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露天煤矿排土场覆土厚度对土壤水分入渗及植物水分利用的影响

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水土保持学报 2023年第5期37卷 345-351,362页

作者：张雅楠吕刚辽宁工程技术大学环境科学与工程学院辽宁阜新123000

表土回覆是露天煤矿排土场生态修复的关键步骤,覆土厚度直接影响植物生长和复垦成本,为研究露天煤矿排土场不同覆土厚度对土壤水分入渗及植物水分利用的影响,采用室内土柱模拟试验,设置10,20,30,40,50 cm共5个覆土厚度,分别进行垂直入... 详细信息

表土回覆是露天煤矿排土场生态修复的关键步骤,覆土厚度直接影响植物生长和复垦成本,为研究露天煤矿排土场不同覆土厚度对土壤水分入渗及植物水分利用的影响,采用室内土柱模拟试验,设置10,20,30,40,50 cm共5个覆土厚度,分别进行垂直入渗试验和室内盆栽试验(玉米),并结合氢氧同位素稳定示踪技术,研究不同覆土厚度土壤入渗和玉米水分利用特征,筛选研究区排土场最佳覆土厚度。结果表明:覆土厚度为10~30 cm(27.05~33.02 mm/min)的初始入渗速率显著高于40~50 cm(21.59~24.89 mm/min)的初始入渗速率(p入渗速率随覆土厚度的增加而增大,当覆土厚度高于40 cm后,随着覆土厚度的增加稳定入渗速率维持在3 mm/min左右。矸石层入渗过程受覆土层的影响较大,覆土厚度高于40 cm后,矸石层入渗速率基本稳定在土层连接面的入渗速率上。不同覆土厚度下玉米木质部水氢氧同位素值与土壤水氢氧同位素随土层变化曲线交点主要集中在覆土层,因此,玉米生长水分主要来源于覆土层。覆土厚度越大,2条线交点增多、交点分布范围增大,玉米对土壤水分的利用范围越大,当覆土厚度超过40 cm后,玉米水分利用范围基本维持在10~40 cm。结合阜新市最大降雨强度190 mm/h,该地区露天矿排土场覆土厚度应高于40 cm。

关键词：土柱试验覆土厚度水同位素示踪土壤水分入渗

那曲流域土壤冻融事件特性及对土壤水分入渗的影响研究

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那曲流域土壤冻融事件特性及对土壤水分入渗的影响研究

作者：周炜河北工程大学

学位级别：硕士

土壤水分入渗是重要的水循环过程之一,识别其演变特征对保障水安全和生态安全具有重要的作用。“千山之巅、万水之源”的青藏高原地域辽阔、地势高而起伏,空间上分布着大量且理化性质差异化的季节冻土资源。受高原气象驱动,随机、反复... 详细信息

