古尔班通古特沙漠南缘丘间地土壤水分特征曲线及模拟

为研究干旱荒漠地区土壤水分特征的变化规律并探讨土壤水分特征曲线拟合模型的适宜性,以古尔班通古特沙漠南缘丘间地为研究对象,应用压力膜仪测定了丘间地剖面各土层(0—150cm)的土壤水分特征曲线,结合土壤容重、颗粒分布及饱和含水率等性质,分析了丘间地不同土层水分特征和孔隙大小的分布状况,明确了Gardner模型和van Genuchten模型拟合的适用性。结果表明:(1)丘间地剖面砂质土壤释水量伴随吸力呈规律性变化,低吸力段(0~100kPa)各土层水分特征曲线走势陡直,释水性强;中高吸力段(100~1 500kPa)曲线趋于平缓,持水性强。水分曲线特征与其物理性质一致,各土层物理性质差异较小,曲线的差异也较小。(2)丘间地剖面各土层大孔隙由上到下不断增加且20—40cm土层的小孔隙最多,有助于春季积雪融化迅速入渗到土壤里贮存,对植物吸收利用水分有重大意义。(3)两模型都能很好地拟合丘间地的土壤水分特征曲线,VG模型的拟合效果优于G模型,但G模型形式简单、参数少且易于求解,更便于实际应用。     

三峡山地不同坡位土壤的水分特征曲线及水力学性质

山地不同坡位的土壤水力学性质研究可为地表水文过程预测和坡地生态修复提供参考。通过采集三峡库区大老岭林区山地不同坡位的原状土样,测定饱和导水率、当量孔径、水分库容等水力学参数,利用V-G模型拟合土壤水分特征曲线,评价不同坡位土壤的渗透性能和持水能力。结果表明:坡顶土壤的入渗性能最好,平均饱和导水率为108.54 cm/d,其他坡位平均饱和导水率为34.81～47.56 cm/d。坡顶土壤的持水能力最差,吸力值从0增至100 kPa,含水量下降幅度最大(63.67%),其他坡位下降幅度在46.36%～52.07%。坡顶土壤大孔隙体积比最大可达20.95%,其他坡位在12.27%～16.58%。田间持水量库容占总库容的百分比以坡顶土壤最小(45.24%),其余在60.08%～65.33%。用V-G模型拟合土壤水分特征曲线,各样点决定系数R~2均大于0.95,拟合效果较好。饱和导水率与大孔隙体积比、砂粒含量呈正相关,与粉粒含量和黏粒含量呈负相关。V-G模型参数α与进气值相关,α值越小,持水能力越强。试验中α值与砂粒含量、大孔隙体积比呈正相关,与粉粒含量和黏粒含量呈负相关。砂粒和大孔隙越多,土壤持水性越差。参数n的取值影响拟合水分特征曲线的弯曲程度,n值越小,曲线越平缓。试验中n值与砂粒含量呈正相关,与粉粒含量呈负相关。砂粒含量越多,随吸力增大土壤排水越快。可见,山地坡面顶部土壤的持水能力最差,渗透能力最强,其他坡位差异不显著,V-G模型拟合的结果与实测结果一致。     

羧甲基纤维素钠对壤砂土水分运动及水力参数的影响

科学使用羧甲基纤维素钠(CMC)实现保水控盐对于滨海壤砂盐碱土改良具有重要意义,而明晰CMC对滨海壤砂土水分运动规律的影响是科学使用CMC的重要基础。为研究施加CMC滨海壤砂土水分运动规律,本文通过开展一维垂直土柱积水入渗试验,探索不同CMC施量(0、0.1、0.2、0.4、0.6 g?kg-1) 对壤砂土入渗特性、水分分布和土壤水力参数的影响。结果表明,施用CMC土壤的最终累积入渗量增加了4.90％～15.17％、达到预设湿润锋深度的入渗时间增加了61.90%～604.73%;Philip入渗模型参数吸渗率S和Green-Ampt模型参数KsSf均随CMC施量的增加而减少,吸渗率S和平均土壤水扩散率与CMC施量之间的数学关系分别可用二次多项式和指数函数来表示;CMC增强了土壤的持水能力,土壤剖面含水量提高了0.72%～3.74%;CMC通过改变土壤结构影响了土壤水力参数,滞留含水率θr、饱和含水率θs及进气吸力倒数α均与CMC施量呈正相关关系,而与饱和导水率Ks和形状系数n呈反比关系。通过对变异系数CV的分析发现,CMC对饱和导水率Ks和进气吸力倒数α影响表现为中等差异,对滞留含水率θr、饱和含水率θs和形状系数n表现为弱差异。研究结果揭示了CMC对滨海壤砂土减渗保水的内在机理,为滨海盐碱地的改良提供了理论参考。     

