林>油松纯林>侧柏纯林(0—10 cm),油松纯林>刺槐纯林>侧柏纯林&...     

蚯蚓粪覆盖对降雨后黄土区土壤水分影响的室内模拟研究

通过室内模拟试验研究蚯蚓粪覆盖对降雨后黄土区土壤水分的影响,以蚯蚓粪覆盖厚度和雨强为试验变量,试验处理设置如下:降雨强度设置为大雨、中雨、小雨;蚯蚓粪覆盖厚度分别为1 cm、2.5 cm、4 cm,覆盖面积为土柱表面积的90%,以裸土作为对照。分别测定降雨完成后10 h内的湿润锋迁移过程和48 h内0～5 cm(上层),5～10 cm(中层)和10～15 cm(下层)的土壤含水率变化情况。结果表明:蚯蚓粪覆盖对降雨后黄土区土壤水分分布具有一定影响,降雨入渗结束后,覆盖蚯蚓粪处理的土壤含水率在较短时间内低于裸土,但5～15 cm土层含水率不断增加,并逐渐高于裸土,表明蚯蚓粪覆盖能够延缓降雨入渗,并影响黄土区土壤水分再分配过程,对降雨后表层以下的水分增加具有促进作用,有利于提高黄土区降水的利用率。     

不同覆盖模式下砂壤土水盐运移特征研究

地表蒸发引起土壤水分的散失是造成盐分表聚的重要原因之一,土壤表层进行覆盖可改变地表结构,从而影响土壤水分蒸发和盐分迁移过程。为了揭示不同覆盖模式的蓄水控盐效果,通过室内模拟试验,研究了不同覆盖模式下土壤水分入渗过程和水盐迁移特征。试验设置无覆盖(CK)、覆砂(S)、覆砂+覆膜(SM)、覆秸秆+覆膜(JM)和覆秸秆+覆砂(JS)5种模式。结果表明:土壤表层进行的不同覆盖处理会降低土壤湿润锋推进速率和水分入渗速率,具有一定的阻渗作用;湿润锋推进距离与时间符合幂函数F=a·t~b,累积入渗量与时间符合Kostiakov入渗公式,湿润锋推进距离与累积入渗量符合线性关系I=K·Z_f+c。土壤表层进行的不同覆盖处理可有效抑制土壤水分蒸发,土壤保水效果为SMJSSJMCK;随土层深度的增加,土壤含水率减小的趋势逐渐减缓。土壤表层进行的不同覆盖处理也可减弱土壤盐分表聚,缩小盐分在土壤中迁移的范围;覆盖处理的土壤盐分主要在0—20cm范围内迁移,CK在0—35cm范围内。综合考虑不同覆盖模式对土壤水分入渗、抑制水分蒸发和减弱盐分表聚效果,认为砂石覆盖模式是较适合西北旱区的覆盖模式。     

聚丙烯酰胺与腐植酸混施对紫色土水分入渗特性的影响

[目的] 探究聚丙烯酰胺(PAM)与腐植酸混施对紫色土水分垂直入渗特性的影响,为川西紫色土区水土保持、土壤改良、水分调节及农业水资源高效利用提供理论参考。[方法] 采用室内土柱模拟试验,设置1个CK(无混掺),3个PAM施量水平(PAM-1∶1%,PAM-3∶3%,PAM-5∶5%)和2个腐植酸施量水平(HA-1∶0.1%,HA-5∶0.5%)。分析入渗速率、累积入渗量与湿润峰运移距离的变化特征,采用入渗模型对入渗过程进行模拟分析。[结果] 与CK相比,各处理可有效降低水分入渗速率,入渗率随着施用量的增加而逐渐降低;相同累积入渗量下,各处理(H₁P₁除外)入渗时间均大于CK,其中H₁P₃和H₂P₃处理分别是CK的14.7和6倍,仅H₁P₁处理较CK减少了25%;在220 min内,各处理湿润峰运移距离均低于CK,其中H₁P₃处理湿润峰运移距离最低(4.98 cm),较CK显著缩短57.67%;模型适用性表现为：通用经验公式＞Kostiakov公式＞Horton公式＞Philip公式,但通用经验公式的稳渗率(f_s)与实测值存在偏差。[结论] PAM与腐植酸混施可有效降低入渗速率,减少累积入渗量与减缓湿润峰运移距离,其减渗作用随着施用量的增加而越明显;最优处理为H₁S₃,腐植酸0.1 g/g,PAM 5 g/g。综合考虑,Kostiakov公式更适合描述川西紫色土的土壤水分入渗过程。     

