砂性层状土柱蒸发过程实验与数值模拟

为了了解不同类型层状土柱蒸发特性,利用砂土和砂黄土2种土壤,设置3种不同厚度分层土柱(11.25、22.5、45 cm)和2种均质对照土柱,测定了土柱蒸发过程中累积蒸发量、相对蒸发速率和剖面含水量的变化;同时利用2种均质土柱排水过程优化的土壤水力参数和Hydrus-1D模型对2种均质土柱和3种不同类型层状土柱蒸发过程进行模拟分析。结果表明,均质砂黄土蒸发第一阶段持续长达34 d,累积蒸发量显著高于均质砂土和其他3种不同类型分层土柱,土柱剖面含水量变化进一步证明表层覆盖砂土可显著抑制土壤蒸发。利用排水过程优化的水力参数,HYDRUS-1D可以较好地模拟层状土柱蒸发过程。研究结果对干旱半干旱区土壤水分管理具有指导意义。     

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。     

层状土持水性室内模拟初步研究

为了探究不同水势下层状土体和均质土体的持水性能,通过设置5个均质土体和4个层状土体(粗夹细、上粗下细、上细下粗和细夹粗),利用高速离心机法比较分析了不同均质和层状土体在不同水吸力下的持水性。结果表明:层状土体的持水能力要高于相同土壤材料配比下均匀混合的均质土,其中粗夹细层状土体的含水量平均增加了0.025 cm~3/cm~3;细质地土壤的数量较土体结构对持水性的影响更大;常见的水分特征曲线模型被用来模拟均质和层状土体,基于各模型的决定系数(R~2)和均方根误差(RMSE),可知van Genuchten模型拟合效果最好;van Genuchten模型拟合参数结果表明,层状土体的滞留含水量和饱和含水量大于相同土壤材料配比下的均质土,而拟合的形状参数α值较均质土则减小。试验表明:相同材料配比下,层状土的保水能力要高于均质土,且粗夹细层状土有更强的持水能力。另外,质地较细土壤含量对土壤持水性的影响要大于土体结构。     

上层土壤厚度对模拟指流水分运动的影响

“上细下粗”的层状土壤中有可能产生指流,在有指流产生条件下,上层土壤的厚度是影响指流发展特征的主要因素之一。该试验通过在下层砂中模拟指流来研究上层土壤厚度对层状土壤中水分运动的影响。结果表明：指流域内的湿润锋到达一定深度的时间随着上层土壤厚度的增大而增加;稳定入渗率随着上层土壤厚度的增大而减小;并得出稳渗率和上层土的厚度呈线性关系;分别用经验函数模型和连续函数模型来模拟层状结构土壤水分的入渗,发现2种模型有各自的优缺点：经验函数模型虽然计算得到的整体误差较小,但在理论上不能很好的解释层状土壤水分入渗过程;连续函数模型相比较经验函数模型的缺点在试验初期误差较大,但该模型属于连续函数模型,符合实际的层状水分入渗过程。     

添加γ-聚谷氨酸减少土壤水分深层渗漏提高持水能力

γ-聚谷氨酸(Poly-γ-glutamic acid,γ-PGA)是一种高分子聚合物,具有超强的吸水能力和生物降解性。为探明γ-PGA在土壤改良方面的应用及对土壤水分运动的影响,该文基于室内垂直一维入渗土柱试验,研究了不同γ-PGA施量配比(0、0.5%、1%、2%、4%)对土壤水分入渗及持水特性的影响。结果表明:与对照组相比,添加4%的γ-PGA的累积入渗量、入渗率和湿润锋分别减少了57.95%、53.89%、59.58%;四种入渗模型参数的模拟结果显示,与对照组相比,随着γ-PGA施量的增加,Kostiakov公式中的经验系数从0.808减小到0.538,经验指数从0.530增大到0.623;Philip入渗公式中的吸渗率从0.704减小到0.292;Green-Ampt公式中,饱和导水率从0.0043减小到0.0011 cm/min,湿润区有效的土壤水扩散率从1.19减小到0.16 cm~2/min,湿润锋处的土壤水吸力无明显变化;垂直一维入渗代数模型中,饱和导水率从0.0044减小到0.001 cm/min,非饱和土壤吸力分配系数和土壤水分特征曲线和非饱和导水率综合形状系数均无明显变化趋势。土壤的持水特性结果表明:随着γ-PGA施量的增加,土壤饱和含水率增加,且与对照相比,表层土壤(0~10 cm土层)的含水率呈显著增加趋势,深层土壤(≥10~40 cm土层)的含水率则呈减小趋势。同时,湿润土层的厚度逐渐减小,说明γ-PGA不仅可增强土壤的持水能力,而且还可改变土壤剖面水分的分布形态,使更多水分蓄积在作物根区土层区域。该研究为γ-PGA的田间土壤改良及应用提供了理论支撑。     

