凹凸棒土添加对土壤蒸发及裂缝特征的影响

水分是限制干旱与半干旱地区植被恢复和农业发展的最重要因素之一,减少土壤水分无效蒸发损失可提高水分利用效率。凹凸棒土(ATP)作为一种黏土矿物,其亲水性和吸附性对限制土壤蒸发具有重要作用。本研究选取黄土高原干旱与半干旱区3种不同质地的典型土壤(黑垆土、黄绵土、风沙土),设置5种ATP添加量(0%、1%、2%、3%、4%),使用微型蒸发器在自然条件下进行土壤蒸发试验,探究ATP添加对不同土壤蒸发过程和蒸发面裂缝特征的影响。结果表明: 当ATP添加量<3%时,在同一种土壤下累积蒸发量与蒸发损失率随ATP添加量的增加而减小;ATP添加量为3%时,黑垆土、风沙土的累积蒸发量和蒸发损失率均减小,黄绵土的累积蒸发量和蒸发损失率增加;ATP添加量为4%时,黑垆土的累积蒸发量减小、蒸发损失率增加,风沙土的累积蒸发量增加、蒸发损失率减小,黄绵土的累积蒸发量和蒸发损失率均减小。不同土壤平均累积蒸发量表现为:黑垆土>黄绵土>风沙土。在同一种土壤的整个蒸发过程中,施加ATP处理的土壤含水量始终高于对照。累积蒸发量与时间平方根关系的模拟结果表明,蒸发结束时ATP处理下土壤样品可以释放的水量高于对照。添加ATP后黑垆土和黄绵土的裂缝面密度显著增加,风沙土裂缝面密度随ATP添加量的增加而增加,3种土壤的裂缝面密度在ATP添加量为4%时均达到最大值。ATP添加量为3%时可以在最大程度上减少土壤水分无效蒸发。     

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.     

间歇降雨和多场次降雨条件下黄土坡面土壤水分入渗特性

基于可控的坡面间歇降雨和多场次降雨试验,对黄土坡面土壤水分入渗及分布特征进行了研究.结果表明：间歇降雨条件下,两次降雨期间的累积径流量均随降雨历时的延长呈近似线性增加,湿润锋也随降雨时间的延长而增加;在两次降雨的间歇期,湿润锋增加缓慢.入渗率随着坡度的增大而减小,第2次降雨的入渗率随时间而减小的趋势更明显;15°坡面的累积入渗量比25°大,分别为178和88 mm.多场次降雨条件下,各场次降雨的初始入渗率均较高,其中第1场降雨的土壤入渗率、累积入渗量在各时段均明显高于其他场次,后3场降雨的入渗率差异不大;降雨场次越多,湿润锋越深.     

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。     

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.     

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．     

栽培番茄的塿土和黄绵土水分和温度变化规律

用土柱试验,研究了栽培樱桃番茄(Lycopersicon esculentum var.cerasiforme Alef.)的塿土和黄绵土水分运移和温度变化规律,水分运移模型选用土壤中水分分布的动力学模型,土壤温度、空气温湿度变化选用正弦曲线模型。结果表明:塿土在各个不同深度的平均含水量均高于黄绵土,塿土的入渗速率高于黄绵土,同一深度塿土温度高于黄绵土,土壤温度随着深度的增加具有明显的滞后性;黄绵土中樱桃番茄的水分利用效率大于塿土,空气温湿度、土壤温度和土壤含水量相互影响。水分运移模型在土壤浅层处可以得到很好的拟合效果,在拟合方程的变量范围内,根据时间可以较准确的确定樱桃番茄盛果期土壤浅层含水量,对于进一步提高农业干旱防御能力、有效制定节水灌溉计划、提高水分利用效率提供了理论依据。     

生物质炭添加对喀斯特地区坡耕地黄壤水分入渗过程的影响

为探究生物质炭添加对喀斯特地区土壤水分入渗特性的影响,本研究以坡耕地黄壤为对象,采用室内土柱模拟的方法,研究不同添加量(质量分数为0、1%和2%)和不同粒径(粒径大小为<0.25、0.25～1和>1 mm)生物质炭添加下土壤水分累计入渗量、入渗速率及湿润锋进程的变化特征,并对入渗过程进行模拟。结果表明: 在定容重条件下,添加生物质炭后土壤的入渗过程明显受到抑制,添加生物质炭土壤的累计入渗量和入渗速率显著低于未添加生物质炭土壤,生物质炭添加量为1%和2%土壤的累计入渗量和入渗速率无显著差异。不同粒径生物质炭添加下,土壤累计入渗量从大到小依次表现为<0.25、0.25～1和>1 mm。与CK相比,当添加量为1%时,土壤300 min累计入渗量分别下降20.9%、35.2%和45.0%;当添加量为2%时,分别下降21.5%、37.5%和44.2%,说明大粒径生物质炭对土壤入渗的抑制作用显著强于小粒径生物质炭。土壤湿润锋进程对不同含量和不同粒径生物质炭添加的响应趋势与累计入渗量的变化趋势基本一致。Horton和Kostiakov模型能够用于模拟本研究中的土壤水分入渗过程,Horton模型拟合精度高,R²最大(0.91～0.98),均方根误差(RMSE)最小(0.14～0.21),而Kostiakov模型拟合得到的初始入渗速率更接近实测结果。研究结果可为生物质炭的合理施用提供科学依据,也可为喀斯特坡耕地土壤改良和水土保持提供有益参考。     