黄土高原雨养区坡面土壤水力学性质空间特征及影响因素

土壤水力学性质在建立水分运动模型及水土保持措施配置中具有重要作用。以网格采样测定了黄土高原雨养区坡面土壤水分特征曲线,拟合了Van Genuchten和Gardner模型参数,并利用经典统计和地统计方法分析了其空间分布特征及影响因子。结果表明:在黄土高原雨养区复杂的土地利用结构下,坡面表层土壤水力学性质具有明显的空间变异性,Van Genuchten模型参数n不存在空间相关情况,为纯随机变量,参数a,A,B,A·B和饱和导水率的空间变异受到系统变异和随机变异的共同作用。Gardner模型参数A和B值受到有机质含量的影响,饱和含水量、田间持水量和容重与参数A,A·B及有效孔隙度之间的相关性均达到极显著水平。比重与坡面土壤水力学性质之间的相关关系不显著。土地利用和地形因子对水分特征曲线的影响明显,在高吸力阶段,上坡位比下坡位土壤保持的水分多,农田的持水能力不如草地和林地。     

适量砒砂岩改良风沙土的吸水和保水特性

该文研究了不同砒砂岩改良风沙土模式下的土壤入渗特征、饱和导水率和水分特征曲线,分析了不同模型对砒砂岩改良风沙土水分特征曲线的适用性和不同改良模式的土壤水力学特征,以期为评价砒砂岩改良风沙土水力学特性以及筛选合理改良模式提供科学依据。结果表明:砒砂岩可以有效降低风沙土的入渗率和饱和导水率,增加风沙土的饱和含水量和滞留含水量,增强风沙土的持水能力。VGM(m,n)模型可以拟合砒砂岩改良风沙土土壤水分特征曲线。同一改良模式下,土壤的入渗率、饱和导水率和饱和含水量随容重增大呈减小趋势;容积含水量在低吸力段随容重增大逐渐减小,在中高吸力段逐渐增大。砒砂岩和风沙土以25∶75比例混合的复配模式,可以有效改良风沙土的吸水和保水特性,可在实践中推广。     

黄土高原坡地表层土壤饱和导水率和水分含量空间变异特征

表层土壤水分含量和饱和导水率对深层土壤水分的动态的变化具有重要的决定作用。在黄土高原坡地（50m×360 m）范围内进行网格（10 m×10 m）取样,用地统计学方法研究表层（0～30 cm）土壤饱和导水率和水分含量的空间变异特征。结果表明：1）坡地表层土壤密度变化规律为坡下位大于坡上位,土壤饱和导水率变异系数为0.37,属于中等变异强度;2）饱和导水率和自然对数化的饱和导水率在360 m尺度内均不具备空间结构特征,是纯随机变量,线性有基台模型适用于描述表层土壤水分的分布特征,水分分布存在明显的块金效应,并且随滞后距离的增加半方差变大;3）饱和导水率和水分含量从坡上位到坡下位均呈现波浪式变化,饱和导水率大的采样点土壤水分含量低,反之则高。     

黄土区不同土地利用方式坡面土壤含水率的空间变异性研究

为掌握不同土地利用方式下坡面土壤含水率的空间分布特征及其变异规律，利用经典统计学方法对黄土高原水蚀风蚀交错带草地和农地坡面土壤含水率的空间变异性进行了对比研究。结果表明：草地和农地的土壤含水率均值在同一土层深度下差异极显著，但二者在垂直方向、坡长方向的变异程度均为中等变异程度；草地和农地坡面土壤含水率的垂直变化特征不同，前者为降低型，后者在100 cm以上为波动型，以下为稳定型；草地和农地坡面土壤含水率均随坡长的增加呈波浪式变化规律，整体上有增加趋势；将坡面划分为5个坡长或将土层划分为4层以后，草地和农地坡面土壤含水率沿垂直方向、坡长方向的总体变化趋势均没有改变，但由于尺度的扩展获得了一些较大尺度上的水分信息。     

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.     

