土体冻结过程中基质势与水分迁移及冻胀的关系

土体冻结过程中不同位置液态水的能量差引起了水分迁移与重分布,进而引发冻胀,关于势能差驱动下的冻土水分迁移问题一直由于技术手段的匮乏而没有完全解决。利用新近推出的可用于冻土水热研究的p F meter基质势传感器与5TM水分传感器,实时监测研究饱和青藏红黏土单向冻结过程中基质势-液态含水率-温度-含冰量-水分迁移量-冻胀变形之间在时间、空间上的耦合变化关系。结果表明:土体温度场变化引起内部液态水相变,打破了原有的能量平衡,试验结束后12~14 cm土样高处含水率最高达到55%,靠近冻融交界面处(10 cm)的未冻区含水率减小至25.8%,水分整体向冷端发生迁移;土体冻胀的快慢及冻胀量大小与水分迁移速率及数量具有线性关系;试验后土体内总含水率的分布与分凝冰透镜体的分布一致,已冻区液态含水率的分布与温度梯度近似成线性关系,未冻区液态含水率的分布与水分的迁移量有关,与温度梯度无关。此外,温度场对水分场的变化具有诱导作用但二者并不同步,当冻结速率减小到一定程度时水分才开始迁移,第10小时后温度场趋于稳定而水分迁移并未停止。研究成果揭示了土体单向冻结过程中液态水、基质势、温度等物理参数的动态变化过程及内在联系,为冻胀机制的研究以及冻胀模型的建立提供了试验基础。     

冻融条件下土壤水分和速效磷垂直迁移规律

中国东北地区土壤普遍受到的季节性冻融作用会影响土壤中速效磷和水分的垂直分配。通过室内模拟冻融环境,分析了冻融循环条件下黑土速效磷和土壤水分的垂直变化。结果表明:多次冻融循环作用使土壤速效磷随着土壤水分由下层向表层迁移,经30次冻融循环作用后土壤最大含水率和土壤最大速效磷含量均出现在3 cm层;土壤初始含水率越高,冻融作用后向土壤表层迁移的速效磷含量越大,但随着冻融循环次数增加,土壤各层速效磷含量都有所下降,1次冻融作用后,土壤速效磷的最高含量为50.63 mg/kg,30次后最高含量为43.81 mg/kg,减少了13.5%;利用多元回归分析分别得出了冻融循环后土壤含水率和速效磷与初始含水率、冻融循环次数和土层深度的关系函数,相关系数分别为0.892,0.578。上述研究成果为季节性冻融区非点源污染及土壤盐碱化防治奠定理论基础。     

农田黑土季节性冻融过程及其水分分布特征

秋冬、冬春季节转换过程中0~10 cm农田黑土温度日较差较大,土壤经历着反复的冻融交替过程,大于20 cm的土壤温度日较差逐渐减小,冻融作用对深层土壤的影响逐渐减弱。融冻期土壤融化过程是由地表向下和由季节冻结层底面向上两个方向同时进行;而冻融期土壤冻结过程由土壤表面向下单方向进行。冻融过程中土壤水分发生迁移而重新分布,冻结期上层土壤首先冻结并聚集水分;融化期冻层融化水分向冻结锋面迁移,越靠近冻结层水分含量越大。     

东北黑土区垄作农田寒季表土水分垂直变化特征

土壤水分变化受地形地貌、土壤质地、土地利用方式等多种因素的影响。在冻结期内,不同地表环境下土壤水分变化有明显的不同。土壤水分含量的变化又会对冻结和融化过程中土壤物理性质产生影响,进而影响土壤的抗蚀性。为探究表土水分在冻结期内的变化过程,采用野外试验方法,对东北黑土区内四种典型旱地土壤寒季表土水分变化进行研究,结果表明:2014—2015年不同地区0—30 cm表层土壤水分在冻结初期增加幅度较大,增加量大小为棕壤（西丰） > 白浆化暗棕壤（梅河口） > 黑土（海伦） > 暗棕壤（扎兰屯）,平均增加了3.1%,2.7%,2.5%,0.7%。随着土壤冻结过程的持续,土壤水分增加量减少。垂直方向上,冻结期内四种土壤在0—10 cm土层水分含量平均值为海伦（35.3%）、西丰（27.1%）、梅河口（21.1%）、扎兰屯（24.1%）,均高于其他土层。在坡面尺度上,由于不同坡位土壤、地形、耕地应用格局空间分布不同,进而影响水分向表层的迁移量。坡向对寒季表土水分变化的影响在不同地区表现不同。     

