基于黏粒量的土壤水分特征曲线预测模型

【目的】建立基于黏粒量的土壤水分特征曲线预测模型。【方法】设计12种不同黏粒量的质量混合比处理,获得一系列合成土样,通过测定合成土样的土壤水分特征曲线,研究了在体积质量一致的条件下,黏粒量对土壤水分特征曲线参数和孔隙分布的影响。【结果】在体积质量为1.55 g/cm³条件下,黏粒量增加1.9倍,土壤中传导孔隙(0.03~1 mm)体积减小28.6%,储存孔隙(200nm~0.03 mm)体积增加6倍,土体的持水性增强。合成土样的土壤水分特征曲线参数θs和α均与黏粒量显著正线性相关,θr与黏粒量显著负线性相关,n和m均与黏粒量呈指数衰减关系。【结论】基于黏粒量确定的土壤水分特征曲线预测模型具有较高的精度,能够快速预测土壤水分特征曲线,预测值与实测值之间相对误差<15%。     

洱海近岸菜地包气带土壤水分特征曲线参数变化及其影响因素

土壤水分特征曲线参数是研究土壤水分和溶质运移的重要参数。【目的】明确洱海近岸菜地土壤水分特征曲线参数空间变化及其影响因素。【方法】以洱海近岸菜地包气带土壤为研究对象,采用压力膜仪逐层测定了不同高程下土壤剖面各发生层的水分特征曲线,并用van Genuchten模型(VG模型)拟合土壤水分特征曲线。【结果】洱海近岸菜地包气带土壤含水率随着土壤吸力的增加呈先快速下降后变化平缓的趋势,VG模型能够较好地模拟各发生层土壤的水分特征曲线。土壤饱和含水率、残余含水率和参数n随着粉黏粒量、有机质和土壤孔隙度的增加而增加,随砂粒量和土壤体积质量的增加而减少,参数a呈相反的变化。土壤有机质、砂粒和黏粒量是影响土壤水分特征曲线参数空间变化的关键性因素,这些因素的差异把各发生层土壤划分为3类,即耕作层A为一类,犁底层P、母质层C和潴育层W为一类,潜育层G为一类。【结论】土层越深或越靠近洱海,土壤持水能力越差,土壤水分或溶质的迁移能力越强。潜育层、潴育层和母质层土壤水分特征曲线参数随高程呈较好的规律性变化,而长期耕种扰乱了耕作层和犁底层土壤水分特征曲线参数随高程的规律性变化。     

滨海盐渍土土壤水分特征曲线测定及拟合模型的比较

测定滨海盐渍土的土壤水分特征曲线及相应的参数,为研究和模拟水盐运移提供可靠的参数依据。以中国科学院黄河三角洲滨海湿地生态实验站内的盐渍土为例,使用压力膜仪测定土壤吸力和水分的关系,根据Brooks-Corey、Gardner和van Genuchten 3种模型拟合土壤水分特征曲线,结果表明:van Genuchten模型拟合的精度最高,剖面五层土壤的决定系数都大于0.97,与试验点土壤质地无明显相关性,可以用于该地区的土壤水分特征曲线拟合;BrooksCorey和Gardner模型的拟合效果相似,且精度波动都很大,在砂性土范围内,决定系数大小与土壤物理性砂粒含量成反比,不适合用于由泥沙堆积而成的黄河三角洲地区的土壤水分特征拟合。van Genuchten模型拟合结果表明:不同土壤的水分特征曲线不同,同一质地类型的土壤具有相似的曲线形状;土壤颗粒的粒径组成和含盐量对土壤的持水性有很大的影响,土壤颗粒越大土壤持水性越差,土壤含盐量越高,土壤持水性越好。     

北京顺义地区典型农田土壤水分特征曲线测定与分析

利用离心机测定北京顺义地区典型农田土壤的含水量及其对应负压值,采用van Genuchten(1980)模型进行了土壤水分特征曲线拟合。根据农田土壤物理特性参数测定的数据,比较了不同质地、不同种植条件、不同深度的土壤特征曲线的特征。结果表明,土壤质地及种植条件等对原状土的土壤水分特征曲线有显著影响。     

南北方粘质土壤密度对土壤水分特征van Genuchten模型的影响研究

以南北方典型粘质土壤红壤和塿土为试验土样,通过水平入渗试验进行了土壤密度变化对土壤水分特征van Genuchten模型参数的影响研究。研究结果表明,特征湿润长度、吸力、饱和含水量、滞留含水量、饱和导水率均随土壤密度增加而减小;土壤水分特征van Genuchten模型参数n随着土壤密度的增加而递增,而参数α随着土壤密度的增加而减小,与土壤密度成反比;参数n和参数α随土壤密度变化关系可用幂函数来描述。为建立吸力、土壤密度、质量含水率三变量的土壤水分特征曲面提供新的途径,有助于完善土壤水动力学理论。     

