生物炭对黑土区土壤水分及其入渗性能的影响

为探究黑土区施用生物炭对土壤水分及其入渗性能影响的持续性,2016—2018年连续3年在东北黑土区进行了单次施加生物炭(75 t/hm~2,BC处理)和不施加生物炭(CK处理)的室内外对比试验,分析各土层土壤含水率及土壤水分入渗过程。结果表明:施加生物炭可增加各土层土壤含水率,使其极值比K_a和变异系数C_v减小,且土壤含水率、K_a、C_v的变化幅度均随生物炭施用年限增加而减弱,2016—2018年苗期耕层土壤含水率增加最多,分别增加了14.54%、11.48%和7.08%;施加生物炭明显增大了土壤累积入渗量、土壤入渗速率,增强了土壤入渗能力,促进了湿润锋的运移,各年份BC处理土壤累积入渗量由大到小依次为2016年、2017年、2018年,初始入渗速率f_1分别增加了70.48%、58.98%和48.41%,土壤稳定入渗速率f_c由大到小依次为2016年BC处理(1.65 mm/min)、2017年BC处理(1.22 mm/min)、2018年BC处理(1.17 mm/min)、2016年CK处理(0.46 mm/min)、2017年CK处理(0.43 mm/min)和2018年CK处理(0.38 mm/min);2016—2018年中,2016年BC处理湿润锋运移距离最深(32.24 mm),各表征土壤入渗性能的指标均于生物炭施用当年效果最优,而后逐年减弱;土壤累积入渗量与时间具有幂函数关系,湿润锋运移距离与时间具有三次函数关系,R~2均在0.963～0.998之间;Philip、Kostiakov、Horton 3个入渗模型拟合对比结果表明,Kostiakov模型R~2最高(0.946～0.991)、RMSE最小(0.516～1.941 mm/min),拟合参数与实际情况相符,故本研究中Kostiakov模型拟合的土壤水分入渗过程最优。本研究可为东北黑土区施加生物炭后改良土壤水分入渗过程提供理论依据。     

褐土区生物炭施用量对水分入渗规律的影响

为了研究生物炭在黄土高原东部褐土区的改良作用,探究生物炭施用量对水分入渗规律的影响。利用室内一维土柱垂直入渗试验,设置6个施用量（0、1%、3%、5%、7%、9%）,监测3 h内土柱湿润锋的运移情况及累积入渗量和入渗率的变化情况,测量3 h时土柱深度为2.5、5、7.5、10、12.5、15、17.5和22.5 cm的土壤含水率。用Kostiakov、Philip模型与Horton模型对入渗率进行模拟,拟合效果较好的是Kostiakov模型,适宜对不同生物炭施用量进行模拟分析。用幂函数可以很好地分析生物炭对湿润锋运移的规律。施用生物炭对褐土区土壤有减渗作用,生物炭施用量越大,入渗速率、累积入渗量、湿润锋运移距离越小,土壤含水率越高。     

不同种植年限压砂地土壤水分入渗过程及模型分析

为探究不同种植年限对土壤水分入渗的影响,利用室内垂直一维土柱入渗试验分析了不同种植年限(2,5,10,20,30,40 a)压砂地土壤水分入渗速率、累积入渗量和湿润锋运移规律,借助4种入渗模型对土壤水分入渗过程进行拟合并评价其适用性,通过一维代数模型及相关参数预测土壤剖面含水率分布特征.结果表明：随种植年限增加,土壤累积入渗量、入渗速率及湿润锋运移距离均减小,入渗时间为300 min时,5,10,20,30,40 a的累积入渗量相较于2 a分别减少了27.01%,43.32%,53.22%,54.79%和54.68%,湿润锋运移距离减小了24.84%,38.38%,48.56%,52.67%和54.00%.4种入渗模型的R²从大到小依次为Horton模型、通用经验模型、Kostiakov模型、Philip模型.入渗完成后同一深度土壤剖面含水率呈现出随种植年限增大而减小的趋势,一维代数模型拟合的不同种植年限土壤剖面含水率值与实测值间的MAE均为0.48%～2.09%,RMSE为0.52%～2.13%,D均大于0.782,t检验P值均大于0.05,说明其可以较好地拟合...     

