膨胀土干湿循环自然胀缩下土壤水分特征三维曲线研究

【目的】建立了自然胀缩下膨胀土的土壤水分特征三维曲线并探究其拟合参数的变化规律。【方法】利用thermo-TDR探针和土壤水势探针,在测定土壤水分特征曲线的过程中考虑膨胀土体积质量动态变化,得到3种不同质地的膨胀土在3个干湿交替周期中土壤水分特征三维曲线的变化规律。【结果】发现热脉冲探针原位间距校正法能有效提高土壤体积质量的测定准确度,校正后RE由总体10%~40%的偏差降低为总体远小于10%,RMSE经校正后总体由0.3~0.4g/cm^(3)降低为远小于0.1g/cm^(3);引入收缩率这一体积质量参数改进van Genuchten模型,得到较好的土壤水分特征三维曲线拟合结果;随着土壤干湿循环次数增加,模型参数α和n值不断减小,在脱湿过程中,含水率对体积质量和吸力变化的影响在不断削弱;随黏粒量的增大,α和n值呈减小趋势,且改进后的van Genuchten模型拟合效果更好。【结论】原位探针间距校正法对强胀缩土壤的测定准确度提升效果显著,建立考虑体积质量的土壤水分特征三维曲线能更真实描述土壤水分与水势间的关系。

黄土塬区土地利用变化对地表蒸散的影响

明确黄土高原地表蒸散对土地利用变化的响应,有助于评估退耕还林/还草工程对区域气候的影响。为此,在陕西长武黄土塬区5个地点分别采集农地和20龄苹果园10 m深土壤剖面样品,测定土壤水分和氯离子含量,结合当地22龄苹果园4~18 m土壤水分历史数据,基于空间换时间的方法定量评估农地转化为苹果园后对地表蒸散的影响。结果表明:(1)由农地转化的20龄苹果园4~10 m土壤水分明显减小,仅为农地的71%;(2)农地对地下水的平均潜在补给量和地表蒸散量分别为57 mm·a^(-1)和527 mm·a^(-1),分别占年均降水量的10%和90%;(3)农地转化为苹果园后地表蒸散量增加,22龄苹果园平均蒸散量为625 mm·a^(-1),相比农地增加量为98 mm·a^(-1),其中4~10 m和4~18 m深层土壤水分别贡献了24 mm·a^(-1)和41 mm·a^(-1),约占总蒸散量的4%和7%。本文首次定量评估了黄土高原地区农地转化为苹果园对地表蒸散的影响以及深层土壤水对深根系苹果树蒸散的贡献,为评价该区域土地利用变化对蒸散以及气候的影响提供科学依据。

微纳米曝气滴灌系统中气泡传输特性及其影响因素分析

微纳米曝气滴灌系统的水、气和溶解氧传输特性不明,限制了其在农业领域的应用。该研究旨在探索微纳米气泡在滴灌管内的传输特性,为微纳米曝气滴灌系统科学运行提供理论依据。设计0.06~0.22 MPa之间的5个滴灌系统工作压力,0.6、1.5、2.4 L/min 3个进气速率,并以不曝气为对照,通过测量滴灌管首部、中部、末端滴头的水、气出流量及水中溶解氧浓度,分析三者沿滴灌管的传输特性和均匀性,以及进气速率和工作压力对其的影响规律。结果表明:1)微纳米曝气时所有处理的滴头平均出水流量达到额定流量的98.5%及以上,出水均匀度达到96%及以上,且两指标在所有曝气和不曝气处理之间的差异均未达到显著性水平(P>0.05)。2)在适中的工作压力范围内(0.10~0.18 MPa),曝气滴灌系统平均出气流量和均匀度分别在0.13~0.23 L/h、85.50%~92.41%之间,两指标分别随进气速率的提高而提高和降低;而过高或过低的工作压力(0.22、0.06 MPa)会导致个别滴头出气流量异常高,最终提高滴灌系统平均出气流量的同时却大大降低了出气均匀度。3)微纳米曝气滴灌系统的溶解氧浓度较不曝气有明显提高,且所有处理的溶解氧均匀度均达到95%以上;溶解氧浓度沿管道传输方向呈增大趋势,随进气速率的提高呈单峰变化;在1.5 L/min进气速率组合0.14 MPa工作压力时,滴灌系统溶解氧平均值达到最高14.45 mg/L。综合考虑水、气和溶解氧传输效果,微纳米曝气滴灌最佳运行参数为1.5 L/min进气速率组合0.14 MPa工作压力,根据出气均匀度大于85%和溶解氧均值大于12 mg/L确定适宜的工作压力范围为0.10~0.18 MPa,进气速率范围1.5~2.4 L/min。该研究可为微纳米曝气滴灌系统科学运行提供理论依据。