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。     

荒漠草原两种类型土壤的水分动态对比

基于2017—2018年的定位监测数据,分析了宁夏东部的盐池荒漠草原2种不同类型土壤(灰钙土和风沙土)的水分时空动态特征。结果表明: 2017和2018年生长季(5—10月),研究区降雨量分别为208.2和274.8 mm,降雨在各月份的分配差异较大。2018年除5月存在极端降雨事件(129.6 mm)外,其余各月降雨量均低于2017年。土壤水分变化的季节动态规律大致可以分为两个阶段:土壤水分补偿期(5月初至6月初)和土壤水分波动期(6月中旬至9月底)。0～20 cm土层土壤含水量在降雨后呈骤增骤减的脉冲式特点,深层土壤含水量较稳定。灰钙土土壤含水量随土层加深表现为“升-降-升”的变化,风沙土土壤含水量在0～60 cm土层出现井喷式增加,而后增加缓慢,但随着土层深度的增加土壤含水量逐渐增大。2017年,灰钙土全剖面(0～100 cm)土壤水分表现为积累型,风沙土表现为消耗型;2018年,两种类型的土壤水分在全剖面均表现为消耗型。两种土壤类型土壤水分的时间稳定性随土壤深度的增加而增强,灰钙土和风沙土全剖面的平均土壤含水量代表性土层分别为80～100和40～60 cm。2种类型土壤的土壤水分时空分布不同,风沙土受降水的影响高于灰钙土。降水会降低土壤水分的变异性,改变土壤水分的时间稳定性。     

施用泥炭对风沙土改良及蔬菜生长的影响

通过盆栽试验比较了施用不同剂量的泥炭(0％、2％、5％、8％及10％)对风沙土改良的效果和对白菜生长及产量的影响。结果表明,泥炭能增强风沙土的持水能力,降低土壤的pH值,增加土壤中有机质、全氮、速效氮和速效磷等的含量;白菜根系长度、生物量、高生长和地上部分的生物量均有增加,其中8％泥炭处理为最佳,其根系长度、根鲜重、干重、高生长、地上部分鲜重、干重依次比对照增加71％、402％、464％、107％、847％和1001％;同时施用泥炭还有利于提高白菜干物质的积累及其品质。     

Effects of precipitation, soil water content and soil crust on artificial Haloxylon ammodendron forest

Based on the large-scale survey and positioning observation of Haloxylon ammodendron forest with various ages growing under different site conditions in Shajingzi region at the downstream of Shiyang river, this paper studied the effects of ecological factors such as precipitation, soil water content and soil crust on the artificial H. ammodendron population and communities. Results show that H. ammodendron is restricted by the maximum threshold of precipitation, 180 mm, rather than by the minimum threshold of precipitation. Soil water content is the essential ecological factor affecting artificial H. ammodendron forest. H. ammodendron dies when water content in aeolian sandy soil is less than 0.824%, degenerates when water content is between 0.824% and 1.30%, and grows normally when water content is above 1.30%. The growth of H. ammodendron, restricted by soil water content, aggravates the loss of soil water. Soil water content reduced to 1.3% 8 years after afforestation of H. ammodendron, reduced to less than the wilting coefficient 14 years later, but increased to 1.30% 30 years later when the remaining H. ammodendron population grew normally. Soil crust restricts rainwater infiltration, which will result in soil drought and accelerate degeneration of artificial H. ammodendron forest. Soil water content will increase gradually with undermined soil crust. Compared with bare mobile sand dunes, soil crust has significantly changed the composition and quantity of species in H. ammodendron forest.     

Transport of natural soil nanoparticles in saturated porous media: effects of pH and ionic strength

To understand the effects of ionic strength and pH on the transport of natural soil nanoparticles (NS) in saturated porous media, aeolian sandy soil nanoparticles (AS), cultivated loessial soil nano particles (CS), manural loessial soil nanoparticles (MS) and red soil nanoparticles (RS) were leached with solutions of varying pH and ionic strength. The recovery rate of soil nanoparticles decreased in the order AS > RS > MS > CS. Transport of soil nanoparticles was enhanced with increasing pH and decreasing ionic strength and was attributable to changes in the Zeta potential of NS. Deposition of NS was also affected by the composition of soil nanoparticles and the surface charge. Column experiments showed that the interaction between soil nanoparticles and saturated quartz sand was mainly due to the physical and chemical properties of soil nanoparticles. The Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek interaction energies between NS and sand were affected by pHs and ionic strengths. Soil nanoparticles transport through saturated porous media could be accurately simulated by the one-dimensional advection-dispersion-reaction equation.