添加物与盐分对土壤持水与水分入渗—蒸发特性的影响

发布时间：2017-12-20 13:35

  本文关键词：添加物与盐分对土壤持水与水分入渗—蒸发特性的影响　出处：《西北农林科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：我国农业用水量大且利用效率较低,加之正面临淡水资源短缺和供需矛盾突出的现状,故发展劣质水灌溉有利于缓解淡水资源透支开采的问题;另一方面,在不当的土地利用方式影响下,农田土壤结构被破坏,导致土壤持水能力呈现下降趋势,故采用投入成本低且操作简单的方法(例如向土壤中施加保水材料)改善土壤持水能力尤为重要。因此,发展非优质水灌溉和提高土壤持水能力具有现实指导意义,同时也可降低农田作业投入产出比。本文以新疆砂壤土(XJ)、辽宁砂壤土(LN)、山东壤土(SD)、陕西粉黏壤土(SX-A)、云南黏壤土(YN)和陕西黏壤土(SX-B)作为供试土壤,依据微咸水、咸水、盐水和卤水划分标准,分别配制1、5、30和100 g/L的KCl、NaCl、CaCl2和MgCl2等4种溶液作为非优质入渗水源,选取小麦秸秆(WS)、麦壳(WH)和菜籽油渣(PD)作为土壤保水材料,开展了室内一维土柱模拟试验。重点研究了盐分类型及浓度和添加物类型及施量对土壤持水能力的影响,同时对土壤失水过程中的收缩特性进行评价;并研究了不同水质盐溶液和添加物对水分入渗和蒸发过程及其再分布特性的影响。主要取得以下研究成果:(1)YN、LN、XJ、SD和SX-A土样的土壤水分特征曲线适宜拟合模型分别为VG-B(m,n)、LND-M、VG-M(1-1/n,n)、VG-M(1-1/n,n)和VG-B(m,n)模型,其中van Genuchten模型可作为最优模型同时对5种土壤进行土壤水分特征曲线拟合;在土壤水分特征曲线测定过程中,5种供试土壤的收缩量表现为LNSX-AYNXJSD,且土壤有效收缩度随吸力增加呈现对数增长趋势;三直线模型可用于对土壤收缩特征曲线进行描述,并可划分为伪饱和段、结构段和超正常段。(2)WS、WH和PD等3种添加物有利于提高土壤持水能力,持水效果表现为PDWSWH,且持水能力随添加物施量增加而增强,可分别提高土壤含水率约22.80%、10.93%和7.19%;结合毛管理论改进的van Genuchten模型可对含有添加物条件的土壤水分特征曲线进行拟合,并采用遗传算法进行参数率定。含有添加物土体线缩率随吸力增加呈现对数增长趋势、随含水率增加呈现Logistic形式减小趋势;与纯土相比,3种添加物可减小土壤收缩度和裂缝,不同处理的土体几何收缩量和开裂程度分别表现为WHPDWS和PDWSWH。(3)K+、Na+、Ca2+和Mg2+等4种盐离子易降低土壤持水能力,且土壤持水性随盐溶液浓度增高而降低;van Genuchten模型适合用于此4种盐离子溶液浸泡土壤的水分特征曲线拟合;4种离子易降低土壤饱和含水率、残余含水率和进气吸力,其中土壤饱和含水率随溶液浓度增加而降低。土体轴向收缩应变与K+和Na+浓度均呈负相关关系,且分别存在极显著和显著相关性,K+(P0.01)、高浓度Na+(P0.05)和低浓度Mg2+可减轻土壤轴向收缩度,在收缩过程中,4种离子导致土壤容重增加的幅度表现为Mg2+Ca2+Na+K+;4种盐阳离子均可减轻土壤开裂程度,且土壤裂隙面积密度和长度密度与K+、Na+和Ca2+浓度呈负相关、与Mg2+浓度呈正相关关系,且与K+、Na+和Mg2+浓度存在极显著相关性、与Ca2+浓度存在显著相关性。(4)PD和WS均可减缓湿润锋下移并对土壤水分具有减渗效果,湿润锋运移距离和累积入渗量均随添加物施量增加而减小;另一方面,二者均可抑制土壤蒸发,且累积蒸发量随添加物施量增加而减小。掺混添加物土壤的累积入渗量与入渗历时、累积蒸发量与蒸发历时之间的关系可分别采用Kostiakov模型和Rose模型进行拟合;基于入渗和蒸发结束时的土壤剖面含水率,PD比WS更有利于提高土壤持水能力。(5)对于杨凌当地农田土壤,整体表现出Ca2+和Mg2+更易导致湿润锋下移,入渗结束时,土壤垂向剖面含水率随溶液浓度增加而减小,且CaCl2和KCl溶液分别使得土壤剖面含水率最小和最大。扩展对不同土壤的研究,表明对于YN、LN、SD、XJ和SX-B土样,盐溶液均可导致土壤水分加速入渗,但对土壤累积入渗量的影响差异较小;与对照处理相比,SX-B土样湿润锋运移速率受盐溶液影响最小;另一方面,盐溶液可导致土壤水分加速蒸发,此5种土壤水分散失分别受MgCl2、NaCl、CaCl2、KCl和NaCl溶液影响程度最低;入渗和蒸发过程结束时,此5种土壤剖面含水率分布分别受MgCl2、MgCl2、KCl、KCl和NaCl溶液影响程度最低。添加物与盐分对土壤水分特征曲线和水分在土体中的运动特征具有不同程度的影响,论文基于试验观测并仅从土壤物理学角度对土壤持水特性和水分入渗-蒸发特性进行了分析研究;然而不同类型添加物和盐分的作用机理复杂,涉及到土壤化学等学科知识,这还需今后做进一步深入分析。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S152.7

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本文编号：1312298