不同类型重构土壤水分运移特征

为探究不同类型重构土壤对水分再分布过程和土壤持水量的影响,该研究以砒砂岩、砂黄土和粗砂土为试验材料进行室内土柱试验,设置5种不同类型重构土壤(砒-粗、砂-粗、砒-砂-粗、砂-砒-粗、混-粗),测定各处理在入渗过程、排水过程以及蒸发过程中土壤水分的动态变化;同时利用Hydrus-1D模型对不同类型重构土壤的入渗和蒸发过程进行模拟分析。结果表明,有砒砂岩层存在的重构土体对入渗过程有明显阻滞作用,且砒砂岩层越厚、位置越靠上阻滞效果越明显,土柱达到稳渗时稳渗率越低;蒸发过程中,砒-砂-粗处理累积蒸发量为52 mm,显著高于其他重构土壤(P<0.05),而砂-砒-粗处理土柱累积蒸发量最小(32.1 mm),蒸发结束时相对蒸发速率低至0.07;在蒸发过程中,上细下粗型层状重构土壤水分损失来自表层土壤和下层粗砂土。利用优化后的土壤水力参数和Hydrus-1D模型可以较好地模拟重构土壤水分运动过程。较低的均方根误差和高的决定系数证明模型能准确模拟各类型土柱的累积排水量、累积蒸发量和蒸发过程剖面含水量的动态变化。混-粗土柱的持水能力高于其他土柱,说明该重构类型可作为晋陕蒙地区土壤复垦的重构方案。     

纳米碳对黄绵土水分运动及溶质迁移特征的影响

以黄绵土为研究对象,均匀添加不同含量纳米碳(质量含量分别为0,0.001,0.005,0.01,0.05g/g),采用室内土柱试验分别测定土壤累积入渗量曲线、溶质穿透曲线及水分特征曲线,初步研究了纳米碳含量对黄绵土水分运动及溶质迁移过程的影响。结果表明:(1)纳米碳的存在对土壤水分入渗过程产生阻碍作用,入渗率随着纳米碳含量增加而减小,Philip方程能较好地描述添加纳米碳的黄绵土入渗过程;(2)纳米碳可以提高土壤的持水能力,随着纳米碳含量增加,土壤饱和含水量增加,相同土壤水吸力下的土壤含水量增大,van Genuchten模型可较好拟合含有纳米碳的黄绵土水分特征曲线,进气吸力随纳米碳含量增加而减小,形状参数(n)随之减小;(3)纳米碳可以有效提高土壤吸持溶质能力,随纳米碳含量增加,初始穿透时间提前,完全穿透时间延长,弥散度增大;土柱被置换液完全穿透后,土样中Cl-平均含量随纳米碳含量增加而变大。     

降雨条件下分层土壤入渗特性

通过室内模拟降雨入渗试验,研究了粘土、壤土和沙土3种土壤不同分层组合方式对土壤入渗特性的影响。结果表明:垂直入渗条件下,分层土壤入渗特征由土壤分层组合方式决定;分层土壤累计入渗量与湿润锋距离呈线性相关关系;分层土壤入渗过程中,当粗沙覆盖细沙且降雨强度大于下层细沙土稳定入渗率时,湿润锋以上剖面可以达到或接近饱和,当细沙覆盖粗沙且降雨强度大于细沙土稳定入渗率时,湿润锋剖面中,除细沙土部分剖面达到饱和,其余粗沙土剖面无法达到饱和,且其饱和程度和下层粗沙土土壤持水能力有关。     

高潜水位采煤塌陷区重构土壤水分运移规律模拟研究

以江苏省徐州市贾汪矿区为研究区,通过野外采样与室内土柱试验模拟不同土壤重构模式,对固定地下水位不同重构模式下土壤水分运移过程进行了观测。试验设置土柱上层0—50cm为土壤充填,50—80cm为不同表土替代物充填。按照下层50—80cm充填物的不同,设置4组处理,其中处理1为对照组(土壤充填),处理2(粉煤灰充填)、处理3(煤矸石充填)、处理4(煤矸石-粉煤灰混合物充填)为试验组。结果表明:(1)重构土壤上层含水率与下层相比变化明显,底层含水率临近于饱和含水率,变化微小;(2)在不同充填物的分界线处含水率变化明显,充填物类型对土壤水分垂直变化有较大影响;(3)煤矸石、粉煤灰混合物充填重构模式含水率变化规律与土壤充填模式最为一致,且饱和含水率最为接近,具有良好的保水、透气性,是高潜水位采煤塌陷区土地复垦最理想的土壤重构模式。本研究可以为高潜水位采煤塌陷区土地复垦的土壤重构以及盐渍化控制等提供一定的理论依据和技术支撑。     

