长江上游低山丘陵区土壤水分特征曲线传递函数研究

【目的】土壤水分特征曲线是定量研究土壤水分运动和溶质迁移的重要参数,为估算长江上游低山丘陵区土壤水力学参数提供实用的函数工具。【方法】以长江上游低山丘陵区盐亭万安小流域为研究区,测定3种不同土地利用类型（水田、旱地、林地）土壤水分特征曲线与土壤基本理化性质,在van Genuchten(1980)模型参数拟合及Pearson相关分析的基础上,运用多元逐步线性回归分析法,分别建立模型参数θr、θs、α和n的土壤传递函数,并进行准确度评估与分析。【结果】(1)研究区不同土地利用方式下土壤持水量的大小顺序为：水田>旱地>林地,但土壤供水能力差异不明显;(2)采用本研究建立的传递函数所得的土壤水分特征曲线估算与实测值对3种不同土地利用类型土壤的决定系数（R2）均高于0.97,旱地的估算效果最佳;(3)与4种常用传递函数（Vereecken(1989)、W?sten(1999)、Weynants(2009)和Schaap(2001)）相比,采用本研究构建的土壤传递函数的估算准确度最高。【结论】本文构建的土壤传递函数可用作该地区土壤水分特征曲线模型参数估算的实用工具。     

不同采样密度的土壤水分特征参数预测

利用不同取样精度的土壤,将土壤质地(砂土、淤泥、粘土含量)和容重作为输入值,探讨了使用基于土壤转换函数的BP神经网络模型来预测0~20 cm表层土壤水分特征曲线参数,用甘肃省称钩河流域小流域的土样进行预测并进行了误差分析。结果表明,使用线性回归能够减小预测误差与实测值差距;使用BP神经网络来预测饱和体积含水量,其准确性比使用BP神经网络预测剩余体积含水量和田间持水量要高。为了进一步提高预测精度,还应尽可能地包括土壤结构、有机质含量等信息。     

土壤水分特征曲线测定中低吸力段数据的影响分析

采用沙箱法与压力膜仪法分段测定坡耕地不同土层深度(0～10、10～20、20～30cm)的土壤水分特征曲线,应用RETC软件拟合求得van Genuchten模型参数。由沙箱结合压力膜仪数据拟合得到的全吸力范围曲线(log10h～θ)类似于"S"形,而仅使用压力膜仪测得的高吸力段(log10h>2)数据所获得的曲线并不表现出明显的"S"形特征。综合沙箱法和压力膜仪法二者的数据拟合得到的滞留含水率大于仅使用压力膜仪数据拟合所得值。     

南北方粘质土壤的水分特征研究

为了研究南北方粘质土壤的水分特征,选择北方塿土和南方红壤典型粘土,测定其持水特征和饱和导水率,采用双环入渗仪进行入渗试验。结果表明:耕作对红壤有较强的压实作用;从持水特征分析,同一吸力下红壤的含水量较高,田间持水量和凋萎系数也高于塿土,而有效水含量略低于塿土,饱和导水率却低于塿土1个数量级;从入渗特征分析,红壤的侧渗能力很强,入渗率比塿土高1个数量级,容易发生大孔隙流。该结果对南北方土壤水分运动的研究具有一定的参考价值。     

柴油污染对土壤水分特征曲线的影响研究

采用压力膜仪法结合砂箱法测定不同类型石英砂的土壤水分特征曲线,运用RETC软件拟合得到土壤Van Genuchten模型参数,对柴油污染土壤水分特征曲线的变化进行了研究。结果表明,柴油污染会导致土壤润湿性发生明显改变,斥水性增强,引起土壤水分特征曲线的变化,降低土壤在低水吸力段的持水能力。受污染土壤中有机质的含量的变化也会对水分特征曲线的变化产生较大的影响。     

