洱海近岸菜地包气带土壤水分特征曲线参数变化及其影响因素

土壤水分特征曲线参数是研究土壤水分和溶质运移的重要参数。【目的】明确洱海近岸菜地土壤水分特征曲线参数空间变化及其影响因素。【方法】以洱海近岸菜地包气带土壤为研究对象,采用压力膜仪逐层测定了不同高程下土壤剖面各发生层的水分特征曲线,并用van Genuchten模型(VG模型)拟合土壤水分特征曲线。【结果】洱海近岸菜地包气带土壤含水率随着土壤吸力的增加呈先快速下降后变化平缓的趋势,VG模型能够较好地模拟各发生层土壤的水分特征曲线。土壤饱和含水率、残余含水率和参数n随着粉黏粒量、有机质和土壤孔隙度的增加而增加,随砂粒量和土壤体积质量的增加而减少,参数a呈相反的变化。土壤有机质、砂粒和黏粒量是影响土壤水分特征曲线参数空间变化的关键性因素,这些因素的差异把各发生层土壤划分为3类,即耕作层A为一类,犁底层P、母质层C和潴育层W为一类,潜育层G为一类。【结论】土层越深或越靠近洱海,土壤持水能力越差,土壤水分或溶质的迁移能力越强。潜育层、潴育层和母质层土壤水分特征曲线参数随高程呈较好的规律性变化,而长期耕种扰乱了耕作层和犁底层土壤水分特征曲线参数随高程的规律性变化。     

基于离心机法获取定体积质量下的土壤水分特征曲线

【目的】克服离心机法测定土壤水分特征曲线时"变体积"的缺陷,实现用离心机法获取扰动土壤准确的土壤水分特征曲线。【方法】选取了山西省16种粒径组成、有机质量差别显著的扰动土壤作为研究对象,采用离心机法测定了初始体积相同的各土壤样品在不同转速下的土壤体积含水率、动态变化的土壤体积;采用多元非线性回归模型,描述了以土壤体积含水率、粒径组成、体积质量和有机质质量分数作为自变量描述土壤水吸力的函数关系,并对模型进行了验证与评价。【结果】土壤水吸力的自然对数函数可以表示为土壤砂粒质量分数、黏粒质量分数、土壤体积质量和含水率乘积以及有机质质量分数等土壤属性的线性函数,模型的决定系数达到0.740;模型建模样本平均相对误差为14.460%,验证样本平均相对误差为13.237%,模型预测精度较高;同时发现土壤属性对于曲线的形状与走势的影响不能忽视,其中砂粒质量分数、土壤体积质量和含水率乘积与土壤水吸力负相关,黏粒质量分数、有机质质量分数与土壤水吸力正相关。【结论】因此,本方法构建的模型更符合实际情况,能够提高土壤水力学参数的精度,同时可以克服离心机测量土壤水分特征曲线体积变化的缺点,得到更合理的土壤水吸力和土壤含水率的关系。     

基于BP神经网络的Gardner模型参数预测

为了准确推求包气带土壤的持水性能和水分运动参数,以黄土高原区田间耕作层土壤水分特征曲线的试验资料为数据样本,建立了以易于通过试验手段获取的土壤基本理化参数为输入变量,以土壤水分特征曲线Gardner模型参数为输出变量的BP预测模型。所建立的预测模型对两参数预测值的平均相对误差在6%以下,在可接受的范围。研究结果表明:选取土壤体积质量、有机质量、黏粒量、粉粒量以及无机盐量等基本理化参数作为预报模型的输入因子是合理的,所建立的土壤水分特征曲线Gardner模型参数BP预报模型可靠。研究结果可为黄土高原区包气带土壤持水性能和水分运动参数的准确获取提供借鉴。     

膨胀土干湿循环自然胀缩下土壤水分特征三维曲线研究

【目的】建立了自然胀缩下膨胀土的土壤水分特征三维曲线并探究其拟合参数的变化规律。【方法】利用thermo-TDR探针和土壤水势探针,在测定土壤水分特征曲线的过程中考虑膨胀土体积质量动态变化,得到3种不同质地的膨胀土在3个干湿交替周期中土壤水分特征三维曲线的变化规律。【结果】发现热脉冲探针原位间距校正法能有效提高土壤体积质量的测定准确度,校正后RE由总体10%～40%的偏差降低为总体远小于10%,RMSE经校正后总体由0.3～0.4g/cm³降低为远小于0.1g/cm³;引入收缩率这一体积质量参数改进van Genuchten模型,得到较好的土壤水分特征三维曲线拟合结果;随着土壤干湿循环次数增加,模型参数α和n值不断减小,在脱湿过程中,含水率对体积质量和吸力变化的影响在不断削弱;随黏粒量的增大,α和n值呈减小趋势,且改进后的van Genuchten模型拟合效果更好。【结论】原位探针间距校正法对强胀缩土壤的测定准确度提升效果显著,建立考虑体积质量的土壤水分特征三维曲线能更真实描述土壤水分与水势间的关系。     