苹果树种植对黄土旱塬土壤蒸发的影响

以陕西长武旱塬为例,分别对研究区农地和5个不同林龄(9、12、16、19 a和23 a)苹果园的土壤剖面氢氧稳定同位素进行测定,利用Craig-Gordon模型定量估算其土壤平均蒸发量,并基于“空间换时间”方法分析果园种植及生长对土壤蒸发的影响。结果表明:农地及9、12、16、19、23 a林龄苹果园的土壤蒸发量均随苹果树的种植及生长呈现先减少再增大的趋势,年均蒸发量分别为129、104、89、119、128、136 mm;苹果园的土壤蒸发量变化与叶面积指数呈显著负相关(R=-0.713);苹果园种植的前中期(9~12 a)土壤蒸发量随叶面积指数增加逐渐减小,而在中后期(12~23 a)深层土壤水被大量消耗造成的干旱胁迫使得果树叶面积减少,从而导致林下土壤蒸发量又逐渐增大。

水汽平衡法测定水稳定同位素的影响因素

水汽平衡法是近年来发展的测定土壤/植物水稳定同位素(^(2)H,^(18)O)的新方法,但由于以往研究存在容器气密性差、样品量不足等问题,降低了该方法测定水稳定同位素的适用范围。本研究以两种不同封口的玻璃顶空瓶、两种塑料袋和两种铝袋为容器,对纯水样在8种储存时间(0.5 d, 1 d,…,30 d),2种背景水汽浓度(0 ppmv, 28 000 ppmv)下进行水稳定同位素测定,探究容器气密性、背景水汽浓度和样品量对测定结果的影响,并在最优条件下与真空蒸馏法对比,验证该方法测定土壤水稳定同位素的适用性。研究结果可对水汽平衡法测定土壤水同位素时容器与样品量的选择提供参考。

覆膜开孔条件下层状土壤蒸发的水热运移

为揭示覆膜开孔条件下不同质地层状土蒸发特性,选择0～100%范围内的6种覆膜开孔率、夹塿和夹砂2种层状土及3个夹层位置,进行室内土柱蒸发试验,测定了蒸发量随时间变化规律,以及土壤水分和温度分布规律.结果表明:覆膜开孔率和夹层位置的变化都影响层状土壤的温度分布,3个层位下全覆膜与裸土蒸发表层温差分别为3.6,6.6和21.8℃,层位越深,剖面温差越大.覆膜开孔率越大,剖面土温整体越低,蒸发水量损失越大;夹层位置越深,累积蒸发量随时间变化曲线整体越高.幂函数和对数模型描述塿夹砂及砂夹塿的累积蒸发量与时间关系较好.总体上,覆膜开孔率和夹层位置都影响蒸发过程中的水热运移规律.

土壤水力特性异质性对土壤排水影响的瞬态随机分析

土壤剖面水分入渗及再分布对生态和水文建模十分重要,而土壤异质性导致垂向的导水率值差异非常大。因此,该文假设在单位梯度下,用微扰法和运动波模型并结合随机分析研究一维瞬态土壤剖面排水的问题。采用Brooks-Corey模型,设饱和导水率和模型参数为随机变量。结果表明:1)饱和导水率方差增大对排水过程具有减缓的作用,有效饱和导水率较小;2)土壤导水率异质性越大,土壤蓄水能力越强;3)比较模型参数的波动与饱和导水率方差和模型参数的协方差,饱和导水率方差对排水影响更大;4)田间排水试验的结论与模型预测相一致。研究可为以长期自我维持的生态系统和高田间持水量为目标的土壤复垦提供依据。

