不同种植方式对高寒旱区地膜小麦耗水特征和产量的影响

于2019—2022年在陇中高寒旱区以裸地条播为对照(CK),设置全膜覆土穴播(FM)和膜侧沟播(FS)两种覆盖方式,研究不同覆盖种植方式对冬小麦耗水特性、生长发育及产量的影响。结果表明:与CK相比,FM和FS处理播种期~拔节期0~20 cm土层土壤温度分别平均提高3.1℃和2.1℃,灌浆期分别降低0.6℃和1.0℃。覆盖能不同程度提高冬小麦各生育期0~200 cm土层土壤含水量,其中出苗期、返青期、拔节期和灌浆期提高幅度均高于20%。与CK相比,FM处理返青后冬小麦耗水量平均显著提高29.2%,返青前显著降低42.4%;FS处理返青期~灌浆期耗水量提高12.6%,返青前降低25.7%。各处理冬小麦基本苗、分蘖数、公顷穗数、穗粒数、千粒重和产量均表现为FM>FS>CK,处理间差异显著,其中FM和FS处理产量分别较CK平均提高74.7%和45.4%;处理间耗水量差异不显著;FM处理水分利用效率最大,较CK平均提高67.3%,FS次之,较CK平均提高46.1%。综上,地膜覆盖可调节土壤水分状况,改善冬小麦生长发育和成穗情况,显著提高产量和水分利用效率,其中全膜覆土穴播调节效应优于膜侧沟播,是适宜在高寒旱区地膜小麦生产中推广应用的种植方式。

基于土−水特征曲线的非饱和冻土未冻水含量预测

对非饱和土体在冻结温度以下土中未冻水含量进行了理论分析,给出了一种简便的预测方法及其数学模型。基于非饱和土孔隙中气液两相的化学平衡和力学平衡关系,结合土−水特征曲线,给出了以Van Genuchten土−水特征曲线模型参数表示的土体孔隙体积分布密度函数,且水分冻结与土体孔径分布密切相关。根据初始有效饱和度对应的液态水填充的最大孔径和一定冻结温度对应的起始结晶孔径之间的关系,分析了土体孔隙中冰水相变的特征及其临界有效饱和度。当初始有效饱和度超过临界结晶饱和度后,冻结现象才会发生。给出了非饱和土体在冻结温度以下土中未冻水饱和度的预测公式,并通过已有的试验结果对其有效性进行了验证。

不同灌水处理对春玉米土壤水分、耗水特征及产量的影响

【目的】探究不同灌水定额对春玉米全生育期耗水特征及产量的影响,优化克拉玛依地区春玉米节水灌溉制度,以提高当地水分利用效率。【方法】于2021年5—9月在克拉玛依农业综合开发区开展春玉米田间试验,设置6个灌水处理W1(225 m^(3)/hm^(2))、W2(300 m^(3)/hm^(2))、W3(375 m^(3)/hm^(2))、W4(450 m^(3)/hm^(2))、W5(525 m^(3)/hm^(2))、W6(600 m^(3)/hm^(2)),探究不同灌水定额对春玉米耗水特征及产量的影响。【结果】①各生育期不同灌水处理0~100 cm土层土壤含水率随土层深度增加呈“增-减-增”的变化趋势。W5处理在喇叭口期、抽雄散粉期、乳熟期、完熟期较W1、W2、W3、W4、W6处理0~100 cm土层土壤贮水量平均增加了2.35%~9.11%、0.21%~4.37%、0.39%~1.79%、0.60%~4.48%。②完熟期W5处理百粒质量显著高于W1处理和W2处理,但与W3、W4、W6处理无显著性差异。W5处理穗粒数较其他处理显著提高10.49%~36.01%,穗长较其他处理显著提高8.31%~27.12%。③综合评判模型计算得出W5处理(525 m3/hm^(2))综合评价指数最高。【结论】因此,全生育期灌水10次,灌水定额为525 m3/hm^(2)是克拉玛依地区最优灌水处理。

