红壤积水入渗及土壤水分再分布规律室内模拟试验研究

利用室内模拟土柱试验研究了红壤积水入渗及土壤水分再分布规律。结果表明:入渗过程中湿润锋距离、累积入渗量与时间的平方根呈线性关系,湿润锋运移速率与时间呈乘幂关系,而入渗率与时间平方根的倒数呈线性关系;再分布过程中,在隔绝蒸发条件下,土壤含水量随土层深度的增加而下降,同一深度土层含水量则随时间推移而下降。无论在隔绝蒸发还是在自然蒸发条件下,短期内土壤水吸力有随土层深度的增加呈先下降后升高的趋势,而同一深度土层水吸力则随时间的推移而升高;土壤初始含水量对水分的入渗及再分布有较大影响,初始含水量较低时,水分入渗较快,而水分再分布则较慢。     

长武塬区降雨入渗特征

为了深入理解深厚黄土层的降雨入渗机制,在黄土高原塬区的长武试验站,应用TDR监测天然降雨下大型土柱土壤含水率的动态变化,并结合土柱底部出流量测定数据,分析天然降雨的入渗特征。结果表明:降雨对土壤含水率的影响主要集中在160 cm深度以上,且随深度增加而递减,至240 cm土层降雨峰值信息几近消失;湿润锋运移速率与降雨强度呈正相关关系,与土壤初始含水率成负相关关系,湿润锋运移深度同降雨量和降雨强度正相关;降雨对300 cm土壤水的补给行为普遍存在,入渗补给以活塞流方式为主;降雨入渗补给土壤水的滞后作用表现出对100～200 cm土壤水的补给滞后时间为15～18 d,对300 cm深度土壤水的补给滞后时间为30～45 d。研究结果对明确黄土塬区水循环机制具有一定参考意义。     

蚯蚓粪施用方式及用量对土壤入渗的影响

通过室内土柱模拟试验研究蚯蚓粪施用方式及施用量对土壤水分入渗过程的影响,试验设置了3种施用量(50 g·kg~(-1),75 g·kg~(-1),100 g·kg~(-1))和5种施用方式(0～10 cm混施、10～20 cm混施、5～8 cm层施、10～13 cm层施、15～18 cm层施),以裸土为对照,分别测定0～180 min的土壤累积入渗量、湿润锋深度以及入渗30 min后层施条件下不同土层的土壤含水率。结果表明:不同用量蚯蚓粪混施入0～10 cm土层后均可加快湿润锋迁移速率,但在10～20 cm混施方式下,75 g·kg~(-1)和100g·kg~(-1)用量会抑制湿润锋的下移;当蚯蚓粪以层施方式加入土壤时,75 g·kg~(-1)和100 g·kg~(-1)用量处理的湿润锋迁移速率明显减小,且湿润锋深度随施用量的增加而减小;10～20 cm混施蚯蚓粪处理的累积入渗量小于0～10 cm混施处理,而75 g·kg~(-1)和100 g·kg~(-1)蚯蚓粪施用于5～8 cm和10～13 cm深度时也可明显减小累积入渗量,但100 g·kg~(-1)蚯蚓粪层施时则对入渗过程无显著影响;用Kostiakov模型拟合土壤入渗过程得出,施加75 g·kg~(-1)和100 g·kg~(-1)蚯蚓粪均能够增加初始入渗率,10～13 cm和15～18 cm层施蚯蚓粪则对入渗率的减小具有延缓作用;层施50 g·kg~(-1)蚯蚓粪能够提高下层土壤含水量,但层施75 g·kg~(-1)和100 g·kg~(-1)蚯蚓粪则会使下层土壤含水量降低。     