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。     

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。     

土壤水高矿化度对粉质黏土水力特性的影响

为获取高矿化度土壤水条件下的水力特征参数,并比较不同处理的影响,实验测定淡水、30、100及250g/L土壤水矿化度处理土样脱湿过程的水分特征曲线,并利用RETC软件进行模型参数拟合。结果表明,粉质黏土条件下,van Genuchten-Burdine模型可拟合各不同处理土壤水分特征曲线。各组实测曲线形态显示,在吸力较大阶段,当土壤水吸力增大到一定程度时含水率才发生变化,二者呈多值对应关系。TDS-30处理对应的残余体积含水率θr最大,α、n值最小,非饱和水力传导度K值衰减最快;中等大小孔隙的变化对非饱和水力传导度影响较为显著。研究成果可为深入开展矿化度潜水蒸发数值计算提供支持。     

泥沙对黏质盐土水分特性及小麦产量的影响

【目的】确定不同泥沙量对黏质盐土水分状况以及冬小麦产量的影响,探索最适宜泥沙配量。【方法】采用室内压力膜法测定土壤水分特征曲线并且进行田间冬小麦试验,研究了不同泥沙量对土壤水分特征曲线、土壤水分常数、土壤水分形态、土壤水分有效性、田间土壤水分变化和冬小麦产量的影响。【结果】泥沙对土壤水分特征曲线影响明显,同一水吸力下土壤含水率随泥沙施加量增加而降低。土壤水分常数以及土壤水分有效性指标随泥沙施加量增加变化明显,各土壤水分常数指标与泥沙配量整体呈负线性关系。但在0～15.07%范围内,非线性变化明显。田间试验数据显示,泥沙对降低土壤水分和盐分有明显作用。各泥沙处理的土壤水盐变化明显。泥沙对黏质盐土冬小麦产量有提高作用,其中S2—S5处理和S7处理产量提高明显,3 a总产量比对照组分别增产26.47%、26.51%、18.33%、27.27%、30.90%。【结论】综合考虑室内试验以及田间试验得出的泥沙最佳范围,引黄泥沙配施改良黏质盐土的最优泥沙施加量为质量比6.85%。     

紫色土小流域三种土地利用类型土壤颗粒特征

在三峡库区忠县虾子岭小流域选择林地、旱地、水田3种土地利用类型采集了63个土样,利用分形维数研究了不同土层深度的土壤颗粒特征。结果表明,紫色土剖面土壤颗粒体积分形维数在2.406~2.551之间,不同土地利用类型分形维数随土壤深度增加变化的趋势不同;土壤颗粒体积分形维数与土粒结构组成存在较强的相关性,受黏粒量影响最为显著,即土壤黏粒量(≤0.002mm)越高,分形维数越大;3种土地利用类型下,土壤颗粒体积分形维数平均值表现为水田林地旱地。3种土地利用类型之间,除0~20cm土层外其余各层土壤颗粒体积分形维数差异不显著。     

栾城农业生态系统试验站土壤水分

利用土壤水分特征曲线仪测定河北栾城农业生态系统试验站三组土样的含水量及其对应负压值，分别利用六种不同模型进行了土壤水分特征曲线拟合。通过六种土壤水分特征曲线模型的拟合值与实测值差异对比认为，不同土样的最优土壤水分曲线模型不同，栾城土壤水分特征曲线拟合效果最好的模型是：原状粉质粘土为原始Van Genuchten模型；而扰动土为修正的Van Genuchten模型。     