农田土壤水分特征曲线参数拟合及其剖面变异特性研究

在天津农学院西校区和山西大同阳高试验基地,采用环刀取原状土方法分层、分垂直和水平2个方向取土样,采用高速离心机(CR22GⅡ)方法得到了土壤水分特征曲线数据,利用Van Genuchten模型对实测数据进行了拟合,并运用Excel软件规划求解与模式搜索法交替迭代进行参数拟合优化求解。结果表明,根据实测数据所选的参数初始值和优化值之间有明显差异,以残余含水率差异最大,参数n差异最小;参数优化过程中不同参数随迭代次数的增加有不同的变化规律;不同深度的参数优化值有显著差异,不同方向参数值有一定差异;取样误差对参数的优化结果也有一定的影响。     

上层土壤密度对模拟指流层状土壤水分入渗的影响

通过室内模拟指流,利用回归分析法进行分析,建立了以上层土壤密度为参数的Kostiakov和Philip模型对模拟指流的层状土壤入渗的改进模型,并进行了验证。结果表明,入渗时I;7相同时,累积入渗量随着上层土壤密度的增加而减小;Kostiakov和Philip模型都适合于模拟有指流产生的层状土壤的入渗,其相关系数都在0．...     

大孔隙对土壤水分特征曲线的影响

土壤大孔隙是普遍存在的现象，并非例外，它对水及溶质在土壤中的运移有着深刻影响。分别从原状土区和回填土区随机取若干土样，采用离心机法测得了原状土和回填土的水分特征曲线，比较原状土和回填土土壤水分特征曲线的参数，分析了土壤中大孔隙的存在对土壤水分曲线中各参数的影响。指出在进行土壤中水及溶质运移研究中，必须考虑大孔隙的影响。     

西藏林芝地区土壤水分特征曲线适用性研究

西藏地区自然气候特征、成土母质和成土条件有着显著的地区特性,了解西藏高原地区土壤水动力学特性对于研究高原地区水文和水循环过程具有重要的意义。2015年分别在林芝地区米林县(海拔2 905 m),八一镇(海拔3 240 m)和林芝县(海拔3 879 m)3个青稞种植区田间取样,在原状土土壤水分特征曲线测试的基础上,研究了西藏林芝地区土壤基质势和土壤含水率之间的关系,并建立了参数的微分求解方程,发展了土壤水分特征曲线非线性函数的参数估计方法;基于实测值构建Jacobi矩阵,采用全局性最优方法确定了van Genuchten模型和Gardner-Russo模型的参数。结果表明,-11.0~-4.0、-42.0~-11.0 k Pa以及-54.0~-42.0 k Pa基质势区段的单位基质势平均含水率变化量分别为5.4×10-3、11.2×10-3和6.7×10-3cm~3/(cm~3·k Pa),最大差异性发生在-54.0~-42.0 k Pa之间,西藏地区的土壤水分特征曲线形状主要决定于黏粒质量分数,而砂粒质量分数则主要影响土壤水分特征曲线的变异性。van Genuchten模型和模拟6组试验数据的相对误差平均值和最大值分别为0.04和0.09。采用Gardner-Russo模型模拟6组试验数据的相对误差的平均值和最大值分别为0.06和0.14。van Genuchten模型模拟西藏林芝地区的土壤水分特征曲线的精度及有效性显著超过Gardner-Russo模型。     

植物混掺土壤水分特征曲线及拟合模型分析

为探求植物混掺对土壤持水能力的影响,通过测定不同土壤容重、不同混掺物及混掺比例条件下的土壤水分特征曲线,分析植物混掺物对土壤持水能力的影响,并利用RETC软件结合统计分析确定不同处理的模型适宜性。结果表明,相同土壤水吸力下,添加植物混掺物处理的土壤含水率均高于纯土处理;添加3%植物混掺物的处理中,玉米叶的保水效果优于玉米芯,而添加1%植物混掺物的处理中两者差异较小;低吸力阶段,混掺物的添加减少了土壤中大孔隙的比例,而在中高吸力阶段,混掺物的添加增大了土壤中小孔隙的比例,进而提高土体的持水能力。模型适宜性分析结果表明,各处理最优模型的非饱和导水率模式均为Mualem模型;土壤容重为1.35g/cm3和1.40g/cm3,混掺比例为1%和3%的玉米叶处理时,最优模型分别为VGM(m,1/n)和VGM(m,n),混掺比例为1%和3%的玉米芯处理时,最优模型分别为BCM和VGM(m,1/n)。     