田间土壤某些特性的空间变异分析与Kriging和Cokriging分析——Ⅰ.空间变异分析

本文对51个测点各两个层次几种土壤特性进行了空间变异分析。结果表明在不考虑样点位置时,土壤饱和导水率呈对数正态分布,而两个层次的土壤粘粒、粉粒、不同粒径的微团聚体和有机质含量均呈正态分布。空间变异结构分析表明,两个层次的土壤粘粒、粉粒、微团聚体含量是空间自相关的(除表层<0.002mm微团聚体)和空间交互相关的。

激光水稳定性同位素分析仪测定矿泉水中的δ~2H、δ^(18)O和δ^(17)O

通过多次测定标准样品,统计分析得出,LWA-45EP型激光水稳定性同位素分析仪具有很好的准确性和精密度,标准样品的δ~2H、δ^(18)O和δ^(17)O的测量值与真值之间达到极显著相关,R>0.9999,测量精度为0.17‰(δ~2H)、0.06‰(δ^(18)O)、0.05‰(δ^(17)O)。采用该仪器对16种饮用矿泉水进行测定,结果表明水中氢氧同位素组成具有明显的时空差异。

田间土壤某些特性的空间变异分析与Kriging和cokrignig分析 Ⅱ.Kriging分析

本文应用Kriging方法,对土壤的微团聚体含量,机械组成等特性分别进行了分析,并与线性内插法进行了比较。由于Kriging方法充分考虑了田间的空间变异结构,因而它比线性内插法有更高的估计精度。同时本文还分析了影响Kriging的几个因素,结果表明,邻域样点数,样点间距以及选择的半方差图模型都对Kriging估计方差有很大影响。

不同放牧条件内蒙古草原土壤冻融期水热动态

内蒙古草原地处季节性冻土区,与放牧强度相关,土壤冻融过程对该地生态和水文过程有着显著影响,但相关研究相对欠缺。该文重点研究了内蒙古锡林郭勒草原3种放牧条件下UG79(1979年以来禁牧)、UG99(1999年以来禁牧)、HG(1979年以来持续放牧)季节性冻融期的土壤水热动态,以期准确理解放牧这一当地主要土地利用模式对土壤生态水文过程的影响。结果表明:与地上覆盖度相关,不同放牧条件下地表积雪厚度有明显差异,其中HG处理积雪厚度远小于其他处理,其土壤温度变化也最为剧烈。与不同处理土壤冻结速率相关,土壤冻结时HG,UG79和UG99的"聚墒区"分别为20—30cm,10—20cm和10—30cm,其中UG99"聚墒区"分布范围最广,且集中在牧草根系发达区域,对来年牧草生长提供了更好的水分条件。换言之,由于冻后聚墒效应,土壤消融期水分含量在土壤表层高于冻融前,其中UG99处理最大,达到了0.19m^3/m^3。该研究结果为内蒙古草原季节性冻土区控制放牧及合理的禁牧措施提供理论依据。

基于加热光纤分布式温度传感器的土壤含水率测定方法

为探讨加热光纤分布式温度传感技术测量土壤含水率不同方法的可行性,通过室内土槽试验,加热埋设于砂土的碳纤维光纤,利用分布式温度传感器测量不同含水率下沿光纤的温度变化,建立最大升温值、累积升温值和热导率与土壤含水率的关系,并比较这3种方法推求土壤含水率的测量精度。结果表明,光纤的温度波动随采样间距的增大或时间间隔的增大均减小,合理的采样间距和时间间隔设置能控制温度波动小于±0.1℃。在低(0~0.1 m^3/m^3)、中(>0.1~0.2 m^3/m^3)和高(>0.2~0.35 m^3/m^3)3个含水率水平,热导率法的测量精度均高于最大升温值法和累积升温值法,并且3种方法的测量精度均随含水率增加而降低;热导率法的均方根误差为0.015 m^3/m^3,低于最大升温值法(0.038 m^3/m^3)和累积升温值法(0.050 m^3/m^3)。研究对高时空分辨率精确获取田间尺度土壤墒情信息发展精准农业具有重要意义。

