深层干化黄土自然降雨入渗特征试验研究

为探讨自然降雨在黄土区干化土壤中的入渗性能,研究干化黄土的降雨入渗机制,在陕北米脂试验站,建立野外10 m大型土柱模拟枣林地深层干化土壤,利用CS650-CR1000土壤水分自动监测系统对2014-2019年的土壤水分状况进行了连续定位监测。结果表明:(1)日降雨量为33.6,35.6 mm的大雨(降雨强度分别为3.73,2.97 mm/h,降雨历时9.0,12.0 h)状况下,最大入渗深度为140,100 cm,累积入渗量达20.05,16.10 mm;日降雨量为19.0,16.8 mm的中雨(降雨强度分别为2.24,1.53 mm/h,降雨历时8.5,11.0 h)状况下,最大入渗深度为90,60 cm,累积入渗量达8.12,9.77 mm;日降雨量为9.6,8.8 mm的小雨(降雨强度分别为1.48,0.76 mm/h,降雨历时6.5,11.5 h)状况下,最大入渗深度为30,20 cm,累积入渗量仅为1.05,0.23 mm。(2)降雨入渗的湿润锋运移深度(Z_i)随时间(T)呈幂函数Z_i=aT^b增加。(3)雨水的入渗历时包括降雨历时、自降雨停止至入渗结束两个时段。6次降雨(33.6,35.6,19.0,16.8,9.6,8.8 mm)在降雨停止后时段内的入渗深度分别为100,60,70,40,30,20 cm,入渗量依次为9.86,10.78,2.09,8.42,1.05,0.23 mm。在总入渗历时内,6次降雨入渗补给系数分别为0.60,0.45,0.43,0.58,0.11,0.03。黄土区降雨入渗深度受降雨量、降雨强度、入渗历时影响较大,提高单次降雨的雨量有助于提升雨水入渗补给系数,促进干化土壤得到有效水分修复。     

保水剂对土壤水分垂直入渗特征的影响

为了探明保水剂对土壤水分入渗性能及变化过程的影响,该文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：保水剂对入渗率的影响具有稳定性和一致性。上层混施（0～10 cm）和层施（5 cm）保水剂会限制土壤水分向下运移,30 min后累积入渗量分别比对照显著减少了17.3%～36.6%和5.5%～46.6%;而且随着保水剂用量增加,抑制效应增大。相比较而言,这种减缓入渗的程度在保水剂层施,且用量为0.1%时更为明显。下层（10～20 cm）混施和层施（10 cm和15 cm）保水剂对土壤水分入渗的抑制是有限的,约比对照降低了4.9%～11.9%;但当保水剂层施量为0.1%时,土壤水分入渗反而会随着入渗进程而增加,累积入渗量可达到对照的1.1倍。层施保水剂后,保水剂层及保水剂下层土壤含水率会普遍增加1.1～1.9倍。     

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。     

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。     

室内模拟降雨条件下土壤水分入渗及再分布试验

降雨入渗对城市绿化、防洪排涝、农业生产等方面有着重要的意义。采用室内模拟降雨,使用时域反射仪采集相关数据,从土壤含水率变化特征和湿润锋运移特点等方面,研究了在垂向一维条件下不同雨强降雨对水分入渗的影响,探讨在降雨条件下土壤水分的再分布情况,从而确定试验所用砂壤土保水性最优土层范围。结果表明：降雨结束后,土壤水分的再分布主要受土水势控制,随着时间的延长,蒸发作用逐渐占据主导地位;试验所用砂壤土的最佳保水性土层深度为20～35 cm,可为植物的选栽提供参考。     

用水平土柱与Green-Ampt模型方法测量土壤入渗性能的原理与误差

土壤入渗是自然界水循环中的一个重要环节。研究提出了一种新的方法,根据水量／物质平衡原理和水平土柱中土壤剖面含水率分布所遵循的Green—Ampt模型中的活塞假定,测量和计算土壤入渗性能。用天然容重下的风干砂壤土,通过室内水平土柱试验,说明了获取数据的实验方法、过程,并利用提出的数学模型计算得到土壤入渗性能曲线。利用测量得到的土壤入渗性能回归计算得到的入渗水量分别与实际供水量和由土壤含水率的实际分布计算得到的入渗水量进行对比,得到相对误差分别为11．5％、15．89％,而实际供水量与由土壤含水率实际分布计算得到的水量之间的相对误差只有1．02％,说明了该方法的测量精度以及方法精度有进一步提高的可能性。该方法与传统的土壤入渗率测量方法相比,可以测量出土壤初始很高的入渗率,而且试验操作简单,省水,省时,为相关研究提供了有力的工具。     

