Effects of mixed-based biochar on water infiltration and evaporation in aeolian sand soil

Aeolian sandy soil in mining areas exhibits intense evaporation and poor water retention capacity. This study was designed to find a suitable biochar application method to improve soil water infiltration and minimize soil water evaporation for aeolian sand soil. Using the indoor soil column method, we studied the effects of three application patterns (A (0-20 cm was a mixed sample of mixed-based biochar and soil), B (0-10 cm was a mixed sample of mixed-based biochar and soil and 10-20 cm was soil), and C (0-10 cm was soil and 10-20 cm was a mixed sample of mixed-based biochar and soil)), four application amounts (0% (control, CK), 1%, 2%, and 4% of mixed-based biochar in dry soil), and two particle sizes (0.05-0.25 mm (S1) and <0.05 mm (S2)) of mixed-based biochar on water infiltration and evaporation of aeolian sandy soil. We separately used five infiltration models (the Philip, Kostiakov, Horton, USDA-NRCS (United States Department of Agriculture-Natural Resources Conservation Service), and Kostiakov-Lewis models) to fit cumulative infiltration and time. Compared with CK, the application of mixed-based biochar significantly reduced cumulative soil water infiltration. Under application patterns A, B, and C, the higher the application amount and the finer the particle size were, the lower the migration speed of the wetting front. With the same application amount, cumulative soil water infiltration under application pattern A was the lowest. Taking infiltration for 10 min as an example, the reductions of cumulative soil water infiltration under the treatments of A2%_(S2), A4%_(S1), A4%_(S2), A1%_(S1), C2%_(S1), and B1%_(S1) were higher than 30%, which met the requirements of loess soil hydraulic parameters suitable for plant growth. The five infiltration models well fitted the effects of the treatments of application pattern C and S1 particle size (R²>0.980), but the R² values of the Horton model exceeded 0.990 for all treatments (except for the treatment B2%_(S2)). Compared with CK, all other treatments reduced cumulative soil water infiltration, except for B4%_(S2). With the same application amount, cumulative soil water evaporation difference between application patterns A and B was small. Treatments of application pattern C and S1 particle size caused a larger reduction in cumulative soil water evaporation. The reductions in cumulative soil water evaporation under the treatments of C4%_(S1), C4%_(S2), C2%_(S1), and C2%_(S2) were over 15.00%. Therefore, applying 2% of mixed-based biochar with S1 particle size to the underlying layer (10-20 cm) could improve soil water infiltration while minimizing soil water evaporation. Moreover, application pattern was the main factor affecting soil water infiltration and evaporation. Further, there were interactions among the three influencing factors in the infiltration process (application amount×particle size with the most important interaction), while there were no interactions among them in the evaporation process. The results of this study could contribute to the rational application of mixed-based biochar in aeolian sandy soil and the resource utilization of urban and agricultural wastes in mining areas.     

微咸水与生物炭协同作用对盐碱土入渗特征及水盐运移的影响

为研究添加生物炭条件下微咸水矿化度对盐碱土水盐运移的影响,采用一维垂直土柱入渗试验,研究了微咸水灌溉并施用生物炭对盐碱土水盐运移特征及其对Philip和一维代数入渗模型参数的影响,并对入渗模型的适用性进行了评价。本研究设置淡水对照CK(0 g·L^-1)及4种微咸水矿化度水平(2、3、4、5 g·L^-1)与施用玉米秸秆生物炭(5 t·hm^-2)组合试验方案。结果表明：使用微咸水灌溉或施用生物炭均会增加土壤水分入渗速率及土壤含水率,提高土壤保水能力,且微咸水和生物炭协同作用下效果更好。灌溉微咸水并施用生物炭降低了土壤含盐量,在0～30 cm深度内的平均含盐量比初始含盐量降低了34.75%～74.00%,具有良好的盐分淋洗效果。Philip入渗模型能够较好模拟微咸水和生物炭协同作用下的土壤水分入渗情况,灌溉微咸水或施用生物炭会使吸渗率S增加,且两者结合使用时S增幅更大;由代数模型计算而得的土壤各层理论含水率值与实测值之间的平均绝对误差与均方根误差均小于2.2%,表现出一维代数模型较好的适用性。综上所述,使用微咸水灌溉并配施生物...     