黄土高原退耕还林措施对深层土壤含水率的影响

深层土壤水分分布状况对于黄土高原植被恢复和农业可持续发展意义重大。对陕北黄土区不同退耕还林措施(1979年种植的侧柏林、油松林和苹果林)及农地(对照)20 m深土壤剖面的土壤水分、根系分布状况及土壤粘粒含量进行了取样分析。结果表明:退耕还林措施显著降低了土壤含水率,总体表现为农地(11.30%)>苹果林(6.66%)≈油松林(6.48%)≈侧柏林(5.92%)。深层土壤含水率同时受植物根系和土壤质地的影响,植物根系是影响4~10 m土壤含水率的主要因素,根系通过吸水作用降低了土壤含水率,但随着深度的增加,根系对土壤含水率的影响逐渐减弱,土壤质地对土壤含水率的影响逐渐增强,土壤含水率与土壤粘粒含量之间呈正相关关系。侧柏人工林根系影响土壤水分深度可达18 m,油松林的影响深度为16 m,35 a树龄的苹果林耗水深度为19 m左右。

黄土高原不同林龄苹果树根系吸水策略对降水的响应

在黄土高原陕西省长武塬区选取品种和管理手段均相同的3种林龄果园(尚未结果的5年幼龄果园、已结果的8年初果园和13年壮果园)苹果树,采用空间换时间的试验设计,分别于2015年7月12日和8月19日对0—500cm深度土壤及对应取样处的苹果树枝条取样,测定土样和枝条样中水分的稳定氢氧同位素,并利用贝叶斯模型量化降水前后不同土层对苹果林耗水的贡献。结果表明:(1)不同林龄苹果树降雨前后的主要水分来源深度不同。干旱时,13年壮龄果树的主要吸水深度比5年和8年果树深;而生长旺季,雨季降水只能补充未挂果的5年幼龄果园土壤水分消耗,即使降水量很大,也无法满足已经开始挂果的8年和13年果园土壤水分消耗。(2)在干旱期,5年和8年果树50%以上的水分来自表层0—100cm土壤,而13年果树50%的水分来自100—300cm土层。而降水后,5年和8年果树的主要水分来源变为100—300cm土层,贡献值在40%左右;13年果园的主要水分贡献层为0—100cm土层,贡献了近50%的水分。(3)3种林龄果树根系对300—500cm土层土壤水分的吸收对降雨的响应非常弱,降雨前后贡献率始终保持在30%。

利用非线性模型提高加长型热脉冲双探针土壤热参数测定精度

热脉冲双探针技术被广泛应用于土壤热参数和含水率的测定。然而长度为2.8 cm的常规热脉冲双探针空间测试范围太小,加长探针可增加测定结果的代表性,但容易出现探针倾斜(探针间距改变),进而影响测量精度。设计制作了长度为10 cm的热脉冲双探针,通过室内土柱试验测定了四种倾斜方式(共面外倾、非共面外倾、共面内倾以及非共面内倾)下的土壤热参数和含水率,并利用线性和非线性修正模型对探针倾斜引起的测定误差进行了校正。结果表明:对于加长型双探针,非线性模型对探针间距的原位校正效果明显优于线性模型;非线性模型校正后的土壤容积热容和含水率准确度大幅提高。有效解决了加长型热脉冲双探针倾斜引起的测量误差,为探针的广泛应用提供了理论基础。

滴灌下AHFO法监测砾石区土壤水分时空变异研究

为监测滴灌条件下的田间土壤水分变化,利用主动加热光纤(Active heated fiber optics,AHFO)法监测山东省砾石区地下滴灌下的土壤水分时空变异,并用时域反射技术(Time domain reflectometry,TDR)法对比其测量精度。结果表明,AHFO法与TDR法测得的土壤含水率具有较好的相关关系(P<0.01),AHFO法测量精度在0.025~0.038 m^(3)/m^(3)之间;由于砾石的影响,AHFO法的测量精度略有降低;采用AHFO法测得的土壤含水率对灌溉有较好的响应,说明AHFO法能够获取滴灌过程土壤水分的演变;采用AHFO法测得的土壤含水率空间分布与砾石含量具有显著相关关系(P<0.05),说明砾石含量是控制田间土壤水分的主导因素。