西宁盆地黄土区坡形及植被类型对坡面土壤入渗影响

为进一步探讨青藏高原东北部黄土区草本植物护坡机理,选取西宁盆地长岭沟流域自建试验区,通过设计2种不同坡形和选取适宜当地气候条件生长的3种草本植物,采用野外试验区人工模拟降雨方法,首先分析了坡面土壤水文参数(土壤入渗、坡面土体含水量)分布变化,进而探讨了影响种植草本坡面土壤水分入渗的主要因素与特征,最后对坡面土壤水分入渗过程进行模型模拟与评价。结果表明:种植垂穗披碱草阶梯形边坡产流时间相对最晚,直形裸坡阶段产流量最大,其最大阶段累积径流量在降雨试验40~45 min时,为17 730 mL;2种坡形边坡坡面平均稳定入渗速率由大到小依次为阶梯形种植垂穗披碱草边坡(0.519 mm/min)、直形垂穗披碱草边坡(0.423 mm/min)、直形老芒麦边坡(0.422 mm/min)、直形细茎冰草边坡(0.318 mm/min)、阶梯形裸坡(0.321 mm/min)和直形裸坡(0.192 mm/min),且种植垂穗披碱草和老芒麦边坡土体含水量在地表以下0—50 cm增幅相对最高,说明种植草本有助于边坡土体内部水分入渗。在此基础上,采用Horton模型、Kostiakov模型和通用经验模型进行坡面土壤水分入渗模拟,结果表明直形边坡土壤水分入渗过程以Horton模型和通用经验模型的拟合效果相对较为理想;阶梯形边坡则以Horton模型得到的土壤水分入渗拟合效果相对最优;最后,通过Pearson相关性分析得出,区内边坡土壤水分入渗特性主要影响因素为土壤有机质与植被覆盖度,且土壤有机质与初始入渗率间呈显著正相关关系(R²为0.986),植被覆盖度与稳定入渗率间则呈极显著相关关系(R²为0.997)。研究结果对于科学有效防治高寒半干旱区水土流失以及研究不同植被类型及坡形水土保持能力具有理论研究价值和实际指导意义。     

青藏高原东缘某隧道建设区典型植物水分利用策略

[目的] 揭示青藏高原东缘隧道建设区植物的水分利用特征及其对环境变化的响应,为自然和人为影响下的生态脆弱区水土保持工作提供科学参考。[方法] 通过测定海拔3 230 m的某隧道建设区2020—2021年不同月份典型植物木质部水和各潜在水源的δ²H和δ¹⁸O值,利用MixSIAR模型计算植物吸收各潜在水源的比例,并计算每两种植物间的相似性比例指数(PS指数)以比较不同物种的水分竞争关系。[结果] 紫羊茅(Festuca rubra)、川西云杉(Picea likiangensis var. balfouriana)和刺叶高山栎(Quercus spinosa)以浅层土壤水(0—40 cm)作为主要水源;川杨(Populus szechuanica)主要吸收中深层(40—200 cm)土壤水;2021年8月和10月植物对浅层土壤水的利用比例较2020年同时期明显降低;川西云杉对0—40 cm和40—80 cm层土壤水的利用比例与相应层土壤含水量分别存在显著正相关和显著负相关关系(p＜0.05);在时间尺度上,川杨在2020年10月与其他3种植物的水分竞争关系较弱,PS指数范围为0.19～0.54。[结论] 土壤含水量及外界温度的改变是青藏高原东缘植被水分利用策略变化的主要因素,且这两个因子的重要性因物种而异;隧道建设会引起土壤和土壤水的流失,从而导致隧道建设后土壤含水量的降低;隧道建设后植物对浅层土壤水的依赖比隧道建设前低,因此需关注生态脆弱区隧道建设对土壤水分及植被适应机制的影响。     

