苏打碱土土壤水分入渗过程及水盐运移特征

来源 :中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:gdtk88
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入渗是灌溉水或降水由地表进入土壤的过程。入渗不仅是水分在土体中的再分布过程,还伴随着农药、污染物、养分等物质的迁移转化。对盐渍土来讲,入渗过程中由于水分变动引起的盐分动态变化是盐渍土改良研究中的核心问题。松嫩平原是世界三大盐渍土集中分布区之一,盐渍化问题是制约区域经济发展和生态环境改善的重要因素。研究不同盐碱程度盐渍土入渗过程,探明其影响因素和机理,从而进行改良和利用,对促进区域盐渍化防治和水土资源的合理利用具有重要意义。本研究以松嫩平原西部五种典型盐生景观代表的不同盐碱程度苏打碱土为研究对象,结合野外监测和室内模拟,采用单环定水头积水入渗法和染料示踪法探明了五种典型盐生景观土壤的入渗过程和水流在土体中的运动模式,通过主成分分析确定了描述入渗过程的综合指标,构建了入渗能力指数;并通过结构方程模型确定了影响入渗过程的环境因子。室内一维土柱垂直入渗试验系统分析了生物炭添加量和添加粒径大小对入渗过程的影响。最后通过验证四个经典入渗模型对模拟供试土壤入渗规律的适应性,选择了拟合程度高的最优模型。主要取得以下几方面研究结果:(1)分形维数可作为一个反映供试土壤质地和盐分含量的指标。六种盐生景观土壤盐分含量在569.67~14311.78 mg·kg-1(0.06%~1.43%)之间,盐分组成中HCO3-和Na+含量分别占57.24%和14.68%,p H在8.68~10.35之间,玉米地土壤和羊草群落土壤ECe<4 d S·m-1,属于碱土外,其余四种不同盐生景观土壤SAR在21.92~115.71之间,ECe>4 d S·m-1,均为典型的苏打盐碱土。质地组成中砂粒含量最高,其中以细砂含量为主,含量为49.48%~77.78%,分形维数在2.35~2.61之间,分形维数与砂粒含量呈极显著负相关,与粉粒和粘粒含量呈极显著正相关。分形维数与盐分含量呈显著正相关,与HCO3-含量呈极显著正相关,盐分和HCO3-含量与土壤颗粒组成显著相关。(2)五种盐生景观土壤稳定入渗速率随土壤碱化程度增加而减小,玉米地碱化度最小(1.09%)而土壤稳定入渗速率最大(65.10±4.29 mm/h),羊草地土壤次之(ESP 1.61%)(47.92±6.44 mm/h),二者之间差异显著(P<0.05),其余三种土壤稳定入渗速率为:虎尾草群落土壤ESP为48.86%(1.78±0.44 mm/h)>碱斑裸地ESP为49.88%(0.28±0.33 mm/h)>碱蓬群落土壤ESP为65.82%(0.13±0.10 mm/h),三者稳定入渗速率之间无显著差异,达到稳定入渗时五种土壤入渗速率分别仅有初始入渗速率的60.7%、36.1%、2.2%、1.0%和0.8%。以平均入渗速率和达到稳定入渗时间两个参数建立了综合表征入渗过程的入渗能力指数,并基于分形维数、非毛管孔隙度、钠吸附比和盐分含量四个参数建立的结构方程模型解释了97%的入渗能力指数,其中盐分含量和分形维数对入渗起负作用,而非毛管孔隙度对入渗起促进作用,盐分的负作用(-0.92)远大于分形维数的负作用(-0.16)和非毛管孔隙的促进作用(0.18)。对比四个经典入渗模型,Horton模型对玉米地、羊草地、虎尾草地和碱斑裸地土壤水分入渗过程拟合程度高,R2在0.93~0.97;均方根误差最小,为3.34~7.20;通用经验模型对碱蓬地土壤水分入渗过程拟合程度高,R2和均方根误差分别为0.99和0.34。模型预测值和实测值经卡方检验表明二者之间无显著性差异,因此Horton模型和通用经验模型可用来模拟供试土壤的入渗规律。(3)五种苏打碱土土壤入渗水流模式以基质流为主,优先流也有不同程度发育,土壤本身性质是影响土壤水流运动模式的主要原因。土壤盐碱化特征参数(盐分含量、HCO3-含量、碱化度、钠吸附比)与优先流参数之间呈显著或极显著负相关;土壤质地(分形维数)与优先流参数亦呈极显著负相关;土壤质地越粗,越不容易发生优先流。土壤容重和总孔隙度分别与优先流参数呈极显著负相关、极显著正相关,但土壤初始含水量与优先流参数之间无显著相关性。入渗后0-10 cm土层水分含量显著高于入渗前,平均高0.98%~21.17%,随土层深度增加,入渗后含水量逐渐接近入渗前土壤水分含量。入渗后0-10 cm土层电导率比入渗前低3.39%~63.30%,而最大入渗深度处电导率除农田砂土减少20.72%外,其余四种土壤增加了11.68%~85.89%,表明表层土壤中盐分在入渗过程中不同程度的被淋洗到深层土壤。(4)生物炭对入渗过程影响作用不仅与添加量、添加粒径大小有关,还与土壤本身质地有关。当粒径<0.25 mm,添加量为5%时生物炭添加降低了玉米地和羊草地土壤稳定入渗速率,而10%和15%添加量增加其稳定入渗速率;而粒径在0.25~1 mm和1~2 mm,添加量为5%、10%、15%时均降低玉米地和羊草地土壤的稳定入渗速率。生物炭添加一致促进了虎尾草地和碱斑裸地的稳定入渗速率,对碱斑裸地和虎尾草地两种土壤稳定入渗速率增加范围为110.00~56.50倍、2.00~3.43倍,对碱斑裸地砂壤土稳定入渗速率促进作用远大于对虎尾草壤砂土的促进作用,并且小粒径生物炭对虎尾草地和碱斑裸地入渗的促进作用明显高于大粒径生物炭。与未添加生物炭对比,生物炭添加增加了玉米地和羊草地土壤相同土层电导率值,增加幅度随生物炭添加量的增加而增大;生物炭添加降低了虎尾草地和碱斑裸地土壤的电导率值,并且相同土层深度添加量越大,降低幅度越大。
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