西北旱区压砂地土壤水分入渗规律研究

基于野外大田试验,用灰色关联分析法和土壤水分入渗模型研究了裸地(CK)及不同种植年限压砂地土壤水分入渗规律。结果表明,土壤水分入渗能力依次为:新砂地中砂地老砂地裸地(CK),入渗初期新砂地入渗能力明显高于中、老砂地及裸地,压砂地入渗速率新砂地最高,中砂地、老砂地次之。裸地土壤水分入渗过程呈指数负相关,压砂地土壤水分入渗均呈幂函数负相关,土壤累积入渗量随着时间的推移呈幂函数正相关,相关系数介于0.976~0.996,Horton模型与Kostiakov模型均可描述压砂地土壤水分入渗规律,可以代表压砂地土壤水分入渗模型。根据灰关联度的大小,土壤水分入渗能力依次为:新砂地(1.000)中砂地(0.756)老砂地(0.729)裸地(0.622)。     

滴灌条件下容重对压砂土壤水分入渗规律的影响

[目的]研究土壤容重对压砂地点源入渗的影响规律,为西北旱区发展砂地滴灌技术提供实际理论依据。[方法]通过室内模拟土槽试验,以裸地(无植被和压砂)为对照组(CK),研究了土壤容重(1.23,1.38,1.53g/cm3)对不同种植年限压砂地(新压砂地、中压砂地、老压砂地)砂石层和土壤层两相介质点源入渗规律的影响。[结果]压砂土壤点源垂直累积入渗与其容重和种植年限皆呈负相关关系,压砂土壤在入渗初期,容重对其入渗深度无明显影响,当入渗到达土壤后,入渗深度明显受到容重的影响,容重越大,入渗深度越小;CK水平入渗距离随容重增加而增加,压砂土壤水平入渗随容重增加的变化无明显规律。用λ表征湿润体纵横比,CK和压砂土壤的λ总体随土壤容重增加而减小,压砂土壤容重相同时,λ随种植年限增加而减小。CK入渗前期λ随入渗时间的增加而增加,后期趋于平缓;压砂土壤λ入渗初期随时间增加显著增大,当入渗到达土壤时λ减小,中后期随入渗时间增加λ缓慢增长直至变化不明显。[结论]压砂对土壤水分垂直入渗有促进作用,压砂土壤点源垂直累积入渗与其容重和种植年限皆呈负相关关系。     

坡度、雨强对塿土入渗特征的影响研究

利用室内人工降雨试验研究降雨强度和坡度对塿土水分入渗状况的影响及其作用机理,并用数学方法对土壤入渗率与累积入渗量随时间变化过程进行数学模拟。试验结果表明:雨强对降雨入渗率及累积入渗量有显著影响。雨强在20~90 mm h-1之间,雨强越大,塿土初始入渗率越高,达到稳定的时间越短,土壤的稳定入渗率由于主要受制于土壤特性,因而各降雨强度间差异不显著;累积入渗量变化表现为随降雨强度增大而减少;坡度对土壤入渗率及累积入渗量基本无影响。运用数学模型对土壤入渗率及累积入渗量的变化过程进行模拟,结果表明,Kostiakov经验模型与自回归移动平均模型(ARIMA)两种模型均可用于模拟土壤入渗性能的变化过程,拟合精度均较高。     

不同覆盖模式下砂壤土水盐运移特征研究

地表蒸发引起土壤水分的散失是造成盐分表聚的重要原因之一,土壤表层进行覆盖可改变地表结构,从而影响土壤水分蒸发和盐分迁移过程。为了揭示不同覆盖模式的蓄水控盐效果,通过室内模拟试验,研究了不同覆盖模式下土壤水分入渗过程和水盐迁移特征。试验设置无覆盖(CK)、覆砂(S)、覆砂+覆膜(SM)、覆秸秆+覆膜(JM)和覆秸秆+覆砂(JS)5种模式。结果表明:土壤表层进行的不同覆盖处理会降低土壤湿润锋推进速率和水分入渗速率,具有一定的阻渗作用;湿润锋推进距离与时间符合幂函数F=a·t~b,累积入渗量与时间符合Kostiakov入渗公式,湿润锋推进距离与累积入渗量符合线性关系I=K·Z_f+c。土壤表层进行的不同覆盖处理可有效抑制土壤水分蒸发,土壤保水效果为SMJSSJMCK;随土层深度的增加,土壤含水率减小的趋势逐渐减缓。土壤表层进行的不同覆盖处理也可减弱土壤盐分表聚,缩小盐分在土壤中迁移的范围;覆盖处理的土壤盐分主要在0—20cm范围内迁移,CK在0—35cm范围内。综合考虑不同覆盖模式对土壤水分入渗、抑制水分蒸发和减弱盐分表聚效果,认为砂石覆盖模式是较适合西北旱区的覆盖模式。     