东北主要类型旱田土壤持水特性研究

土壤持水特性是对土壤水分有效性的一种反映,不同土壤持水特性存在差异。为了解东北地区主要旱田耕地土壤的持水特性,本研究通过定点采样方法,在不同地区选择了典型的黑土、草甸土、白浆土、碱土、褐土5类旱田耕地土壤,通过压力膜法得出不同水柱压力下土壤水分实测值,并通过Van Genuchten和Garden模型进行模型拟合,相关性极显著,通过Van Genuchten绘制土壤水分特征曲线,从曲线看出,不同类型土壤持水特性存在差异,0～10 cm土层各土壤水分特征曲线差异大、曲线分散,草甸土、白浆土、碱土含水量在各压力下均处于较高水平,褐土最低,黑土居中; 10～20 cm土层土壤水分特征曲线在低吸力阶段差异仍较大,高吸力阶段差异小,褐土含水量最低,草甸土、白浆土、碱土趋于一致,黑土居中; 20～30 cm土层差异减小,褐土、碱土、黑土趋于一致;通过Garden模型计算土壤比水容量,不同水吸力下,褐土比水容量最高,其次是黑土,草甸土、白浆土和碱土比水容量较低,说明褐土和黑土释水能力强;土壤饱和含水量与土壤容重显著负相关,土壤有效持水库容与土壤大颗粒、土壤0. 02 mm的颗粒呈极显著负相关,与0. 02～2 mm的颗粒含量呈显著正相关;草甸土、碱土、白浆土饱和持水库容高,但有效库容低,与褐土、黑土相反。因此,提高土壤持水能力要根据土壤的物质特性提出对应措施。     

陕西省靖边县不同土层含水量与干层差异研究

根据野外考察和土层含水量的测定，研究了靖边县沙地土层和黄土层土壤含水量。结果表明，靖边几个研究点的沙地土层平均含水量小于3%，杨树林地黄土层平均含水量为7％左右；沙地土层含水量远低于黄土层含水量，杨树林沙地和沙柳沙地已经出现了严重的土壤干层，杨树林地黄土层出现了发育中等的土壤干层，干层发育深度都已超过6m。干旱气候是引起干层发生的主要因素，人工灌木和树种消耗水分较多也促进了干层的发育。沙地区应以发展耐旱草灌为主的植被，黄土分布区也应发展草灌为主的植被，但在黄土分布的洼地区和有外来水源的地区可以发展耐旱的乔、灌、草相结合的植被。在靖边县这一土壤干层发育较严重的地区，造林一般不能带来良好的环境效益与经济效益，反而会导致深部土壤水分的过量消耗等不良后果，因此该区是不适于造林的地区。     

土壤层状质地对小流量地下滴灌灌水器特性的影响

以均质壤土（L）、均质砂土（S）、上砂下壤（SL）和壤土中有砂土夹层（LSL）4种土壤质地结构为对象,利用室内土箱试验,研究了土壤质地及其层状结构对灌水器流量的影响,估算了灌水器出口正压值。试验选用10 m水头压力下额定流量为1.1 L/h的地下滴灌专用灌水器。土壤为层状结构时,上层土壤厚度为20 cm,砂土夹层的厚度为10 cm。L、S、SL试验的灌水器埋深为15 cm;为了探讨灌水器埋深与土壤质地变化相对位置对灌水器性能的影响,LSL的灌水器埋深设计为15、25和35 cm。试验采用的工作压力为2、3、6和10 m水头。结果表明：灌水开始后,出口正压的迅速增大致使灌水器流量迅速减少,而后逐渐趋于稳定。灌水器流量随时间的变化可近似用幂函数表示。灌水器在土壤中的流量比在空气中的自由出流流量有所减小,灌水器自由出流流量越小,减小幅度越大。土壤层状质地对灌水器流量影响明显,一定压力下,灌水器在层状土壤中的流量小于在均质土壤中的流量,尤其当灌水器位于LSL的砂土夹层中时,流量比在均质壤土中减少13%,比自由出流流量减少20%。利用试验结果建立了地下滴灌灌水器流量与土壤饱和导水率、层状土壤结构、灌水器工作压力的经验关系,对各影响因子的敏感性分析结果表明,对地下滴灌灌水器流量影响最明显的是灌水器工作压力,其次是层状土壤结构,饱和导水率的影响较小。     

