大孔隙扭曲度对土壤水分入渗的影响

[目的]探究大孔隙扭曲度对土壤水分入渗的影响,为深入了解大孔隙扭曲度影响优先流的物理机制提供理论依据。[方法]采用室内含大孔隙土柱的定水头入渗试验,以长武地区黑垆土为研究对象,分析大孔隙不同扭曲度对土壤湿润锋运移、累积入渗量和水分穿透时间的影响。[结果]大孔隙的形状深刻影响入渗湿润锋的形状,对湿润锋纵向、横向运移具有引导作用;大孔隙扭曲度减小可加速湿润锋运移,增加累计入渗量;水分穿透土柱的时间随扭曲度的增大而增加,穿透时间与扭曲度可用对数关系描述;湿润锋运移深度、累积入渗量与时间均呈明显的乘幂关系,其函数式的参数取决于土体中大孔隙扭曲度。[结论]大孔隙扭曲度对水分入渗影响深刻,是研究大孔隙流的重要因素。     

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。     

生化黄腐酸对盐碱土水盐运移特征及盐基离子组成的影响

生化黄腐酸（biochemical fulvic acid,BFA）在改善土壤结构、促进作物生长与提高肥效方面均表现出较好的应用价值。为探讨添加BFA对盐碱土水盐运移规律的影响,揭示BFA淋盐增效机理,基于一维垂直土柱入渗试验,对不同BFA添加量（0,1,2,4,8 g/kg）条件下盐碱土的水盐运移特征、入渗模型参数及土壤交换性盐基离子组成进行了研究。结果表明,入渗条件下增加BFA能够降低土壤水分入渗速率,延长入渗时间,提高土壤保水性能。Kostiakov模型、Philip模型和代数模型均能较好地描述入渗过程,模型参数中经验系数（K）、吸渗率（S）和综合形状系数（α）均随BFA添加量的增加呈先减小后增加的变化趋势。与对照相比,添加BFA均能提高土壤持水效率和相对脱盐率,在2 g/kg BFA添加量条件下,0—20 cm土层内土壤平均体积含水率提高3.38%,平均持水效率提高10.65%,相对脱盐率提高36.32%。此外,相比对照,添加BFA后土壤交换性盐基总量（total exchangeable base,TEB）均有所增加,TEB组成中Ca²⁺浓度增加,Na⁺浓度降低。因此,在盐碱土中添加BFA能够显著影响土壤水分入渗和水盐运移特征,改善土壤水盐分布状况,对盐碱土具有较好的保水和脱盐效果,且添加BFA后土壤TEB显著增加,能够显著改善土壤交换性盐基离子组成,提升土壤质量。     

土壤表面电场对黄土母质发育土壤水分入渗特性的影响及模拟

水资源短缺是黄土高原地区农业生产和生态环境建设主要的限制因子。土壤水分入渗过程不仅决定着土壤对雨水和灌溉水等有限水源的利用程度,而且也深刻影响着地表径流和土壤侵蚀强度。土壤表面电场对团聚体稳定性具有重要影响,团聚体破碎后土壤孔隙将发生重要变化,并影响水分入渗过程。然而,目前关于土壤电场作用对黄土母质发育土壤水分入渗过程的影响尚不清楚,同时考虑表面电场作用后经典土壤水分入渗模型的适用性还有待进一步验证。因此,本研究采用室内一维定水头土柱模拟试验,通过定量调控土壤表面电场,研究了不同土壤电场强度对水分入渗速率、湿润锋运移、累积入渗量的影响,并采用Kostiakov模型和Philip模型对土壤水分入渗过程进行拟合。结果表明:(1)湿润锋运移速度、入渗速率和累积入渗量均随入渗电解质浓度的减小、表面电位(绝对值)和电场的增大而降低,这表明土壤表面电场对土壤水分入渗具有重要的、不可忽略的影响。(2)当电解质浓度0.01 mol·L赵世伟,塿土和褐土的电位绝对值大于233 mV和223 mV时,土壤水分入渗特性参数随时间的变化曲线较为接近,表明233 mV和223 mV分别是影响两种土壤水分入渗过程的临界电位值。(3)Kostiakov模型和Philip模型对于塿土和褐土入渗过程的模拟均有较好的适用性,但通过进一步分析其拟合统计特征值(决定系数R~2、残差平方和、均方根误差RMSE值),发现Kostiakov模型的拟合结果更优。该研究结果可为黄土高原土壤水分入渗的内部调控新技术提供理论参考。     