生物质炭种类与混施深度对紫色土水分运移和氮磷流失的影响

土壤中施加生物质炭对改善土壤墒情及提高土壤肥力具有重要作用。为探明生物质炭种类与混施深度对土壤水分运移和养分拦截的作用特征,通过室内定水头土柱模拟试验,设置3种生物质炭（稻壳炭、玉米秸秆炭、竹炭）和2种混施深度（10 cm、20 cm）,以裸土为对照,测定水分运移及氮磷流失变化过程。结果表明：生物质炭对土壤孔隙结构的改变以及生物质炭比表面积和粒径分布可共同影响土壤水分运移。混施不同种类生物质炭能使土壤容重降低,其中混施稻壳炭后容重降低幅度最大,且稻壳炭能显著提高土壤总孔隙度与饱和含水量。混施稻壳炭能显著促进湿润锋运移,提高入渗量,其中稻壳炭混入10 cm土层后对炭-土层入渗的促进作用最大,对水分渗漏影响较小;而混入20 cm土层会促进渗漏,提高饱和导水率。玉米秸秆炭比表面积与总孔体积最大,吸持水分能力强;玉米秸秆炭不含大于1 mm粒径的颗粒,混施后对土壤总孔隙度影响较小,土壤饱和含水量显著降低,能抑制水分运移,其中玉米秸秆炭混入20 cm土层对渗漏的抑制作用最强。混施竹炭对湿润峰运移和入渗过程影响不明显,混入20 cm土层对渗漏有抑制作用。混施稻壳炭后,全磷（total phosphorous, TP）流失量减少,但会使全氮（total nitrogen, TN）流失量增加;混施玉米秸秆炭对TN流失影响较小,能使全磷流失量减少;混施竹炭能吸附氮素,但会使TP流失量增加。在田间开展应用时,可选择将稻壳炭混入10 cm土层,能有效减少地表径流与TP流失,但需注意会增加TN流失;玉米秸秆炭混入20 cm土层能降低水分运移速率,有效减少水分渗漏与TP流失,适用于砂土等透水性强的土壤。竹炭对水分运移的影响不如稻壳炭与玉米秸秆炭,且增加了TP流失,不适合实际应用。     

生物质炭种类与混施深度对紫色土水分运移和氮磷流失的影响

土壤中施加生物质炭对改善土壤墒情及提高土壤肥力具有重要作用。为探明生物质炭种类与混施深度对土壤水分运移和养分拦截的作用特征,通过室内定水头土柱模拟试验,设置3种生物质炭（稻壳炭、玉米秸秆炭、竹炭）和2种混施深度（10 cm、20 cm）,以裸土为对照,测定水分运移及氮磷流失变化过程。结果表明：生物质炭对土壤孔隙结构的改变以及生物质炭比表面积和粒径分布可共同影响土壤水分运移。混施不同种类生物质炭能使土壤容重降低,其中混施稻壳炭后容重降低幅度最大,且稻壳炭能显著提高土壤总孔隙度与饱和含水量。混施稻壳炭能显著促进湿润锋运移,提高入渗量,其中稻壳炭混入10 cm土层后对炭-土层入渗的促进作用最大,对水分渗漏影响较小;而混入20 cm土层会促进渗漏,提高饱和导水率。玉米秸秆炭比表面积与总孔体积最大,吸持水分能力强;玉米秸秆炭不含大于1 mm粒径的颗粒,混施后对土壤总孔隙度影响较小,土壤饱和含水量显著降低,能抑制水分运移,其中玉米秸秆炭混入20 cm土层对渗漏的抑制作用最强。混施竹炭对湿润峰运移和入渗过程影响不明显,混入20 cm土层对渗漏有抑制作用。混施稻壳炭后,全磷（total phosphorous,TP）流失量减少,但会使全氮（total nitrogen,TN）流失量增加;混施玉米秸秆炭对TN流失影响较小,能使全磷流失量减少;混施竹炭能吸附氮素,但会使TP流失量增加。在田间开展应用时,可选择将稻壳炭混入10 cm土层,能有效减少地表径流与TP流失,但需注意会增加TN流失;玉米秸秆炭混入20 cm土层能降低水分运移速率,有效减少水分渗漏与TP流失,适用于砂土等透水性强的土壤。竹炭对水分运移的影响不如稻壳炭与玉米秸秆炭,且增加了TP流失,不适合实际应用。     