长春地区非饱和粉质黏土的土-水特征试验研究

土-水特征曲线(SWCC)是反映非饱和土工程特性的重要表现形式。为研究长春地区非饱和土的土-水特征曲线变化,以长春地区广泛分布的粉质黏土作为研究对象,采用GEO-Experts压力板仪和GDS非饱和土三轴仪对不同初始含水率的土体进行土-水特征曲线的测量分析。结果表明:不同设备所测得的结果基本一致,土体的进气值均在基质吸力25 kPa左右时达到。土体的体积含水率均随基质吸力的增加而减小,土-水特征曲线均在基质吸力为125 kPa时出现明显拐点。同一含水率土样,GEO-Experts压力板仪的排水体积比GDS非饱和土三轴仪多,压力板仪所对应的体积含水率相对较低。

干旱胁迫对苹果树耗水特征和光合特征的影响

本研究分析了干旱胁迫、半根区灌溉和常规灌溉对长富2号苹果树生理活动的影响,旨在掌握干旱胁迫对苹果树耗水特征和光合特征的影响,为优化苹果树抗旱栽培管理策略提供科学依据。结果表明:相对于常规灌溉,干旱胁迫条件下苹果树峰值茎流速率、平均茎流速率及平均茎流活跃时间均显著下降;短果枝、中长果枝、果台枝叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均显著下降,但水分利用效率有所提高。

原状黄土土-水特征曲线与湿陷性的相关性

为了研究原状黄土土-水特征曲线与黄土湿陷性之间的联系,在陕西西安长安区取地表以下30 m范围内的原状黄土土样,进行基本物理指标试验和湿陷性试验。对不同典型地层的黄土-古土壤试样进行土水特征曲线试验,通过电镜扫描从微观角度分析。研究结果表明:大孔隙的数量与饱和体积含水率呈正相关;中孔隙的数目与过渡区斜率的大小呈正相关,孔隙数目越多土体失水速度越快;微小孔隙的数目和土的塑性指数影响残余含水率的大小。对于不同深度土层,饱和体积含水率和过渡区斜率与土层的湿陷系数呈正相关;塑性指数接近土层的湿陷系数对残余体积含水率的影响不明显;古土壤层的SWCC与湿陷系数之间存在与黄土层相同的正相关性。文章从非饱和土力学的方向去研究黄土的湿陷性,为湿陷性的研究提供一种新的研究角度。

温度影响的吸力循环过程GMZ膨润土持水特征

为揭示核废料深地质处置库多重屏障系统运营过程中膨润土持水性能随水-热耦合作用的周期性变化规律,通过温控气相平衡法和PEG渗析法进行了一系列单次吸力循环及多次吸力循环试验,研究了在自由膨胀条件下吸力循环和温度对膨润土持水性的影响。基于试验所得数据对膨润土持水曲线预测模型Van Genuchten模型进行了修正及验证。研究结果显示:单次吸力循环试验中,膨润土在脱湿路径下的含水率始终高于吸湿路径,表现出回滞现象;随着温度的升高,膨润土的持水能力及回滞现象均呈减弱趋势;而随着吸力或循环次数的增加,回滞现象和温度对持水能力的影响均减弱;在多次循环试验中,每次循环中试样均可累积含水率,但多次脱湿-吸湿循环相比于多次吸湿-脱湿循环表现出更强的累积能力,且每次循环含水率的累积随温度升高或循环次数增加而减少。修正后的Van Genuchten模型同时考虑了温度效应和吸湿或脱湿路径的影响,并且该模型预测结果与试验数据误差在5%以内,证实了其可靠性。

干湿循环作用下原状黄土渗透性及其对土-水特征曲线的影响

为评估干湿循环作用对原状黄土水力特性的劣化效应,对甘肃Q 3黄土进行了4组不同干湿循环路径下的饱和渗透试验与土-水特征测试,分析土体饱和渗透系数和土-水特征曲线随干湿循环次数、循环幅度和下限含水率的变化规律。结果表明:原状黄土饱和渗透系数劣化度与干湿循环次数间关系可采用双曲线函数进行描述,6次循环后劣化度变化趋于稳定;土体饱和渗透系数劣化度随循环幅度增大而线性增大,随下限含水率增大而线性减小。V-G模型对干湿循环下黄土的土-水特征曲线拟合效果良好,模型参数θs、α、n变化幅度较小,而参数θr随循环次数增加呈指数下降趋势。依据试验结果建立了考虑干湿循环3参数的饱和渗透系数劣化模型与土-水特征曲线模型,并对土体非饱和渗透系数进行了预测分析。