微咸水矿化度对重度盐碱土壤入渗特征的影响

通过微咸水室内一维垂直入渗试验,分析了淡水以及4种不同矿化度(2,3,4,5 g·L~(-1))微咸水对重度盐碱土壤累积入渗量、湿润锋运移深度、土壤含水率、入渗历时、入渗速率的影响。结果表明:累积入渗量、湿润锋运移深度、土壤含水率随微咸水矿化度的增加呈现增大的趋势,但与淡水相比,2,3,4,5 g·L~(-1)微咸水的累积入渗量、湿润锋运移深度随入渗时间的变化差异较小;同一土层,土壤含水率大小比较:淡水5 g·L~(-1)3 g·L~(-1)2 g·L~(-1)4 g·L~(-1);在微咸水灌溉条件下,累积入渗量与湿润锋运移深度呈线性关系。采用Kostiakov模型,Philip模型和Green-Ampt模型模拟微咸水入渗过程,结果显示,Kostiakov模型可以更好地描述重度盐碱土入渗率与入渗时间的关系。     

非水相污染物在黄土性土壤中的入渗试验研究

对两种非水相流体(NAPL)(煤油和四氯乙烯)在3种不同质地的黄土性土壤(沙土、黄绵土和土娄土)中的非饱和入渗特征进行了试验研究。结果表明:非水相污染物在土壤中的入渗与水分入渗规律相类似,累积入渗量曲线均很好地符合考斯加柯夫公式(F=atα);随着土壤质地的加重,入渗速率降低,表现为沙土>黄绵土>土娄土;两种污染物(煤油和四氯乙烯)在土壤中的入渗速率表现为相同温度下粘滞性较大的煤油入渗速率明显地小于粘滞性较小的四氯乙烯;对于同一质地土壤,随着土壤容重的增大,污染物迁移的速率降低,土壤的压实对污染物的迁移有抑制作用。     

玉米施水播种增加灌水下渗的松土方法和试验

研究了下插式土壤松耕方法,分析了其工作原理、理想的刀具结构和合适的松土距离为50～70 mm,并用这种方法松土后进行了施水试验。结果表明：灌水入渗深度比未耕地或旋耕地对应值平均增加20 mm以上,且土壤湿润区整体下移约13 mm,灌水水平方向和垂直方向入渗深度的比值由1.3降低到0.8,而且,土壤紧实度和含水率均满足玉米施水播种的需要。这种方法有效增加了玉米施水播种灌溉水的下渗深度,减少了水分蒸发。     

不同粘粒含量土壤水分入渗能力模拟试验研究

为研究土壤粘粒含量对土壤入渗能力的影响,通过向自然土壤中添加沙粒、人工粘土的方法配制不同粘粒含量土壤,用土柱积水入渗模拟了人工配制土壤中粘粒含量对其入渗能力的影响.结果表明:(1) 土壤粘粒含量对土壤入渗能力有较大影响,随粘粒含量增多,入渗能力递减:＜0.001 mm粘粒含量从6%增加至40.4%时,稳定入渗速率从0.0169 cm/min降低至0.0068 cm/min,90 min累积入渗量则从3.66 cm降低至2.02 cm;(2) 稳定入渗速率、90 min累积入渗量与粘粒及物理性粘粒含量分别呈幂函数负相关、指数负相关关系,但与粘粒含量相关性更为显著;(3) 通过对Green-Ampt模型、Philip模型及Kostiakov模型的参数拟合及累积入渗量计算,发现在本试验中Kostiakov模型拟合精度最高,Philip模型次之,Green-Ampt模型较差,说明Kostiakov模型对于均质土体是个比较实用的入渗模型.     