东北典型黑土区坡耕地涝渍地土壤持水性和导水性研究

中国东北典型黑土区是我国重要的商品粮生产基地,对我国粮食安全和国民经济的稳定起到举足轻重的作用。作为土壤退化的一种特殊形式,涝渍地严重影响着垦区的农业生产。在东北典型黑土区坡面涝渍地及其周围正常耕地中布设采样点,测定了土壤剖面质地分布情况及土壤水分特征曲线,以揭示东北黑土区坡面涝渍地土壤水分过大的根本原因。结果表明,涝渍地土壤剖面中细质地土壤类型所占比例为90%,质地较粘重。涝渍地土壤具有较高的进气值,水吸力较大,保持在中小孔隙中的水分只有在较大吸力范围内才能缓慢释出,这造成涝渍地土壤具有极强的持水能力,不容易失水,再加上极弱的导水能力,水分饱和但不会被释放。以上这些土壤特性导致了涝渍地土壤长期处于湿度过大的状态。本研究结果可为涝渍地治理提供依据。     

土壤垂向分层和均匀处理下水分差异的数值探讨

在现有众多的陆面过程模型中,对土壤水分的定量描述一般是假设垂向分布均匀,取表层土壤质地来表示整个垂向土壤质地。垂向分层和均匀处理下的土壤水分是存在差异的,这种差异有多大目前少有研究。设置3组不同饱和导水率组合的层状土壤代表不同区域的非均匀土壤,取3组层状土壤的上层土壤代表整个均匀土壤,通过建立一维土壤水分运动模型分析这种差异,同时分析饱和导水率、饱和含水量、残余含水率、孔隙大小分布参数和形状参数对层状土壤和均匀土壤的渗透量和储水量差异的敏感性,探讨垂向层状和均匀处理下土壤水分运动的差异。研究结果表明:1)建立的一维土壤水分运动模型模拟的土壤水分剖面与Yeh解析解和室内五水转化试验的土壤水分剖面一致,表明模型无论是考虑还是不考虑根系吸水都具有可靠性。2)采用垂向均匀方式处理,上下层饱和导水率相差越大的层状土壤,各水文变量的差异越大。当层状土壤上下层饱和导水率相差1.5倍时,层状土壤和均匀土壤的水分分布差别小于0.05 cm~3×cm~(-3);而当层状土壤上下层饱和导水率相差达3.3倍时,层状土壤和均匀土壤的水分分布差别达0.15 cm~3×cm~(-3),渗漏量相差20 cm以上,储水量相差5 cm左右。3)相对于层状土壤下层,均匀土壤下层的持水能力更差,水流速度更快,导致下层水分分布减小,渗漏量增加,储水量减小。4)形状参数n对渗透量的敏感性最强,土壤孔隙大小分布参数对储水量的敏感性最强,形状参数n其次。在实际应用中,如果一个区域的土壤上下层饱和导水率相差较大,那么垂向均匀处理可能会导致很大的误差,和实际土壤的水分分布相差很大,这会严重影响土壤水分的准确估计,在实际处理中需要认真考虑。     

灰色关联及非线性规划法构建传递函数估算黑土水力参数

土壤水分特征曲线和饱和导水率是重要的水力参数,为了简便准确获取这些参数,以松嫩平原黑土区南部为研究区域,采集136个采样点土样用于测定不同土层土壤水分特征曲线、饱和导水率以及土壤理化性质,并运用灰色关联分析确定影响土壤水力参数的主要土壤理化性质,采用非线性规划构建土壤分形维数、有机质、干容重、土壤颗粒组成与土壤水分特征曲线、饱和导水率之间的土壤传递函数,并通过与现有土壤传递函数对比分析进行精度验证。结果表明:1)土壤分形维数是估算土壤水分特征曲线模型参数和饱和导水率的主要参数之一,同时,干容重和有机质含量也在不同土层土壤传递函数中起到重要的作用;2)通过验证分析,不同土层各参数平均绝对误差接近于0,均方根误差值也都较小,其中在不同土层土壤传递函数估算的土壤含水率均方根误差分别为0.022、0.017cm~3/cm~3;3)对比分析其他已存的土壤水分特征曲线和饱和导水率的土壤传递函数,该文构建的土壤传递函数均方根误差值均较小,决定系数值都在0.66以上,表明估算精度较高,均好于其他方法估算精度,具有良好的区域适应性。综上,所构建的土壤水分特征曲线和饱和导水率土壤传递函数可以用于松嫩平原黑土区土壤水力参数估算。     