去电子处理微咸水矿化度对土壤水盐运移特征的影响

为探究去电子处理微咸水对土壤水盐运移的影响,该文通过室内土柱试验,分析了不同矿化度微咸水(0.14、2、3、4、5 g/L)经去电子处理后土壤水分入渗及盐分分布规律。结果表明:不同矿化度去电子微咸水土壤入渗速率及湿润锋运移速率明显大于未处理微咸水,入渗时间为200 min时,累积入渗量和湿润锋运移深度在矿化度为4 g/L时增加幅度最大。相同矿化度去电子微咸水与未处理微咸水相比,Philip入渗公式吸渗率、Green-Ampt入渗公式饱和导水率及湿润锋处吸力均显著增加。去电子微咸水能够显著提高土壤的持水效率和上层土壤盐分的淋洗效果,矿化度为4 g/L时,相对淋盐率和Na+相对淋洗率最大。该研究表明去电子化处理能够改善土壤水盐运移特性,有利于微咸水安全利用。     

不同浓度粉末活性炭及其施用方式对土壤入渗的影响

以喀斯特地区典型的石灰土为研究对象,采用室内一维定水头法土柱模拟试验手段,以4种活性炭浓度(0,0.005,0.01,0.02 g/g)及2种混合施用方式(0—10,10—20 cm)、3种成层施用方式(6—8,10—12,16—18 cm)为变量,观测土壤湿润锋推移及累积入渗量的动态变化过程,利用线性关系式和van Genuchten经验公式分别模拟湿润锋推移情况及水分特征曲线经验公式,测量不同土层的质量含水量来研究活性碳粉对土壤入渗过程的影响。结果表明:(1)相同入渗时间内,较高浓度(0.02 g/g)和较浅层的施用方式(0—10 cm混施和6—8 cm层施)对比其他试验组,在土柱湿润锋推移速度的减缓方面表现最优;(2)在前期(t=80 min),入渗受活性炭粉末抑制的程度与其浓度呈正相关,但高浓度的碳粉同时会减缓湿润锋推移速度,故最终入渗量(t=340 min)受其浓度影响较小,同时土壤入渗受活性炭粉末理化性质的影响,层状铺设入渗后期呈现斜率增大的趋势;(3)van Genuchten经验公式及RETC软件对土壤入渗过程的模拟皆表明活性炭粉末施入土壤后,其浓度与土壤吸收水分的能力呈正相关,与土壤释水能力呈负相关;(4)活性炭粉末使得土壤田间持水量与凋萎系数均有所提升,活性炭粉末施用浓度越高,田间持水量越大。(5)层施状态下的活性炭粉末能增加所在土层的质量含水量,为对于其他深度土层的含水量则影响不大。     

点源供水条件下残膜对土壤水分运移的影响

通过室内模拟试验,研究残留地膜对土壤水分运移的影响,阐明不同残膜污染水平下土壤水分入渗过程。试验共设置6个残膜梯度,采用马氏瓶恒压供水175 min,根据时间间隔记录马氏瓶读数和湿润面积,分析不同残膜污染水平下土壤水分入渗过程的差异。研究结果表明,残膜会阻碍土壤湿润锋的运移,残膜量在0~360 kg/hm2区间时,当湿润锋经过0~10 cm土层,湿润锋横向距离随着残膜量的增加呈现先减小后增加的变化,当湿润锋经过10~20 cm土层,横向距离随着残膜量的增加而逐渐降低。残膜对湿润锋的垂向运移有显著的阻碍作用,但残膜量的多少对湿润锋垂向距离变化没有显著影响。残膜的存在会提高土壤湿润比和稳定入渗率,残膜区土壤湿润体变小,水分滞留在湿润体内,影响水分在土壤中正常运移与分布。当残膜量达到720 kg/hm2时,残膜区土壤大孔隙比例增加,导致土壤优势流明显,与其他残膜处理相比,湿润锋的运移加快,湿润比和稳定入渗率降低。该研究从土壤水分运移角度阐明了残膜污染危害的过程和机理,为残膜污染的防治提供了理论的依据。     