生物炭对塿土持水能力的影响

通过连续6年定位试验,探究较长时间施用生物炭对土壤保水作用的影响,以期为塿土区水土保持和土壤改良提供理论参考。田间试验于2011年开始,设4个生物炭施用梯度：对照,不施生物炭（B0）;5 t·hm^-2（B5）;10 t·hm^-2（B10）;20 t·hm^-2（B20）。在2017年测定了土壤含水量、土壤基础理化性质和水分累积蒸发量等。结果表明：生物炭能够显著减小土壤容重、增加土壤孔隙度、饱和含水量和田间持水量,且随着生物炭施入量的增加,各指标变化幅度也增大,B20与B0处理相比,土壤容重减少了8.28%,毛管孔隙度增加了20.17%,饱和含水量与田间持水量分别增加了22.17%和14.86%;生物炭显著增加了土壤团聚体稳定性,B20与B0处理相比,土壤水稳性团聚体含量增加了19.00%,团聚体破坏率和不稳定团粒指数分别降低了11.34%和9.61%;生物炭还可有效抑制土壤水分的蒸发,B10和B20处理的土壤累积蒸发量分别比B0处理减少了7.45%和10.18%。结合逐步回归分析与通径分析发现,生物炭对土壤结构的改良是其促进土壤持水能力的主要原因。土壤孔隙度和有机碳含量是影响土壤饱和含水量的主要因子,影响土壤毛管持水量的主要因子为有机碳含量和土壤毛管孔隙度,而毛管孔隙度与水稳性团聚体含量则解释了绝大部分土壤田间持水量的变化。研究表明生物炭施用可以显著改良土壤结构,提升塿土持水性能,增加干旱半干旱地区土壤的蓄水保墒能力。     

负水头供水条件下土壤水分一维入渗规律的研究

将土壤供水头压力控制为负值,测定了垂直入渗、毛管上升和水平入渗3种情况下的土壤吸水过程.发现随供水吸力的增加,垂直入渗、毛管上升和水平入渗过程中湿润峰前进速度和入渗速度的相对差异变小.将入渗速率等于潜在蒸发速率时的湿润厚度定义为临界湿润厚度,计算了潜在蒸散宰为5 mm/d时不同负水头下壤土的临界湿润厚度;确认了垂直、毛管和水平入渗下湿润峰位置与入渗量的关系,将湿润蜂位置-累计入渗量曲线的斜率,印巴湿润土体内入渗水分所占的容积百分数定义为湿润系数,提供了所测壤土的湿润系数-负水头曲线;建立了负水头供水过程中土壤含水量空间分布模型;观察到湿润锋含水量与供水吸力闸的依赖关系.     

微咸水不同入渗水量土壤水盐运移特征研究

通过室内微咸水积水入渗土壤水盐运移模拟试验,分析了不同灌水量下湿润锋、土壤含水量、土壤含盐量、盐分浓度及Na 、Cl-浓度等的变化特征。研究结果表明,入渗水量与湿润锋呈线性关系,脱盐深度与湿润深度的比值近似为0.342。此外研究结果也显示上层土壤盐分浓度与入渗水矿化度密切相关,因此灌水量大小不仅影响湿润范围,而且直接决定上层土壤盐分含量。     

不同降雨历时梯田和坡耕地的土壤水分入渗特征

以黄土高原丘陵沟壑第三副区庄浪县为例,研究不同降雨历时条件下坡耕地和水平梯田土壤(黄绵土)水分入渗变化特征,应用Hydrus-1D模型对不同降雨条件下的土壤水分入渗进行定量模拟研究。结果表明:(1)与实测数据相比,Hydrus-1D模型模拟降雨后土壤水分的运移较合理。(2)地表层(0~40 cm)土壤含水量变异系数(CV)呈中等变异,即5 d的时间内梯田和坡耕地地表层的土壤含水量变化大,随着土层深度的增加变异系数减小,呈弱变异性。(3)在1.45 mm/min降雨强度下,在23 min时拔节期的小麦坡耕地产生径流,水平梯田在整个过程中没有产生径流。(4)降雨历时为10 min时,在土层深度为0~15 cm,梯田土壤含水量比坡耕地多0.13%~1.65%,在土层深度为30~200 cm,梯田和坡地都没有下渗。降雨历时为20min、30min时,在土层深度为0~20 cm,梯田的土壤含水量比坡耕地的分别多0.05%~2.22%、0.01%~2%。     

保护性耕作对黄土高原旱地表土容重和水分入渗的影响

通过在陇中黄土高原半干旱区进行保护性耕作的定位研究,探讨了保护性耕作对土壤容重以及渗透性能的影响。结果表明:与传统耕作(T)、免耕无覆盖(NT)、传统耕作结合秸秆还田(TS)相比,试验的前2～3a免耕覆盖(NTS)使得土壤容重增大,而后保持稳定状态不再持续增加。通过对渗吸率、宏观毛管长度、有效孔径以及饱和导水率等指标的比较发现,免耕覆盖(NTS)对土壤的渗透性能有显著的改善作用。     