坡面尺度土壤特性的空间变异性

通过对20m长坡面土壤特性空间变异性的经典统计学分析,结果表明:(1)在同一土壤剖面内,各级粒径含量呈弱变异性,而有机质含量随土层深度的增大而逐渐降低,呈中等变异性;(2)土壤干容重的空间变异性较小,呈弱变异性,但土壤饱和导水率的空间变异性较大,呈中等变异性;(3)水分特征曲线具有一定的空间变异性,比水容量空间变异性较大,呈中等变异性。坡面土壤饱和导水率和干容重的等值线图表明,土壤饱和导水率的变化趋势并不仅仅取决于土壤干容重的相对大小,可能与有机质含量、黏粒含量以及根系分布情况等也有一定的关系。     

非饱和水分运动参数空间变异的研究

田块尺度土壤特性的空间变异性对水分与溶质运移具有明显的影响。该研究在野外30m×30m面积、土壤类型为砂壤土的田块的100个空间点上,分别利用张力计和取土样室内测定的方法测定了30cm土层深处土壤水张力、土壤容重ρ、饱和含水率θ_s,与初始含水率θ_i,同时利用圭尔夫仪,测定了该田块同样深度108个空间点上的饱和水力传导度K_s与孔隙大小分布参数α。利用经典统计分析与地质统计分析方法分析上述参数的空间变异特征,研究结果表明:ρ,θ_i,θ_s,K_s和容水度C遵从正态分布,而α具有对数正态分布;K_s,α和C具有较大的空间变异性,而ρ和θ_s的空间变异性则较小;K_s和logα是空间统计相关的;土壤水张力的空间变异具有时不变特征,且土壤水张力方差是其均值的二次函数     

六盘山华北落叶松坡面土壤饱和导水率空间异质性及其影响因素

为深入理解森林坡面土壤饱和导水率的空间变异,利用经典统计学和地统计学的方法研究六盘山华北落叶松人工林坡面不同土层土壤饱和导水率的空间异质性,并基于相关性分析揭示其空间变异的主要因素。结果表明:(1)随土层的加深,土壤饱和导水率逐渐增加,不同土层土壤饱和导水率的空间变异程度存在差异,表现为40—60 cm土层土壤饱和导水率为强变异,其他土层均为中等变异。(2)不同土层土壤饱和导水率的空间结构也存在差异,20—40,40—60,60—80 cm土层土壤饱和导水率表现为强烈的空间自相关性,0—20,80—100 cm土层土壤饱和导水率表现为中等空间自相关性。(3)坡面土壤饱和导水率与石砾含量、非毛管孔隙度、毛管持水量、田间持水量和毛管孔隙度显著相关。综上,研究坡面土壤饱和导水率具有较强的空间变异,石砾含量和土壤物理性质是影响研究坡面土壤饱和导水率空间分布的主要因素。     

基于三维Copula函数的滴灌硝态氮淋失风险评估方法

硝态氮淋失是滴灌系统设计和运行管理需要考虑的重要因素。该研究构建了滴灌条件下的水氮运移模型,利用HYDRUS-2D软件进行了求解,模拟分析了田间尺度砂壤土饱和导水率和初始含水率空间变异对NO₃^--N淋失率的影响,并利用三维Gumbel-Hougaard Copula函数构建了土壤饱和导水率、初始含水率和NO₃^--N淋失率的联合分布函数,分析了给定土壤饱和导水率和初始含水率条件下NO₃^--N淋失率超过某一阈值的条件概率。结果表明,NO₃^--N淋失率概率密度函数可用指数函数表示;土壤饱和导水率和初始含水率的空间变异会明显增加NO₃^--N淋失风险;NO₃^--N淋失率超过给定阈值（6.4%,均质土壤条件下的NO₃^--N淋失率）的条件概率基本随土壤饱和导水率和初始含水率的增大而增大。构建田间尺度土壤特性参数（如饱和导水率、初始含水率等）与NO₃^--N淋失率的联合分布函数为研究多变量空间变异条件下NO₃^--N淋失风险评估提供了参考。     

Hydraulic energy indices reveal spatial dependence in a subtropical soil under maize crop in Southern Brazil