饱和土壤冻融过程中水热迁移数值模拟

利用土壤冻融过程的水热传输方程,模拟了饱和土壤冻融的年变化过程,分析了土壤冻结深度的年变化规律和水分向冻结界面迁移的特征。同时亦对影响土壤冻结深度的温度因子做了探讨。     

秸秆生物炭输入对冻融期黑土表层无机氮磷垂直迁移的影响

为研究秸秆生物炭输入对冻融期黑土表层无机氮磷垂直迁移的影响,采用室内模拟冻融循环试验,设置冻融与不冻融、冻融循环次数和生物炭施加量3个影响因素,分析冻融作用下不同秸秆生物炭输入量土壤表层无机氮磷垂直迁移特征。结果表明:(1)冻融与不冻融、冻融循环次数及生物炭施加量对黑土表层NO3-—N、NH4+—N和PO43-—P垂直迁移液总体积、迁移液总浓度及迁移总量均有极显著影响。(2)淋溶时间随冻融作用增强而缩短,随生物炭施加量增加而延长。所有处理迁移液总体积均随生物炭输入量的增加呈降低趋势。未冻融组迁移液总体积随培养期增加呈现缓慢下降趋势,冻融组处理迁移液总体积在第5次冻融循环试验出现急剧增加,而后趋于平稳。(3)分析冻融作用下秸秆生物炭施入对无机氮磷垂直迁移累积影响,同一控制时间内生物炭对冻融组无机氮磷垂直迁移量的抑制作用大于不冻融组,且随生物炭施入量增加对无机氮磷垂直迁移的抑制作用增强。由于土壤物理性质的改变,冻融组NO3-—N、NH4+—N和PO43-—P累积迁移量均在第5次冻融循环左右发生急剧变化。综上可知,生物炭在冻融期可以有效的固持养分,研究结果可为寒冷地区解冻期面源污染防治提供一定的理论支持。     

采煤沉陷区冻结滞水消融过程中土壤水分变化规律

冻结滞水的倒置富水性和双向融化特性,使其消融过程中土壤水分迁移动向发生变化。采用烘干法,对采煤沉陷区不同立地类型冻结滞水消融过程中的土壤含水率进行了测定。结果表明:(1)随着融化时间的延长,采煤沉陷区阴坡土壤含水率峰值沿着垂直方向逐渐向下推移。冻结滞水融化第2天和第5天,土壤含水率峰值出现在0~10 cm土层;融化第8天土壤含水率最大值出现在20~30 cm土层;融化第11、14和17天土壤含水率最大值均出现在50~60 cm土层;(2)采煤沉陷区沟坡地冻结滞水融化第2天和第5天土壤含水率峰值均出现在20~30 cm土层;融化第8、11、14和17天土壤含水率最大值均出现在30~40 cm土层;(3)采煤区和非采煤区的冻结滞水含水率峰值在冻土层之下。     

基于pF meter基质势传感器的冻土水分迁移研究

基质势是指土壤毛管产生的毛管力和土粒表面的吸附力所引起的吸持水分的能力,基质势是冻土水分迁移研究中的关键参数之一。以往由于测试技术的限制,冻土基质势很难直接测定,制约了冻土水分迁移研究中许多机理性问题的准确回答。本研究通过室内试验的方法,利用新近推出的适用于负温冻结土环境的高精度基质势传感器、SWR水分探头和热敏电阻,直接测量土冻结过程中基质势、未冻水含量、温度和变形的动态变化。试验结果表明,青藏粉质黏土基质势随温度下降而减小,随温度上升而增加,温度达冻结温度时基质势约为-30 kPa。试验发现,土体基质势和土冻结过程中冻胀量变化密切相关,其引起了土冻结过程中的水分重分布,导致了11 cm深度处含水量较试验前增大约3%。不同深度处基质势差值可达400 kPa,冻土中基质势控制了土冻结过程中水分迁移的方向和迁移量,是土冻结过程中水分迁移的动力和源泉。试验结果表明,新型pF meter基质势传感器可以应用于冻土水分迁移研究,为揭示冻土水分的驱动力和水分迁移机理提供新技术和新手段。     