基于黏粒含量的黄河下游堤防土水特征曲线预测研究

通过探究黄河下游堤防在不同围压下的土水特征曲线,为汛期堤防安全预报预警提供实时建议。通过分析黄河下游堤防土体黏粒含量与土水特征曲线的关系,提出以黏粒含量及干密度为主要因素的简易参数模型,并基于该模型进一步研究了不同围压条件下土水特征曲线的测算方法。结果表明:黄河下游堤防土体的土水特征曲线根据黏粒含量的不同呈现不同的特点,脱湿曲线可根据黏粒含量分为不同的区域,黏粒含量越大,滞回效应越显著;简易模型对于黏粒含量为20%以上的壤土或黏土的脱湿曲线适用性较好;随着围压的增大,相同含水量对应的基质吸力逐渐增大。模型引入与围压相关的参数c,可实现不同荷载下的黄河下游堤防土水特征曲线预测。

脱湿路径下土体水分变化路径及体积变形对滤纸法测定土-水特征曲线的影响

尽管滤纸法已被广泛应用于非饱和土-土水特性研究,但滤纸法试验数据与压力板试验数据始终存在无法连续、光滑连接的问题。为此,以收缩变形不同的两类土为研究对象,从试样水分变化路径和体积变形两个方面着手,分别开展了一系列室内压力板试验、滤纸法试验和土的收缩试验,并基于土-水特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)试验结果,进行统计指标的量化分析。研究结果表明,饱和脱湿路径下的滤纸法与压力板法联合测定的SWCC试验数据能够有效地连接,而无水分变化路径下的滤纸法与压力板法各自测定的SWCC试验数据在连接时可能会错开或交叉,尤其是变形显著的土体;为了较准确地估算基于饱和度的SWCC,提出一个简单的改进法,仅需补充土的收缩试验;针对不同滤纸法试验结果呈现的差异性,给出了合理的解释。该研究结果不仅能为试验人员在同时处理滤纸法和压力板法试验数据时提供重要的理论指导,还能拓展滤纸法的适用范围。

考虑干湿循环累积损伤的膨胀土土水特征研究

为探明干湿循环中膨胀土裂隙发育对其土水特征的影响,制备经历不同次数干湿循环的柱状土样,并对其土水特征曲线进行测定。结合CT扫描结果,基于裂隙的分形特征构建土柱截面和整体损伤变量,通过其变化规律阐明裂隙发育对土水特征的影响。结果表明:裂隙的分形维数沿深度方向逐渐减小,大体呈线性变化规律,不同循环次数下裂隙的开展过程具有相似性;基于裂隙分形维数构造的损伤变量能够较好描述干湿循环对膨胀土的累积损伤效应,土柱的整体损伤变量随干湿循环次数逐渐增加,且增速逐步提高;提出的基于土柱整体损伤变量进行修正的Fredlund-Xing模型能够较好拟合裂隙膨胀土的土水特征曲线。研究成果能够为后续裂隙膨胀土的渗流和工程应用研究提供理论支持。

川西亚高山森林苔藓与枯落物持水特征

森林苔藓和枯落物在水土保持、水分涵养方面具备重要作用,但现有研究多单一关注苔藓或枯落物,对苔藓-枯落物层的整体效应的认识较少,尤其针对高海拔西南森林林下的苔藓-枯落物层,更为鲜见。本文以川西贡嘎山针叶林和阔叶林地被层(苔藓、枯落物)为研究对象,通过野外调查、采样瓶取样浸水试验,分析了单一苔藓、单一枯落物及苔藓-枯落物整体的持水特征。结果表明:(1)贡嘎山苔藓和枯落物最大持水率为327.9%~432.6%,最大持水量为16.6~79.4 t/hm^(2),有效拦蓄量为7.1~34.2 t/hm^(2)。针叶林比阔叶林具有更大的持水能力和水分拦蓄能力。(2)不同地被组分中,苔藓-枯落物层持水率、有效拦蓄率、持水量和拦蓄量最大,苔藓显著提高了针叶林地被层的水源涵养能力;(3)地被层持水量与时间呈对数关系,吸水速率与时间呈幂函数关系,不同组分持水量和持水率均在0~2 h内迅速增长,2~12 h内缓慢增长,12 h时几乎达到饱和状态。(4)与单一苔藓或枯落物层相比,苔藓-枯落物整体的吸水速率更快,具有更高效的短期降水拦蓄能力。本研究结果可为亚高山森林水源涵养和生态水文研究与保护提供参考和理论基础。

