残膜埋深对滴灌条件下粉砂壤土水分入渗影响的试验研究

利用室内模拟试验,设置高低两个滴灌流量(0.5、2 L/h),根据残膜在土壤中的上、中、下3个位置研究不同残膜埋深对滴灌入渗湿润体形状、入渗速率以及土体内含水率分布的影响。结果表明:残膜埋深越深滴灌结束时湿润范围越小,残膜区湿润体曲线呈不规则现象;残膜区水分入渗速率明显低于对应其他处理该层的入渗速率(P0.01);残膜区土壤含水率明显高于无残膜区,并且随着残膜埋深增加,土体内最高含水率呈增加趋势,且不同滴头流量处理不同残膜埋深对滴灌入渗的影响相似。故残膜在土壤中埋深位置的不同对滴灌入渗有较大的影响,掌握残膜在土壤中不同位置对入渗的影响对于制定残膜存在下合理的灌溉制度具有重要意义。     

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。     

不同滴灌量对土壤水氮运移规律研究

在大田滴灌条件下,开展了不同滴灌量和施肥水平下水、氮在土壤中的运移规律研究。结果表明:在大田滴灌条件下,地表沿滴头的土壤湿润锋呈圆形分布;在同一滴头流量下,随着灌水量的增加,水平湿润锋的迁移加快,湿润半径也相应增加;水平湿润锋随时间的变化呈显著的幂函数关系,湿润峰与入渗历时的拟合关系较好。滴灌结束后,在同一滴头流量下,随灌水量增加,土壤含水量随土层深度和径向距离的增大而递减,递减率随土层深度的增大而减小,湿润体内NH+4-N随水扩散的距离增大,并且在湿润区域内NH+4-N浓度得到提高,垂直方向NH+4-N的入渗距离也有所增大。随着灌水量的增大土壤湿润体NO-3-N的量增加,滴头附近NO-3-N的变化不太明显,而在湿润体边缘NO-3-N产生累积。     

滴灌流量对土壤水盐运移及再分布的作用规律研究

通过室内土箱模拟试验,对不同滴头流量处理的土壤水盐运移及再分布规律进行了研究,结果显示:两滴头交汇界面处的湿润锋依滴头流量不同而呈椭圆形或圆形;大滴头流量促进了水分的水平运动,水平扩散速率明显大于垂直入渗速率;随着滴头流量的减小,水平和垂直方向的入渗距离逐渐接近;土壤湿润体体积与总灌水量有关,而与滴头流量并无显著相关;根据湿润锋的运动,给出了试验用土大田建议滴头流量;滴灌结束后,水盐经历了一个非常重要的再分布过程,经过再分布,土壤水盐进一步向深层运移,促进了上层土壤的淡化,小滴头流量的淋盐效果明显好于大滴头流量;土壤盐分的运移在前3天的再分布中最为活跃;试验得出了保证作物生长需要和淋盐需要的每滴头灌溉水量,对实践具有一定的指导意义。     

滴灌湿润体交汇情况下土壤水分运移特征的研究

以室内试验为基础，测定了重壤土、中壤土、砂壤土在不同滴头流量、不同灌水量下的滴灌交汇土壤水分入渗运动过程。研究结果显示了滴头流量、灌水量和土壤质地对交汇入渗湿润体形状的影响规律。滴灌入渗交汇界面的湿润锋水平和垂直距离与入渗时间之间符合良好的线性关系，湿润锋水平和垂直速度随着交汇时间的延长而增大。随着距滴头距离的增加，滴灌交汇入渗湿润体内的土壤含水率降低，湿润锋交汇界面处的土壤含水率一般均大于同等土壤深度的含水率。研究结果对滴灌系统设计理论具有一定的指导作用。     

滴灌土壤湿润体影响因素的实验研究

在实验室内模拟研究了不同滴头流量、土壤初始含水率和容重条件下,粘壤土点源入渗土壤湿润体水平扩散半径和竖直入渗深度的变化规律。实验结果表明:初始含水率和容重对土壤湿润体特征值有较明显的影响;在供水量一定的条件下,滴头流量对点源积水入渗土壤湿润体特征值没有明显影响;湿润体形状和大小受灌水量的影响比受滴头流量的影响要大。另外对多滴头交汇入渗条件下湿润体特征值进行了初步研究,结果表明交界面处水分的水平扩散和竖直入渗速率大于点源下的入渗速率,随着入渗时间的延长湿润体的形状也逐渐由椭球体向平行于毛管的带状分布过渡     

地下滴灌条件下砖红壤水分入渗特性试验研究

在实验室内模拟研究了地下滴灌条件下不同滴头流量、滴管埋深和土壤初始含水率对湿润锋运移的影响规律。结果表明：滴头流量对湿润锋水平运移的影响大于竖直方向,湿润体的成形主要受到滴头流量的控制;滴管埋深对湿润锋运移影响不大;湿润锋运移速率随土壤初始含水率的增加而增大,其中以水平方向上最为明显。     