热风干过程中风干肉水分的迁移

为阐明热风干过程中风干肉水分迁移机制,利用氢质子低场核磁共振弛豫研究热风干过程中(温度35℃、湿度60%、风速3 m·s^-1)风干肉内部和外部中水分迁移及水-蛋白相互作用模式。结果表明,在风干过程中风干肉中水分的主要存在形式为不易流动水,其不断从肌原纤维网络内迁移到网络外,水分含量显著下降。风干肉外部中结合水、不易流动水和自由水的弛豫时间均显著下降(P < 0.05),表明风干肉外部中水-蛋白相互作用模式发生改变。而风干肉内部中结合水和自由水的弛豫时间无显著变化(P > 0.05),表明风干过程中风干肉内部和外部中水-蛋白相互作用不同,风干肉表皮的温度较内部温度高,且表皮水分含量下降速度较内部的水分含量下降速度快,导致了硬壳的形成。综上所述,风干过程中风干肉外部的温度高且水分脱除快,导致了风干肉内外部中水-蛋白相互作用不同。本研究结果为调控风干过程中水分迁移速度,实现风干肉工业化加工提供了理论依据。     

野外模拟崩岗崩积体坡面产流过程及水分分布

为研究崩岗崩积体坡面产流特征及土体水分分布特征,采用人工模拟降雨方法,在广东五华县莲塘岗崩岗选择7个不同部位的崩积体,进行28场人工模拟降雨,测定降雨过程中坡面产流时间及水分分布。结果表明:1)坡面产流时间与降雨强度呈负指数幂函数关系;2)老崩积体坡面产流时间与10 cm深处土体初始含水率呈负对数函数关系,其他深度土体初始含水率,以及新崩积体各土层初始含水率与坡面产流时间关系不密切;3)根据土体初始含水率和降雨强度,可以应用三维曲面模型预测崩积体坡面产流所需时间;4)当降雨强度≥3.5 mm/min时,崩积体坡面产流时间与坡度呈现出负相关关系,即随着坡度增大,产流时间变短;5)崩积体坡面产流后,新、老崩积体10 cm深处土体含水率差异明显,新崩积体土体含水率在20%以下,老崩积体土体含水率在20%以上;6)无论是降雨结束时还是降雨后24 h的水分再分布,新崩积体的湿润锋深度均大于老崩积体,表明在降雨作用下新崩积体的失稳深度大于老崩积体的失稳深度。该研究为崩岗崩积体侵蚀预测和防治提供参考。     

冻融期地下水位变化情况下土壤水分运动的初步研究

建立了地下水浅埋条件下土壤冻融期水热耦合迁移模型,并采用混合型Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程对冻融过程中的土壤饱和—非饱和水分流动问题进行了初步研究。模拟结果与试验资料的对比表明所采用的模型是可靠的。根据模拟结果,冻结过程中潜水位最大降深与初始潜水埋深间的关系可用反Ｌｏｇｉｓｔｉｃ公式表示。对于内蒙古河套灌区,考虑融化期春小麦需水要求的土壤封冻前的适宜地下水位约为１．５ｍ～２．０ｍ。     

水蚀过程中土壤重金属元素的迁移特征

[目的]探索水蚀过程坡耕地表层土壤重金属元素迁移特征,为中国喀斯特水土侵蚀地区的土壤质量保护和防控重金属元素迁移扩散研究提供指导.[方法]用人工模拟降雨试验,研究不同雨强(50,70,90,120 mm/h),不同坡度(10°,15°,20°和25°)下坡耕地表层土壤重金属元素(Cu,Ni,Cd和Cr)随径流及侵蚀过程...     

