西北干旱区压砂地坡面垄作模式入渗规律研究

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降雨资源对于西北干旱地区土壤水分含量和作物生长发育具有重要的影响意义。压砂地具有增渗减蒸、保蓄降水的作用,随着耕作年限增加,压砂地会出现不同程度的退化,导致压砂地功效减弱。垄沟集雨技术能够集水产流,自动调控垄沟间土壤水分含量,压砂地与垄沟集雨相结合的耕作技术能够提高土壤对降水资源的保蓄作用并降低压砂地退化带来的不良影响。鉴于此,本文以我国西北干旱地区特有的压砂地与垄沟集雨相结合的耕作技术为研究对象,通过室内模拟降雨试验和HYDRUS-2D数值模拟的方法,研究了不同降雨强度、土砂混合比、起垄方式对压砂地坡面土壤降水入渗及运移规律的影响,利用试验结果对数值模型的可靠性进行验证。在此基础上,模拟研究不同土砂混合比、起垄方式对玉米生育期内土壤水分运移规律的影响,主要研究内容如下:(1)为探明不同降雨强度、垄作方式对压砂地坡面土壤降水入渗的影响,利用模拟降雨试验研究15、54和93mm/h三种不同降雨强度和单垄、双垄及平作三种垄作方式对压砂地坡面土壤降水入渗及运移的影响。结果表明:单垄、双垄及平作三种垄作方式在土槽坡面下部的累积入渗量均大于坡面上部,平作土槽坡面上部与下部的累积入渗量受降雨强度影响较大。土壤水分初始入渗速率随着降雨强度增大而增大,双垄的土壤水分入渗速率大于单垄和平作。三种垄作方式在土槽坡面下部的湿润土体剖面含水率均大于土槽坡面上部。研究得出适用于不同降雨强度下压砂地坡面土壤降水入渗的模型是Kostiakov入渗模型,相关系数R~2介于0.8164~0.9917。(2)为揭示不同土砂混合比、垄作方式对压砂地坡面土壤降水入渗的影响,利用模拟降雨试验研究10%、30%、50%、70%、100%(CK)五种不同土砂混合比和单垄、双垄及平作三种垄作方式对压砂地土壤降水入渗及运移的影响。结果表明:单垄、双垄及平作三种垄作方式在土槽坡面下部的累积入渗量均大于上部,平作土槽坡面上部与下部的累积入渗量与土砂混合比大小有显著关系。随着覆盖层土砂混合比增大,累积入渗量呈减小趋势。在相同的土砂混合比覆盖条件下,双垄的压砂地土壤水分略大于单垄,证明双垄的集雨效果在一定程度上来说是优于单垄的。研究得出适用于不同土砂混合比覆盖下压砂地坡面降水入渗的模型是Kostiakov入渗模型,相关系数R~2介于0.9352~0.9917。(3)基于HYDRUS-2D建立压砂地坡面垄作土壤降水入渗及运移数值模型,模拟分析不同降雨强度、土砂混合比、起垄方式下压砂地坡面土壤水分入渗及运移规律,利用试验结果对模型可靠性进行验证。累积入渗量模拟值与实测值拟合结果决定系数R~2介于0.8009~0.9974,土壤含水率的模拟值与实测值拟合结果决定系数R~2介于0.7507~0.9968,表明累积入渗量和土壤含水率的模拟值比较接近实测值,模型基本可靠。(4)以玉米为研究对象,基于HYDRUS-2D构建不同土砂混合比覆盖和起垄方式下玉米生育期内自然降水入渗及运移数值模型,模拟研究了10%、30%、50%、70%、100%(CK)五种土砂混合比和单垄、双垄两种垄作方式共10种处理下压砂地坡面土壤水分运移变化规律。结果表明:土砂混合比及起垄方式对玉米生育期内土壤含水率变化有显著影响。在玉米生育期结束后,随着土砂混合比的增大,土壤水分入渗深度减小,土砂混合物覆盖处理的水分入渗深度显著大于CK,相同的土砂混合比覆盖条件下,双垄的剖面土壤含水率明显大于单垄的剖面土壤含水率。由此可以表明,土壤表层压砂和垄作对于提高降水资源利用率和发展旱作农业有着重要作用。
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