生物炭种类与施量对新复垦区土壤水分入渗过程的影响

为探究不同种类生物炭与其施量对新复垦区土壤水分入渗过程的影响,设置2个生物炭种类（玉米秸秆生物炭A、水稻稻壳生物炭B）和3个施量梯度（2%、4%和8%）以及不施加生物炭（CK）共7个处理,进行垂直一维积水入渗试验。结果表明：除低施量水稻稻壳生物炭处理（B2）外,添加生物炭延缓了新复垦区土壤水分入渗过程,玉米秸秆生物炭优于水稻稻壳生物炭。添加2%、4%和8%玉米秸秆生物炭处理（A2、A4、A8）随施量增加,入渗时间逐渐延长,与CK相比,入渗时间分别延长35.0%、46.0%和59.1%;而水稻稻壳生物炭组中仅4%施量处理（B4）延缓了水分入渗,入渗时间较CK增加28.5%。同时,添加生物炭降低了土壤初始入渗率及相同入渗时间内的湿润锋运移距离和累积入渗量,生物炭种类及其施量对这3项指标的影响与对入渗时间的影响规律相似。添加生物炭均提高了土壤表层含水率,增幅2.2%～20.3%,且两种生物炭在高施量处理条件下土壤保水能力明显优于中、低施量。湿润锋运移距离与时间符合幂函数关系,Philip模型能较好地模拟不同种类及施量生物炭处理下新复垦土壤的水分入渗过程。总体来讲,添加8%玉米秸秆生物炭处理有利于改善新复垦区土壤水分下渗快、保水能力弱的问题。     

秸秆全量深翻还田和施加生物炭对不同土壤持水性的影响

【目的】研究秸秆深翻还田对土壤持水性的影响机理。【方法】采用连续4 a玉米秸秆全量深翻还田定位试验和土壤有机碳梯度入渗淋溶模拟试验,秸秆全量深翻还田1~4 a处理(SF1、SF2、SF3和SF4),以不深翻秸秆全量还田处理作为对照(CK);土壤有机碳入渗淋溶模拟试验研究了2种质地土壤(砂土、壤土)的不同质量比生物炭处理条件下的土壤水力传导性,砂土中添加质量比为0、1%、3%、5%、8%、10%生物炭处理分别记作CKS、BS、CS、DS、ES、FS,壤土中添加质量比为0、1%、3%、5%、8%、10%生物炭处理分别记作CKR、BR、CR、DR、ER、FR,应用单环入渗法测定了土壤平均入渗速率和累积入渗量,应用压力膜法测定了土壤水分特征曲线。【结果】秸秆全量深翻还田后,相同的静水压力下,SF4处理持水性比CK降低21.05%,土壤平均入渗速率比CK增加82.07%,累积入渗量比CK增加225.09 cm;随深翻秸秆还田年限(随年份和深翻措施的累积增加)的增加,土壤持水性逐渐降低,土壤平均入渗速率逐渐加快,土壤的累积入渗量逐渐增多;在土壤体积质量保持不变的情况下,随生物炭量的增加,砂土的入渗速率、累积入渗量减小,持水能力升高;当生物炭添加比例从1%到8%时,壤土累积入渗量、入渗速率递增,持水能力降低,当添加生物炭量为10%时,较添加8%生物炭处理时土壤持水性略有升高,土壤持水性变化规律出现波动。秸秆全量深翻还田增加了土壤有机质量,土壤有机质的腐解增加了土壤生物炭量,同时结合室内模拟试验的结果,生物炭量的增加改善了土壤(0~40 cm)持水性和通透性。【结论】应适度采取秸秆深翻还田来改善土壤的持水性,可为春玉米的连续高产稳产提供良好的土壤水分环境。     

