定容重条件下生物炭对半干旱区土壤水分入渗特征的影响

了解生物炭添加土壤后对水分入渗过程的影响,可为半干旱区生物炭还田对土壤水文过程的影响评价提供科学依据.本文采用室内土柱模拟方法,在定容重条件下研究了3种生物炭粒径(1～2 mm、0.25～1 mm和≤0.25 mm)和4种添加量(10、50、100和150 g·kg^-1)对两种不同质地土壤(塿土和风沙土)累积入渗量、吸渗率和稳定入渗率的影响.结果表明: 与对照相比,生物炭总体上能够明显增加塿土入渗能力,降低风沙土入渗能力.在入渗100 min时,塿土添加生物炭处理的平均累积入渗量比对照高25.1%;在入渗15 min时,风沙土添加生物炭处理的平均累积入渗量比对照低11.1%.相同生物炭添加量下,生物炭粒径均对塿土累积入渗量具有促进作用,但不同添加量处理的最大作用粒径不尽一致.对于风沙土累积入渗量,低添加量(10 g·kg^-1)时,除≤0.25 mm粒径促进作用不明显外,其他两种粒径均表现出明显的促进作用,而高添加量(50、100和150 g·kg^-1)则表现出抑制作用,且100和150 g·kg^-1粒径处理风沙土累积入渗量随生物炭粒径的减小呈递减趋势.相同生物炭粒径下,风沙土的累积入渗量随着生物炭添加量的增加而递减,塿土则规律不明显.利用Philip入渗模型拟合的决定系数在0.965～0.999,拟合效果较好,说明此模型适合对添加生物炭的土壤水分入渗过程进行模拟.生物炭粒径、生物炭添加量及两者的交互效应对两种土壤的吸渗率和稳渗率均有显著影响,且生物炭添加量对入渗的影响最显著.生物炭对土壤水分入渗特征的影响取决于土壤的质地类型,且该影响程度与添加量呈正相关关系.     

原油污染对黄绵土和风沙土水分入渗的影响

原油进入土壤后会堵塞土壤孔隙,影响土壤斥水性,改变土壤水分运动状况。本研究利用土柱模拟的方法,研究了不同原油污染程度(0、0.5%、1%、2%、4%)对黄绵土和风沙土水分入渗过程的影响。结果表明: 随着原油含量的增加,两种土壤湿润锋的推进速度和入渗速率均减小,土壤原油污染程度为4%时湿润锋运移到土柱底部的所需时间最长,污染程度为0时湿润锋运移到土柱底部的所需时间最短,黄绵土湿润锋达到土柱底部所需最长时间是最短时间的5倍,风沙土最长时间是最短时间的48倍;当湿润锋运移到土柱底部时,黄绵土的累积入渗量随原油含量的增加而减小,而风沙土的累积入渗量先增大后减小;在高浓度(2%、4%)原油处理下,风沙土的累积入渗量曲线出现“翘尾”现象。Kostiakov入渗模型和Philip入渗模型比Green-Ampt模型能更好地模拟不同原油处理下的黄绵土土壤水分入渗过程,但对风沙土而言,两种模型对低浓度(0、0.5%、1%)原油处理的土壤水分入渗过程拟合较好。原油污染能够显著影响土壤水分入渗过程,且对风沙土的影响更大。     

黄土丘陵沟壑区坡沟系统不同降雨类型的土壤入渗特征

黄土高原退耕还林草生态建设改变了区域覆被格局和下垫面环境条件，对流域地表水文过程产生了重要影响。研究黄土丘陵沟壑区坡沟系统不同降雨类型下的土壤水分入渗特征，对揭示植被恢复驱动下的降雨-入渗机制变化具有重要的科学意义。基于坡沟系统土壤水分入渗过程的定位监测，阐明了坡沟系统土壤水分入渗特征对不同降雨类型的响应，并采用Horton、Mezencev、Kostiakov、USDA-NRCS模型进行土壤水分入渗过程模拟，筛选特定降雨类型下最佳的入渗模型。结果表明：（1）0-60 cm是降水-入渗过程响应的关键层次，沟坡总入渗蓄存量较坡面高约42.67%；（2）坡沟系统土壤水分入渗量与深度成反比，且沟坡土壤水分入渗量较坡面平均高约9.75%；（3）不同降雨类型下坡面湿润锋深度均小于沟坡，且以极端暴雨、长历时小雨强降雨最深，短历时中雨强次之，短历时小雨强降雨最浅；（4）坡沟系统各降雨类型土壤水分入渗量对降雨的响应表现出一定的滞后性，沟坡响应快于坡面，沟坡湿润锋深度平均较坡面深约5-10 cm；（5） Mezencev入渗模型对四种不同降雨类型入渗量的模拟均具有较高精度（Adj-R²>0.96；NSE>0.92），Horton模型可用于模拟极端降雨类型（NSE>0.98），而Kostiakov模型、USDA-NRCS模型适于模拟短历时中强度降雨和短历时低强度降雨类型。     