容重对红壤区地下滴灌水分入渗能力影响研究

为分析红壤区容重对地下滴灌水分入渗能力的影响,采用室内试验模拟容重对红壤地下滴灌水分运动规律的影响。结果表明:随着容重的增大,湿润锋、累计入渗量及入渗率均逐渐减小,但容重越大,减小的幅度越小,且累计入渗量和稳渗率与容重均呈幂函数负相关关系;在灌水结束及重分布期间,容重对含水率的分布均有显著影响,灌水结束时间越长,容重的影响越弱,在灌水结束及重分布1 d,20 cm深度土壤含水率最高,而重分布3 d时,30 cm深度含水率最高。通过Kostiakov入渗模型表明,容重对土壤初渗率及入渗率的衰减速度均有显著影响,土壤初渗率随容重增大而减小,而入渗率的衰减速度随着容重的增大而增大。     

土壤容重对涌泉根灌土壤水氮运移特性的影响

在室内通过人工配置不同水平土壤容重(1.35、1.40、1.45、1.50 g/cm~3),用土箱进行水肥入渗模拟试验,研究土壤容重对累积入渗量、湿润锋运移、土壤水分以及铵态氮和硝态氮运移的影响,建立以土壤容重和入渗时间为自变量,累积入渗量和各向湿润锋运移距离为因变量的经验模型。结果表明:土壤容重对累积入渗量、各向湿润锋运移距离及湿润体内水分和氮素的分布、转化均具有较为显著的影响。随着土壤容重的减小,累积入渗量、湿润锋运移距离、湿润体内水分、铵态氮及硝态氮含量均呈增大趋势。入渗系数K随着土壤容重的增大而减小,入渗指数α随着土壤容重的增大而增大;在同一时刻,湿润体内铵态氮和硝态氮含量的平均值、变化量及转化率均随着土壤容重的增大而增大。距离灌水器越近,铵态氮、硝态氮含量越高;湿润体内铵态氮分布主要集中在灌水器附近,随着再分布进行,湿润体内铵态氮含量、转化率逐渐减小,转化量逐渐增加。灌水结束、再分布3、5、10、15、20 d条件下,以灌水结束时刻为基准,铵态氮含量降幅依次为2.34%、11.41%、34.22%、59.06%和73.75%。湿润体内硝态氮分布区域与水分分布相似,随着再分布进行,湿润体内硝态氮含量、转化量逐渐增大,再分布15 d达到最大值;而转化率呈现出先增大后减小的趋势,再分布10 d转化率达到最大值。灌水结束、再分布3、5、10、15、20 d条件下,以灌水结束时刻为基准,湿润体内硝态氮含量依次增加0.76%、60.12%、156.95%、204.68%和180.51%。土壤容重对涌泉根灌土壤水分和氮素运移、分布及其转化的影响均较为显著。     

基于图像处理和GBRT模型的表土层土壤容重预测

针对传统的表土层土壤容重测量方法费时、耗力的问题,利用易获得的土壤物理参数实现农田大范围表土层土壤容重的快速、准确预测。通过分析表土层土壤容重与土壤表面粗糙度、土壤阻力的关系,构建了以土壤表面粗糙度和土壤阻力为输入的GBRT模型,土壤表面粗糙度利用图像处理技术获得,土壤阻力使用实验室车载式阻力测量系统获得。使用同态滤波技术对土壤表面图像进行预处理,提取图像灰度直方图的熵、平均值、方差、偏度和峰度表征图像的纹理特征参数,提取图像灰度共生矩阵的能量、熵、对比度和逆方差表征图像的区域特征参数。利用灰度关联分析,从9个表征土壤表面粗糙度的特征参数和土壤阻力中选取与表土层土壤容重关联度大于0.65的变量作为模型输入,将得到的GBRT模型预测结果与环刀法得到的结果进行相关性分析,R2达到0.878 2,平均绝对误差达到0.021 g/cm3。同时在相同的输入参数和运算环境下,与BPNN和SVR模型的预测精度和运算速度进行了对比,验证得到GBRT模型具有更高的预测精度和更短的运算时间。本文研究结果为科学指导农田表土层土壤容重的获取提供了思路。     