基于HYDRUS-2D的雨水集聚深层入渗系统土壤水分运移模拟

为了解雨水集聚深层入渗(RWCI)系统土壤水分的入渗规律,设置不同灌水量(10 L、21 L和36 L)和RWCI设计坑深(40 cm和60 cm)的室内土箱试验,观测不同灌水量与不同水头变化情况土壤含水率变化和土壤湿润锋在径向和垂直方向上运移过程,依据非饱和土壤水动力学理论,建立HYDRUS-2D变水头边界条件土壤水分二维入渗模型。通过与实测数据对比,结果表明模型模拟值和实测值具有较好一致性:垂向湿润锋相对均方差(R_E)、平均绝对误差(MAE)和纳什系数(NE)分别为0.019、0.011 cm和0.994,径向湿润锋R_E、MAE和NE分别为0.018、0.851 cm和0.977,土壤含水率R_E、MAE和NE分别为0.188、0.016 cm~3·cm~(-3)和0.916。相比于设计深度为40 cm的RWCI系统, 60 cm RWCI系统在不同灌水量下能够更有效地增加果树根系分布层的土壤含水率,增加土壤水分入渗深度;相同灌水量下RWCI系统设计深度的径向湿润锋分布间无明显差异,而垂直方向的分布具有明显差异;RWCI系统在相同的设计深度下,随着灌水量增大湿润锋在垂向与径向的运移距离差异逐渐增大。     

膜孔肥液单向交汇入渗特性及数学模型研究

通过室内入渗试验,分析了膜孔肥液单向交汇的入渗特性。在此基础上,根据已知试验资料,提出了Kostiakov模型、分段函数模型、减渗量模型和增渗率模型等4个膜孔肥液单向交汇入渗模型。Kostiakov模型建立的条件是膜孔肥液单向交汇入渗参数均为已知;分段函数模型建立的条件是膜孔肥液自由入渗和单向交汇入渗参数均为已知;减渗量模型建立的条件是膜孔肥液单向交汇入渗相对于膜孔肥液自由入渗的减渗量参数和膜孔肥液自由入渗参数已知;增渗率模型建立的条件是膜孔肥液单向交汇入渗相对膜孔清水单向交汇入渗增渗率和清水单向交汇入渗参数已知。模型验证表明,所提出的4个模型均为描述膜孔肥液单向交汇入渗的有效模型,其中分段函数模型的计算精度相对最高,Kostiakov模型、减渗量模型和增渗率模型稍次之。在实际应用中,可根据不同的已知资料情况加以选用。     

Effects of biochar on water movement characteristics in sandy soil under drip irrigation

Biochar addition can improve the physical and hydraulic characteristics of sandy soil. This study investigated the effects of biochar on water holding capacity and water movement in sandy soil under drip irrigation. By indoor simulation experiments, the effects of biochar application at five levels (0%, 1%, 2%, 4%and 6%) on the soil water retention curve, infiltration characteristics of drip irrigation and water distribution were tested and analyzed. The results showed thatbiochar addition rate was positively correlated with water holding capacity of sandy soil and soil available water. Within the same infiltration time, with an increasing amount of added biochar, the diffusion distance of the horizontal wetting front (HWF) tended to decrease, but the infiltration distance of vertical wetting front (VWF) initially declined and then rose. The features of wetted bodies changed from "broad-shallow" to "narrow-deep" type. The relationship between the transport distance of HWF and VWF and the infiltration time was described by a power function. At the same distance from the point source, the larger was the amount of added biochar, the higher was the soil water content. Biochar had a great influence on the water content of the layer with biochar (0-200mm) and had some effects at 200-250mm without biochar; but had less influence on the soil water content deeper than 250mm. For the application rate of biochar of 4%, most water was retained within 0-250mm soil layer. However, when biochar application amount was high (6%), it would be helpful for water infiltration. During the improvement of sandy soil, biochar application rate of 4% in the plow layer had the best effect.     