喀斯特坡面生物结皮发育特征及其对土壤水分入渗的影响

作为地表植被恢复的先锋种群和景观的重要组成部分,生物土壤结皮(BSCs)对地表过程具有重要影响。为探明喀斯特地区BSCs发育特征及其对土壤水分入渗的影响,本研究选取喀斯特代表性坡面开展了BSCs实地调查和人工模拟降雨试验,探究了BSCs覆盖土壤的水分入渗过程,试验设计了5个BSCs盖度水平(0、28%、40%、70%、97%)和2个雨强(42和132 mm·h^-1)。结果表明: 在不同土地利用条件下,BSCs发育水平存在显著差异,但在同一土地利用条件下,BSCs发育水平沿坡面的空间变化规律不明显。与裸地相比,地表发育BSCs可使地表粗糙度增大,显著延长初始产流时间,促进土壤水分入渗。在小雨(42 mm·h^-1)和强降雨(132 mm·h^-1)下,BSCs覆盖小区初渗速率分别为裸地小区的1.7～1.9和1.2～1.9倍,平均入渗速率分别为裸地小区的2.5～3.0和1.4～3.3倍。在试验雨强下,BSCs盖度与初始产流时间均呈显著正相关,BSCs促进水分入渗的临界盖度为65%～70%,在强降雨条件下,BSCs对地表径流的阻滞作用有所削弱。Horton模型对喀斯特坡面BSCs覆盖下土壤水分入渗过程模拟结果最优,其次为Kostiakov模型和Philip模型。综上,喀斯特坡面BSCs发育的空间变异程度高,对水分入渗过程影响显著。     

不同类型生物土壤结皮覆盖下风沙土的入渗特征及模拟

干旱荒漠区广泛分布的生物土壤结皮(BSCs)对土壤水分入渗过程有重要影响。以古尔班通古特沙漠南缘的BSCs为研究对象,基于野外采样与室内模拟实验等方法,探究藓类、地衣和藻等3种类型BSCs覆盖下沙土的入渗特征。结果表明:与无结皮覆盖的风沙土对照,3种类型BSCs均显著降低了沙土初渗速率,藓类结皮、地衣结皮、藻结皮覆盖下初渗速率降低幅度依次为36.10%、46.42%、50.39%;藓类结皮、地衣结皮(P0.05)和藻结皮(P0.05)均明显降低了沙土稳渗速率,降低幅度依次为16.50%、33.98%和35.92%;3种类型BSCs均限制了湿润锋在沙土的推进过程,表现为:藓类结皮、地衣结皮、藻结皮的渗漏时间分别为裸沙对照的2.13、3.04和2.98倍;各类型BSCs均减小了沙土累积入渗量,阻碍了沙土水分入渗,与裸沙对照相比,藓类结皮、地衣结皮、藻结皮的1 h累积入渗量分别降低16.10%、28.56%和26.56%。在实验条件下,Kostiakov模型最适用于模拟不同类型BSCs覆盖下土壤水分入渗过程,Horton模型模拟效果次之。     

生物炭对土壤水分蒸发的影响

为确定干旱区生物炭的合理施用量及其对土壤水文过程的影响,采用室内土柱试验,研究了3种生物炭添加量(5%、10%和15%)和4种生物炭类型(d<0.25 mm竹炭、0.25 mm<d<1 mm竹炭、d<0.25 mm木炭和0.25 mm <d<1 mm木炭;d为粒径)对地下水补给、土壤持水能力、土壤水分上升运动和蒸发的影响.结果表明: 生物炭对地下水补给、土壤持水能力、土壤水分上升运动和蒸发都有明显影响,但生物炭原料和粒径不同,其影响效果不同;随生物炭施加量的升高,地下水对土壤补给量增大;添加生物炭可提高土壤持水能力,促进土壤水含量的上升速度,其中,添加竹炭效果大于木炭,小粒径生物炭大于大粒径生物炭;生物炭添加量较低(5%)时能有效抑制土壤蒸发,但添加量过高则可能促进土壤蒸发.干旱地区土壤适当施用生物炭可提高土壤保墒能力.     