哈巴河流域蒸散发遥感估算与耗水特征评价

蒸散发是干旱区农业绿洲水分消耗的主要途径,准确估算哈巴河流域实际蒸散发量,分析其时空变化规律,挖掘土地利用变化对实际蒸散发的影响,对流域水资源科学管理和高效利用具有重要意义。基于2000-2020年的MOD16遥感数据集,估算哈巴河流域实际蒸散发量,利用Theil-Sen趋势度及Mann-Kendall检验法,分析流域内实际蒸散发时空分布变化规律,通过土地利用动态度法探究流域内土地利用变化程度,结合实际蒸散发量揭示流域内不同土地利用类型下ET的差异性变化特征,并对流域内耗水特征进行评价。结果表明:①时间尺度上,ET年际波动较大,总体呈增加趋势,年增长率为1.4177mm/a;年内变化呈先增后减的变化趋势,季节差异明显。②空间尺度上,ET呈现出显著的空间差异性,呈现北部山区高,南部平原区低,流域中上游高,下游低的分布格局。③不同土地利用类型的平均ET大小表现为林地>耕地>草地>未利用地。④研究区多年平均耗水总量为24.53亿m^(3)。在大尺度地区,MODIS遥感数据适用性较高。林地、耕地等植被覆盖度较高的区域蒸散发明显高于荒漠区等植被覆盖度低的区域,受人类活动的影响,土地利用类型的变化导致其蒸散发及耗水量也随之改变,耗水量与植被覆盖度密切相关。

缙云山典型林地根系分布对土壤土水特征和渗透性的影响

森林土壤的土-水特征曲线和渗透系数是衡量土体非饱和特性中土壤持水能力和渗透能力的重要方式。为了了解不同林地根系表层土壤土水特征和渗透性,基于经典VG模型,通过土壤变水头渗透试验和离心机试验研究缙云山针阔混交林、常绿阔叶林、毛竹林和灌木林4种林地土土水特征和渗透性,同时建立土壤根系含量影响非饱和渗透系数的归一化数学模型。结果表明:1)毛竹林根系分布最多,且粗根比例较大,针阔混交林和常绿阔叶林各径级的根系分布范围均较广,但是每层数量较少;灌木林每层根系分布均数量较多,且细根分布范围最广;2)针阔混交林、常绿阔叶林、毛竹林和灌木林的表层饱和渗透系数k_(s)分别为7.00、7.04、0.69、3.70μm/s,4种林地土壤的k_(s)整体呈随深度增加而减小的趋势,毛竹林第一土层与此规律反常;3)4种林地土壤的进气参数值随土层深度整体呈现先增大后降低的趋势,孔径参数则基本随土层深度增大而减小;4)4种林地土壤的饱和渗透系数与根系数量均呈幂函数关系,R^(2)≥0.95976,考虑根系影响的林地土体非饱和渗透性函数可用归一化数学模型来描述和预测。研究结果可为含根土体水力特性及非饱和土渗流机理的研究提供理论基础。

蔗渣生物炭对岩溶峰丛洼地石灰土土-水特征曲线的影响

岩溶地区岩石裸露、土壤浅薄且持水能力较低,其土壤水分保持和运动状况是其水土漏失治理的重要因素。生物炭拥有多孔结构和高比表面积,能改变土壤持水能力,但其种类、粒径、添加量和土壤类型等因素对土壤持水能力产生正面或负面作用,为了研究添加不同比例蔗渣生物炭对岩溶峰丛洼地石灰土持水特性的影响,选取位于广西河池地区岩溶峰丛洼地的石灰土壤作为试验样本,分别添加不同比例生物炭(0%,2%,4%,6%),利用滤纸法测定生物炭-石灰土混合土在0~40MPa吸附能力下土水特性曲线,并使用扫描电子显微镜(SEM)和核磁共振波谱法(NMR),观察生物炭-石灰土混合土的微观孔隙结构。研究结果表明:当土壤含水量超过30%时,不同比例生物炭掺入量的持水能力相似,土壤的持水性并不会随着生物炭掺入量的增加而持续提升。在添加生物炭0%,2%,4%时混合土的持水能力是在逐渐提高的,添加4%和6%时混合土的持水能力基本一致,这表明添加生物炭存在一个最优值和适用范围。建议岩溶峰丛地区石灰土含水率在30%以下时,施加4%~6%的蔗渣生物炭,可提高土壤的持水能力。

