森林流域非饱和土壤水与饱和土壤水转化研究进展

阐述了森林流域几种土壤水分运动方式(入渗、潜水蒸发、潜水补给以及壤中流)中非饱和土壤水与饱和土壤水之间转化的研究进展,并对土壤水分运动参数中的土壤水分特征曲线、非饱和导水率和饱和导水率的研究现状作以简要介绍,最后提出了未来的发展方向.

用水平土柱测定非饱和土壤水扩散率的瞬时剖面法

基于非饱和土壤水分运动基本方程及质量守衡原理，提出了用水平土柱测定非饱和土壤水分扩散率的一种新方法“瞬时剖面法”，该法物理概念清楚、明了，试验过程易控制．在试验中采用Y透射法测定水平土柱土壤水分含量，用马氏瓶控制供水量，操作简便、易行．经实测对比分析，用该法所测的D（θ）值与用传统方法（Boltzmann变换法）所测值接近，表明该法是可靠的．

一维垂向非饱和土壤水分运动的数值模拟——以长白山北坡山地棕色针叶林土为例

以土壤水分运动基本方程为依据,根据长白山北坡山地棕色针叶林土的实际土壤层结构,建立了该地区一维垂向非饱和土壤水分运动数学模型,并推导了该模型的数值离散方程,编制了用于该模型数值模拟的计算程序.最后通过数值模拟对模型进行验证.结果表明,模拟值与实测值能够较好吻合.

垂直一维非饱和土壤水分运动代数模型在土石混合介质中的适用性研究

利用一维垂直入渗试验研究垂直一维非饱和土壤水分运动代数模型在土石混合介质中适用性。采用碎石粒径2~5mm和4组不同碎石含量下的土石混合介质,根据实测的土壤水分入渗特征量,推求出模型参数,再依据模型参数模拟水分入渗过程。对模拟入渗过程与实际入渗过程进行对比分析,两者之间的相对误差在6%以内,精度较高。说明垂直一维非饱和土壤水分运动代数模型在土石混合介质中具有一定的适用性。

滨海盐渍土非饱和土壤水扩散率的研究

本试验采用水平土柱法对三种滨海盐渍土的非饱和土壤水扩散率进行的研究结果表明:三种土壤的非饱和土壤水扩散率变化于0.14～117.32cm^2·min^(-1)之间,比非饱和土壤的离子扩散率大几个数量级;非饱和土壤水扩散率随土壤含水量的增加而升高,符合 D(θ)=ae^(bθ)经验公式;含水量与 Boltzmann 变换参数λ之间的关系为(λ)随含水量的下降而降低;在质地相同的情况下,土壤容重和土壤孔隙度均对非饱和土壤水扩散率有很大的影响,但土壤盐分浓度在含水量达0.2cm^3·cm^(-3)以上时对非饱和土壤水扩散率影响不大。

蒸发过程中饱和土壤水稳定同位素运移规律浅析

基于Fick定律和质量守恒定律推导了饱和土壤水在蒸发过程中的稳定同位素微分方程模型,分析了饱和土壤水的边界条件,给出了解析解,为数值模拟蒸发、蒸发过程中土壤水的稳定同位素组成变化提供了确定性的数学基础,对土壤水分运动以及土壤水稳定同位素的研究具有一定的理论意义。

非饱和土壤水流问题的半离散间断有限体积元方法

讨论了二维非饱和土壤水分运动的间断有限体积元方法,给出了该格式的离散最优L2模估计和H1模估计。

饱和与非饱和带土壤水动力耦合模拟及入渗试验

利用可变坡土槽人工降水入渗试验,观测土壤水势及地下水出流量变化,建立了饱和与非饱和带土壤水数值计算模型MODFLOW-UZF1的参数率定及模型验证方法.结果表明:MODFLOW-UZF1能较为准确地模拟降水入渗补给过程,但忽略了非饱和带土壤水分运移中基质势的影响,在毛细管作用带土壤含水量模拟效果较差.