残膜对土壤水分入渗和蒸发的影响及不确定性分析

为探究残膜对土壤水分入渗和蒸发过程的影响规律,通过室内土柱试验,设置6个残膜量水平(0、80、160、320、640和1 280 kg/hm2),研究了残膜对湿润锋运移、土壤水分分布、累积入渗量和累积蒸发量及其不确定性的影响。结果表明:随残膜量增加,湿润锋垂直运移速率和累积入渗量逐渐减小;残膜量80 kg/hm2时,湿润锋运移速率大幅下降;累积蒸发量随残膜量增加而递减而蒸发系数呈递增趋势,土壤保水能力减弱;随残膜量增加,0~10和20~45 cm含水率呈降低趋势,而土壤水分的变异系数呈增加趋势,残膜加剧了土壤水分垂直分布的变异性,残膜量320 kg/hm2的处理会出现表土层"板结"现象;基于Gibbs抽样算法分析表明,Kostiakov入渗模型和Rose蒸发模型各参数的95%后验置信区间上下限的差值和标准差均随残膜量增加而增大,累积入渗量和累积蒸发量的95%后验置信区间面积呈增大趋势,土壤累积入渗量和累积蒸发量的不确定性随残膜增多而增强。该研究可探明残膜污染区的土壤水分运动规律,并为提高Kostiakov模型、Rose模型的模拟效率和模拟精度提供参考。     

竖管地表滴灌与普通地表滴灌土壤水分运移特性对比试验研究

为探究竖管地表滴灌和普通地表滴灌土壤水分运动规律及区别,在室外同步进行2种滴灌模式下风沙土入渗和蒸发试验,对比分析了土壤水分分布、蒸发规律和土壤湿润锋运移特性。结果表明:(1)灌水量为2 L,2种滴灌模式下,随着滴头流量的增大,湿润体体积和灌水均匀度逐渐减小,湿润体含水率平均值逐渐增大,当滴头流量一定,竖管地表滴灌的湿润体体积大于普通地表滴灌,而灌水均匀系数小于普通地表滴灌;(2)不同滴头流量处理(0.3,0.4,0.6 L/h)蒸发7天结束后,普通地表滴灌土壤蒸发量分别占灌水量的32.5%,35.0%和40.0%,而竖管地表滴灌土壤蒸发量仅占灌水量的22.5%,说明竖管地表滴灌对土壤蒸发有明显的抑制作用;(3)相同灌水量(2 L)时,普通地表滴灌水平和垂直湿润锋运移距离均随滴头流量的增大而略有减小,竖管地表滴灌垂直向下湿润锋运移规律与普通地表滴灌相同,而水平和垂直向上方向运移规律相反;随着时间的延长,普通地表滴灌与竖管地表滴灌水平和垂直方向湿润锋比值均呈不断减小趋势,最后趋于稳定;(4)构建了包括滴头流量和灌水时间在内的普通地表滴灌湿润锋运移距离经验公式,验证所建经验公式的可靠性,均方根误差介于0.24~0.27 cm,纳什效率系数均大于0.985。研究结果可为竖管地表滴灌技术应用提供理论参考。     

点源滴灌滴头流量与湿润体关系研究

滴头流量影响土壤湿润体的大小和形状,从而对作物根系生长也有影响。工程设计中应根据滴头流量与土壤湿润体的关系确定滴头流量的设计依据。该文以等效圆柱湿润体模型为基础,建立了点源滴灌滴头流量的数学模型,针对模型中各因子随滴头流量的变化过程进行实验分析,确定影响点源滴灌滴头流量设计的主要因素。实验所用土壤为重壤土、中壤土、砂壤土,滴头流量分别为1、2、3、4 L/h。结果表明：滴头流量对湿润锋水平运移的影响比对垂直运移的影响大;地表积水区的变化对土壤湿润锋水平运移有控制作用。点源滴灌设计中,除了土壤入渗特性外,设计湿润比(或湿润直径)也是选择滴头流量的重要依据。     