土壤水分入渗是重要的水循环过程之一,识别其演变特征对保障水安全和生态安全具有重要的作用。“千山之巅、万水之源”的青藏高原地域辽阔、地势高而起伏,空间上分布着大量且理化性质差异化的季节冻土资源。受高原气象驱动,随机、反复和活跃的冻融过程使得季节冻土中的水分入渗过程变得特殊而复杂,有待明晰。同时全球气候持续暖化的进程下,季节冻土中的冻融和入渗过程又深受影响。因此气候变暖下的土壤水分入渗响应及其应对措施一直备受关注。本文以青藏高原怒江源区那曲流域为研究区,遴选了小唐古拉、措玛乡、香茂乡、那曲大桥4个典型实验场,并完成了传感器埋设与监测、土样采集与检测、双环入渗三项主要实验内容,收获和整理了那曲流域土壤温湿度、基质势、物理构成、化学性质、入渗量与入渗速率等数据。从土壤水分入渗过程的特征和短历时冻融事件的特性两方面,并结合土壤内部理化性质,探究了那曲流域现状下（2019年至2021年期间）入渗和冻融两个重要水文要素的时空规律和影响关系。通过解析负温与土壤持水、水势及导水性质之间的关系,引入温度参数改进了Green-Ampt入渗模型。最终利用模型数值模拟探究了气候变化下和冻融事件演变下的土壤水分入渗对其的响应,并具有针对性地提出切实可行的应对策略。主要成果如下:（1）分析了2个不同冻融时期（完全融化期、冻结过程期）和4个不同海拔位置（5015m、4732m、4693m和4443m）下的土壤水分入渗特征,以及初始、稳定入渗率与土壤理化因子之间的影响关系。结果表明,等水平液态含水量下,完全融化期的入渗速率可显著大于冻结过程期的入渗速率。现状条件下,那曲流域完全融化期,4500m以下低海拔区的土壤入渗速率大、渗透性好,4500-5000m中海拔区土壤的入渗速率略有降低、渗透性其次,5000m以上高海拔区土壤的水分入渗速率低、渗透性最差。土壤初始入渗速率与初始含水量具有极显著的负相关关系,稳定入渗速率与容重具有极显著的负相关关系,与总有机质、总氮磷含量以及黏粒含量具有极显著的正相关关系。（2）提出了季节冻土短历时冻融事件的评价方法,并从起止时间、总历时、总次数、循环频率及强度五项内容,评价了流域短历时冻融事件的特性。强度评价中采用Copula函数法构建了综合强度指数提高了评价的效率和全面性。结果表明,现状下那曲流域冻融事件总体特性主要受海拔因素影响并随海拔呈现出一定规律,事件在入冬前高海拔区向低海拔区依次开始发生,来年入夏前低海拔区向高海拔区依次结束;中海拔区比高、低海拔区呈现总历时更长、总次数更多、循环频率更高的特点;那曲流域中的措玛乡地区是具有最长总历时、最多总次数和最高频率的地区,而小唐古拉地区是具有最高强度的地区,两地更显著受到冻融影响。（3）改进了Green-Ampt入渗模型并设置入渗模拟情景,探究不同程度的气候变暖（升温）下和不同程度的冻融特性（湿差）演变下的土壤水分入渗响应。2021年至2050年,冻结土壤入渗量的增量在RCP8.5情景中将最多（响应程度最高）、在RCP4.5情景中其次、在RCP2.6情景中最少,且各情景的增量均在中海拔地区最多（响应程度最高）、低海拔区其次、高海拔区最少;当那曲大桥地区的冻结湿差降低演变到措玛乡地区的冻结湿差时,各地入渗量的增加最多。当香茂乡地区的冻融湿差升高演变到那曲大桥地区的冻融湿差时,各地入渗量的减少最多。中低海拔区之间发生冻融特性演变时响应程度最高。本研究有利于进一步探索高寒区水文循环的机制,为高寒区有效利用水资源、合理开展寒区工程建设、自然灾害防治及生态环境保护提供一定的参考依据。

关键词：土壤水分入渗短历时冻融事件气候变化 Green-Ampt入渗模型那曲流域

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沙棘对砒砂岩区土壤水分入渗的影响研究

沙棘对砒砂岩区土壤水分入渗的影响研究

作者：胡健西北农林科技大学

学位级别：硕士

砒砂岩主要分布于黄土高原北部晋陕蒙接壤区,受干旱气候条件以及人类活动的影响,该区生态环境极其脆弱。砒砂岩渗透性低、易产生径流,致使降水资源不能很好的利用,给当地植被恢复带来了巨大挑战。实践证明沙棘可以较好的在该区生长,并... 详细信息