用水平土柱和修正的Green-Ampt模型确定土壤的入渗性能

土壤入渗能力和降雨产流过程及地下水密切相关。土壤入渗过程决定了灌溉/降雨过程中水分进入土壤的过程,影响了化肥、农药及其他污染物随水分迁移过程以及坡面水文与土壤侵蚀过程等。该研究根据水流在水平土柱中运动的能量要求以及实际测量得到的土壤水分分布,对Green-Ampt模型中含水率分布呈活塞运动推进(即湿润锋内部土壤水分为恒定值)的假定进行了修正。采用更符合实际的呈线性分布的土壤水分分布模型,基于水量平衡和土壤水动力学原理,提出了对应的土壤入渗性能的计算模型。给出了利用修正模型估计土壤入渗性能的方法,计算模型以及计算过程。结果表明,利用修正模型估算得到的土壤入渗性能回归的入渗水量与实际供水量的相对误差为0.66%,说明该修正模型和计算方法具有很高的精度。该文提出的修正模型很好地描述了水分在土壤中的分布,较Green-Ampt入渗模型中的活塞模型更符合土壤水动力学中关于土壤水分运动的分析。将该修正模型与水平土柱试验结合,可以大大地提高土壤入渗性能计算的精度,为以后的土壤水分运动,地表产流计算以及土壤侵蚀等方面的研究提供非常有效的工具。     

充分供水条件下点源入渗特性及其影响因素

通过大量充分供水点源入渗试验资料,分析了充分供水条件下点源入渗特性及其影响因素,研究了点源面积,土壤质地,土壤初始含水量及容重等因素对点源入渗的影响,在此基础上,探讨了充分供水单点源入渗的湿润体形状及其湿润锋运移规律,这些研究果为进一步研究点源入渗和膜上灌技术奠定了基础。     

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。     

蚯蚓粪覆盖对降雨后黄土区土壤水分影响的室内模拟研究

通过室内模拟试验研究蚯蚓粪覆盖对降雨后黄土区土壤水分的影响,以蚯蚓粪覆盖厚度和雨强为试验变量,试验处理设置如下:降雨强度设置为大雨、中雨、小雨;蚯蚓粪覆盖厚度分别为1 cm、2.5 cm、4 cm,覆盖面积为土柱表面积的90%,以裸土作为对照。分别测定降雨完成后10 h内的湿润锋迁移过程和48 h内0～5 cm(上层),5～10 cm(中层)和10～15 cm(下层)的土壤含水率变化情况。结果表明:蚯蚓粪覆盖对降雨后黄土区土壤水分分布具有一定影响,降雨入渗结束后,覆盖蚯蚓粪处理的土壤含水率在较短时间内低于裸土,但5～15 cm土层含水率不断增加,并逐渐高于裸土,表明蚯蚓粪覆盖能够延缓降雨入渗,并影响黄土区土壤水分再分配过程,对降雨后表层以下的水分增加具有促进作用,有利于提高黄土区降水的利用率。     

土壤初始含水率对坡面降雨入渗及土壤水分再分布的影响

在防止土壤侵蚀和雨后抑制蒸发的条件下，利用室内人工降雨试验，研究了土壤初始含水率对坡面降雨入渗、湿润锋运移及土壤水分再分布规律的影响。结果表明：初始含水率越高，产流越快，平均入渗率越小，达到稳定入渗率的时间也越短；当初始含水率均匀分布时，降雨入渗和再分布过程中湿润锋面平行坡面垂直向下整体运移，坡面降雨入渗过程可以简化为一维；当初始含水率非均匀分布时，初始含水率越高，再分布过程中湿润锋的运移速率越大，但在降雨入渗过程中，湿润锋的运移速率与土体的湿润程度和范围有一定的关系；坡面上方来水(径流)虽然对湿润锋运移速率影响不大，但对入渗有一定的促进作用；再分布过程中，土壤水分有沿坡向下运移的趋势。     