残膜量对膜孔灌土壤水氮运移特性的影响

为探究土壤残膜量对膜孔灌肥液入渗土壤水氮运移特性的影响,通过室内土箱模拟试验设置0,90,180,360,720 kg/hm~2的5个残膜量水平,分析不同残膜量下膜孔灌肥液入渗累积入渗量、湿润锋运移距离、湿润体特征和水氮分布规律。结果表明:残膜对膜孔灌肥液入渗具有阻渗作用,残膜土累积入渗量较无残膜土减少10.63%～30.77%,Kostiakov模型对残膜土单位膜孔面积累积入渗量与入渗时间有较好地拟合效果;入渗前30 min,不同残膜量的垂直湿润锋运移距离差异不显著,随着入渗时间推进,残膜量与湿润锋运移距离、湿润体体积呈负相关关系。入渗结束时,含残膜土湿润体体积减小18.09%～41.96%。垂直湿润锋距离、湿润体体积与入渗时间均呈显著的幂函数关系,R~2均0.98;除膜孔中心处,相同位置含残膜的土壤含水率低于无残膜,30%高含水率区域减小。湿润体内同一深度土壤NO_3~--N和NH_4~+-N含量随残膜量增加而减小,减小幅度为4.20%～16.27%。研究结果可为残膜土下膜孔灌技术提供理论参考。     

竖管地表滴灌下风沙土稳定入渗率与湿润体估算模型

为了量化解决竖管地表滴灌过程中滴头流量与竖管结构参数(竖管直径和竖管埋深)、土壤湿润体与植物根系的匹配问题,该研究通过12组竖管内积水(2 cm水头)入渗试验(9组率定,3组验证),测定不同竖管直径(8.8、10.6、12.6、14.2 cm)和竖管埋深(15、20、25 cm)条件下风沙土累积入渗量变化过程,并采用Philip入渗模型拟合。结果表明:竖管直径一定时,稳渗率随埋深的增大而减小,竖管埋深一定时,稳渗率随管径的增大而增大,稳渗率与竖管直径和竖管埋深之间符合幂函数关系(决定系数R20.99),幂函数指数分别为2.01和-0.64。利用所建稳定入渗率估算式确定与竖管结构参数相匹配的滴头流量(保证竖管内无积水),设计9组竖管地表滴灌室内试验(7组率定,2组验证),观测不同滴头流量(0.9、1.2、1.5 L/h)、竖管直径(10.6、12.6、14.2 cm)和竖管埋深(15、20、25 cm)条件下风沙土湿润锋运移过程,并进行幂函数拟合,发现滴头流量对垂直向下湿润锋运移距离显著,滴头流量越大,垂直向下湿润锋运移距离越大,而水平方向和垂直向上湿润锋运移距离差异较小;在3个方向上湿润锋运移距离均随竖管直径的增大而减少;随竖管埋深增加,垂直向上和垂直向下湿润锋运移距离均有所减小,但水平方向湿润锋运移距离变化很小。确定了灌溉水到达竖管底孔所需时间计算式,在此基础上,构建了包括滴头流量、竖管直径、竖管埋深和灌水时间在内的竖管地表滴灌湿润体预测模型,验证所建模型的可靠性,平均绝对误差和均方根误差平均值分别为0.74和0.92 cm,纳什效率系数均大于0.91,说明预测效果良好。该研究所建稳定入渗率和湿润体预测模型对于竖管地表滴灌优化设计具有重要意义。     

浑水含沙率对膜孔灌肥液入渗土壤水氮运移特性的影响

为研究浑水膜孔灌条件下含沙率对膜孔灌肥液入渗土壤水氮运移特性的影响,通过室内膜孔入渗试验,设5个含沙率水平(0、3%、6%、9%、12%),观测累积入渗量、湿润锋运移距离、湿润体内水分以及NO-3-N和NH4+-N运移变化特性。结果表明:浑水含沙率越大,湿润锋运移距离越小,相同入渗历时内湿润体体积和高含水率区域越小,湿润体内同一位置处土壤含水率越小。单位膜孔面积累积入渗量与入渗时间符合Kostiakov模型(R2>0.9,P<0.01);随着浑水含沙率的逐渐增大,入渗系数逐渐减小,而入渗指数基本不变。垂直湿润锋运移距离和减渗率均与入渗时间呈极显著的幂函数关系,含沙率对减渗率的影响主要是通过对减渗系数的影响来实现。湿润体土壤NO-3-N和NH4+-N含量随着浑水含沙率的增大而减小,且在膜孔中心附近区域其含量均较高。土壤NO-3-N主要集中分布在湿润半径10 cm范围内,湿润体水平方向及膜孔垂向土壤NO-3-N含量均随着距膜孔中心距离的增加而降低;而土壤NH4+-N主要集中分布在湿润半径5 cm范围内,湿润半径5~10 cm范围内的土壤NH4+-N含量随着土壤深度的增加而降低。研究结果可为进一步深入研究浑水膜孔灌肥液入渗提供理论依据。     

垄上线源滴灌湿润体特性研究

在米脂县盂岔试验基地进行大田试验,研究了同一灌水量、不同流量条件下,垄上线源滴灌湿润体特征值的变化规律及滴灌结束后的水分再分布规律.试验结果表明:在线源交汇人渗情况下,滴头处和交汇面处垂直入渗距离与入渗时间均满足良好的幂函数关系.在灌水量为9L的情况下.湿润体沿滴灌管布置方向剖面上的土壤含水率等值线大致以15cm深度为分界线,上层呈现以滴头为中心的椭圆状,而下层则相对平缓.滴灌停止后24h时的湿润体较为稳定,其特征值可以作为线源滴灌灌水量设计的依据,同一灌水量条件下,滴头流量对滴灌停止后24h的湿润体特征值影响并不大.     