宇宙射线中子法测量中尺度土壤含水率研究综述

土壤含水率是农业生产与灌溉管理中的重要监测指标,而田间土壤含水率存在较大的时空变异性,作为目前测定区域土壤含水率的一种新方法,宇宙射线中子法具有连续测量、高精确度、对场地无破坏等优点,已被证明可以测量数百米范围内(中尺度)一定深度的平均土壤含水率。该方法在点尺度和遥感大尺度之间架起了桥梁,正逐渐运用于农业灌溉管理、水文数据同化和水文建模等领域。本文通过凝练近年来宇宙射线中子法的相关研究进展与成果,全面总结了其测量原理、监测范围、影响因素及校正原理,并重点阐述了该方法在农业、水文等领域的应用现状、现存问题及发展趋势。可为读者快速、详尽地了解宇宙射线中子法研究进展提供参考。目前,对宇宙射线中子法的改进与应用研究成果显著,但建筑区域标定的缺乏与道路区域标定的补充、空间灵敏度的校正、大高差跨度下的应用等问题亟须进一步研究和解决。

黄土高原中部浅层地下水化学特征及影响因素

通过采集黄土高原中部沿黄流域57个浅层地下水水样,采用定性(Gibbs模型、Na端元和离子相关关系)和定量(正向演替模型)分析方法探究了该地区地下水水化学特征、沿程变化规律和控制因素.结果表明,黄土高原中部沿黄流域浅层地下水均呈弱碱性;优势阴阳离子分别为HCO_(3)^(-)和Na^(+);水化学类型以HCO_(3)-Ca-Mg为主,占40%.研究区地下水主要离子自北向南变化趋势有所差异,其中Cl^(-)浓度保持动态稳定,SO_(4)^(2-)、HCO_(3)^(-)、Mg^(2+)和Na^(+)浓度沿程增加,而NO_(3)^(-)、Ca^(2+)和K^(+)浓度沿程降低,矿产资源开发是研究区地下水SO_(4)^(2-)重要来源,而强烈的阳离子交替吸附作用是引起Na^(+)富集的重要因素.研究区地下水溶质来源主要受岩石风化作用控制,以硅酸盐岩石风化为主;大气输入、人类活动和岩石风化对地下水溶质的相对贡献分别为5%±3%、6%±13%和89%±13%.此外,下垫面因素改变、人类活动以及气候变化通过改变地下水补给与排泄等过程直接或间接的影响了地下水水量和水质.本研究结果将为黄河流域和其他类似地区当前和未来的地下水质量管理项目提供参考.

Soil trend effect on genetic correlation of crop properties

Analysis of influence of spatial trend on calculated genetic correlation coeffi-cient was carried out on winter wheat variety trial of a random block design. The result indicated that significant spatial structure existed in thousand kernel weight and kernels per head of winter wheat. Simulated data based on field data demonstrate that strong spatial trend is one of the important causes for genetic correlation coefficient (absolute value) being greater than 1. We suggested that analysis of spatial structure of field data by geostatistical technology be conducted before calculating genetic correlation coefficient.

地统计学在方差分析中的应用

本文利用地统计学理论，对棉花二因子３水平的随机区组试验资料进行了空间方差分析．土壤趋势因子导致半方差函数分析表明，产量偏差（对均值）在１２．６ｍ的范围内存在着空间相关．传统方差分析否定了任何处理效应而空间方差分析则指明在０．０５水平，播期对棉花产量有着显著的影响．这是因为传统方差分析忽视试验误差的空间依变性，使得田间存在的趋势因子掩盖了处理效应．应用空间方差分析可以分离出趋势因子，相对地降低误差项，从而得出真正的处理效应．因此，空间方差分析是田间试验中评价处理效应的有用方法．