砒砂岩主要分布于黄土高原北部晋陕蒙接壤区,受干旱气候条件以及人类活动的影响,该区生态环境极其脆弱。砒砂岩渗透性低、易产生径流,致使降水资源不能很好的利用,给当地植被恢复带来了巨大挑战。实践证明沙棘可以较好的在该区生长,并在退化沙棘林下出现了其他植物,由此可以看出沙棘可以改善当地土壤生境,对该区生态恢复具有重要意义,目前沙棘恢复过程对该区土壤性质及水分入渗过程的作用和机制尚不明确。基于此,本研究以内蒙古自治区准格尔旗不同生长阶段的沙棘林地为研究对象,裸地和草地作为对照,采用双环入渗仪和染色示踪法研究了土壤水分入渗过程和土壤优先流特征,探究了沙棘生长过程对土壤结构及理化性质的影响,揭示了沙棘生长过程对土壤水分入渗性能和土壤优先流的影响机制。得出以下主要结论:(1)沙棘可以有效改善砒砂岩区土壤理化性质,改善效果因生长阶段不同而有差异。壮年沙棘林地可以有效提高土壤持水性能、孔隙度、根系生物量、草本生物量和凋落物蓄积量,降低土壤容重,改良土壤结构。与裸地相比,壮年沙棘林地的饱和含水量、毛管持水量、田间持水量分别增加74.04%、85.14%和86.06%,土壤容重减小18.06%,毛管孔隙度和总孔隙度分别增加52.56%和43.82%,大团聚体含量和团聚体平均重量直径分别增加96.56%和134.45%,根生物量、草本生物量和凋落物蓄积量分别增加5.84倍、161.70%和389.01%。退化沙棘林地可以有效增加非毛管孔隙度、有机碳含量、总氮含量、根长密度、根表面积密度和根体积密度,降低土壤全磷含量。与裸地相比,退化沙棘林地的非毛管孔隙度增大290.61%,有机碳和全氮含量分别增加91.33%和134.45%,全磷含量降低63.72%,根长密度、根表面积密度和根体积密度分别增加95.05%、123.10%和225.71%。(2)沙棘植被恢复可以促进土壤优先流发育。各样地土壤水分运动形式主要表现为:基质流(裸地)、不稳定流(幼年沙棘林地和草地)、漏斗流(壮年沙棘林地)、大孔隙流(退化沙棘林地);随土壤深度增加,沙棘林地土壤优先流逐渐显现,退化沙棘林地在表层(0-10 cm)开始出现优先流,其次为幼年沙棘林地(10-20 cm层)和壮年沙棘林地(20-40 cm层),在40 cm深度以下,沙棘林地优先流现象消失;土壤质地、养分含量和植被根系是影响土壤优先流的主要因素。黏粒含量和有机碳含量可以预测0-10 cm层土壤优先流强度的75.2%,黏粒含量和总磷含量可以预测10-20 cm层土壤优先流强度的63.5%,总磷含量和根系生物量可以预测20-40 cm层土壤优先流强度的58.1%。(3)沙棘植被恢复可以提高砒砂岩区土壤水分入渗速率。随沙棘林龄增加,土壤水分入渗速率先增大后减小,壮年沙棘林地的土壤水分入渗效果最好;Philip模型对裸地、壮年和退化沙棘林地的土壤水分入渗过程拟合较好,Kostiakov-Lewis模型对幼年沙棘林地和草地的土壤水分入渗过程拟合较好;0-20 cm层土壤基本理化性质和植被根系是影响土壤水分入渗性能的主要因素,直接影响因素是土壤孔隙,间接影响因素是土壤结构和土壤养分,驱动因素是土壤质地和植被根系,20 cm层以下土壤基本理化性质和植被根系对土壤水分入渗的影响程度减弱;对初始入渗率、稳定入渗率和平均入渗率预测效果最好的是田间持水量(0-10 cm层)、根表面积密度(20-40 cm层)和根生物量(10-20 cm层)。本研究表明,沙棘可以有效改善砒砂岩区土壤理化性质,促进土壤水分入渗,进而改善该区土壤生境,改善效果尤以壮龄沙棘林的效果最佳,研究结果可为砒砂岩区植被建设和水土流失防治提供科学依据。

关键词：沙棘砒砂岩优先流土壤水分入渗

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土壤水分入渗影响机制研究综述

灌溉排水学报 2011年第5期30卷 124-130页

作者：李卓刘永红杨勤四川省农业科学院作物研究所成都610066 南方丘区节水农业研究四川省重点实验室成都610066

分析了土壤水分入渗理论及过程模型发展历程,阐明了此领域目前的研究热点。重点对影响土壤水分入渗的结皮、初始含水率、密度、机械组成、结构、有机质含量、温度、钠离子含量及剖面特征等因素逐个做了仔细分析,总结了各因素对土壤水分... 详细信息

分析了土壤水分入渗理论及过程模型发展历程,阐明了此领域目前的研究热点。重点对影响土壤水分入渗的结皮、初始含水率、密度、机械组成、结构、有机质含量、温度、钠离子含量及剖面特征等因素逐个做了仔细分析,总结了各因素对土壤水分入渗能力的影响机制。在此基础上,提出土壤水分入渗研究未来研究重点。

关键词：土壤水分入渗理论过程模型影响机制

基于HYDRUS-2D的负压灌溉土壤水分入渗数值模拟

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农业机械学报 2015年第4期46卷 113-119页

作者：冀荣华王婷婷祁力钧杨知伦中国农业大学信息与电气工程学院北京100083 中国农业大学工学院北京100083

依据土壤水动力学理论,结合负压灌溉条件下土壤水分运动特征,建立了土壤水分入渗模型。利用HYDRUS-2D对所建模型求解,并模拟在负压地下灌溉下,水分在土壤垂直剖面随时间的入渗变化规律。将模拟结果与试验测量结果进行对比验证,结果表明... 详细信息

依据土壤水动力学理论,结合负压灌溉条件下土壤水分运动特征,建立了土壤水分入渗模型。利用HYDRUS-2D对所建模型求解,并模拟在负压地下灌溉下,水分在土壤垂直剖面随时间的入渗变化规律。将模拟结果与试验测量结果进行对比验证,结果表明,两者相对误差为2%～4%,所建模型可以有效描述负压地下灌溉条件下土壤水分入渗规律。利用该模型模拟研究了不同灌水器半径（8、10、12 cm）和不同土质（北京地区土壤和基质）下土壤水分的入渗情况。结果表明：灌水器半径是影响土壤水分入渗的显著性因素。灌水器半径越大,水分入渗速率越快。灌水器尺寸对入渗起始时的入渗延迟有较大影响,灌水器半径越大,延迟越小。土壤水分入渗速率与灌水器半径呈正相关。