斥水土壤的水力参数及水平吸渗规律

为了对不同斥水程度土壤的水力性质进行分析,对比了van Genuchten和Brooks-Corey模型对于不同斥水程度下的塿土、砂姜黑土、盐碱土和砂土的适用性;进行了一维水平吸渗试验,分别运用Philip模型和Kostiakov公式对入渗规律进行了模拟,并分析了吸渗率和斥水持续时间的关系;采用水平吸渗法推求了土壤非饱和扩散率,并用指数函数拟合了非饱和扩散率和体积含水率的关系.结果表明:van Genuchten和Brooks-Corey模型对亲水和斥水土壤均具有较好的适用性;斥水性土壤的累积入渗量随时间变化曲线在一定时刻发生转折,未转折前Kostiakov公式的模拟结果比Philip模型好;当斥水时间大于40 s时,吸渗率的变化趋于稳定并在0~0.1 cm/min0.5内变化;非饱和扩散率和体积含水率关系的模拟可采用指数关系,且其对亲水性土壤的模拟效果优于斥水性土壤.斥水土壤的水力参数与亲水土壤的有明显差别,且表现出特殊性.     

沙质河漫滩地土壤质量提升技术研究

【目的】研究沙质河漫滩地土壤质量提升技术,探索覆土改良措施对该地区土壤地力提升效益。【方法】通过对沙质河漫滩进行覆土,研究覆土材料的理化性质,进一步分析了其对土壤速效养分的影响。【结果】①覆土土壤田间持水率沙土高于黄土,黄土是沙土的1.88倍,表明黄土的保水特性远高于沙土。②通过水分特征曲线分析,黄土体积含水率高于沙土,黄土体积含水率在下降至14%以后趋于稳定,沙土饱和导水率在下降至5%以后趋于稳定,表明黄土持水性能高于沙土。③在水稻抽穗期和成熟期,表层土壤有效磷量显著高于底层,且差异显著。水稻成熟期土壤速效钾除表层量较高外,其余各土层量均较低,其中20～30 cm土层速效钾量较水稻抽穗期的量显著降低。④土壤有效磷与土壤有机质显著相关,与土壤黏粒量显著相关;有机质与土壤有效磷和速效钾著正相关。【结论】沙地覆盖黄土后土壤质量得到改善,土壤保水保肥能力显著提升。     

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。     

振动深松耕作对不同类型土壤水分特征曲线影响研究

为了探讨振动深松耕作措施对不同类型土壤的水分特征曲线的影响,利用吸力平板仪和压力膜仪对黑龙江省5种典型土壤,即黑土、黑钙土、水稻土、苏打盐碱土、沙土进行了测定。得到振动深松区和对照区的原状土壤在脱湿过程中不同吸力下的土壤含水率,并利用van Genuchten数学模型对5种土壤的水分特征曲线的实测值进行数值拟合,对比研究了5种土壤水分特征曲线及模型拟合参数、土壤当量孔径、土壤水分有效性及比水容量的变化。结果表明,振动深松前后土壤水分特征曲线差异显著。同一吸力下,深松区土壤含水率高于对照区,振动深松显著提高了土壤的有效供水能力,其中效果最佳的是苏打盐碱土和黑土。振动深松通过改善土壤结构,调整了孔隙孔径的比例,进而提高了土体的有效供水能力。     

直插式地下滴灌土壤湿润体特征值变化规律及灌溉效果分析

【目的】了解2种典型干旱区土壤(砂土、砂黏土)中直插式地下滴灌的灌水效果。【方法】以实测的土壤湿润锋在垂直向上、向下和水平3个方向的运移距离为基础,建立了土壤湿润锋运移距离与直插式地下滴灌滴头流速和灌水时间之间的函数关系,依据此量化关系结合土壤含水率求得了直插式地下滴灌的微灌技术参数,并评价了直插式地下滴灌在干旱区砂土、砂黏土中的灌水效果。【结果】在2种土质条件下,湿润锋不同方向上的运移距离与滴头流速和灌水时间之间的量化关系式R2>0.95,验证方程R2>0.95,表明模型可行;在砂土中,灌溉水储存系数、灌水均匀系数及土壤湿润比均小于0.6,而在砂黏土中均高于0.8,表明直插式地下滴灌在砂土中灌水效果比砂黏土差。【结论】幂函数可准确描述砂土、砂黏土中直插式地下滴灌湿润峰运移距离、滴头出流速度和灌水时间之间的关系;垂直向上湿润距离与滴头流速负相关,与灌水时间正相关,水平与向下湿润距离与流速、灌水时间均正相关;在本试验条件下,流速为1.25 L/h灌水效果最好。     