黄土高原典型退耕草地植被特征对土壤入渗过程的影响

植被恢复过程可显著影响土壤入渗性能。通过选取黄土高原典型草地白羊草和铁杆蒿草地,设置不同种植密度（5,10,15,20,25,30株/m²）和采用人工模拟降雨试验（60 mm/h,60 min）,系统研究了草地植被特征对土壤入渗过程的影响。结果表明：（1）种植密度增加可显著延缓产流,不同种植密度下白羊草草地和铁杆蒿草地初始产流时间分别为0.76~5.74,0.87~2.08 s,且随盖度、根系生物量和有机质的增加呈幂函数增加（R²≥0.18,p<0.05）。（2）不同种植密度下白羊草草地的平均入渗速率、稳定入渗速率、入渗总量分别为0.47~0.82,0.46~0.82 mm/min和7.12~11.84 mm,铁杆蒿草地分别为0.38~0.67,0.35~0.60 mm/min和5.70~10.07 mm。当种植密度为20株/m²时,土壤入渗各参数均最大;平均入渗速率、稳定入渗速率、入渗量总量、入渗系数（K）随土壤有机质的提高呈幂函数增大（R²≥0.26,p<0.01）,衰减系数（α）随生物结皮盖度呈降低趋势（p>0.05）。（3）白羊草草地具有较高的根系生物量、生物结皮盖度和有机质含量,其初始产流时间、平均入渗速率、稳定入渗速率、入渗量总量及入渗系数（K）均不同程度高于铁杆蒿草地,衰减系数（α）低于铁杆蒿草地,土壤入渗性能较强。总体而言,对于典型退耕草地,土壤入渗总量（A）可表征为根系生物量密度（RMD）和土壤有机质（SOC）的拟合函数（A=2.77×RMD^0.149 SOC^0.614,R²=0.663,NSE=0.653）。研究结果可为黄土高原退耕草地生态水文过程和植被建设提供数据来源和理论依据。     

聚丙烯酸钠对3种土壤质地入渗特征的影响

 采用一维垂直积水入渗法,分析聚丙烯酸钠在4种质量分数（0、0.08%、0.20%与0.50%）处理下对砂土、壤土和黏土水分入渗性能以及Kostiakov入渗模型参数的影响。结果表明:聚丙烯酸钠与土壤质量比在0.08%0.50%范围内时,3种土壤质地入渗速率都随时间推移呈下降趋势,土壤入渗能力随聚丙烯酸钠质量分数的增大明显降低;聚丙烯酸钠显著抑制土壤入渗能力;入渗系数k随聚丙烯酸钠用量的增加而下降;入渗指数a值随聚丙烯酸钠用量的增加基本呈上升趋势;k/a值对聚丙烯酸钠的响应随聚丙烯酸钠质量分数的增加逐渐增强。     

砾石覆盖厚度对斥水土壤入渗特性的影响及模型优选

基于室内一维垂直入渗土柱试验,研究砾石覆盖厚度(0,3,6,9,12 cm)对斥水土壤积水入渗及水分再分布的影响,并利用不同入渗模型进行拟合。结果表明:砾石覆盖显著增加斥水土壤湿润锋运移距离(p<0.05);同一时段内,各处理累积入渗量皆高于对照组(p<0.05),斥水性红壤累积入渗量与砾石覆盖厚度呈正相关关系;斥水性红壤初渗率与稳渗率随砾石覆盖厚度变化均可用指数函数来描述,决定系数分别为0.91和0.87,砾石覆盖使得斥水性潮土初渗率与稳渗率增大,其中稳渗率与砾石覆盖厚度呈二次函数关系,决定系数为0.78,覆盖6 cm时稳渗率达到最大;砾石覆盖明显提高斥水土壤剖面平均含水率,斥水性红壤和潮土最大分别增长180.8%和57.6%;隔绝蒸发条件下,再分布过程斥水土壤湿润体含水率表现为停渗时刻>再分布1天>再分布3天>再分布7天;Horton模型对砾石覆盖斥水土壤入渗过程的拟合效果最好,是分析和预测砾石覆盖斥水土壤水分入渗特征的适宜模型。     

Green-Ampt模型与Philip入渗模型的对比分析

土壤入渗是田间水循环的重要组成部分,国内外学者提出了具有不同特点和用途的入渗模型。该文通过对比分析了具有明确物理意义的Philip入渗模型和Green-Ampt入渗模型,建立了两模型参数间的内在关系,并利用一维垂直入渗实验资料对理论关系进行了比较。发现Philip入渗模型对参数精度要求较高,而Green-Ampt入渗模型对参数要求较低     

