斥水土壤中指流发育过程试验研究

摘要

斥水性土壤在全球范围内分布普遍，且对环境有着直接或间接的负面影响，如加剧土壤侵蚀和坡面径流，引发土壤水分的优先流现象，从而导致土壤中溶质迁移、地下水污染等问题，不利于农业的可持续发展。为了研究土壤斥水性(SWR)的产生机理和影响因素，以新疆玛纳斯河流域主要灌区的农田土壤为研究对象，分别采用了滴水穿透时间(WDPT)、酒精摩尔浓度(MED)和接触角(ω)三种指标表征SWR，探讨各指标之间的联系和差异，其中，接触角ω的测定采用了高度法和质量法两种方法;对WDPT值是否受烘干及不同容重值的影响进行了比较，研究了影响SWR的关键理化性质因素，探讨了SWR的形成机理和产生原因。在对SWR指标进行分析的基础上，进一步对斥水土壤中的水分运动进行研究，采用人工添加斥水剂配置不同斥水程度土壤的方法，通过室内土箱入渗试验，分析了不同斥水程度下均质和非均质（层状）土壤中的水分运移情况，并且对出现的指流现象选取了多种指标进行了定量分析。研究的主要结果有:
　　(1)三种SWR指标（WDPT、MED及ω）之间存在一定程度的相关性，但MED与θ的相关性不明显，各SWR指标之间虽有一定联系，但存在着一定差异性;高容重土壤的WDPT值比低容重土壤的大，烘干土壤的WDPT值比风干土壤大。采用高度法和质量法测量水与土壤界面的ω值时，高度法的ω值大于质量法，高度法重复之间的差异小于质量法;使用正辛烷作为参比溶液测量水-土壤界面的ω值时，其重复间的差异较小，低于无水乙醇。在多种理化性质中，粘粒含量比其他土壤属性更明显地影响WDPT和ω;钾离子浓度和钠离子浓度均与ω呈正相关;蒙脱石含量与WDPT和MED呈负相关。土壤SWR的三种测定方法中，WDPT法操作简单易行，但结果易被影响;MED法缩短了入渗时间但试验过程较为耗时;接触角法虽然操作复杂，但测定结果相对精确，其中以正辛烷作为参比溶液的高度法使测定结果更加可靠。
　　(2)不论是在均质土壤中还是层状土壤中，斥水性都可以阻碍水分的入渗，降低入渗率。在斥水等级相同的均质土壤中，壤土的入渗耗时比渭河砂土的耗时长，表明水分在细质地土壤中的运移速度明显低于砂质土壤。塿土在亲水、轻微斥水、强烈斥水、严重斥水和极度斥水级别下的处理中，随着入渗时间的增加，累积入渗量(CI)均表现为逐渐变缓的趋势。而在渭河砂土中，除去亲水外的其余四个斥水等级，CI曲线均出现了随时间逐渐增加的趋势，这与塿土的变化趋势相反;同时，斥水土壤中出现指流可引发水分的快速入渗。
　　(3)在均质斥水土壤中，随着斥水程度变强，湿润锋从几近均匀状态，逐渐发展成不均匀形态，并且引发了非均匀流和指流。在相同的斥水程度下，渭河砂土比壤土更易表现出湿润锋的不稳定性，表明在粗质地的斥水土壤中更易引发不稳定流和指流。累积湿润面积（WA）与CI表现出较好的正相关关系。但在均质强烈斥水渭河砂土到均质极度斥水渭河砂土的处理SL3～SL5中，这种关系却符合幂函数的形式，这表明指流发生后，可以在较小的区域中瞬间通过较大的水流量。对SL3～SL5中所出现的指流进行相关指标的计算，指锋流速Fv随着斥水性的增强先略有增加，然后开始变缓;随着斥水性的增强，指流形态在均质渭河砂土中由细长变得短粗;指流长度FL与WA之间有较好的正相关关系，表明入渗量越大，引发的指流越长。SWR可以在一定程度上增强土壤含水率（θv）分布的不均匀性，但是不同的斥水等级对θv分布不均匀性的影响程度存在一定差异。壤土组中，均质极度斥水壤土LL5的变异系数Cv达到最大，说明θv的分布最不均匀。在均质渭河砂土中，强度斥水等级处理的SL3中Cv达到最大，且渭河砂土θv的变异性要高于塿土，说明斥水性砂质土比粘性质地土壤更容易出现非均匀流。
　　(4)层状斥水土壤中的水分运移情况与亲水层状土壤的不同，比均质斥水土壤中更容易发育指流。CI大致随上层土壤斥水程度的增加而降低，并且上层土壤的质地对湿润锋的运移程度和CI的控制力比下层强。随着上层土壤斥水性的提高，指流的湿润锋变得更加不规律，而且相关的指流指标(包括指流长度FL、指流宽度FWh、指锋流速Fv、指根流速Bv、指流形态指数SI和指流分布指数DI)也随着斥水性的变化而发生改变;表征指流发展的不规则性指标SI和DI的最大值出现于GAL3（强烈斥水粘壤土/砂土）和GCL5（极端斥水粘壤土/砂土），这表明了指流最易发生的土壤斥水和层位条件。在不同的斥水等级下，指流参数的变化也相对随机，但是在不同斥水级别和亲水的处理之间，仍然存在明显差异。CI和WA、CI和FL之间均存在较好的线性关系。上层10cm土壤的θv随着斥水程度的增加而下降，但明显高于下层土体。斥水层状土的入渗和指流发展并不完全依斥水等级的增加而呈规律性变化，斥水性和层状结构的综合作用导致水分运动的复杂性得到了增强。综上所述，斥水性细质地土覆盖亲水粗质地土的层状结构会导致指流产生，但是指流的长、宽及数量等的发展不具有一致的规律。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的目的和意义