微咸水灌溉下粉垄耕作土壤水盐运移特性

【目的】明确微咸水灌溉条件下粉垄耕作土壤水分入渗规律及水盐运移特征。【方法】基于室内土箱试验,分析3种微咸水矿化度(0g/L(S1)、3g/L(S2)和5g/L(S3))和2种耕作(粉垄耕作(FL)和传统翻耕(FG))条件下的土壤水分入渗特征和水盐运移规律。【结果】水分平均入渗速率和垂直湿润锋推进速率随着微咸水矿化度的升高呈先增大后减小的变化趋势,水平湿润锋运移速度随着微咸水矿化度的升高而持续增加。FL处理下的土壤水分入渗速率、湿润锋推进速率相比FG处理有明显提升。Kostiakov模型可较好地拟合2种耕作措施下的土壤累积入渗量与入渗时间之间的关系(R²>0.99)。灌溉后20 d,FL处理下的土壤含水率均小于相同微咸水矿化度下的FG处理;同一耕作措施下,土壤含水率随着微咸水矿化度的升高而增加。【结论】微咸水灌溉与粉垄耕作对土壤水分入渗、土壤湿润锋运移和土壤水盐再分布具有改善作用。与灌溉前相比,灌溉后20 d,FL处理下的土壤平均脱盐率为42.95%～55.98%,而FG处理下的土壤平均脱盐率为32.34%～43.29%。随着矿化度的增加,FL处理下的平均土...     

负水头环境土壤水分湿润锋运移三维模拟

【目的】更加有效地控制土壤含水率,指导节水灌溉。【方法】采用负水头土壤水分湿润锋运移试验和Hydrus-3D三维土壤水分运移数值模型,研究了山西榆次砂土、壤土在负水头高度(0、-0.5、-1.0m)时的土壤水分湿润锋运移规律和模型的有效性。【结果】水分累积入渗量随着时间的增加逐渐增大,与时间呈良好的幂函数关系;湿润锋随着时间的增加逐渐向水平、垂直方向扩大,曲线呈1/4椭囿状,最大湿润距离与时间的平方根呈良好的线性关系;湿润锋入渗速度随着负水头高度的增加逐渐减小,与时间呈良好的幂函数关系。实测湿润锋包络面积与模型计算值的偏差,砂土为0.51%~7.21%,壤土为0.22%~16.03%。【结论】所建三维模型可以用于描述负水头环境下土壤水分湿润锋的运移特征,并用于预测各种条件改变下的湿润锋运移和含水率分布。     

含钠盐量变化对土壤水分入渗特性影响的试验研究

【目的】研究土壤含钠盐量变化及钠盐含量垂向异性对土壤水分入渗特性的影响,以期为海涂盐渍土水土资源高效利用与保护提供理论依据。【方法】设置土壤含钠盐量垂向均质及垂向异质变化共6个处理,采用恒定水头入渗法进行土壤水分入渗试验。主要从入渗速率、累积入渗量及湿润峰距离3方面对土壤水分入渗特性进行分析讨论与模拟。【结果】对于盐分分布均匀的土壤,入渗初期水分入渗速率与土壤含盐量有显著关系,但对于盐分含盐量垂直分层土,土壤盐分含盐量与水分入渗速率关系较为复杂。在相同入渗时间内,盐分均质土累积入渗量随土壤含盐量增大呈显著降低趋势;对于盐分含盐量分层土壤,盐分含盐量垂向减小土壤累积入渗量大于盐分浓度垂向增加土壤,且土壤剖面垂向盐分含盐量变化对水分累积入渗量影响相比土壤盐分含盐量均匀变化对入渗过程的影响更显著。土壤湿润锋深度随入渗时间延长而增大,且在入渗初期速度较快,随后逐渐缓慢,最后趋于平缓,上层土壤盐分浓度对湿润锋深度影响较大。【结论】结合盐分均匀变化及垂向异质性变化土壤定水头入渗试验,明确了土壤孔隙水分运动与盐分浓度变化的响应规律。土壤垂向理化性质改变对水分入渗过程具有一定影响,同时利用Kostiakov入渗经验公式和简略Philip入渗方程可以较好地拟合该入渗过程。     

初始含水率对斥水黏壤土入渗特性的影响

为了探究初始含水率对斥水土壤入渗过程的影响规律,通过室内二维土箱的滴灌模拟试验,设置6个初始含水率水平(4.78%,7.28%,9.97%,13.64%,16.07%,19.02%),研究了初始含水率对湿润锋运移距离、宽深比、累积入渗量、入渗速率和土壤水分分布的影响,并评价了不同入渗模型的适用性.结果表明:随着初始含水率的提高,湿润锋运移相同深度所需时间呈逐渐减小趋势,两者较好满足幂函数关系,湿润锋宽深比逐渐减小;累积入渗量变化趋势为先减小后增大;入渗速率整体趋势为逐渐减小,其中斥水程度峰值含水率附近的处理出现入渗速率短暂提高的现象;Kostiakov模型能够较好反映斥水黏壤土的入渗规律,且斥水程度越大,模型拟合精度越低;随着斥水程度增加,土壤水分逐渐向湿润体垂向中间区域集中,并出现过度饱和现象.该研究可为斥水土壤的入渗理论奠定一定的基础.     