不同秸秆生物炭对土壤水分入渗和蒸发的影响

探究不同秸秆生物炭对土壤入渗和蒸发的影响,对于秸秆废弃物的资源化利用和水土资源高效利用具有重要意义。选取3种秸秆(油菜、藜麦和马铃薯)为原料制备生物炭,采用室内土柱模拟方法,探究不同材料生物炭对土壤湿润过程、累积入渗量和蒸发过程的影响。结果表明:不同材料生物炭下的土壤入渗和蒸发过程存在显著差异。马铃薯杆炭显著促进了湿润锋的运移,而藜麦杆和油菜杆炭在中后期减缓了湿润锋的运移速度。添加生物炭处理均提高了土壤早期的入渗速率,降低了土壤后期的稳定入渗速率,其中马铃薯杆炭表现最好,促进了早期入渗,而且后期入渗降低少,在入渗55 min时,马铃薯杆炭累积入渗67.8 mm,比对照提高41.8%。在模拟施炭土壤的入渗过程方面,Kostiakov模型表现最优。施炭对于前期土壤蒸发无显著影响,但显著提高了后期的土壤蒸发量。蒸发30天后,马铃薯杆、油菜杆和藜麦杆炭累积蒸发量分别比CK高5.2%,9.2%和10.2%。马铃薯杆生物炭能显著提高土壤的入渗能力。研究结果为青海省东部农区选择合适的生物炭种类提供了科学依据。     

人为侵入体对城市绿地土壤水分入渗特征的影响

在快速城市化过程中,人为侵入体大量混入绿地,改变了土壤的三相组成及孔隙特征,但其对城市绿地土壤的入渗影响仍不清楚。基于一维垂直土柱入渗模拟,以典型人为侵入体砖块和混凝土碎块为例,研究其对城市绿地土壤水分入渗的影响特征。结果表明:(1)人为侵入体的混入均会抑制城市绿地土壤水分下渗,导致其稳定入渗速率降低,累积入渗量、湿润锋距离和土壤体积含水量减小,深层土壤水分变化滞后。同一配比下,以混凝土碎块对土壤水分入渗的抑制作用更为明显(P0.1);(2)随着人为侵入体配比从10%增加到20%,土壤稳定入渗率、累积入渗量、湿润锋距离和土壤体积含水量仍持续减小或略有增加,但差异均不显著(P0.1),其对土壤水分下渗的抑制作用渐趋减弱。(3)不同类型人为侵入体及配比下,城市绿地土壤水分的入渗量随时间变化更加符合Kostiakov模型。研究结果可为未来海绵城市的高效建设提供科学依据。     

常用绿地土壤改良材料对土壤水分入渗的影响

利用一维垂直土柱法研究几种常用的绿地土壤改良材料及其不同配比对土壤水分入渗的影响,结果表明:土壤水分稳定入渗率、累积入渗量和湿润峰下移距离随土壤含砂量和粒径的增加而显著增加;绿化植物废弃物能提高土壤入渗及湿润峰下降深度,但单独应用效果不明显;脱硫石膏增加土壤入渗,加快湿润峰下移速度;但表施聚丙烯酰胺阻碍土壤水分下渗。Kostiakov入渗模型(I=Kt~(1-α))及幂函数(F=at~b)分别能很好地拟合几种改良材料的累积入渗量以及湿润峰随时间的变化,拟合系数R~2均在0.99以上,且模型中各项指标均较好地表征了几种改良材料的初始累积入渗量、土壤入渗能力的衰减程度及湿润峰变化。以体积比70%土+10%砂+20%绿化植物废弃物+0.5kg/m~3脱硫石膏配比对绿地雨水入渗和蓄积能力最佳。     