关键词：土壤水分入渗负压地下灌溉 HYDRUS-2D 灌水器

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

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应用生态学报 2021年第8期32卷 2875-2885页

作者：张思琪张科利曹梓豪朱彤魏梦瑶北京师范大学地理科学学部北京100875

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... 详细信息

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。

关键词：喀斯特生物土壤结皮发育土壤水分入渗入渗模型

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土壤水分入渗的研究进展和评述

西北林学院学报 2004年第1期19卷 42-45页

作者：赵西宁吴发启中国科学院水利部水土保持研究所陕西杨陵712100 西北农林科技大学资环学院陕西杨陵712100

从土壤水分入渗理论、入渗公式、入渗测定方法以及土壤入渗影响因素4个方面,介绍了国内外有关土壤水分入渗研究的若干成果和进展,并做了简要的分析和评述。

关键词：土壤水分入渗研究进展评述

蚯蚓活动对宝鸡地区农田土壤水分入渗过程的影响

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宝鸡文理学院学报（自然科学版） 2022年第3期42卷 81-85页

作者：李丹丹马莉陈漾漾程凯婧宝鸡文理学院陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室陕西宝鸡721013

目的研究蚯蚓活动对土壤水分入渗过程的影响。方法通过土柱模拟实验,设置3种土壤容重(ρ1,ρ2,ρ3分别为1.28,1.32和1.36 g/cm 3)条件,分析接种蚯蚓和对照处理(无蚯蚓)下土壤水分入渗速率(又称入渗率)、出水速率和累积入渗量变化规律及... 详细信息

目的研究蚯蚓活动对土壤水分入渗过程的影响。方法通过土柱模拟实验,设置3种土壤容重(ρ1,ρ2,ρ3分别为1.28,1.32和1.36 g/cm 3)条件,分析接种蚯蚓和对照处理(无蚯蚓)下土壤水分入渗速率(又称入渗率)、出水速率和累积入渗量变化规律及土壤孔隙特征。结果接种蚯蚓后,土壤水分入渗率随时间推移呈“降低-增加-降低”的曲线变化,蚯蚓活动改变了土壤水分入渗过程。接种蚯蚓后土壤水分初始入渗率提高了0.3%~66.7%,稳定入渗率提高了1.67~2.08倍,土壤出水量提高了1.0~1.3倍。蚯蚓活动使得土壤容重降低了9.4%~12.5%。容重越小,蚯蚓活动越强烈,土壤孔隙越发育,土壤水分入渗能力越强。与对照组相比,土壤容重对土壤水分入渗过程的影响远小于蚯蚓活动产生的影响。土壤水分累积入渗量和出水量均随土壤孔隙度的增加而增加,二者之间呈极好的线性关系。结论蚯蚓活动通过改变土壤孔隙,可促进极端强降雨条件下的土壤水分入渗,减少土壤表面侵蚀,提高深层土壤含水量,进而对植被生长产生重要影响。

关键词：土壤容重土壤水分入渗孔隙度蚯蚓

岩溶坡地不同植被类型土壤水分入渗特征及其影响因素

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生态学杂志 2016年第3期35卷 597-604页

作者：胡阳邓艳蒋忠诚李衍青蓝芙宁中国地质科学院岩溶地质研究所广西桂林541004 国土资源部岩溶生态系统与石漠化治理重点实验室广西桂林541004 桂林理工大学环境科学与工程学院广西桂林541004

通过野外调查与室内分析,研究了广西平果果化典型岩溶坡地荒地、草地、灌丛、林灌4种不同植被覆盖下土壤水分入渗特征及其影响因素。结果表明:荒地、草地和灌丛土壤的平均初渗速率差异不显著,但均明显低于林灌;土壤初渗速率和稳渗速率... 详细信息

通过野外调查与室内分析,研究了广西平果果化典型岩溶坡地荒地、草地、灌丛、林灌4种不同植被覆盖下土壤水分入渗特征及其影响因素。结果表明:荒地、草地和灌丛土壤的平均初渗速率差异不显著,但均明显低于林灌;土壤初渗速率和稳渗速率均较低,均土壤初渗速率和稳渗速率均逐渐降低;荒地、草地和灌丛土壤的渗透系数、累积渗水量差异均不显著,但均明显低于林灌,且随土层深度的增加而降低;稳渗速率、渗透系数与土层深度、土壤容重、粘粒含量、初始含水量呈显著负相关,而与土壤有机碳、非毛管孔隙度、粉(砂)粒、水温呈显著正相关;影响土壤水分入渗性能的主要因素为土壤非毛管孔隙度和土壤中粘粒(<0.002 mm)含量。

关键词：土壤水分入渗渗透速率岩溶植被类型