保水剂混施用量对沙质土壤水分垂直入渗特性的影响

为了探明保水剂在不同混施用量下对沙质土壤水分入渗性能及变化过程的影响,通过室内积水入渗试验,比较分析了保水剂作用下土壤水分的入渗率、累积入渗量及湿润锋等的动态变化。结果表明：混施保水剂不同程度上减小了沙质土壤水分入渗率、累积入渗量和湿润锋运移距离。保水剂混施用量越多,入渗率的降低程度越大,累积入渗量和湿润锋运移距离越小。试验中,保水剂混施用量为0.75%和1.00%时,表层土壤含水率急剧增加;同时,由于保水剂较大的阻止入渗作用,使得8-14cm土层土壤含水率较低。混施用量0.5%时,8-14cm土层具有较高的土壤含水率。     

不同因素影响下层状土壤水分入渗特征及水力学参数估计

层状土壤是自然界常见的土体结构,其水分运移规律不同于均质土;大气降水、灌溉水等水分的入渗是土壤水文过程的一个重要环节,同时它也与地下水补给、污染物运移等过程紧密相关。土壤初始含水量、土体构型及供水强度等因素均会影响水分的入渗过程。为探究积水深度、土体构型、初始含水量三种因素对层状土壤水分运移的影响,通过室内积水入渗试验对湿润锋、累积入渗量、土壤剖面压力水头进行观测,并利用Hydrus-1D模型反演水力参数并对相应条件下的水分运移规律进行模拟和分析。结果表明,层状土壤中湿润锋随时间的推进方式由非线性过渡至线性,入渗率逐渐减小。三种因素作用下,层状土壤水分运移特征有明显差异:积水深度、土壤初始含水量增加时,湿润锋运移速率和入渗率均增大,且各观测点压力水头升高加快,土壤不饱和程度降低;上砂壤下粉砂壤构型较上粉砂壤下砂壤构型而言,整体湿润锋推进速率和入渗率较大,出流快,且入渗后期界面处的压力水头高于其他观测点。且结果表明,反演的水力学参数较拟合实测的参数更适用于层状土壤入渗的模拟和预测。该研究旨在揭示和掌握层状土壤水分运移规律和影响因素的作用机制,并进一步为农田灌溉措施的合理制定提供科学依据。     

反演含碎石碳酸盐岩红土水力特性

为探究喀斯特地区碎石夹层对碳酸盐岩红土水力特性的影响因素,通过室内模拟土柱入渗试验,采用垂直入渗水头法研究3种碎石体积含量(0,40％,80％)和3种碎石埋藏深度(0,5,15 cm)分别与累积入渗量、湿润锋、入渗特性和土壤水分特征曲线之间的关系,并采用3种模型分析了含碎石土壤对传统土壤入渗模型的适用性,将实测入渗数据...     