Soil physical quality (SPQ) assessment is an important part in the evaluation of soil use, management, and conservation. It can be assessed using several physical properties, hydraulic indices, and functions. Soils from tropical and temperate regions represent different physical behaviors, and the quantification of their physical properties is important to support soil evaluation and modelling. The objective of this study was to evaluate the SPQ in a subtropical field under maize crop cultivation according to its physical properties, hydraulic indices, and functions in an attempt to infer the spatial variability and to determine the behavior of soil physical structure across a spatial domain. Commonly used soil key physical variables, such as texture, bulk density, total porosity, saturated hydraulic conductivity, and organic carbon content, were measured in a regular grid with a soil sampling density of 30 points per hectare, covering an area of 0.5 ha. Saturated hydraulic conductivity varied strongly between subsamples and in the field, suggesting the heterogeneity of the soil structure regarding water drainage. The physical variables were combined with other indicators, which were based on the soil water retention curve and the pore size distribution (PSD) function. Correlation analysis was performed to verify the relationship between the measured and calculated variables, and some strong linear correlations were revealed, such as between aeration energy index and microporosity (r = 0.608) and water retention energy index with microporosity (r = 0.532) and with bulk density (r = 0.541). For most sampled locations, the shape and location parameters of PSD showed results outside of the optimum ranges, whereas the hydraulic energy indices and cumulative hydraulic energy functions presented values that were similar to those found for some tropical soils described in the literature. The spatial variability of these indices was described using semivariograms and kriged maps, indicating the variability of the SPQ in this field.     

北京山区典型植被枯落物和土壤层水文功能

[目的]研究枯落物和土壤层水文功能,从而明晰北京山区不同植被的水源涵养能力,可为当地植被建设提供借鉴。[方法]使用室内浸泡法、环刀法、定水头法等对北京山区不同植被的枯落物与土壤层水文功能进行了定量分析,并通过相关性分析明确了有机碳与土壤层水文功能之间的关系。[结果](1)枯落物最大持水率、最大拦蓄率、有效拦蓄率为侧柏(Platycladus orientalis)×灌木混交林>五角枫(Acer elegantulum)纯林>五角枫×侧柏混交林>侧柏纯林。最大持水量、最大拦蓄量、有效拦蓄量均为五角枫纯林>侧柏×灌木混交林>五角枫×侧柏混交林>侧柏纯林,且均为半分解层大于未分解层。(2)土壤饱和持水量和毛管持水量排序为侧柏纯林>五角枫纯林>侧柏×灌木混交林>五角枫×侧柏混交林。土壤非毛管持水量大小排序为五角枫×侧柏混交林>五角枫纯林>侧柏×灌木混交林>侧柏纯林。土壤饱和导水率沿剖面向下逐渐减小,平均饱和导水率最大的植被类型为侧柏×灌木混交林。(3)土壤有机碳含量表现为沿剖面向下逐渐减小,且土壤有机碳含量与容重、总孔隙度...     

土壤持水特性参数与土壤质地尺度关系的联合多重分形分析

Soil water-retention characteristics at measurement scales are generally different from those at application scales, and there is scale disparity between them and soil physical properties. The relationships between two water-retention parameters, the scaling parameter related to the inverse of the air-entry pressure (αvG, cm-1) and the curve shape factor related to soil pore-size distribution (n) of the van Genuchten water-retention equation, and soil texture (sand, silt, and clay contents) were examined at multiple scales. One hundred twenty-eight undisturbed soil samples were collected from a 640-m transect located in Fuxin, China. Soil water-retention curves were measured and the van Genuchten parameters were obtained by curve fitting. The relationships between the two parameters and soil texture at the observed scale and at multiple scales were evaluated using Pearson correlation and joint multifractal analyses, respectively. The results of Pearson correlation analysis showed that the parameter αvG was significantly correlated with sand, silt, and clay contents at the observed scale. Joint multifractal analyses, however, indicated that the parameter αvG was not correlated with silt and sand contents at multiple scales. The parameter n was positively correlated with clay content at multiple scales. Sand content was significantly correlated with the parameter n at the observed scale but not at multiple scales. Clay contents were strongly correlated to both water-retention parameters because clay content was relatively low in the soil studied, indicating that water retention was dominated by clay content in the field of this study at all scales. These suggested that multiple-scale analyses were necessary to fully grasp the spatial variability of soil water-retention characteristics.