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。     

基于物理化学调控方法的水分时空分布试验

利用室内人工降雨试验,采用3因素3水平正交试验设计方案,研究物理化学调控方法实施情况下坡面土体中水分的时空分布状况。结果表明,物理调控方法可以调节降雨在坡面上的空间分布状况,在同一坡度条件下,面积比为1:2和1:1的处理的湿润锋尾部变化梯度及湿润锋深度均大于面积比为0:3的处理,且湿润锋分布的均匀程度较高。文中使用的入渗率计算公式可真实反映沿坡面各点的入渗率变化过程,入渗量计算公式可计算出降雨入渗量,且精度较高。化学调控方法由于能够维持土壤的物理结构,可以提高土壤的早期降雨入渗率,并增加入渗区上部的降雨入渗量,进而缩小坡面各点的水分分布差异。物理化学调控方法在坡面上配合使用可以提高降雨利用率,但其实际应用效果仍需进一步研究。     

土壤初始含水率对涌泉根灌土壤水分及氮素运移特性的影响

为了探究涌泉根灌水肥一体化灌溉在不同土壤初始含水率下水氮运移特性,通过室内肥液入渗试验,研究了不同土壤初始含水率(4.13%,7.21%,8.77%,11.06%,14.01%)条件下入渗特性、湿润锋运移、土壤水分以及铵态氮和硝态氮的运移特性,建立了涌泉根灌累积入渗量、各向湿润锋运移距离与不同土壤初始含水率之间的关系,提出了不同初始含水率下涌泉根灌累积入渗量、各向湿润锋运移距离的经验模型。结果表明:累积入渗量、各向湿润锋运移距离以及湿润体内水分和氮素的分布、转化等均不同程度地受到土壤初始含水率的影响。同一时刻条件下,累积入渗量随着土壤初始含水率的增大而减小,而湿润锋运移距离却呈现出增大的趋势;土壤初始含水率越大,湿润体体积越大,湿润体内水分、铵态氮和硝态氮的分布范围越广泛;距离灌水器出水孔越近,土壤中的铵态氮和硝态氮含量越高。入渗系数K随着土壤初始含水率的增大而减小,入渗指数α随着土壤初始含水率的增大而增大;水平湿润锋拟合参数a、b均随土壤初始含水率的增大而增大,竖直向下湿润锋运移指数c随着土壤初始含水率的增大而增大,入渗指数d随着土壤初始含水率的增大而减小。随着土壤水分再分布的持续进行,湿润体内水分分布越加均匀,采用克里斯琴森均匀系数Cu评价灌水结束、再分布1,3天条件下湿润体内水分分布均匀度依次为61.99%,74.27%和83.60%;湿润体内铵态氮含量逐渐减小,但铵态氮的分布区域基本无变化;湿润体内硝态氮分布区域变大,平均值呈增大,最值区域有下移趋势。研究成果为进一步研究涌泉根灌水氮高效利用技术奠定了基础。     

植被覆盖度对黄土高原地区土壤入渗及产流影响的试验研究

通过野外人工模拟降雨试验,研究了植被覆盖度变化对土壤含水率、坡面入渗及产流的影响,为揭示植被作用下土壤侵蚀产沙机理提供支撑。研究结果表明:1植被覆盖度不同,表层土壤含水率在降雨前后会有很大差异,其增加幅度随着植被覆盖度增加而增大,同时随着植被覆盖度增加,降雨对深层的土壤含水率影响将更为显著;2植被覆盖对初始入渗率、稳定入渗率的影响比较明显,植被覆盖度越高,稳渗率越大,达到稳渗状态的时间越短;3与裸坡面相比,草被坡面有显著的减流效应,随着植被覆盖度提高产流系数有减小趋势,在植被覆盖度达到18%以上时产流系数减小趋势才比较明显,但在暴雨条件下,即使植被覆盖度达到了50%以上,出现产流的时间仍比较短。     