土壤容重对土壤水分入渗特性影响研究

采用一维垂直积水入渗法研究不同容重对入渗率、累积入渗量及湿润锋的影响,试验结果表明对应于同一入渗时间,容重越大,入渗率、累积入渗量及湿润锋深度均越低;相对于基准入渗量和基准湿润锋,容重越大,其减渗率μ和减锋率η均随之越大;稳定入渗率有随土壤容重的增加而减小的趋势;不同容重的累积入渗量和时间的平方根呈显著的线性关系,拟合的系数M随容重增加而降低,并与容重较好的呈幂函数关系;湿润锋深度与入渗时间呈幂函数关系,随着容重的增加,入渗的系数A降低,而指数B差异较小,系数A与容重之间较好的符合乘幂函数关系。研究结果为从入渗特性推求容重与土壤水分运动参数的关系提供定量分析依据。     

微粒群优化求解van Genuchten方程参数

van Genuchten方程参数的求解是复杂的非线性拟合问题,用传统方法难以有效解决。应用微粒群优化目的在于找到一条求解van Genuchten方程参数新的有效途径。以粉壤土吸湿和脱湿实测数据为实验,利用VisualBasic.NET语言进行编程,首先建立目标函数,然后计算每个微粒的适应值,通过微粒的自动寻优过程,找到最小误差平方和,最后记录下与之对应的参数,即为方程所求得解。通过最小误差平方和与其他方法进行比较,表明微粒群优化程序设计简洁、运行时间短、拟合精度高,是一种求解van Genuchten方程参数的有效方法。     

西南岩溶盆地土壤干容重协同克里格分析

选择我国云南典型的坝子农业区鹤庆盆地为研究区域,用环刀采集表层(0~10 cm)土壤样品114个,测定土壤干容重和土壤含水率。利用经典统计学方法、普通克里格(OK)方法和协同克里格(OCK)方法,研究坝子农业土壤干容重的空间变异特征。结果表明:研究区域土壤干容重变化范围为0.74~1.60 g/cm3,平均值为1.25 g/cm3。在空间分布上研究区域土壤干容重呈现南北低,中东部高的格局,土壤类型、质地和土地利用方式是影响其空间分布的主要因素。土壤干容重和土壤含水率具有显著的相关性,相关系数达到-0.686。Kriging插值分析表明,以土壤含水率为辅助数据,利用OCK法能有效提高土壤干容重的预测精度。     

黄河三角洲地区土壤容重空间变异性分析

以黄河三角洲地区典型区域作为研究对象,运用传统统计学和地统计学相结合的方法研究了不同土层土壤容重的空间变异特征。结果表明:研究区各层土壤表现出一定的紧实趋势,土壤容重均属于弱变异强度。受结构性与随机性因素的共同作用,土壤容重均表现为中等的空间相关性。分维数分析表明,各层土壤容重的空间依赖性小,含黏层厚度与分布的不均一性是引起其空间异质性的关键原因。Kriging插值结果表明,土壤容重的空间分布与土壤质地密切相关,不同层次土壤容重在一定范围内表现出相似的空间分布规律。进一步的相关性分析表明各层土壤容重间存在极显著的正相关关系。通过研究不同层次土壤容重的空间变异性,获取区域土壤容重空间分布图,为该地区中、低产地及障碍土壤的分区管理和治理改良提供一定的参考依据。