紫色土坡耕地水分运移及胶体颗粒的输出动态研究

土水势是直接反映土壤水能量和流向的指标,土壤水的流动对坡耕地产流有重要影响。胶体是农化物质(氮磷、农药)迁移的载体。【目的】研究紫色土坡耕地水分运移和胶体颗粒的输出特征。【方法】利用土壤含水率和土水势原位监测及径流收集系统,研究了紫色土坡耕地土壤剖面水分变化、产流及胶体颗粒迁移的动态。【结果】单次大暴雨或连续日降雨作用下,紫色土坡耕地易达到饱和,饱和土壤含水率0.45 m3/m3。大雨强降雨事件有助于坡耕地中活塞流的产生,而连续降雨事件下坡耕地上部来水的沿程入渗能有效补给坡耕地中下部的深层土壤水,导致深层土壤含水率和土水势的响应有所滞后。坡耕地裂隙潜流流量的日变化介于0.11~36.56 L/min之间,具有强烈的时间变异性(变异系数为1.72)。潜流中胶体质量浓度的日变化介于0.20~15.41 mg/L之间。胶体质量浓度与潜流流量极显著正相关(相关系数为0.73)。【结论】土水势对紫色土水分运动的响应更灵敏,其与土壤含水率的结合能够更全面地揭示土壤水分运移机制。降雨入渗的水力剪切与裹携是胶体释放与迁移的主要机理,干湿交替会促进胶体颗粒的生成。     

西藏林芝地区土壤水分特征曲线适用性研究

西藏地区自然气候特征、成土母质和成土条件有着显著的地区特性,了解西藏高原地区土壤水动力学特性对于研究高原地区水文和水循环过程具有重要的意义。2015年分别在林芝地区米林县(海拔2 905 m),八一镇(海拔3 240 m)和林芝县(海拔3 879 m)3个青稞种植区田间取样,在原状土土壤水分特征曲线测试的基础上,研究了西藏林芝地区土壤基质势和土壤含水率之间的关系,并建立了参数的微分求解方程,发展了土壤水分特征曲线非线性函数的参数估计方法;基于实测值构建Jacobi矩阵,采用全局性最优方法确定了van Genuchten模型和Gardner-Russo模型的参数。结果表明,-11.0~-4.0、-42.0~-11.0 k Pa以及-54.0~-42.0 k Pa基质势区段的单位基质势平均含水率变化量分别为5.4×10-3、11.2×10-3和6.7×10-3cm~3/(cm~3·k Pa),最大差异性发生在-54.0~-42.0 k Pa之间,西藏地区的土壤水分特征曲线形状主要决定于黏粒质量分数,而砂粒质量分数则主要影响土壤水分特征曲线的变异性。van Genuchten模型和模拟6组试验数据的相对误差平均值和最大值分别为0.04和0.09。采用Gardner-Russo模型模拟6组试验数据的相对误差的平均值和最大值分别为0.06和0.14。van Genuchten模型模拟西藏林芝地区的土壤水分特征曲线的精度及有效性显著超过Gardner-Russo模型。     

北京通州区典型农田土壤水分特征曲线测定及影响因素分析

以北京通州区典型农田土壤为研究对象,通过野外采样结合室内试验,用离心机进行土壤水分特征曲线测定,并用van Genuchten模型进行拟合,分析了土壤质地、土地利用、土层深度对土壤水分特征曲线的影响。结果表明,土壤水分特征曲线受土地利用、土层深度影响,而以土壤质地影响最为显著。     

脱水过程土壤体积质量、含水率、吸力的关系

【目的】分析土壤脱水过程中的收缩特性。【方法】采用离心机法测定了辽宁砂壤土(LN)、云南黏壤土(YN)、陕西黏壤土(SX)和山东壤土(SD)的土壤水分特征曲线,并采用Brooks-Corey模型进行了拟合;同时对脱水过程中土壤收缩特性进行了研究,定量分析了土壤体积质量、含水率、吸力之间的关系。【结果】对于LN、YN、SX和SD土样,(1)在土壤脱水过程中,含水率随吸力增加而减小;当土壤较干和接近饱和含水率时,减小速率较小,而在二者之间时减小速率较大;(2)基于Brooks-Corey土壤水分特征曲线模型和土壤收缩线性模型,土壤体积质量和吸力呈幂函数关系;(3)土壤脱水过程导致含水率降低、体积质量增加,二者呈负相关关系,土壤的收缩过程大致可分为伪饱和段、结构段和超正常段等3个直线型收缩段;Logistic模型具有较高拟合精度且可以使得土壤收缩特征拟合曲线具有连续性。【结论】土壤脱水过程中,其体积质量与吸力呈现幂函数关系,而含水率与体积质量可采用Logistic模型量化表征。     