负水头条件下的水平一维土壤吸渗特征

该文分析了不同负水头条件下土壤水分运动特征,并通过室内模拟试验研究了不同负水头条件下水平一维土壤的吸渗特征,根据Brooks-corey模型推求了描述负水头条件下土壤吸渗公式,并分析了各参量间的函数关系。分析了Philip吸渗公式在负水头条件下的适用性,并对所建立的公式进行检验。研究结果表明：上述理论关系可以很好描述负水头条件下水平一维土壤吸渗过程。     

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。     

容重对土壤水分入渗能力影响模拟试验

通过人工改变土壤颗粒级配,配制典型砂壤、中壤、黏壤,并设置不同容重水平,用土柱积水入渗模拟了土壤容重对其入渗能力的影响,为土壤改良和促进天然降水转化利用提供理论依据。结果表明,容重对土壤入渗能力有较大影响。试验土壤入渗能力随容重增大递减,3种典型土壤稳定入渗速率与容重均呈对数负相关,砂壤120 min累积入渗量与容重呈幂函数负相关,中壤、黏壤则呈线性负相关。考斯加科夫入渗模型中,表征初始入渗速率的参数随容重增大递减,表征入渗能力衰减速度的参数则随容重增大递增,说明土壤初始入渗能力随容重增大递减,入渗能力衰减速度随容重增大递增。     

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.     

土壤有机质含量对土壤入渗能力及参数影响的试验研究

基于土壤质地为壤土的大田水分入渗试验,分析了有机质含量对大田土壤水分入渗能力和考斯加科夫入渗模型参数的影响。研究表明：土壤有机质对大田土壤入渗能力和入渗模型参数的影响都比较明显,土壤累积入渗量随着土壤有机质含量的增加而增大;入渗模型参数k和α值随土壤有机质含量的增加而减小。研究结果对于土壤入渗能力预测模型的建立和地面灌水技术参数的优化具有一定价值。     

初始含水率对土壤垂直线源入渗特征的影响

为解决现有渗灌系统在深根系植物应用中存在的问题,该文设计了一种垂直线源灌水器,并通过室内土箱试验研究了不同初始含水率条件下砂黄土和塿土的垂直线源入渗特征。结果表明：Philip入渗公式的形式能够较好地描述2种土壤的三维入渗过程;入渗时间一定时,砂黄土和塿土的累积入渗量均与初始含水率之间呈二次函数递减关系;2种土壤入渗的最大径向距离、最大垂向距离、宽深比均与初始含水率之间呈二次函数抛物线关系;2种土壤相比,偏砂性的砂黄土累积入渗量在低初始含水率下较塿土大,但随着初始含水率的增加其减小速度较塿土快,偏黏重的塿土入渗临界初始含水率较砂黄土大,但其入渗范围较砂黄土小。这些结果可为不同土壤条件下的垂直线源灌水技术发展提供参考。     

用于ISE硝态氮检测的土壤原位前处理装置设计与试验

前处理自动化程度是影响土壤养分检测效率和可行性的关键环节之一。该文设计开发了1种适用于电极法硝态氮原位测定的前处理装置,融合土壤水分校准算法,装置具备水分测定、称重、注液浸提、高速旋转离心等功能,性能测定结果表明:装置两自由度机械平台纵向控制精度达到0.1 cm,旋转定位控制精度为1?,注液精度可达0.2 m L,位移量及注液量具有较高重复性;较常规手动操作,利用该装置进行土样前处理耗时明显降低,自动化及时效性明显提高,人工劳动强度下降;利用装置前处理土样,电极法测定结果与标准光学检测结果接近,两者回归方程调整决定系数为0.87,平均绝对偏差为20.97 mg/kg,均方根误差为22.34 mg/kg,较悬液直测精度明显提高。装置浸提环节仍需进一步优化,研究结果可为集成式土壤养分原位检测装置研发提供参考。