湖南省衡山不同海拔高度土壤的入渗特征

[目的]探究衡山不同海拔高度土壤入渗性能的差异及其影响因素,为山体大尺度土壤入渗性能研究提供思路和方法。[方法]在衡山不同海拔高度区域选取9个试验点进行野外点源入渗试验。[结果]①从各试验点入渗率角度分析,稳定入渗率随海拔上升逐渐增大(山顶山腰山麓)且入渗率变化显著。从入渗开始到稳定入渗减小了50%～86%,且入渗过程呈现出一定规律性,即初始入渗率很大,随着入渗过程的推进,前10 min入渗率迅速减小,10～30 min缓慢减小,最终在30 min后趋于稳定。②影响土壤入渗性能的因素较多,在衡山试验中稳定入渗率与0.25 mm水稳性团聚体含量和海拔高度分别呈极显著正相关和显著正相关关系,而与有机质、土壤容重和质地相关性较低。③Kostiakov模型,Philip模型、Horton模型在各试验点的决定系数R~2均大于0.95,都能较好地对衡山各试验点入渗速率进行拟合,而Philip模型的参数中表征稳定入渗率的参数A均为负数,使其物理意义不明确。[结论] Horton模型能反映不同海拔区域稳定入渗率的特征(山顶山腰山麓),Kostiakov模型能较好地反映入渗速率的变化特征(山麓山顶山腰),也说明点源入渗法测量山地入渗是可行的。     

腾格里沙漠宁夏回族自治区中卫市沙层水分入渗研究

为查明腾格里沙丘沙层水分渗透性及其原因,在该地区进行了沙层水分入渗试验。结果表明,在稳定前,流动沙丘入渗率最大,半固定沙丘次之,洼地最小。在达到稳定入渗后,半固定沙丘的入渗率较流动沙丘略大,洼地则最小,它们的平均稳定入渗率分别为16.8,16.2,12.0 mm/min。不同地貌类型的沙层达到稳定入渗的时间在6.3～8.8 min之间。流动沙丘与半固定沙丘水分入渗量基本相同,入渗量均较大,洼地入渗量最小。沙层具有入渗率高,达到稳定入渗快和入渗率变化小的突出特点,沙层粒度较粗,组成均一和孔隙连通性好,是其主要原因。沙层入渗率高为沙漠地区大气降水向地下水的转化创造了非常有力的条件。研究结果表明,在常用的3个入渗计算公式中,Koctakob公式最适用于沙丘水分的入渗研究,Horton公式也较适用沙层水分的入渗研究,通用经验公式不适于沙层水分的入渗研究。     

双环直径对土壤入渗速率的影响

双环法是测定土壤入渗速率最为广泛最为经典的方法,但双环直径可能影响土壤入渗速率测定结果,因其为地表积水有压入渗,在坡地上测定时,因整平地表时会产生很大扰动,从而产生测定误差。研究设计5组不同直径的双环入渗试验,分析双环直径对土壤初始入渗速率、稳定入渗速率、累计入渗量的影响。结果表明:当双环内环直径分别为15,20,25,30cm时,初始入渗速率分别是常规内环直径为35cm双环的88.3%,110.8%,119.9%,100.7%,稳定入渗率分别是54%,73%,85%,89%。对不同时刻入渗速率进行T值检验发现,用内环直径为20,25,30cm双环测定的入渗过程与常用内径为35cm的双环测定土壤入渗过程无显著差异。考虑地表扰动因素、试验需水量等多因素的影响,可用内环直径20cm、外环直径为35cm的双环替代目前常规内环直径为35cm,外环直径为50cm的双环,用于坡地土壤入渗速率测定,可以减少地表扰动,从而准确测定土壤入渗率,又能节约用水量。     