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。     

具有秸秆夹层层状土壤一维垂直入渗水盐分布特征

为了解具有秸秆夹层层状土壤一维垂直入渗水盐分布特征,通过定水头入渗实验装置,在距土表以下20 cm设置一个秸秆夹层,研究了4种秸秆铺设量(0、6 000、12 000、18 000 kg/hm2)和2种秸秆长度(1、10 cm)的秸秆夹层对盐碱土入渗过程土壤水分和盐分分布的影响。结果表明,盐碱土中设置秸秆夹层具有良好的阻水性,累积入渗量和入渗速率明显下降,下渗水流在一定限度内滞留于秸秆层以上,秸秆夹层同时具有减渗性,使下渗水量明显减小;土壤盐分在秸秆夹层以下一定深度范围内出现峰值。秸秆长度影响盐分滞留深度,秸秆长度10 cm处理全盐含量最大值深度较秸秆长度1 cm处理有所下移;秸秆夹层也影响着水分入渗过程中离子的交换与吸附,Cl–?入渗后在剖面深度的变化规律与全盐变化规律相同,HCO3–?对秸秆夹层的敏感性明显强于SO42–,SO42– 对水分依赖性较强,含水量足够大时才能引起它的快速运移。     

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。     

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。     

非常规水水质对红壤水分运移参数的影响及其过程模拟

为了探究非常规水水质对亚热带红壤水分运移参数的影响,采用蒸馏水(CK)、再生水(RW)、稀释2,4,6倍再生水(RW-D2、RW-D4、RW-D6)和生活污水(_(WW))等6种不同水质的非常规水模拟红壤水分入渗过程,利用水平土柱吸渗法测定红壤湿润锋运移速率和水分扩散度,应用压力膜仪法测定了土壤水分特征曲线并且借助van Genuchten(VG)模型提取了相应的土壤残余含水量θ_r、土壤饱和含水量θs、α和n等特征参数值。结果表明:不同水质入渗下红壤湿润锋运移速率、水分扩散度均存在着一定差异,湿润锋运移速率由快到慢分别为V_(CK)≈V_(RW-D2)V_(RW-D6)≈V_(RW-D4)V_(WW)V_(RW);在同一含水率下D_(RW-D6)(θ)D_(RW-D4)(θ)D_(WW)(θ)D_(RW-D2)(θ)D_(CK)(θ)D_(RW)(θ)。不同水质处理对VG模型参数变化率的影响程度不同,对α的影响最大,对θ_r的影响最小。因此,非常规水灌溉会降低红壤入渗速率、持水性能以及抗旱能力。     

土壤初始含水率对优先流的影响简

土壤中优先流的存在会造成肥料利用率降低以及土壤深层甚至地下水污染.为确定土壤初始含水率对优先流的影响,通过室内含大孔隙土柱定水头入渗实验,以长武黑垆土及渭河砂土为研究对象,分析不同土壤初始含水率对优先流的影响.结果表明：1）相同质地,当土壤初始含水率大于其斥水性的峰值含水率时,湿润锋运移深度随着土壤初始含水率的增大而增大,反之湿润锋运移深度随着初始含水率的增加而减少,不同质地土壤湿润锋运移速度随土壤粉粒质量分数升高而减慢;2）累积入渗量受到土壤储水性及斥水性的双重影响,导致与湿润锋的运移趋势并不一致,黑垆土对照CK组及优先流O-C-30组（除7.04％含水率外）累积入渗量随着土壤初始含水率的增大而减小,渭河砂土CK组及O-C-30组均呈现2阶段特征,累积入渗量先随着土壤初始含水率的增加而减少,之后随土壤初始含水率的增加而增加;3）Kostiakov入渗模型能很好地拟合累积入渗量随时间的变化过程,适用于存在优先流的土壤入渗模拟.该研究结果对土壤优先流水分模拟具有一定的指导意义.