模拟降雨条件下黑麦草对土壤水分入渗的影响

利用室内模拟降雨实验的方法,设计了不同降雨强度(30 mm/h和60 mm/h)、不同坡度(10°和20°)和不同草地盖度(0、20%、40%、60%、80%和100%)研究黑麦草影响下土壤水分入渗的变化过程。试验结果表明:坡度、降雨强度和黑麦草盖度对土壤水分的入渗均有影响,土壤水分累积入渗量随黑麦草盖度的增加呈增加趋势,二者显著正相关;黑麦草覆盖下的土壤水分累积入渗量变化过程能够用考斯加科夫模型模拟,黑麦草盖度对模型参数有显著影响。各试验条件下,入渗模型参数K值随黑麦草盖度的增加而增加,α值随黑麦草盖度的增加而减小,二者的变化趋势在降雨强度30 mm/h时表现明显,但在降雨60 mm/h时不明显。     

不同煤矸石厚度及位置对土壤水分入渗过程的影响

矿区土壤煤矸石的存在能够改变土壤的某些物理特性,并影响土壤水分入渗过程。采用一维定水头垂直入渗室内土柱模拟试验,对5种不同煤矸石厚度(0,4,8,12,16cm)及3个位置(上层、中层、下层)的土壤水分入渗过程进行研究。结果表明,煤矸石覆盖土壤表层有利于土壤水分入渗,土壤水分累积入渗量和稳定入渗速率随着煤矸石厚度(0～16cm)的增加呈现增大的趋势,但煤矸石厚度较大(8,12,16cm)或较小(0,4,8cm)时土壤稳定入渗速率差异不显著。当煤矸石位于中层时,煤矸石的存在抑制了土壤水分入渗过程,土壤水分稳定入渗速率随着煤矸石厚度(4～16cm)的增加而变大,但煤矸石厚度为12,16cm时土壤稳定入渗速率差异不显著。煤矸石位于下层时,煤矸石厚度对土壤水分入渗过程影响较小。不同煤矸石厚度情况下,煤矸石位于上层时累积入渗量最大,而位于中层时累积入渗量最小。与Philip方程相比,Kostiakov入渗模型可以更好地反映含有煤矸石土壤的累积入渗量变化过程。     

降雨特性和覆盖方式对麦田土壤水分的影响

为探明不同降雨特性和覆盖方式对冬小麦土壤水分的影响,利用人工模拟降雨器,模拟40和60mm/h2种降雨强度,在大田设置地膜覆盖(PM)、秸秆覆盖(覆盖量分别为1500、4500、7500和10500kg/hm2,即SM15、SM45、SM75和SM105),同时设置无覆盖处理作为对照(CK),研究不同降雨强度和覆盖方式对雨后冬小麦0～60cm土层土壤水分分布和降雨土壤蓄积量的影响。结果表明:模拟降雨前各覆盖处理土壤含水率均比CK高,其中0～20cm土层土壤含水率差异显著(P<0.05),而20cm以下各处理土壤水分相差较小,除SM105与CK差异显著外(P<0.05),其他处理与CK差异不显著;同一覆盖处理,60mm/h降雨强度条件下降雨入渗深度和入渗量明显高于40mm/h。在相同雨强条件下,不同覆盖处理可以不同程度的增加耕层土壤含水率,其中秸秆覆盖量越大,效果越明显,而PM效果最差;2种雨强条件下各处理0～60cm土层降雨土壤蓄积量规律表现一致,即SM105>SM75>SM45>SM15>CK>PM,其中SM105和SM75均显著高于CK(P<0.05),PM则显著低于CK(P<0.05);受植株冠层降雨截留的影响,同等降雨条件下,同一覆盖处理拔节前降雨土壤蓄积量大于拔节后的;相比60mm/h降雨强度,40mm/h降雨强度下各处理拔节前、后降雨土壤蓄积量变化幅度较大。     