天山林区不同群落土壤水分入渗特性的对比分析与模拟

土壤入渗特性是影响森林生态水文过程的一个重要环节。为了比较不同群落类型土壤水分入渗特性的差异,在天山中段北坡林区利用环刀法测定天然林、人工林、林窗草地、草地、林缘灌木林、山前灌木林六种群落类型的森林土壤入渗过程,对比分析有机质含量、毛管孔隙度、容重、含水率等土壤理化性质对入渗过程的影响,用三种常用模型进行入渗过程模拟,分析比较这/min之间,稳定min之间,不同群落类型土壤平均入渗率从大到小的排序为:天然林林缘灌木林窗草地草地人工林山前灌木;(2)六种群落类型土壤入渗性能均具有初渗速率平均入渗速率稳定入渗速率的相同趋势;(3)Kostiakov模型对试验六种群落类型土壤入渗过程的拟合精度比较高,适用于描述本研究区域水源涵养林地土壤入渗特征;(4)土壤有机质含量与土壤入渗速率呈正相关,且与初始入渗率达到显著水平;土壤的含水率、土壤毛管孔隙度和土壤容重与土壤入渗能力呈现显著的负相关。通过观测与模拟不同群落类型的土壤水分运动过程,本文可为天山林区生态水文长期定位观测提供有益借鉴。     

雨强对黄土坡面土壤水分入渗及再分布的影响

基于典型黄土的坡地人工降雨实验,对比研究了降雨、入渗及再分布规律;以雨强为主要影响因素,分析了降雨入渗及水分再分布过程中水土物质迁移的定量关系．结果表明,雨强变化对黄土坡面降雨入渗及土壤水分再分布的微观水分运动过程具有重要影响．雨强增大时,入渗和再分布湿润锋均随降雨历时延长而逐渐增加,但水分再分布过程的湿润锋增加速率比入渗慢得多;入渗湿润锋与时间关系可用幂函数表示,同时可表示为雨强的幂函数关系．再分布湿润锋与时间也存在定量关系．雨强越大,初始和稳定的土壤水分入渗率越高,累积入渗量随降雨时间增加得越快．此外,雨强越大,坡顶与坡脚湿润锋深度差异越小,坡面再分布过程的土壤含水量在各层的差异和递减趋势越明显．     

宁夏河东沙地生物土壤结皮对土壤性质及入渗过程的影响

为了揭示沙漠化治理过程中生物土壤结皮覆盖对土壤入渗过程的影响规律,以宁夏河东沙地人工沙漠治理区4种典型地表覆盖类型：裸沙(BS)、藻类结皮(AC)、藓类结皮(MC)、草本-藓类结皮(H-MC)为研究对象,基于野外双环入渗试验与室内模拟,分析了3种生物土壤结皮覆盖下土壤性质的变化与土壤入渗特征。结果表明：(1)与BS相比,3种结皮覆盖下表层土壤砂粒含量减少2.0%—5.1%,粉粒含量增加3.6%—5.8%,有机质含量增加了5—6倍,AC和MC覆盖下土壤总孔隙度与饱和含水量降低,而H-MC与之相反;(2)平均入渗速率表现为BS>H-MC>AC>MC,1h累计入渗量表现为H-MC>BS>AC>MC,与BS相比,AC、MC和H-MC的初渗速率依次减少了14.3%、37.2%、11.8%,AC、MC的稳渗速率分别降低了14.4%和18.3%,H-MC的稳渗速率增加了4.5%;(3)三种模型中,Kostiakov模型最适用于模拟生物土壤结皮覆盖下土壤水分入渗过程。综上,研究区内不同发育程度生物土壤结皮改变了下层土壤的性质以及土壤的入渗特征,MC与AC阻碍水分入渗...     