降雨非饱和入渗对土壤热量运移变化的影响

高温季节土壤表层温度非常高,土壤内部含水率较低,突发性降雨对于土壤温度动态变化和水热交换运移影响极大。为了揭示降雨非饱和入渗对土壤热量运移变化的影响,该研究建立了反映降雨入渗过程的土壤热量运移数学模型,编制了有限元数值计算程序,针对南京雨花台区典型土壤,开展了降雨非饱和入渗对土壤热量运移影响的数值计算与分析研究。结果表明：不考虑降雨入渗情况下,土壤温度变化与热量运移主要是表层土壤与环境之间的热交换作用引起,热量运移影响深度约0.2 m;降雨强度45 mm/h作用下,随降雨历时增加,雨水全部自由入渗到土壤内部,土壤内部基质吸力呈线性递减趋势,湿润锋面逐渐下移,土壤体积含水率快速增加;湿润锋过后的土壤体积含水率逐渐接近于饱和体积含水率,土壤入渗能力逐渐下降,直至趋于饱和入渗率;在降雨非饱和入渗影响下,入渗到土壤孔隙中的低温雨水与土壤颗粒发生热量交换,进而改变了原有土壤温度场分布,并随着降雨入渗深度的持续增加,降雨入渗过程对土壤热量运移的影响呈现逐渐减弱趋势。经过现场实测数据与模拟计算结果验证,随着降雨历时增加,土壤体积含水率实测值和数值计算值相对误差保持在±3.99%以内,均方根误差RMSE为0.01 cm3/cm3;土壤温度实测值和数值计算值的相关误差保持在±2.72%以内,均方根误差RMSE为0.55℃,模拟计算结果和现场实测数据均吻合较好,表明该模型对描述降雨非饱和入渗过程土壤热量运移规律的适应性较强,数值计算程序合理。研究成果可为农业水利工程与水土保持、土壤水文水资源的分布与利用、城市水资源控制与生态环境保护等领域提供重要参考。     

坡地间隔覆盖配施土壤改良剂的实用性研究

本文采用间隔覆盖配施土壤改良剂方法,利用室内人工降雨实验与土柱实验研究该方法对土壤水分运动及分布的影响,进而为其实际应用奠定理论基础。结果表明:(1)间隔覆盖法可增加入渗区蓄水量,面积比为1:1时,土壤蓄水量可达到降雨量的1.83倍。配施土壤改良剂情况下,雨强I=60 mm/h,面积比1:1时,降雨入渗率可达到未施加改良剂处理的2.60倍。湿润锋分布较深,水分分布均匀程度也有所提高。(2)对土壤水分蒸发及吸持水能力的研究发现,在施加土壤改良剂条件下,水分蒸发受到抑制,而土壤吸持水能力增强,但两方面作用均与PAM用量密切相关。虽然研究结果证实此种方法的实用性,但土壤改良剂的适宜用量、间隔覆盖法的适宜面积比、水分的实际调控效果及其对作物的影响需进一步研究。     

土壤初始含水率对浑水膜孔灌肥液自由入渗水氮运移特性影响

为了探究浑水膜孔灌肥液入渗在不同土壤初始含水率下水氮运移特性,通过室内肥液入渗试验,研究了不同土壤初始含水率(6.02%,7.40%,8.23%,10.08%和13.20%)条件下入渗特性、湿润锋运移、土壤水分分布以及铵态氮和硝态氮的运移特性,建立了浑水膜孔灌肥液入渗累积入渗量、各向湿润锋运移距离与土壤初始含水率之间的关系,提出了不同土壤初始含水率的累积入渗量以及各向湿润锋运移距离的经验模型。结果表明:累积入渗量、各向湿润锋运移距离以及湿润体内水分和氮素的分布规律均受到土壤初始含水率的影响;同一入渗时刻,累积入渗量随土壤初始含水率的增大而减小,而湿润锋运移距离却呈现出随时间增大的趋势;土壤初始含水率越大,湿润体体积越大,湿润体内水分、铵态氮以及硝态氮分布范围越广;土壤初始含水率越大,入渗系数K值越小,入渗指数α越大。灌水结束时,湿润体内铵态氮绝大部分分布在湿润体半径r≤5cm范围内,而湿润体半径10cmr5cm范围的土壤铵态氮含量随土层深度的增加而降低,当湿润体半径r≥10cm时,铵态氮含量明显降低;硝态氮主要集中分布在由膜孔中心至半径为10cm范围内,水平方向和垂直方向硝态氮含量均随着膜孔中心距离的增加而降低,距离膜孔中心越近硝态氮含量越高;在同一位置处,铵态氮和硝态氮质量分数均随土壤初始含水率的增大而增大;随土壤水分再分布,湿润锋逐渐下移,湿润体内铵态氮逐渐向下运移且其含量呈现降低趋势;随时间继续运移,上层土壤硝态氮含量逐渐减小,下层新湿润体中硝态氮含量逐渐增加,整个湿润体内硝态氮含量分布趋于均匀。研究成果为进一步研究浑水膜孔灌肥液入渗氮素运移及转化奠定了基础。     