非常规水水质对红壤水分运移参数的影响及其过程模拟

为了探究非常规水水质对亚热带红壤水分运移参数的影响,采用蒸馏水(CK)、再生水(RW)、稀释2,4,6倍再生水(RW-D2、RW-D4、RW-D6)和生活污水(_(WW))等6种不同水质的非常规水模拟红壤水分入渗过程,利用水平土柱吸渗法测定红壤湿润锋运移速率和水分扩散度,应用压力膜仪法测定了土壤水分特征曲线并且借助van Genuchten(VG)模型提取了相应的土壤残余含水量θ_r、土壤饱和含水量θs、α和n等特征参数值。结果表明:不同水质入渗下红壤湿润锋运移速率、水分扩散度均存在着一定差异,湿润锋运移速率由快到慢分别为V_(CK)≈V_(RW-D2)V_(RW-D6)≈V_(RW-D4)V_(WW)V_(RW);在同一含水率下D_(RW-D6)(θ)D_(RW-D4)(θ)D_(WW)(θ)D_(RW-D2)(θ)D_(CK)(θ)D_(RW)(θ)。不同水质处理对VG模型参数变化率的影响程度不同,对α的影响最大,对θ_r的影响最小。因此,非常规水灌溉会降低红壤入渗速率、持水性能以及抗旱能力。     

生物炭对冻融期盐渍化土壤水热肥效应的影响

为探究施加生物炭对冻融期盐渍化土壤蓄水保墒、保温、保肥的作用,以盐渍化土壤为研究对象,连续2年在河套灌区开展田间小区原位冻融试验,设置生物炭用量为15 t/hm²(D15),30 t/hm²(D30),不施加生物炭(CK)3种处理。结果表明：在冻融条件下,0—40 cm土层较40—100 cm土层水分垂直分布规律明显、储水能力强;除在试验第1年的初冻期施加生物炭使0—40 cm土层储水量有所降低外,随生物炭施加时间的增长,生物炭的持水作用逐渐显现,其中与CK相比D30处理更有利于土壤水分保持。施加生物炭可以平抑冻融期土壤温度的变幅、降低融解期土壤温度变化的离散程度,较对照比,2年冻融期0—40 cm土层平均温度生物炭处理提高0.8～1.6℃,经过2年冻融过程各处理土壤冻结指数为CK>D15>D30,融解指数为D30>D15>CK。连续2年冻融期,生物炭的施入均丰富了土壤养分含量,不同程度地减少冻融各阶段0—40 cm土层养分流失,使冻融期土壤速效钾、碱解氮、速效磷含量增幅范围分别达到3.1%～38.1%,1.3%～44...     

滴灌条件下水土温度对覆砂土壤水热运移影响的数值模拟

为探究滴灌条件下水温与土温对覆砂土壤水热运移规律的影响,基于HYDRUS-2D构建了不同水土温度土壤水热运移数值模型,模拟分析了不同水土温度对覆砂土壤水分、温度动态变化的影响。结果表明:灌溉水温对土壤水热分布影响显著,随着温度升高,土壤湿润体内含水率减小,表现为35℃水温20℃水温5℃水温,灌溉水温对土壤剖面温度分布也有较大影响,表层0—15 cm范围内温度变化了5～10℃。相同水温条件下,随着土壤温度升高,土壤饱和导水率增大,湿润土体内体积含水率减小,表现为30℃土壤温度15℃土壤温度5℃土壤温度。滴灌水平和垂直湿润锋运移距离随温度升高而增大,湿润锋运移距离与时间符合幂函数F=at~b,决定系数R~2介于0.977 4～0.999 6,并建立了水平和垂直湿润锋运移距离与入渗时间和温度的关系模型。以期为西北干旱地区砂石覆盖生态农业的合理补灌提供理论指导。     

初始湿度对覆膜开孔蒸发水盐运移的影响

为了解初始含水率(湿度)变化对覆膜开孔蒸发的盐分与蒸发量的定量关系,通过不同湿度土壤的室内蒸发实验,研究了覆膜开孔率影响下土壤水分和盐分的运动特征.结果表明,初始含水率越大,不同覆膜条件下累积蒸发量越大,单位膜孔面积累积蒸发量(E_R)随开孔率增大而急剧减小.不同初始湿度的ER与覆膜开孔率的关系可用乘幂表示;表土返盐量随覆膜开孔率的增大而逐渐增加;不同含水率土壤的盐分浓度削面分布趋势一致,含水率越大,表层盐分浓度越大,含水率较小的土壤.盐分浓度在表层最大.在盐分含量最低点附近达到最小值,表层以下4-13cm的盐分浓度均小于初始值;不同覆膜开孔率条件下不同含水率土体剖面盐分浓度与垂直位置之间可用幂函数表示.研究表明,初始湿度对土壤水盐运动的影响存在定性特征,而覆膜开孔率对水盐运动的影响有定量关系可循.     