残膜对土壤水分水平运动的阻滞作用

为探明不同残膜量对土壤水分水平运动过程的影响规律,设置6个残膜量水平,分别为0,80,160,320,640,1 280kg/hm~2,采用室内水平土柱吸渗法,分析残膜对水平湿润锋运移、累积入渗量、Boltzmann系数和土壤水分扩散率的影响。结果表明:水平湿润锋运移速率、土壤含水率和累积入渗量均随残膜量增加而减小,残膜量≥160kg/hm~2时,水平湿润锋运移速率和累积入渗量大幅降低;残膜对土壤水分水平运动的阻滞系数与残膜量呈正相关关系,残膜阻滞系数的最大增长率出现在80~160kg/hm~2残膜量区间,高达251.15%;随残膜量的增加,阻滞作用较强区域距离入渗点的距离增大,Boltzmann系数和水分扩散率则逐渐减小,土壤基质势对水分水平运动的驱动作用和土壤持水能力逐渐减弱;混有残膜的土壤水分水平运动过程,仍符合土壤水分扩散率单一参数模型和Kostiakov入渗模型。残膜是一种难降解持续性污染物,会降低水平湿润锋运移速率、累积入渗量和土壤水分扩散率,对土壤水分水平运动的阻滞作用随残膜增多而增强。     

土壤点源入渗自动测量系统监测滴头下土壤湿润过程

土壤水运动过程是滴灌系统设计和运行管理的重要内容。该研究采用点源土壤入渗自动测量系统,利用计算机可控数码相机和图像识别技术测量滴灌地表湿润面积和土壤湿润体随时间的变化过程。采用正三棱形有机玻璃土箱,设计一系列点源滴灌室内试验,获得点源滴灌入渗过程随时间的变化过程。试验采用3个流量:2、4及8 L/h处理,每个处理设置了3个重复。用数码相机每4 min拍摄一次地表湿润面积,用于计算地表湿润面积随时间的变化过程。同时,在1、2、3、4、6、8、10、12、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、140、160、180 min时刻,在贴在土箱侧面的透明胶片上,手工记录地表湿润面积和垂直湿润锋面随时间的变化过程。由测量系统根据记录的地表湿润面积随时间的变化过程自动计算得到土壤的入渗过程。通过入渗过程,计算得到滴头下地表土壤的湿润面积,由计算得到的土壤入渗率和计算得到土壤的湿润剖面,将计算结果与实测结果对比,检验测量的精度。结果表明,手工测量得到的地表湿润面积都略大于由土壤入渗自动测量系统计算得到的入渗率计算的地表湿润面积。由计算得到的入渗率预测的土壤入渗深度,略大于实测土壤入渗深度。计算得到前者的相对误差为2%~15%,后者的相对误差为1%~8%。说明土壤入渗自动测量系统,能够准确描述点源滴灌地表湿润过程及土壤入渗过程,并能预测不同流量下垂直入渗深度,测量方法可以为滴灌系统的设计提供相关参数。     

宁夏砂田不同砾石覆盖厚度土壤入渗过程及模型分析

以宁夏中部旱区砂田土壤为研究对象,通过对不同砾石覆盖厚度条件下砂田土壤水分入渗过程进行研究,采用一维垂直定水头入渗法,选取砾石覆盖厚度为影响因子,设置5个覆盖厚度(0,6,9,12,15cm),观测湿润锋运移和入渗量变化规律,比较各处理土壤入渗特征,利用模型拟合土壤入渗过程。结果表明,砾石覆盖提高了土壤水分入渗能力,土壤湿润锋运移距离和入渗量明显增加。与CK相比,砾石覆盖厚度为6,9,12,15cm时的累积入渗量分别增加了4.3%,11.8%,12.8%和17.1%,平均入渗率增加了25.8%,38.7%,50.0%和62.9%;同时砾石覆盖厚度改变了土壤水分入渗曲线,随着砾石覆盖厚度增加,土壤初始入渗率迅速增加,但稳定入渗率增加较为缓慢。与CK相比,砾石覆盖厚度为6,9,12,15cm时的初始入渗速率分别增加了40%,81%,91%和110%;稳定入渗速率分别增加了15.3%,17.9%,20.5%和25.6%。利用3种入渗模型对砂田土壤水分入渗过程进行拟合,结果表明Horton模型拟合效果最好,是分析和预测不同砾石覆盖厚度土壤水分入渗过程的适宜模型。