土壤容重对浑水膜孔灌单点源自由入渗特性的影响

为揭示土壤容重对浑水膜孔灌单点源自由入渗条件下土壤水分入渗特征的影响,通过开展不同土壤容重的浑水膜孔灌自由入渗试验,研究了土壤容重对浑水膜孔灌自由入渗能力、湿润体特征及土壤含水率分布的影响,提出了不同土壤容重的浑水膜孔灌自由入渗单位膜孔面积累积入渗量和稳定入渗率模型;建立了浑水膜孔灌自由入渗率、湿润锋运移距离与土壤容重的关系。结果表明:浑水膜孔灌自由入渗随着土壤容重的增大,单位膜孔面积累积入渗量、稳定入渗率以及水平湿润锋运移距离都逐渐减小;在相同入渗时间内,随着土壤容重的增大,距膜孔中心相同位置处的土壤含水率减小。该研究成果可为更深入的研究浑水膜孔灌自由入渗规律和浑水膜孔灌技术提供参考。     

间隔覆盖条件下塿土坡面产流状况模拟研究

采用间隔覆盖技术,利用室内人工模拟降雨实验对间隔覆盖塿土坡面产流动态变化过程进行研究。选取对坡面产流影响的主要因素坡度、降雨强度、覆盖面积比,通过正交试验设计,采用人工降雨的方法,探讨各因素对坡面产流的作用效应。结果表明,起始产流时间在各坡度间差异不明显;起始产流时间随雨强增大而减小,不同覆盖面积比条件下产流起始时间不稳定。当降雨强度和覆盖面积比一定时,累积径流量随坡度增加的趋势呈现一定不连续性,存在一个临界坡度;当覆盖面积比和坡度一定时,累积径流量不仅随雨强增大,而且与降雨历时呈现显著的线性关系,不同降雨强度条件下产流过程存在明显差别。不同覆盖面积比条件下坡面产流情况主要表现为累积径流量和径流速率均随覆盖面积比的增加而增加;雨水利用率与覆盖面积比及降雨强度等因素密切相关,降雨强度和覆盖面积比越大,雨水利用率越低。间隔覆盖法在降雨强度较小的情况下应用效果会更好。     

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。     

丘陵半干旱区小流域入渗产流特征研究

为了探索我国丘陵半干旱区小流域入渗产流规律,为该地区雨水径流集蓄利用和区域生态环境治理提供依据,通过人工模拟降雨和自然降雨入渗产流试验,对小流域坡耕地、林地、草地和荒地的降雨入渗产流特征进行了系统研究。结果表明,农林草地比荒地具有明显的拦蓄地表径流和减少土壤侵蚀的效果,比荒地拦蓄地表径流效率增加35.7?.0%,拦蓄泥沙效率增加46.2?.6%;利用Philip入渗理论和逐步回归分析方法对入渗产流试验结果处理分析,建立了小流域坡耕地、林地和荒地土壤的入渗产流及其相关因子数学模型;小流域产流系数与降雨小区地形坡度、降雨强度、植被盖度、土壤雨前含水量和土壤孔隙度等因子显著相关。     

坡度影响下的砒砂岩区裸露坡面水分入渗特征及模拟

为探究不同坡度(5°,10°,20°,30°)条件下,不同质地砒砂岩土壤(灰白色、混合色、紫红色)的水分入渗特征及最优入渗模型。通过室内模拟土柱法对土壤的水分入渗特征和拟合结果进行对比分析。结果表明:(1)研究区不同坡面土壤容重在1.513~1.737 g/cm³,30°坡面下的灰白色砒砂岩土壤入渗能力较强,5°坡面下的紫红色砒砂岩土壤入渗能力较弱。(2) 在砒砂岩土壤一维垂直 入渗过程中,初始入渗率为2.000~8.600 cm/min,入渗时间3.500~5.000 min后达到稳定入渗率(0.160~1.800 cm/min)。入渗率、湿润锋运移速率与时间呈幂函数递减关系。坡度的大小、砒砂岩的质地均影响砒砂岩土壤入渗能力,坡度越小、颜色越深, 入渗率、累计入渗率越低,湿润锋运移越慢;且初始入渗速率、稳定入渗速率、初始湿润锋运移速率、稳定湿润锋运移速率的值均随着坡面坡度的减小、砒砂岩土壤颜色的加深呈现减小趋势。(3)Kostiakov模型、Philip模型对于砒砂岩区土壤水分入渗结果拟合较好,决定系数均在0.900以上。Kostiakov模型 决定系数的平均值0.948拟合效果最优;Philip模型决定系数的平均值0.937拟合效果其次;Horton模型决定系数的平均值0.688拟合效果较差。通过平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)、偏差百分比(PBIAS)、纳什效率系数(NSE)验证Kostiakov模型和Philip模型模拟值与实测值的差异性小、两者吻合程度高。     

