土壤表层结皮裂缝优先流形态特征研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ytli1981
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降雨打击和冲刷土壤表面导致了结皮的产生,进一步引发的裂缝及优先流发育,会造成农业耕作中水资源的浪费,引发一系列的环境问题。目前,地表结皮的发育、裂缝及优先流发育过程尚不明确,导致我们对水分下渗机理的认识不够全面,因此,有必要对坡耕地微地形作用下的优先流形态特征进行专门探求。本研究以微地形坡耕地为研究对象,通过人工模拟降雨和染色示踪试验,并结合高清摄影和室内分析等手段,测定不同类型结皮的土壤物理性质,得到不同结皮土壤类型下裂缝的开闭合规律和几何形态特征,基于水平和竖直的土壤染色剖面和3种入渗水量(10 mm、30 mm、50 mm),分析不同结皮类型下裂缝对优先流形态特征的影响,并对优先流路径进行相关评价。文章得到以下结论:(1)不同类型结皮之间土壤物理性质差异显著,相较于结构结皮,沉积结皮容重相对较大为1.74 g·cm-3,从土壤颗粒组成角度对结皮土壤进行分析发现,结构结皮的砂粒占比相对较高为13.84%,沉积结皮的黏粒占比相对较高为2.86%。结构结皮的各项裂缝参数显著大于沉积结皮与过渡带结皮。从裂缝几何形态发育来看,不同类型的结皮裂缝发育方式不相同,结构结皮裂缝的为逆坡向裂缝最先发育,二级裂缝在此裂缝基础上发育成形;沉积结皮裂缝为发育过程中相互连通形成主体框架;过渡带结皮裂缝为坡面中部最先开裂,方向为逆坡向的近直线型,发育过程中朝四周扩散。(2)结皮裂缝面积率和裂缝长度密度随含水率降低呈现增大的趋势,裂缝发育完成时,结构结皮的土壤含水率最低为11.88%,沉积结皮的土壤含水率最高为16.84%,同时沉积结皮裂缝的发育历时最长为357 h。在土壤结皮湿润闭合过程中,结构结皮、沉积结皮的裂缝面积率和长度密度随含水率升高呈现减小的趋势。(3)随着入渗水量的增加,结皮土壤中的优先流发育程度会增加,在相同强度的入渗水量条件下时,相较于沉积结皮,结构结皮土壤的染色面积更大,优先流指标差异明显,优先流发育程度更高。相较于优先流发育程度较低的沉积结皮土壤,结构结皮土壤的土壤含水量变化差异较小。将裂缝形态和优先流染色路径进行比对,发现结构结皮的重合度占比更高,在10 mm、30 mm和50 mm入渗水量条件下分别是沉积结皮的9.09、3.85和6.67倍,受裂缝影响更大,同时结构结皮土壤优先流染色区域与裂缝形态相对应,染色区域形态主要取决于一级裂缝几何形态特征。
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