基于离心机法获取定体积质量下的土壤水分特征曲线

【目的】克服离心机法测定土壤水分特征曲线时"变体积"的缺陷,实现用离心机法获取扰动土壤准确的土壤水分特征曲线。【方法】选取了山西省16种粒径组成、有机质量差别显著的扰动土壤作为研究对象,采用离心机法测定了初始体积相同的各土壤样品在不同转速下的土壤体积含水率、动态变化的土壤体积;采用多元非线性回归模型,描述了以土壤体积含水率、粒径组成、体积质量和有机质质量分数作为自变量描述土壤水吸力的函数关系,并对模型进行了验证与评价。【结果】土壤水吸力的自然对数函数可以表示为土壤砂粒质量分数、黏粒质量分数、土壤体积质量和含水率乘积以及有机质质量分数等土壤属性的线性函数,模型的决定系数达到0.740;模型建模样本平均相对误差为14.460%,验证样本平均相对误差为13.237%,模型预测精度较高;同时发现土壤属性对于曲线的形状与走势的影响不能忽视,其中砂粒质量分数、土壤体积质量和含水率乘积与土壤水吸力负相关,黏粒质量分数、有机质质量分数与土壤水吸力正相关。【结论】因此,本方法构建的模型更符合实际情况,能够提高土壤水力学参数的精度,同时可以克服离心机测量土壤水分特征曲线体积变化的缺点,得到更合理的土壤水吸力和土壤含水率的关系。     

黄土高原植被恢复过程中土壤水分有效性评价

【目的】探究土壤持水性与土壤水分有效性对不同植被(草地、灌木林地和乔木林地)的响应。【方法】在位于黄土高原腹地的子午岭林区,利用土壤水分特征曲线测定了植被恢复过程中3种不同恢复年限的植被下的土壤持水性和土壤水分有效性。【结果】植被恢复过程中的土壤持水性和土壤水分有效性从草地到灌木林地再到乔木林地呈上升趋势。【结论】影响土壤水分特征的关键因子是土壤颗粒组成、土壤体积质量和土壤孔隙度。该结果可为植被恢复过程中土地利用类型的规划提供理论参考。     

振动深松耕作对不同类型土壤水分特征曲线影响研究

为了探讨振动深松耕作措施对不同类型土壤的水分特征曲线的影响,利用吸力平板仪和压力膜仪对黑龙江省5种典型土壤,即黑土、黑钙土、水稻土、苏打盐碱土、沙土进行了测定。得到振动深松区和对照区的原状土壤在脱湿过程中不同吸力下的土壤含水率,并利用van Genuchten数学模型对5种土壤的水分特征曲线的实测值进行数值拟合,对比研究了5种土壤水分特征曲线及模型拟合参数、土壤当量孔径、土壤水分有效性及比水容量的变化。结果表明,振动深松前后土壤水分特征曲线差异显著。同一吸力下,深松区土壤含水率高于对照区,振动深松显著提高了土壤的有效供水能力,其中效果最佳的是苏打盐碱土和黑土。振动深松通过改善土壤结构,调整了孔隙孔径的比例,进而提高了土体的有效供水能力。     

土壤结构改良剂影响下的土壤水分有效性研究

以聚丙烯酰胺(PAM)与磷石膏(PG)为土壤结构改良剂,利用离心机法,测定土壤水分特征曲线,从分析土壤的吸水能力和持水能力的角度出发,研究土壤结构改良剂对土壤水分有效性的影响。研究结果表明,土壤的吸水能力、持水能力与释水能力均表现出与用量密切相关;在使用土壤结构改良剂的情况下,仍然可用van Genuchten方程很准确的模拟土壤吸力与含水率之间的关系,即可作为使用土壤结构改良剂后的土壤水分特征曲线的模拟表达式;在试验的用量范围内,土壤结构改良剂的使用不会影响植物对水分的吸收和利用。     

大孔隙对土壤比水容重及非饱和导水率影响的实验研究

以南京市栖霞区东阳镇的粉砂壤土为例,用土壤水分特征曲线(van Genuchten模型)拟合包含大孔隙原状土、不包含大孔隙扰动土的实测数据,得到了模型参数,进而得到比水容重和非饱和导水率与土壤含水量之间关系的表达式,在此基础上对比分析了原状土与扰动土水分运动参数之间的异同,并着重分析了土壤大孔隙对其影响。结果表明,受土壤大孔隙的影响,在同一含水量的情况下,扰动土的比水容重比原状土大1～2个数量级,并且随着吸力的增大,二者的差值逐渐减小;扰动土的非饱和导水率小于原状土,最大可相差2～3个数量级。     