马尾松林地不同枯落物覆盖下土壤入渗特征

采用室内人工降雨模拟试验,在径流小区尺度上观测坡面产流过程,并用WatchDog1400土壤水分自动监测站观测土壤体积含水率变化过程,研究枯落物覆盖下坡面水分入渗特征。结果表明:(1)土壤入渗滞后时间随着枯落物覆盖量的增加而增大,在坡度上体现为10°5°;(2)土壤入渗率随雨强、枯落物覆盖量增加而增大,随坡度增大而减小;土壤储水量随覆盖量增加先增大后减小,在雨强方面体现为120 mm/h60 mm/h;(3)逐步回归结果表明,土壤入渗滞后时间、入渗率和储水量与枯落物覆盖量呈线性关系,滞后时间、入渗率与枯落物覆盖量呈一次函数正相关关系,储水量与覆盖量呈二次函数关系。研究结果可为低效林枯落物水源涵养功能研究提供依据。     

坡面生物调控措施对土壤水分入渗的影响

为了研究不同生物调控措施的植被覆盖度、降雨强度和坡度以及各因素间交互作用对土壤水分入渗的影响,本文通过室外人工模拟降雨试验,对不同生物调控措施坡面的土壤水分入渗规律进行了探索。结果表明：1）有生物调控措施坡面的土壤稳定入渗率较裸坡偏大,且差异极显著,但生物调控措施坡面之间的差异并不明显。2）降雨强度、坡度与土壤稳定入渗率间不是线性单值函数,均存在使土壤稳定入渗率最大的临界雨强与临界坡度。稳定入渗率随植被覆盖度增加的速率是非恒定的,存在着增速变化的临界植被覆盖度。临界植被覆盖度前,稳定入渗率的增加速率很快,之后,迅速降低并趋于稳定。3）坡面径流调控度随雨强增大而减小;相同雨强下不同措施坡面径流调控度排序为：黑麦草＞春小麦＞苜蓿＞裸坡。4）采用SPSS软件通过逐步回归分析法提取了影响土壤稳定入渗率最显著的单因子交互作用项,建立了包含降雨强度、坡度和植被覆盖度在内的多因素非线性入渗模型,通过实测数据对其进行验证发现该模型精度较高。     

公路石质边坡喷播绿化植被的降雨、灌溉水分分配特征

为提高边坡水分利用效率,通过客土喷播的方式人工模拟公路石质边坡,观测坡体表面土壤裂隙发育情况及地表径流、底层渗漏及土壤储存等水分分配过程,分析灌溉及降雨条件下的坡面水分分配特征。结果表明:坡体表面形成的土壤裂隙分布不均匀,呈现由坡顶至坡底逐渐减少的趋势,且阳坡不同坡位的裂隙总面积均大于阴坡;不同坡向坡体灌溉水分分配特征存在一定差异,阳坡0.02%的水分通过坡上植被蒸散消耗,7.00%的灌溉用水沿着坡面运动形成地表径流,10.00%的灌溉水分转化为底层渗漏量,53.00%的灌溉水分被土壤储存;阴坡植物蒸散、地表径流、底层渗漏及土壤储存水分的比例分别为0.01%,35.00%,0.25%和39.00%;随着植被覆盖度的增加,灌溉产生的地表径流减少,土壤储存水分增大;降雨强度对坡面水分分配特征具有显著影响,在小雨强条件下,约95.00%的降雨被土壤储存,底层渗漏量、地表径流分别在中雨强及大雨强条件下达到最大值;在不同雨强下,阴坡的地表径流是阳坡的1.1~3.0倍,阳坡的底层渗漏量大于阴坡且阳坡较阴坡具有更高的水分利用效率。该结果可为公路边坡植被恢复过程中水分的有效利用提供依据。     