天然沸石对土壤水分运动特性及水稳性团聚体的影响

【目的】为研究沸石对土壤水分运动及团聚体分布的影响。【方法】向土壤中加入0%、5%、10%、15%、20%的沸石,进行室内土柱试验和水稳性团聚体分析试验,研究了施加沸石对土壤水分运动和土壤水稳性团聚体的影响。【结果】①沸石可以减小土壤累计入渗量和入渗速率,并阻碍湿润锋的推进,与对照组相比,添加沸石试验组的累计入渗量和入渗率不断减小,添加20%沸石,累计入渗量、入渗率、湿润锋减小幅度最大;②利用Kostiakov和Philip入渗模型拟合试验数据,Kostiakov模型和Philip模型拟合后R2均大于0.99,拟合效果较好,拟合参数A、S均小于对照组,进一步验证沸石有减缓入渗的作用。③沸石对水稳性团聚体及分形维数的影响与其添加量有较大关系,沸石施加量由0增加到10%时,≥0.25 mm土壤水稳性团聚体的量、分形维数分别由10.8%增加到18.3%、2.69减小到2.58,沸石施加量继续增加到20%,≥0.25 mm团聚体量减小至6%,分形维数增大至2.72。【结论】沸石能够减缓土壤水分入渗过程,在一定量的施加范围内,沸石能增大土壤中水稳性团聚体量。     

不同地下水埋深土壤水分入渗规律研究

【目的】分析农田土水势的分布对作物的生长状况和农田水分循环的影响。【方法】采用观测室内层状长土柱(土柱长L=335 cm)在上边界条件为薄层积水、下边界控制不同地下水埋深时的水分入渗及蒸发过程的试验,分析了不同地下水埋深时土水势与零通量面的变化特征。【结果】入渗率随时间总的变化趋势是减小,入渗率随时间的变化一般经历3个阶段:迅速减小、缓慢减小和稳定阶段;累积入渗量随时间增加,与时间呈幂拟合关系;入渗初始阶段湿润锋运移速率较快,之后随着时间的推移,湿润锋运移速率逐渐减小,至某一时间后趋于稳定。【结论】湿润锋运移距离与时间的平方根呈线性关系     

保水剂混施厚度对土壤水分垂直入渗特性的影响

通过室内混施保水剂水分入渗试验,研究了保水剂混施厚度对土壤水分垂直入渗特性的影响。结果表明,混施保水剂不同程度上减小了土壤水分入渗率、累积入渗量和湿润锋运移距离。保水剂混施厚度越大,对入渗率的抑制程度越大,累积入渗量和湿润锋运移距离越小。随着入渗时间的延长,土壤水分入渗率逐渐减小,累积入渗量和湿润锋运移距离却逐渐增大。...     

负水头条件下入渗模型对于水分入渗规律适用性研究

通过室内土柱入渗实验,对比了不同负水头高度条件下的土壤入渗规律,并采用了三种入渗模型分析了土壤水分入渗特点。实验结果表明,累积吸渗量与时间呈良好的幂函数关系,湿润锋与时间平方根间呈良好的线性关系,并且负水头高度减小,累积入渗量逐渐减小,湿润锋的推进速度减慢。累积入渗量与湿润锋推进距离呈良好的线性关系。利用Green-Ampt模型、Philip模型和Kostiakov公式对入渗率与入渗时间的关系进行拟合,得出Kostiakov公式能更准确地描述出入渗率与时间关系。     