水平微润灌湿润体HYDRUS-2D模拟及其影响因素分析

为探索土壤质地、初始含水率、压力水头和埋深对水平微润灌土壤湿润体特性的影响机理,利用试验数据验证了水平微润灌HYDRUS-2 D模拟结果的可靠性,模拟值与实测值非常吻合。在此基础上,模拟研究了3种土壤质地(砂壤土、壤土、粉壤土)以及壤土中不同初始含水率(0.085、0.106、0.130 cm~3/cm~3)、压力水头(0.6、1.2、1.8 m)和埋深(20、30、40 cm)条件下土壤湿润体动态变化规律。结果表明:土壤湿润锋运移距离皆符合垂直向下水平方向垂直向上的规律,湿润体在形状上差异不大,土壤含水率等值线均为近似"同心圆";土壤质地对湿润体特性有显著影响,土壤质地越黏重,湿润锋运移速率越慢,湿润体体积越小,土壤含水率等值线越密集,其"圆心"越靠近微润管,灌水结束时,壤土和砂壤土湿润体体积分别是粉壤土的1.3倍和2.5倍;在确定的土壤质地条件下,初始含水率和压力水头对湿润体特性有较大影响,湿润锋运移距离及湿润体体积均随土壤初始含水率、压力水头的增大而增大,初始含水率为0.106和0.130 cm~3/cm~3的湿润体体积分别是0.085 cm~3/cm~3的1.2倍和1.5倍,压力水头为1.2和1.8 m的湿润体体积分别是0.6 m的1.6倍和2.2倍;微润管埋深对湿润体分布位置有显著影响,埋深较浅时,湿润锋容易到达地表,埋深较深时,土壤湿润体随埋深下移而同步下移。     

生化黄腐酸对不同质地苏打盐碱土水盐运移特征的影响

为了探讨生化黄腐酸（biochemical fulvic acid, BFA）对不同质地（砂质壤土和壤质砂土）苏打盐碱土的改良作用机理，明确BFA对不同质地苏打盐碱土水盐运移特征的影响，该研究通过室内一维垂直入渗试验，对不同BFA施加量（0（CK）、1、2、4、8 g/kg）条件下土壤水盐运移特征、入渗模型参数和土壤八大盐分离子的变化特征进行了研究。结果表明：对于砂质壤土，当入渗至280 min时，与CK相比，BFA施加量为1、2、4、8 g/kg处理的累积入渗量分别减小了3.70%、10.19%、12.04%、25.00%，湿润峰深度分别减小了9.33%、17.00%、24.00%、27.33%；对于壤质砂土，当入渗至40 min时，与CK相比，BFA施加量为1、2、4、8 g/kg处理的累积入渗量分别减小了1.36%、10.51%、18.98%、29.83%，湿润峰深度分别减小了5.00%、11.33%、21.67%、31.33%。土壤水分入渗速率会随着BFA施加量的增加而减小，在0、5、10、15、20、25、30 cm土层深度，8 g/kg施加量处理的砂质壤土含水率分别高于CK处理11.43%、4.99%、8.54%、8.79%、9.02%、4.98%、-7.76%，而壤质砂土含水率分别高于CK处理4.76%、9.28%、6.18%、9.25%、8.05%、8.77%、-0.06%。Kostiakov和Philip模型均能较好地模拟土壤水分入渗过程，且随着BFA施加量的增加，吸渗率逐渐减小。然而施加BFA同样会增加不同深度土层的含盐量，在土壤钙离子、镁离子浓度较低的情况下，可能会使得土壤中富集钠离子。因此，施加BFA能够改变不同质地苏打盐碱土的水盐运移特征，为了防止施加BFA加剧土壤的次生盐碱化以及考虑施加BFA后的经济效益，该研究推荐BFA施加量为2～4 g/kg时对于不同质地苏打盐碱土具有更好的改良效果。     