残膜对土壤水分入渗和蒸发的影响及不确定性分析

为探究残膜对土壤水分入渗和蒸发过程的影响规律,通过室内土柱试验,设置6个残膜量水平(0、80、160、320、640和1 280 kg/hm2),研究了残膜对湿润锋运移、土壤水分分布、累积入渗量和累积蒸发量及其不确定性的影响。结果表明:随残膜量增加,湿润锋垂直运移速率和累积入渗量逐渐减小;残膜量80 kg/hm2时,湿润锋运移速率大幅下降;累积蒸发量随残膜量增加而递减而蒸发系数呈递增趋势,土壤保水能力减弱;随残膜量增加,0~10和20~45 cm含水率呈降低趋势,而土壤水分的变异系数呈增加趋势,残膜加剧了土壤水分垂直分布的变异性,残膜量320 kg/hm2的处理会出现表土层"板结"现象;基于Gibbs抽样算法分析表明,Kostiakov入渗模型和Rose蒸发模型各参数的95%后验置信区间上下限的差值和标准差均随残膜量增加而增大,累积入渗量和累积蒸发量的95%后验置信区间面积呈增大趋势,土壤累积入渗量和累积蒸发量的不确定性随残膜增多而增强。该研究可探明残膜污染区的土壤水分运动规律,并为提高Kostiakov模型、Rose模型的模拟效率和模拟精度提供参考。     

常用绿地土壤改良材料对土壤水分入渗的影响

利用一维垂直土柱法研究几种常用的绿地土壤改良材料及其不同配比对土壤水分入渗的影响,结果表明:土壤水分稳定入渗率、累积入渗量和湿润峰下移距离随土壤含砂量和粒径的增加而显著增加;绿化植物废弃物能提高土壤入渗及湿润峰下降深度,但单独应用效果不明显;脱硫石膏增加土壤入渗,加快湿润峰下移速度;但表施聚丙烯酰胺阻碍土壤水分下渗。Kostiakov入渗模型(I=Kt~(1-α))及幂函数(F=at~b)分别能很好地拟合几种改良材料的累积入渗量以及湿润峰随时间的变化,拟合系数R~2均在0.99以上,且模型中各项指标均较好地表征了几种改良材料的初始累积入渗量、土壤入渗能力的衰减程度及湿润峰变化。以体积比70%土+10%砂+20%绿化植物废弃物+0.5kg/m~3脱硫石膏配比对绿地雨水入渗和蓄积能力最佳。     

带状砂沟模式下土壤入渗过程模拟研究

[目的] 探究土壤质地类型和砂沟结构参数对土壤入渗过程的影响,为砂沟集雨工程设计、运行和管理提供科学依据。 [方法] 基于HYDRUS-2D/3D软件,建立带状砂沟模式下土壤水分运动数学模型,利用室内试验验证模拟带状砂沟模式下土壤入渗过程的可靠性。在此基础上,模拟分析不同影响因素下带状砂沟模式下土壤累积入渗量和湿润锋运移变化过程。 [结果] 模拟结果与实测数据无显著性差异且一致性良好,表明所建模型及其求解方法能够有效获取带状砂沟模式下不同时刻土壤累积入渗量和湿润锋运移距离数值;均质土壤填充带状砂沟存在明显的增渗效应。原土质地、砂沟距、砂沟宽和砂沟深均对增渗率有较大影响,增渗率随原土饱和导水率和砂沟距的增大而减小,随砂沟宽和砂沟深的增大而增大;土壤湿润锋轮廓呈下低上高的U形,随时间的延长,U形侧边湿润锋逐渐靠近砂沟交汇面,顶部平台逐渐消失;原土质地对湿润锋运移距离影响较大,湿润体随原土饱和导水率的增大而增大;砂沟深对湿润锋的形态和分布影响较大,随砂沟深度的增大,U字体型垂向拉伸,左侧湿润深度显著增大,右侧湿润深度变化微弱;砂土质地、砂沟距和砂沟宽对湿润锋运移距离影响较小。[结论] 带状砂沟土体构型能够显著提高土壤入渗能力,土壤质地类型和砂沟结构参数对土壤累积入渗量和湿润锋运移距离均有不同程度影响。