红枣经济林不同植被覆盖土壤水分入渗特征

【目的】模拟不同植被覆盖土壤水分入渗过程并选择该研究区的最适模型。【方法】采用野外双环入渗试验方法,测定了不同植被覆盖下土壤水分入渗特征,采用Philip模型、Horton模型、Kostiakov模型对不同植被覆盖区土壤水分入渗过程进行拟合。【结果】①不同植被覆盖区土壤水分入渗速率均表现为初始入渗速率最大,平均入渗速率次之,稳定入渗速率最小;②自然生草区土壤初始入渗速率最大,清耕区土壤的平均入渗速率和稳定入渗速率最大,且清耕区与自然生草区土壤初始入渗速率、平均入渗速率和稳定入渗速率均差异显著;③Horton入渗模型对不同小区土壤入渗过程拟合效果最好,Philip入渗模型拟合效果次之,Kostiakov入渗模型拟合效果最差。【结论】红枣经济林不同植被覆盖下土壤水分入渗特征具有显著差异,Horton入渗模型更适合研究该区域红枣经济林土壤水分入渗过程。     

生物炭对微润灌土壤水分运动的影响

生物炭可以改善土壤的持水能力,通过室内土箱模拟试验,研究了不同生物炭添加量对微润灌累计入渗量、湿润锋运移距离和湿润体含水率的影响。结果表明,添加生物炭能显著降低微润灌累计入渗量,抑制微润灌土壤水分的向上运移,促进微润灌土壤水分的侧向和向下运移。土壤中添加生物炭后,提高了微润灌湿润土壤的含水率,且随着生物炭添加量的增加而增大。生物炭改良土壤后可以提高微润灌的节水能力。     

农膜残留对砂壤土和砂土水分入渗和蒸发的影响

通过室内试验设置5个不同残膜量(0、50、100、200、400 kg/hm~2)处理,研究不同残膜量对砂壤土和砂土水分入渗湿润锋、入渗速率、累积入渗量、土壤累积蒸发量和蒸发速率的影响,并评价了主要土壤入渗、蒸发模型在农膜残留土壤的适用性。结果表明:随着土壤中残膜量增多,砂壤土和砂土入渗速率变慢,土壤湿润锋运移相同距离所需时间均显著增加,其中运移30 cm时,砂壤土残膜量400 kg/hm~2处理(SL5)比无残膜处理(SL1)运移时间增加了27.56%;相同入渗时间内累积入渗量随残膜量增加均显著减小(P0.05),入渗结束后SL5处理比SL1处理累积入渗量减小了52.01 m L(23.12%);残膜量增加导致蒸发速率、累积蒸发量都显著减小(P0.05),蒸发结束后SL5处理比SL1处理累积蒸发量减小了30.63%,且不同残膜量对砂壤土的影响大于砂土。对4个土壤水分入渗及蒸发模型进行拟合,结果显示Kostiakov和Philip入渗模型均能较好模拟残膜条件下土壤水分入渗,其中Philip入渗模型拟合精度高于Kostiakov入渗模型,且对砂土中农膜残留下的土壤水分入渗模拟效果更好;Black蒸发模型随着残膜量增加拟合精度下降,而Rose蒸发模型受残膜量的影响较小,更适合于农膜残留土壤累积蒸发量估算。     

土壤容重对一维垂直浑水肥液入渗水氮运移特性影响

为了揭示土壤容重对浑水肥液入渗水氮运移特性的影响,通过室内土柱试验,研究不同土壤容重(1.30,1.35,1.40,1.45 g/cm³)累积入渗量、湿润锋运移距离、土壤含水率分布规律以及土壤硝态氮运移特性,采用Philip入渗模型和电容充电经验模型对累积入渗量进行了拟合,建立了累积入渗量、湿润锋运移距离与土壤容重之间的关系.结果表明:在同一入渗时间下,浑水肥液累积入渗量随土壤容重的增大而减小;土壤容重越大,湿润体体积、湿润体内水分及硝态氮分布范围均越小.浑水肥液累积入渗量符合Philip入渗模型和电容充电经验模型;湿润锋运移距离与入渗时间呈显著幂函数关系;供水结束后土壤含水率及硝态氮含量均随着入渗深度的增加而减小;随着土壤水分再分布上层土壤硝态氮逐渐减小,下层逐渐增大,再分布2 d后硝态氮含量在湿润锋附近出现峰值,整个湿润体硝态氮含量分布趋于均匀.研究成果为进一步研究浑水肥液入渗氮素运移提供基础参考.     