土地利用方式及土壤特性对土壤调节雨水效率的影响研究

One of the most important functions of soils is to regulate rainwater and mitigate flooding and associated damages; this function can be estimated by the rainwater regulation ratio （η）, i.e., percent of regulated rainwater. Fifteen experimental plots were set up on the hills in Yingtan of Jiangxi Province, southern China. These plots were under three land use patterns, cultivated cropland, noncultivated land, and orchard interplanted with cash crops. With aid of an artificial rainfall simulator and Guelph method, rainfall, runoff, soil infiltration, and so on were measured in situ. Results showed that the orchard interplanted with cash crops was more effective in regulating rainwater than the other two land use patterns. When the maximum infiltration intensity was three times higher than the observed mean,η was higher than 70% for all plots. 77 was related to land use, slope gradient, and soil properties such as soil infiltration, organic carbon, bulk density, and texture. There is still more room to improve capacity of rainwater drainage （underground percolation） than that of rainwater storage in soils. Therefore, enhancing soil permeability is vital to improve the rainwater regulation efficiency in soils.     

人工生物土壤结皮特性及其集雨潜力的研究

为探讨在太行山半干旱区利用人工土壤生物结皮进行集雨的潜力和可行性,以自然生长的生物土壤结皮为种子,通过培育建立人工土壤生物结皮和生物结皮集雨,对人工土壤生物结皮建成后土壤物理性状、渗透率的变化及人工生物结皮集雨面的集流效率进行了研究。结果表明,人工土壤生物结皮与自然生长的生物结皮一样,可显著改变土壤的颗粒组成,使0~1 cm表层土壤的小颗粒物质含量增加、大颗粒物质减少,但对0~5 cm的土壤容重影响不显著。对土壤入渗速率的测定结果表明,人工培育的土壤生物结皮具有降低入渗速率的作用,与自然土壤相比,生物结皮的土壤初始入渗速率和稳定入渗速率分别下降59.1%和44.4%,达到稳定入渗的加水量也减少50.0%。人工营建的生物结皮集雨面的平均集雨效率达60.86%,与自然土面相比,提高23.0%。对集雨面效益分析表明,生物结皮集雨面不仅具有较高的集雨效果,且使用年限较长,并具有明显的减少地表径流沉积物含量,提高土壤抗蚀性的作用。综上结果可以看出,人工土壤生物结皮是一种极具潜力的绿色环保型集雨材料。     

坡耕地地表糙度对降水分配的实验研究

地表糙度指地表微小的高低起伏变化,是人为土地管理与土壤侵蚀共同作用的结果,可以影响降雨过程中水分转化与土壤侵蚀过程。该文以直线坡为对照,借助3种常见耕作管理措施（人工锄耕、人工掏挖与等高耕作）产生不同水平的地表糙度,结合人工模拟降雨试验研究地表糙度水分转化效应。结果表明:长历时人工降雨条件下,地表糙度可以强化降雨向土壤水分转化。其强化入渗作用表现为:增加地表填洼量,增大入渗水头与入渗深度,滞后产流时间,削减径流量,进而提高入渗率及水分转化率。坡耕地地表糙度与填洼量成指数关系,与平均入渗率及水分转化率成对数关系。     

基于Hydrus-2D分析农田覆膜对降雨入渗的影响

为探究覆膜处理对农田降雨入渗过程的影响,该研究建立Hydrus-2D降雨入渗模型,模拟不同下垫面条件下不同覆膜和降雨情况对降雨入渗的影响。设裸地平作、无垄覆膜、起垄覆膜3种下垫面,覆膜宽度、降雨量和降雨历时3个因素,每个因素4个水平,共设置144种方案,模拟各方案的降雨入渗过程,分析其土壤含水率空间分布、湿润锋运移、雨后入渗量和有效降雨系数变化。结果表明,无垄覆膜、起垄覆膜处理雨后的膜间表层土壤含水率与裸地平作相比分别增加5.8%和9.2%,膜间水分入渗深度分别增加10.67和12.45 cm,说明覆膜和起垄均能促进降雨入渗;与裸地平作相比覆膜和起垄覆膜能显著提高有效降雨系数,特别是小降雨量的有效降雨系数增加明显;不同覆膜宽度对有效降雨系数的影响达到了显著水平,膜宽70 cm时有效降雨系数最大。因此通过调整覆盖地膜的宽度和设置垄沟可增加降雨入渗量及水分入渗深度,提高降雨资源和农田水分利用效率,这对缓解干旱半干旱区的农业缺水紧张情势,丰富农田水分运移、不同下垫面降雨入渗等相关理论具有重要作用。