几种保水材料对砂质潮土水分参数的影响

针对砂质潮土水分容量低、持水性差、渗透性强的问题,通过土柱试验比较几种保水材料与沙土培养前后对水分运动参数的改善效果。试验保水材料为:2%生物炭、2%秸秆和0.1%保水剂,施入方式包括2种:与沙土混匀和25 cm处铺层。结果表明:2%生物炭和2%秸秆与沙土混匀总入渗时间分别为各自铺层处理的1.88倍和1.66倍,入渗完成时入渗率降低;而0.1%保水剂在土柱中铺层比混匀延长1.82倍。不同土柱总入渗时间依次为保水剂铺层 > 保水剂混匀 > 秸秆混匀 > 生物炭混匀 > 不添加保水材料的对照（CK）＝秸秆铺层 > 生物炭铺层。混匀处理土柱培养30 d后,各土柱总入渗完成时间均大于培养前,其中生物炭与秸秆总入渗时间分别提高了2.88倍与1.50倍,极大改善沙土漏水。与CK相比,生物炭、秸秆和保水剂的饱和导水率分别降低了6.1%,22.3%,82.4%;培养30 d后分别降低了77.2%,10.5%,79.1%。综上,保水剂铺层施用效果好于混匀,而其余材料与沙土混匀效果较好;随施用时间延长,生物炭和秸秆对沙土水分参数的改善效果较为明显,本结果可以为砂质潮土渗透、持水能力的改良提供方法及数据参考。     

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。     

喀斯特地区洼地剖面土壤含水率的动态变化规律

本文基于连续2年土壤水分的定位监测数据,分析探讨了喀斯特地区不同地质背景(纯灰岩与白云质灰岩)洼地剖面(0～90 cm)土壤含水率的动态变化规律。结果表明:洼地剖面土壤含水率总体较高,且从表层到深层表现为增长型;2009年和2010年土壤含水率的变化均具有明显的分层现象,从上到下依次为活跃层、次活跃层、相对稳定层,但均无速变层,不同地质背景的具体分层略有差异;活跃层和次活跃层集中分布在浅层土壤层,相对稳定层较厚,对应着较差的水文调蓄功能,洼地土壤的水分调蓄功能可能会因其相对较深厚(80～100 cm)的土层而被高估。受降雨、蒸发及植物蒸腾等因素的影响,土壤储水量具有明显的动态变化特征,一年中可分为相对稳定期、消耗期和补给期3个阶段,而土壤水分亏缺的补偿和恢复,主要依靠强度适中、历时较长且雨量较大的降雨,微雨和暴雨的作用较小。     

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。     

沙地土壤水分特征及水分时空动态分析

通过对宁夏盐池沙地不同立地类型土壤水分连续两年的定位观测,探讨了固定沙丘不同部位、不同立地的沙柳林地和柠条林地的土壤水分特征和时空动态变化。结果表明:柠条林地的土壤容重最小,而保水能力最好。各样地土壤水分垂直分布总体表现出明显的分层特征,可划分为3层:土壤水分低值层、土壤水分活跃层、土壤水分相对稳定层,每一层的厚度因不同的立地类型而不同。     

Structural status of technogenic soils and the development of preferential water flows

A technogenic soil (technozem) created on the surface of the former sludge pond of the Lebedinskii iron-ore quarry in the course of land rehabilitation was studied. The upper chernozemic fill in the technozem was underlain by the sandy or loamy layers. The water regime of this soil differed from the water regime of background automorphic natural soils and was characterized by a periodic stagnation of water at the boundary between the two layers. In 20 years, this type of the water regime resulted in the development of a columnar structure in the lower part of the chernozemic layer. The coatings on ped faces in this part of the profile had an increased content of Fe and Ca ions, and the soil texture became coarser under conditions of the alkaline medium. There was no differentiation of the carbon of organic substances and carbonates in the soil profile. Field studies of water flows in this soil with the use of starch label and laboratory experiments on infiltration of salt solutions through the soil columns with determination of ion concentrations in separate portions of the filtrate demonstrated the existence of preferential water flows in the technozem. Rapid infiltration of water through preferential water paths in the chernozemic layer after abundant rainfalls and during the snowmelt season leads to the development of perched water above the textural boundary. Temporary water stagnation in this zone ensures an increased water content in the intraped mass of columnar peds in the lower part of the chernozemic layer.