风沙土水分入渗与再分布过程中湿润锋运移试验研究

利用室内模拟试验系统,对塔克拉玛干沙漠腹地风沙土在滴灌条件下的水分入渗与水分再分布过程中湿润锋的运动规律进行了模拟试验研究。根据模拟试验描述了风沙土在滴灌条件下水分入渗与再分布情况下湿润体的形状变化,研究了在水平方向上与垂直方向上风沙土的湿润锋推进规律及运动特征,揭示了随着累计入渗量的增加,湿润锋推进过程在入渗初期速率较大,逐渐成减小趋势,并最终达到稳定入渗状态;在土壤水分再分布过程中土壤湿润锋面不断向外部推移,最后达到相对稳定;对风沙土水分入渗及再分布过程中其湿润锋的推进距离与时间做了函数关系拟合,其中乘幂函数关系式拟合最好。     

不同氮水平下秸秆、生物质炭添加对旱作农田土壤酸解有机氮组分的影响

为探明不同氮水平下秸秆、生物质炭添加对陇中黄土高原旱作农田土壤酸解有机氮组分的影响,2014年在定西市安定区李家堡镇布设的不同氮水平下秸秆、生物质炭添加定位试验(共9个处理),利用Bremner分级法,对该试验2018年收获后的土壤有机氮组分进行测定与分析。结果表明:在0～30 cm土层(0～5、5～10、10～30 cm土层),各处理酸解总有机氮、酸解氨态氮、酸解氨基酸态氮、酸解未知态氮含量均随土层的加深而降低,酸解氨基糖态氮含量随土层的加深而增加;较之无炭处理(CN0、CN50、CN100处理的均值),生物质炭添加(BN0、BN50、BN100处理的均值)处理可提升酸解总有机氮含量10.12%、9.14%、7.61%(土层由上至下),提升酸解氨态氮含量15.02%、16.25%、17.19%(土层由上至下),提升酸解氨基酸态氮含量13.31%、11.84%、8.74%(土层由上至下),其中BN100处理下对其提升效应最显著;较之无炭处理(CN0、CN50、CN100处理的均值),秸秆添加处理(SN0、SN50、SN100处理的均值)可提升酸解氨基糖态氮含量26.46%、26.51%...     

浑水灌溉入渗特性研究进展与展望

在综合国内外相关研究文献的基础上,分析了浑水入渗机制和浑水入渗模型方面的研究进展。从研究成果中可以得出:利用静水做浑水灌溉入渗试验的较多,而利用动水做浑水灌溉入渗试验研究的比较少;不同含沙率对土壤入渗的影响研究方面研究成果比较多,而对不同的泥沙粒度组成对土壤入渗的影响研究较少;一次浑水灌溉土壤入渗研究较多,而致密层形成后进行二次灌溉情况下的土壤入渗研究较少;在室内利用下渗环等试验设备进行土壤入渗试验的较多,而在大田实验土壤入渗试验方面的研究较少;在裸地做土壤入渗试验的较多,而在有种植作物的大田上进行土壤入渗试验的较少。为了更深入的进行浑水灌溉下的土壤入渗机制的研究,建议以后试验中考虑浑水灌溉中动水入渗试验方面的研究,并将不同泥沙粒度组成对土壤入渗的影响、大田作物的影响、多次浑水灌溉对土壤入渗的影响以及浑水灌溉条件下水肥耦合方面的试验研究和浑水膜孔灌溉方面的试验研究等作为研究的重点,逐步深入的研究浑水灌溉入渗特性,为实际应用提供理论依据。     

基于多入渗模型的荒漠砂质土壤积水入渗模拟对比

包气带土壤水分入渗在水文循环中起着至关重要的作用,深入了解降雨-积水-入渗过程的相互关系对评估荒漠环境下土壤水分补给和降水再分配具有重要意义.本研究以自然沙丘的丘间低地为研究对象,通过土壤剖面入渗原位观测试验.采用Kostiakov、Green-Ampt、Philip入渗模型和Hydrus-1D、Hydrus-2D/3...     

鲁西北黄泛区农田土壤稳定入渗率空间变异性分析

以中科院禹城综合试验站102 m×52 m空间的农田表层土壤入渗试验为基础,通过对实测数据的统计得到该地块的表层土壤稳定入渗率fc具有较大的空间变异性,并服从对数正态分布.应用变差函数对fc的空间结构进行分析,发现fc的空间结构可用指数变差函数模型进行描述,拟合模型所得到的方差值与试验结果的统计值基本相近,其相关距离为23.98 m;最后利用了Kriging最优内插估值法,绘制了fc的空间等值分布图.