黄土高寒区典型植被类型土壤入渗特征及其影响因素

为了研究黄土高寒区典型植被在不同坡位下土壤入渗性能差异及其影响因素,采用恒定水头法测定了不同植被类型的土壤入渗过程,并分析了土壤孔隙状况、机械组成、水稳性团聚体等与渗透速率的相关性。结果表明:(1)初渗速率和稳渗速率均表现为青海云杉祁连圆柏华北落叶松荒草地,且差异性显著;同一植被类型的土壤入渗速率沿坡面向下逐渐增大,但差异性不显著;(2)对不同植被类型的土壤入渗过程模拟发现Horton模型拟合效果最好,决定系数均在0.8以上,通用经验模型拟合精度较差,决定系数在0.614—0.982之间;(3)土壤入渗性能与孔隙状况、水稳性团聚体质量分数、有机质含量均有极显著相关性;0.25 mm团聚体质量分数是影响稳渗速率的主要决策因素;总孔隙度是影响初渗速率的最主要的决策因素,而毛管孔隙度是主要的限制因子。为高寒地区土壤入渗模拟以及植被配置等提供了科学依据。     

不同初始含水率下粘质土壤的入渗过程

土壤入渗是降雨渗入土体形成土壤水的基本水文过程,土壤渗透能力影响着地表径流和土壤侵蚀强度。土壤初始含水量决定了入渗初期的土水势,是影响土壤入渗过程的重要因素。利用环刀法,观测了三峡库区林地和草地的土壤入渗过程,对比分析了不同初始含水率下土壤入渗率和常用入渗模型的适宜性。结果表明,随土壤初始含水率的增大,林地和草地下土壤初始入渗率减小,入渗趋于稳定所需时间缩短,累积入渗量和稳定入渗率增大。土壤含水率为12%的林地初始入渗率为8.95 mm/min,是含水率40%林地初始入渗率的4倍,但1h累积入渗量仅是含水率40%林地的2/3。有机质含量丰富的草地土壤入渗过程对初始含水率的敏感性较弱,干湿草地相比较入渗参数的差异不如林地明显。随时间的延长,土壤入渗率逐渐降低,入渗曲线渐趋平缓,最小二乘法拟合结果显示Horton模型对林地和草地下土壤入渗过程的拟合效果较好,且模型参数具有物理意义,是分析和预测三峡库区林草覆盖下土壤入渗过程的适宜模型。     

残膜密度及面积对土壤水分累积入渗量的影响

随着地膜使用量和年限的不断增加,残膜在农田土壤中不断累积并趋于破碎化,影响土壤水分的入渗过程。本研究采用室内土壤水分一维垂直入渗试验,通过设置5个残膜面积水平(0.25、0.5、1、2、8 cm²)和5个残膜密度水平(0、60、180、300、420 kg·hm^-2)共21组试验处理,分析了不同残膜密度及面积对土壤水分累积入渗量的影响。结果表明: 在容重1.53 g·cm^-3的黏壤土中掺入一定量的残膜,加快了土壤水分入渗速率,增加了累积入渗水量;不同残膜面积处理的总入渗水量总是在单片残膜面积为1 cm²时出现突变或转折;残膜面积和残膜密度较大和较小时都会对累积入渗量产生显著影响,且以0.5 cm²残膜面积与200 kg·hm^-2残膜密度组合处理为明显分界,单片残膜面积为0.25 cm²时,累积入渗量最大;土壤中均匀混入单片面积≤0.25 cm²的残膜后,土壤水分累积入渗量曲线的斜率变化显著不同于其他残膜处理,形成了“新构”土壤,具有独特的水分入渗特征。     

三峡库区苔藓生物结皮对土壤水分入渗的影响

在三峡库区王家桥小流域选取以苔藓为优势种的生物结皮样地,以附近无结皮发育的裸地为对照,设计5个盖度水平(1%～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%和80%～100%),采用环刀法测定土壤入渗过程,研究生物结皮盖度对入渗过程的影响。结果表明: 与裸地相比,生物结皮发育可显著提高表层土壤粘结力、孔隙度、黏粒含量、水稳性团聚体和有机碳含量,显著降低土壤容重和砂粒含量。生物结皮促进了土壤水分入渗,初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和累积入渗量可达裸地的2.0倍及以上,土壤入渗性能随结皮盖度的增大呈先增加后减小的变化规律,在40%～60%盖度下最大。通径分析显示,土壤初始入渗率主要受结皮盖度、土壤容重和有机碳含量的影响,稳定入渗率主要受结皮盖度和土壤容重的影响。Horton模型对三峡库区生物结皮覆盖土壤的水分入渗过程拟合效果最佳。