枯草芽孢杆菌改良盐碱土过程中水盐运移特征

该文通过室内一维土柱试验,设置5种不同枯草芽孢杆菌质量分数(0、1、3、5、7 g/kg)处理,研究不同含量枯草芽孢杆菌对盐碱土水盐运移的影响。结果表明:施加枯草芽孢杆菌后,土壤累积入渗量、入渗速率及湿润锋运移距离均显著降低,在入渗时间为3 600 min时,枯草芽孢杆菌质量分数为1、3、5、7 g/kg的累积入渗量相比0 g/kg分别减少了18.49%、21.85%、12.18%、3.78%;当湿润锋运移至27 cm时,枯草芽孢杆菌含量为1、3、5、7 g/kg所用时间相比0 g/kg分别增大了96.21%、108%、37.84%、16.76%,在枯草芽孢杆菌施加量为3 g/kg时,单位入渗历时内累积入渗量、入渗速率及湿润锋的运移距离最小。枯草芽孢杆菌同样影响Philip方程和Green-Ampt入渗公式参数显著,土壤水饱和导水率KS、吸渗率S、稳定入渗率A随着枯草芽孢杆菌含量的增加先减少后增大,湿润锋处的吸力hf先增大后减少,当施加量为3 g/kg时,S、KS、A均取得最小值,hf取得最大值。枯草芽孢杆菌可提高土壤的保水性能,在土层深度为27 cm处,施加量为1、3、5和7 g/kg相比0 g/kg的剖面含水量分别增加了17.65%、31.76%、11.76%、7.06%。施加枯草芽孢杆菌的土壤在入渗结束后,土壤的含盐量分别降低了22.37%、31.29%、17.78%、10.67%。施加枯草芽孢杆菌后,1、3、5、7 g/kg的水稳性团聚体含量相比0 g/kg分别增加了13.02%、17.59%、9.68%和5.24%。综上,在盐碱土中施加3 g/kg的枯草芽孢杆菌,对盐碱土壤的治理具有积极作用。     

夹砂层土壤Green-Ampt入渗模型的改进与验证

对于土层夹砂结构,湿润锋穿过砂层上界面时,入渗率变为稳渗率。为确定各因素下夹砂层土壤的稳渗率,在Green-Ampt入渗模型基础上,引入导水度系数(小于1)来量化上层土壤的导水程度,建立了改进的夹砂层土壤Green-Ampt入渗模型。采用HYDRUS-1D软件,模拟了不同土壤质地、初始含水率、压力水头、砂层埋深和砂层厚度条件下的稳渗过程,根据模拟结果分析了夹砂层土壤的入渗规律及其影响因素,稳渗率主要受土壤质地、压力水头和砂层埋深的影响。在相同压力水头、初始含水率和砂层厚度下模拟获得不同砂层埋深的稳渗率,并采用改进的Green-Ampt入渗模型拟合,求得导水度系数和进水吸力值。分析发现导水度系数变化较小,为简化计算,取其平均值0.95。在此基础上,提出了由土壤物理特性参数进气值倒数估算进水吸力的计算公式。利用秦王川地区的夹砂层土壤积水入渗试验及已有文献资料验证所建模型的有效性,结果表明所建模型待定参数少,计算误差基本在5%以内,且试验设计较简单,可为农田水分管理及工程防渗技术提供理论依据。     

秸秆排水体埋深对盐渍土水盐分布的影响及排水抑盐效果

为探究秸秆排水体对盐渍土水盐运移的影响及其排水排盐效果,通过室内土柱试验,研究在淡水(CK)和微咸水灌水情况下秸秆排水体埋深为40和60 cm时供试土壤的水盐分布状况。结果表明,入渗阶段,湿润锋与入渗时间呈幂函数关系,累积入渗量与入渗时间则可采用Kostiakov模型进行拟合;蒸发阶段,秸秆排水体对埋设深度以下的土体具有明显的保水作用,40 cm埋深的处理在40~70 cm土层范围以及60 cm埋深的处理在50~70 cm土层范围土壤水分变化的相对变化量均0;秸秆排水体有利于保持灌水后土壤的脱盐状态,40 cm埋深处理和60 cm埋深处理比无埋设的对照处理分别减少了19.61%和15.68%的盐分变化量;秸秆体的排水排盐效果与灌水矿化度和秸秆排水体埋深密切相关,灌溉水矿化度适当的增加和秸秆体的埋设加深将有利于排水效果的提升,低灌溉水矿化度结合秸秆体深埋具有更好的排盐效果。该研究为微咸水灌溉及盐渍土的开发利用提供依据和参考。