1．1．1 土壤斥水性发生机理的研究非常必要

1．1．2 斥水性层状土壤中指流的发生机理尚不清楚

1．2 国内外研究进展

1．2．1 SWR的评价指标

1．2．2 土壤斥水性的影响因素

1．2．3 斥水土壤中的指流运动规律的研究

1．2．4 目前研究中存在的问题

1．3 研究思路

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

1．4 小结

第二章 土壤斥水性指标及其影响因素

2．1 材料与方法

2．1．1 土样采集和理化性质的测定

2．1．2 土壤SWR的测定

2．1．3 数据处理

2．2 结果与分析

2．2．1 WDPT和MED变化特征

2．2．2 高度法和质量法测定接触角

2．2．3 不同斥水指标之间的关系

2．2．4 影响斥水性的关键理化因素

2．3 讨论

2．3．1 三种SWR指标间的联系

2．3．2 影响SWR的关键理化因素

2．3．3 三种SWR测定方法的优缺点

2．4 小结

第三章 均质斥水土壤中指流发展过程

3．1 材料与方法

3．1．1 供试土样及理化性质的测定

3．1．2 SWR测定方法

3．1．3 不同斥水等级的土壤配制

3．1．4 试验系统及处理情况

3．1．5 观测及数据处理方法

3．2 结果与分析

3．2．1 累积入渗量和湿润锋变化情况

3．2．2 含水率分布情况

3．3 小结

第四章 非均质斥水土壤中指流发展研究

4．1 材料与方法

4．1．1 土样采集及理化性质的测定

4．1．2 SWR测定方法

4．1．3 不同斥水等级的土壤配制

4．1．4 试验系统及处理情况

4．1．5 观测及数据处理方法

4．2 结果与分析

4．2．1 累积入渗量随时间变化情况

4．2．2 湿润锋变化情况

4．2．3 指流形态指标

4．2．4 累积入渗量、累积湿润面积与指流长度的关系

4．2．5 土壤体积含水率的分布

4．3 小结

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

致谢

作者简介