再生水灌溉红壤土水力传导度变化及其模拟分析

【目的】研究南方地区再生水灌溉对红壤入渗特征的影响。【方法】以红壤为研究对象开展土柱模拟灌溉试验,采用再生水(RW)、稀释2倍再生水(RW-2)、稀释4倍再生水(RW-4)、稀释6倍再生水(RW-6)进行干湿交替灌溉,以蒸馏水灌溉(CK)为对照组。利用便携式入渗计进行入渗率测定,采用压力膜仪法测定土壤水分特征曲线。【结果】再生水灌溉后,土壤水力传导度(K)减小显著(P<0.05),各处理的水力传导度分别是CK的12%(RW)、17%(RW-2)、20%(RW-4)、44%(RW-6);同一吸力下,RW和RW-2处理土壤水分的吸持能力高于CK,RW-4和RW-6处理土壤水分的吸持能力小于CK;水力传导度与形状系数n极显著正相关(P<0.01),与再生水稀释倍数和残余含水率θr显著正相关(P<0.05)。【结论】再生水灌溉会降低土壤的导水特性,一定浓度再生水可增加土壤持水性,通过稀释再生水可改善土壤的孔隙结构。     

Performance evaluation and calibration of soil water content and potential sensors for agricultural soils in eastern Colorado

This study evaluated the performance of three soil water content sensors (CS616/625, Campbell Scientific, Inc., Logan, UT; TDT, Acclima, Inc., Meridian, ID; 5TE, Decagon Devices, Inc., Pullman, WA) and a soil water potential sensor (Watermark 200SS, Irrometer Company, Inc., Riverside, CA) in laboratory and field conditions. Soil water content/potential values measured by the sensors were compared with corresponding volumetric water content (θ_v, m³ m⁻³) values derived from gravimetric samples, ranging approximately from the permanent wilting point (PWP) to field capacity (FC) volumetric water contents. Under laboratory and field conditions, the factory-based calibrations of θ_v did not consistently achieve the required accuracy for any sensor in the sandy clay loam, loamy sand, and clay loam soils of eastern Colorado. Salt (calcium chloride dihydrate) added to the soils in the laboratory caused the CS616, TDT, and 5TE sensors to experience errors in their volumetric water content readings with increased bulk soil electrical conductivity (EC; dS m⁻¹). Results from field tests in sandy clay loam and loamy sand soils indicated that a linear calibration (equations provided) for the TDT, CS616 and 5TE sensors (and a logarithmic calibration for the Watermark sensors) could reduce the errors of the factory calibration of θ_v to less than 0.02 ± 0.035 m³ m⁻³. Furthermore, the performance evaluation tests confirmed that each individual sensor needed a unique calibration equation for every soil type and location in the field. In addition, the calibrated van Genuchten (1980) equation was as accurate as the calibrated logarithmic equation and can be used to convert soil water potential (kPa) to volumetric soil water content (m³ m⁻³). Finally, analysis of the θ_v field data indicated that the CS616, 5TE and Watermark sensor readings were influenced by diurnal fluctuations in soil temperature, while the TDT was not influenced. Therefore, it is recommended that the soil temperature be considered in the calibration process of the CS616, 5TE, and Watermark sensors. Further research will be aimed towards determining the need of sensor calibration for every agricultural season.     

南北方粘质土壤密度对土壤水分特征van Genuchten模型的影响研究

以南北方典型粘质土壤红壤和塿土为试验土样,通过水平入渗试验进行了土壤密度变化对土壤水分特征van Genuchten模型参数的影响研究。研究结果表明,特征湿润长度、吸力、饱和含水量、滞留含水量、饱和导水率均随土壤密度增加而减小;土壤水分特征van Genuchten模型参数n随着土壤密度的增加而递增,而参数α随着土壤密度的增加而减小,与土壤密度成反比;参数n和参数α随土壤密度变化关系可用幂函数来描述。为建立吸力、土壤密度、质量含水率三变量的土壤水分特征曲面提供新的途径,有助于完善土壤水动力学理论。     

毛细压力──饱和度关系的试验研究

试验测定了 5种典型土样和砂样的毛细压力与饱和度的关系曲线 ,用 Leverett函数处理试验结果并与前人的结果进行比较分析 ,得出对于渗透率量级在 10 -7～ 10 -9cm2 间的土和均质砂 ,用 Leverett函数折算的无量纲的毛细压力—饱和度关系曲线可以很好地统一到一条曲线上来 ,且α=0 .65的结果更优。实测的不同饱和度情况下毛细压力水头与数学模拟结果的比较计算表明 ,Van Genuchten的表达式更适合于土的情况 ,而 Broods- Corey的表达式则更符合于砂的情况。     

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。