栾城农业生态系统试验站土壤水分

利用土壤水分特征曲线仪测定河北栾城农业生态系统试验站三组土样的含水量及其对应负压值，分别利用六种不同模型进行了土壤水分特征曲线拟合。通过六种土壤水分特征曲线模型的拟合值与实测值差异对比认为，不同土样的最优土壤水分曲线模型不同，栾城土壤水分特征曲线拟合效果最好的模型是：原状粉质粘土为原始Van Genuchten模型；而扰动土为修正的Van Genuchten模型。     

栾城农业生态系统试验站土壤水分特征曲线分析

利用土壤水分特征曲线仪测定河北栾城农业生态系统试验站三组土样的含水量及其对应负压值，分别利用6种不同模型进行了土壤水分特征曲线拟合。通过6种土壤水分特征曲线模型的拟合值与实测值差异对比认为，不同土样的最优土壤水分曲线模型不同。栾城土壤水分特征曲线拟合效果最好的模型是：原状粉质粘土为原始Van Genuchten模型；而扰动土为修正的Van Genuchten模型。     

HYPROP系统与快速离心法联合测定土壤水分特征曲线

针对3种供试土壤,利用HYPROP系统与快速离心法分别测定了土壤在低吸力（800hPa以下）和高吸力（1×103～15×103 hPa）范围内土壤吸力和含水率的关系,并联合2种方法的测定结果,采用van Genuchten（1980）-Mualem拟合得到了土壤水分特征曲线的经验参数。其中快速离心法中用对数函数拟合了转...     

土石混合介质中碎石性质对土壤水分特征曲线的影响分析

土壤水分特征曲线是研究多孔介质非饱和带土壤水分运动的关键参数。为研究土石介质中碎石性质对土壤水分特征曲线的影响,采用高速离心机,测定了两种不同岩性碎石(片麻岩和石灰岩)分别在碎石质量比例(碎石占土石介质比例)为0%、10%、20%、30%和40%条件下的土壤水分特征曲线,并运用了RETC软件的VG(van Genuchten)模型对土壤水分特征曲线进行了拟合分析。结果表明:(1)相同土壤水吸力条件下,土壤含水量随碎石比例的增大而减小;(2)相同碎石比例条件下,土壤水吸力相同时含石灰岩土石混合介质含水量降低幅度大于片麻岩;(3)VG模型可以拟合含不同性质碎石土石混合介质水分特征曲线,但拟合参数不稳定;(4)含石灰岩碎石的土石混合介质的土壤饱和含水量只与土壤所占比例有关,而含片麻岩碎石的土石混合介质的土壤饱和含水量与土壤和碎石各自所占比例均有关。研究结果可以为土石山区土壤水分运动过程计算提供一定参考。     

干湿循环作用下稻田地下水补给过程变化特征

【目的】探究节水灌溉模式条件下稻田地下水补给特征。【方法】采用定地下水埋深的蒸渗仪开展试验,分析节水灌溉干湿循环下稻田地下水补给量变化过程,研究地下水补给对节水灌溉稻田作物需水的贡献及对土壤水分的调节作用。【结果】控制灌溉稻田地下水补给过程频繁,当稻田干湿循环过程中土壤水分降至一定限度时,稻田地下水补给量在复水后(灌水或降雨)1 d内出现峰值,稻季共出现16次峰值。控制灌溉稻田稻季地下水补给量达253.98mm,约占水稻需水量的51.1%。稻田干湿循环中,在稻田地下水补给与土壤水入渗的综合作用下,30 cm深度以下土壤含水率保持稳定,0～30 cm深度土壤含水率总体呈下降趋势。【结论】节水灌溉干湿循环下稻田地下水补给量显著增加,有效补给了水稻需水。浅地下水埋深条件下,稻田地下水补给过程直接影响水稻根区土壤水分变化。     

三峡山地土壤水分特征曲线及模型拟合

为揭示土壤涵养水源的机制,并为山区生态治理提供依据,以三峡库首大老岭和夷陵山地为研究区,采集温性阔叶林棕壤、针阔混交林黄棕壤、茶园地和暖性针叶林黄壤的原状土样,通过离心法分析并拟合了山地土壤的水分特征曲线。结果表明,三峡山地土壤随吸力增大,土壤含水率呈先迅速降低后趋于平缓的变化规律。黄壤的持水性较差,黄棕壤相对于其他林地土壤有着更强的持水性。茶园持水能力比棕壤和黄棕壤差,与黄壤差异较小。孔隙分布随土壤剖面深度的增加而减少。大孔隙以黄壤体积比最大,其次是黄棕壤和棕壤,茶园最小。用van Genuchten模型拟合山地土壤的水分特征曲线,决定系数R2均大于0.95,模型可靠性高。van Genuchten模型参数n与有机质(P0.05)和粉粒(P0.05)的相关性较高,参数α与理化性质相关性较差。