施加生物质炭对滨海盐碱土壤水分运移的影响

【目的】探究施加生物质炭对滨海盐碱土壤水力学特性的影响机制。【方法】通过室内模拟入渗实验,研究不同生物质炭施加量(质量分数分别为0%、0.3%、0.5%、0.8%、1.0%、3.0%、5.0%、8.0%)对典型滨海盐碱土壤水分导水入渗及持水性能的影响。【结果】供试土壤水分入渗速率和饱和导水率随生物质炭施加量增加呈先增大后减小趋势,生物质炭施加量<1.0%有助于供试土壤水分入渗,生物质炭施加量>1.0%则制约供试土壤导水性。1.0%生物质炭施加量是影响土壤水分入渗和土壤导水性的重要转折点。施加生物质炭能够显著提升滨海盐碱土壤的持水能力,且随着生物质炭施加量的增加而增加,但过量施加生物质炭降低了土壤渗透性,不利于提高滨海土壤的导水性。【结论】0.8%～1.0%的生物质炭施加量对滨海盐碱地改良成效较好。     

膜孔灌自由入渗条件下VG模型参数的敏感性分析

【目的】探究膜孔灌自由入渗条件下VG模型参数敏感性。【方法】基于HYDRUS-2D软件,采用单因子扰动分析方法,研究vanGenuchten方程中α、n、θ_r对膜孔灌单点源自由入渗特性的影响。【结果】(1)单位膜孔面积累积入渗量与α负相关,与n正相关,θ_r对单位膜孔面积累积入渗量无影响。水平湿润锋运移距离与α负相关,θ_r对其无影响。垂直湿润锋运移距离与θ_r负相关,与n正相关。入渗结束时高含水率湿润体面积与θ_r、n正相关,n的扰动对高含水率湿润体面积影响最大。(2)单位膜孔面积累积入渗量的相对灵敏度随α增大而逐渐减小,α的正扰动对单位膜孔面积累积入渗量的影响程度弱于负扰动。α负扰动时,水平湿润锋运移距离的相对灵敏度随扰动幅度的增大而逐渐增大;α正扰动时,水平湿润锋运移距离的相对灵敏度随扰动幅度的增大而逐渐减小。(3)n负扰动时,单位膜孔面积累积入渗量与垂直湿润锋运移距离的相对灵敏度均随扰动幅度的增大呈先增加后减小的趋势;n正扰动时,单位膜孔面积累积入渗量的相对灵敏度随扰动幅度的增...     

生物炭混掺对沼液间接地下滴灌土壤水力特性的影响

为了探究生物炭混掺量对不同配比沼液间接地下滴灌土壤水力特性的影响,采用室内土箱模拟试验,设置4个生物炭混掺水平（生物炭、土壤质量百分比分别为0、1%、2%、5%（B0、B1、B2、B5））和4个沼液配比水平（沼液、水体积比分别为0、1∶8、1∶6、1∶4(Z0、Z1∶8、Z1∶6、Z1∶4））,探求小麦秸秆生物炭混掺对沼液间接地下滴灌土壤持水性能、土壤饱和导水率和土壤湿润体特征的影响。结果表明：土壤持水性能随生物炭混掺量和沼液配比的增大而提升;Van-Genuchten模型能够准确拟合各处理土壤水分特征曲线;生物炭混掺和沼液灌溉可以增加土壤孔隙度和毛管孔隙度;土壤饱和导水率随生物炭混掺量的增加呈先降低后升高的趋势,随沼液配比的增大而趋于减小;幂函数能够准确描述不同处理湿润锋运移距离与灌水时间的关系;生物炭混掺量为5%时,湿润锋垂直向下运移距离增大,垂直向上和水平方向运移距离减小,存在深层渗漏可能;湿润锋运移距离、湿润体体积、土壤高含水率分布区域面积均在生物炭混掺量为2%、沼液配比为1∶4时结果最优。综合考虑各项指标, 处理Z1∶4B2的生物炭混掺量和沼液配比能够使间接地下滴灌下的粉壤土获得较好的土壤水力特性。