考虑初始孔隙率的非饱和土土 -水特征曲线模型

为了构建考虑初始孔隙率的非饱和土土-水特征曲线模型,从土体的孔隙分布规律出发,通过对参考状态下孔隙尺寸分布曲线的平移缩放得到任意荷载状态下的土体孔隙尺寸分布曲线,并结合Yong-Laplace方程与VG模型推导得到了可考虑初始孔隙率的土水特征曲线模型。该模型仅包含5个参数且其物理意义明确,且仅需通过参考状态的土水特征曲线确定模型参数,即可用得到的参数预测任意初始孔隙比的土水特征曲线。通过5组试验数据对所提出的模型进行验证,结果表明该模型可较好地模拟不同初始孔隙率下的非饱和土持水特征。

温度及冻融循环对滨海盐渍土土—水特征曲线的影响研究

为探讨环境温度、冻融循环次数对滨海盐渍土持水特性的影响,以黄骅地区滨海盐渍土作为研究对象,通过滤纸法测得不同环境温度及冻融循环次数下各试样的基质吸力、渗透吸力、总吸力土—水特征曲线,分析不同因素下盐渍土土—水特征曲线及持水特性的变化规律;通过Van Genuchten(VG)模型对试验结果进行拟合分析.结果表明:随着环境温度和冻融循环次数增加,盐渍土持水性能降低,其中冻融循环对持水特性的影响随着次数的增加而逐渐减小.VG模型对滨海盐渍土土—水特征曲线的拟合优度较高;根据试验结果及拟合结果,分别建立了考虑环境温度、冻融循环次数的土—水特征曲线模型,可为滨海盐渍土区域的工程建设提供参考.

具有参数独立性的双峰土水特征曲线预测模型

双孔结构土内部存在集聚体内孔隙和集聚体间孔隙,其土水特征曲线呈现双峰特征。现有双峰土水特征曲线模型多采用将2个单峰土水特征曲线线性叠加的方法建立,参数较多且不具备独立性,用其拟合试验数据时可能存在不收敛问题。基于毛细管理论提出了一个新的双峰土水特征曲线预测模型。首先,通过在单峰孔径分布函数中引入双曲三角函数的数学方法,在几何上将单峰孔径分布曲线的单峰分割为双峰,从而获得了双峰孔径分布函数;其次,将新提出的双峰孔径分布函数进行累积积分,建立了双峰土水特征曲线模型;最后,分析了该模型参数的物理意义及其对预测结果的影响,发现该模型参数相互独立。使用新模型预测多种双孔结构土的土水特征曲线试验数据,取得了良好的预测效果。

含有机质黏土全吸力范围内土-水特征曲线试验研究

为研究全吸力范围内有机质含量对黏土保水特性的影响,以膨润土为基质,添加泥炭制备不同有机质含量土样,采用压力板法、滤纸法、蒸汽平衡法,对其进行土-水特性试验,从而获得全吸力范围内土-水特征曲线。试验结果表明:3种不同吸力测试可准确反映出含有机质黏土全吸力范围内的土-水特征曲线;有机质能够影响黏土的保水性,但在一定的吸力范围内,含有机质黏土的保水性还与孔隙结构和孔隙中水的形态相关;随着土中有机质含量的增加,土样的进气值和残余值与有机质含量呈线性关系,土的保水能力变强。

脱湿路径下重塑膨胀土的体变修正与土水特征

采用南水北调中线工程河南南阳试验段重塑中膨胀土为试验土样,完成了5种不同初始干密度试样的脱湿试验和平行收缩试验,推导给出了更为合理的体积修正公式。试验结果表明,膨胀土脱湿路径下的体积收缩对其土水特征曲线(SWCC)影响较大,同一基质吸力状态下,体积修正后的试样饱和度/体积含水率明显高于修正前的饱和度/体积含水率,在吸力越高的区域,差别越明显。以Fredlund-Xing模型和试验结果为基础,建立了能考虑膨胀土体积变化的SWCC模型,并结合前人的试验成果深入分析了初始孔隙比对模型参数的影响规律。最后探讨了反映含水率-吸力-孔隙比关系的土水特征曲面的特性,考虑膨胀土试样体变修正时,孔隙比与含水率之间的函数关系为一个三次多项式,而不是线性关系。