浑水膜孔灌多向交汇入渗及减渗特性

浑水灌溉是我国黄河流域引黄灌区灌溉的主要特点,其中浑水中的泥沙含量对土壤入渗特性有较大的影响,为揭示浑水膜孔灌交汇入渗的减渗特性,通过开展浑水及清水膜孔灌入渗试验,建立了浑水膜孔灌自由入渗相对于清水的减渗率及浑水膜孔灌多向交汇入渗相对于自由入渗的减渗率与入渗时间之间的量化关系,提出了由清水膜孔灌自由入渗量推求浑水膜孔灌多向交汇入渗量的模型。结果表明:浑水膜孔灌自由入渗较清水的减渗量随入渗时间的延长而增大,但增大幅度慢慢变小,入渗后期其减渗量基本呈线性增加,其减渗率随时间的增大先快速增大后缓慢减小,入渗后期减渗率基本稳定;当入渗产生交汇后,入渗能力明显减小,多向交汇入渗和单向交汇入渗相对自由入渗的减渗率均随入渗时间的增长而增大,多向交汇入渗相对单向交汇入渗也存在减渗作用,3条减渗率曲线的变化率随着时间的增长而逐渐减小。     

入渗水头对土壤水平一维入渗影响初探

蓄水坑灌法是一种适用于我国北方山丘区果林灌溉的新方法。蓄水坑灌条件下的土壤水分入渗是在变水头条件下进行的。本文着眼于研究蓄水坑的侧向水平入渗,通过室内试验,对水平土柱在不同水头作用下的土壤入渗状况进行研究,结果表明入渗水头对入渗系数有较为显著的影响,对入渗指数有一定的影响,入渗系数和入渗指数均随入渗水头的变化呈现出相对平稳与显著性变化的交替变化趋势。这一研究成果对进一步研究蓄水坑灌条件下的变水头入渗及土壤水分运动特性具有重要价值。     

秸秆生物炭对黏壤土入渗规律的影响

为提高干旱半干旱区耕作土壤灌溉水的利用效率,采用秸秆生物碳对黏壤土进行改良,并用3种经典入渗模型进行入渗模拟,寻求适于描述研究区土壤入渗规律的模型及改良方案。采用双环入渗试验测定4种生物炭施用水平（10 t/hm²,20 t/hm²,30 t/hm²,50 t/hm²）的田间作物生育期内土壤含水率、入渗速率及累积入渗量,分别采用Green-Ampt模型、Philip模型和Kostiakov经验公式对试验组与对照组（CK）的入渗过程进行模拟。结果表明:施用量为30 t/hm²较CK效果最为明显,施用层（0—40 cm）入渗速率增加44.6%,耕作层土壤含水率增加8.9%,累积入渗量增加45.45%。比较3种模型的入渗过程拟合结果,认为Kostiakov经验公式拟合的效果符合实测规律,可为研究区改良土壤水分入渗过程提供理论依据。     

基于信息熵方法的土壤水分入渗方程试验研究

对沙壤土、黏壤土进行水分入渗试验,确定4种熵方程(E-Horton、E-Kostiakov、E-Philip、E-GreenAmpt)系数并标定了一般方程(Horton、Kostiakov、Philip、Green-Ampt)系数。根据所得到的方程计算相应的入渗率,并与试验观测数据进行比较。结果表明:在沙壤土中,E-Horton、E-Kostiakov、E-Philip方程能较好地反映土壤水分入渗规律,E-Green-Ampt方程高估了土壤水分入渗率。在黏壤土中,4种熵方程拟合效果均较差。与一般方程比较,基于信息熵方法的土壤水分入渗方程更适于沙质土壤,因为该方法不需要标定方程的参数,简便可行,而且较好地反映了参数的物理意义,为优化灌溉提供理论依据。     

具有砂质夹层的土壤入渗计算

根据室内系统的试验研究，对土壤具有砂质夹层的入渗计算问题，即非线性入渗阶段转为稳渗阶段时间与稳渗率，提出了一个以现有均质土积水入渗公式为基础的计算方法。该方法利用Kostiakov入渗模型与砂层以上土体达到饱和所需水量建立水量平衡关系，由该关系可以确定出非线性入渗阶段转为稳渗阶段的时间；再由实验数据回归的方法，将层状土转折后的稳渗率与均质土入渗过程在转折时刻的瞬时入渗率的比值与夹层的埋深及中值粒径建立相关关系，从而可由夹层土壤埋深、中值粒径以及均质土在转折时刻的瞬时入渗率确定出层状土转折后的稳渗率。该方法经试验数据的检验，除个别点外，误差均在5%以内。由于确定稳渗率与夹层土壤埋深、颗粒组成、均质土入渗规律等有关，实际确定时会有一定困难，因此该方法尚待完善和生产实际的考验。