不同潜水埋深条件下微咸水灌溉的水盐运移规律及模拟研究

采用大型蒸渗仪研究不同地下水埋深条件下微咸水（咸水）灌溉对土壤水盐的影响,在此基础上,建立了BP神经网络水盐耦合模型。研究结果表明：土壤中盐分含量随地下水埋深的增加而减小,随灌溉水盐分水平的增加而增大。在地下水埋深为2 m,3 m,4 m的地区,采用矿化度小于4 g/L的水进行灌溉,在夏玉米整个生长周期的0～100 cm土层内不会形成积盐现象;拓扑结构为8∶2∶2的BP网络模型,能模拟不同地下水埋深条件下微咸水（咸水）灌溉的水盐运移,且精度较高。     

不同潜水埋深条件下微咸水灌溉的水盐运移规律及模拟研究

采用大型蒸渗仪研究不同地下水埋深条件下微咸水(咸水)灌溉对土壤水盐的影响,在此基础上,建立了BP神经网络水盐耦合模型。研究结果表明:土壤中盐分含量随地下水埋深的增加而减小,随灌溉水盐分水平的增加而增大。在地下水埋深为2 m,3 m,4 m的地区,采用矿化度小于4 g/L的水进行灌溉,在夏玉米整个生长周期的0~100 cm土层内不会形成积盐现象;拓扑结构为8∶2∶2的BP网络模型,能模拟不同地下水埋深条件下微咸水(咸水)灌溉的水盐运移,且精度较高。     

不同含水量及冻结温度对黑土冻融循环过程有机碳矿化的影响

[目的] 冻融过程土壤呼吸在年土壤呼吸总量中占有重要比例,研究探讨土壤冻融过程中含水量、冻结温度和冻融循环次数对土壤碳矿化动态的影响。[方法] 以黑龙江省嫩江县鹤山农场九三水土实验站黑土为研究对象,开展室内冻融程度模拟试验,进行7次冻融循环,设置100%田间持水量(100%WHC)、60%田间持水量(60%WHC)和30%田间持水量(30%WHC)3种土壤含水量;10 ℃恒温处理(对照)、-5 ℃冻结处理(轻度冻结)和-15 ℃冻结处理(重度冻结)3种环境温度。[结果] 冻融循环次数、含水量和冻结温度对CO₂排放量有显著影响,影响度分别为-0.63,0.21,0.14。解冻过程显著增加土壤碳矿化量;轻度冻结时,前3次冻融循环60%WHC土壤碳矿化量比100%WHC和30%WHC分别提高33.0%,35.2%,后4次冻融循环差异不明显;重度冻结时,前2次冻融循环100%WHC土壤碳矿化量,比60%WHC和30%WHC土壤分别提高25.2%,68.0%,后5次冻融循环差异不明显。[结论] 冻融循环次数对土壤CO₂排放量影响最大,含水量次之,冻结温度最小。冻融作用增加低含水量土壤的CO₂累积排放量;降低高含水量土壤的CO₂累积排放量;而对中等含水量土壤,轻度冻结增加CO₂累积排放量,重度冻结降低CO₂累积排放量。一级动力学方程对冻融土壤CO₂排放量的拟合效果较好(R²>0.997),含水量和冻结温度对有机碳矿化潜力C₀值有显著影响。     

刺槐无性系苗期叶水势和相对含水量与土壤含水量之间关系研究

研究了刺槐无性系苗期叶水势、相对含水量和土壤含水量之间关系。参试刺槐无性系叶水势和土壤含水量之间呈双曲线关系,但不同无性系间参数A、B存在着差异,U5、NC和8041表达式参数“A”和“B”基本相近,且较小,而U2、U7和U9的的参数相对较大。无性系叶水势和饱和亏缺间呈线性关系,无性系间线性方程中斜率B大小不同,其顺序为:U7>8041>U2>U9>U5>NC;U7的斜率最大,说明遇到干旱时其最容易失水,而NC的斜率最小,说明当遇到干旱时其失水速度最慢。植物相对含水量和土壤含水量间呈线性关系。参试无性系B值大小顺序为:U7>U2>U9>8041>U5>NC,U7值最大说明遇到干旱时较易失水,而U5和NC最小则失水速度较慢。