生物炭对黑土区土壤水分扩散与溶质弥散持续效应研究

为探究施用生物炭对黑土区坡耕地土壤水分扩散和溶质弥散的持续效应,于2016-2019年在1.5°、3°、5°的径流小区开展了生物炭持续效应试验,分析了单次施加生物炭对土壤容重、孔隙度、有机质含量、Boltzmann变换参数ξ、非饱和土壤水分扩散率D(θ)、非饱和土壤水动力弥散系数Dsh(θ)的持续作用。结果表明:土壤中单次添加生物炭后的4年内均可显著降低土壤容重、提高土壤孔隙度、增加土壤中有机质含量,且各指标变化率均随坡度增大、施炭年限延长而减小;坡度、年份、是否施用生物炭3个因素中,对土壤容重、孔隙度、有机质含量影响程度最大的均为是否施用生物炭;施用生物炭增大了ξ,且ξ随坡度增加、施炭后年限延长逐年减小。2016-2019年D(θ)与Dsh(θ)均随土壤含水率的增加而迅速增加。当土壤含水率小于等于0.42 cm^3/cm^3时,生物炭抑制土壤水分扩散;当土壤含水率大于0.42 cm^3/cm^3时,生物炭促进土壤水分扩散。当土壤含水率小于等于0.36 cm^3/cm^3时,生物炭抑制土壤中Na Cl溶液的弥散;当土壤含水率大于0.36 cm^3/cm^3时,生物炭可以促进土壤中NaCl溶液的弥散。试验区θ处于0.20~0.35 cm^3/cm^3,故施用生物炭对水分扩散、Na Cl溶液弥散均具有抑制效果,且生物炭对水分扩散和溶液弥散抑制效果均随坡度增加、施炭后年限延长而减弱。

水平一维土壤水分入渗特性分析

本文对土壤非饱和导水率和水分特征曲线分别采用k =ks (hd/h) m 和 (θ -θr) / (θs-θr) =(hd/h) n的形式 ,假定水平入渗时土壤传导区内水分运动通量 q不随位置x变化 ,推求了湿润锋与累积入渗量和入渗率间关系、湿润锋随时间变化关系 ,以及土壤水分分布与湿润锋间关系 .并利用实验资料对这些理论关系进行了检验 。

子午岭植被恢复对土壤饱和导水率的影响

通过对子午岭林区不同植被的土壤性质进行实验室测定和野外调查,对饱和土壤水分运动的重要参数之一土壤饱和导水率(Ks)及其相关因子进行了多元分析和通径分析,揭示了植被恢复提高土壤水分传输性能的机理,主要结论如下:土壤有机质是子午岭林区九种植被下土壤饱和导水率提高的主要驱动因子。不同植被下的土壤饱和导水率均随深度的增加而迅速降低,尽管草地和先锋草地在5～10cm深度有一强透水层。土壤饱和导水率在剖面上的平均值,从辽东栎、早期森林、灌丛、先锋草地、弃耕地到草地依次降低。灌丛与草地、弃耕地的差异达到显著水平,辽东栎顶级群落的饱和导水率最高,植被的恢复明显提高了土壤饱和导水率。土壤容重、毛管孔隙度、>0.25mm团聚体含量及粘粒含量直接影响土壤饱和导水率。土壤有机质含量的提高能够改善容重、毛管孔隙度、团聚体含量等物理性质。

基于遗传算法的土壤水分运动参数识别

土壤水分运动参数的识别是研究土壤水分运动的基础。该文以反映土壤含水率实测值和计算值吻合程度的均方差最小为优化目标,以土壤导水率和扩散率经验参数上下限为约束条件,建立了土壤水分运动参数识别的优化计算模型。采用遗传算法和田间均质土壤一维非饱和运动数值计算相结合的方法,获得土壤导水率和扩散率经验参数最优值。经验证计算,土壤含水率实测值和计算值吻合程度较高,表明这一方法是可行的。

入渗、再分布和蒸发条件下一维土壤水运动的数值模拟

采用数值法求解非饱和土壤水分运动的Richards方程可采用不同的初始和边界条件,实现复杂条件下水分运动过程的预测。在确定入渗、再分布及蒸发的初始和边界条件基础上,采用隐式差分格式列出差分方程,对垂直一维积水入渗、半无限土体再分布及半无限土体裸土蒸发的水分运动过程进行数值模拟,模拟结果与实测资料的比较表明,就入渗湿润锋、累积入渗量的时间变化趋势及入渗、再分布和蒸发的土壤含水率剖面而言,其实测值与计算值比较符合,说明采用的算法、水分特征曲线模型和其它参数都是合理的,该方法可用来描述水分运动特征。

饱和持水量条件下不同氮添加对森林土壤氮素净转化的影响

为了研究在饱和持水量条件下不同氮沉降形态和水平对森林土壤氮素净转化及土壤N_2O排放的影响,选取中亚热带地带性森林红壤为研究对象,采用室内模拟试验方法,设置110%饱和持水量(WHC)的土壤水分,添加不同形态氮[(NH_4)_2SO_4、NaNO_3、NH_4NO_3]和不同含量[0 mg/kg(CK)、20.0 mg/kg(LN)、66.7 mg/kg(HN),以干土计]的氮素,进行为期14 d的室内培养(20℃).结果表明,与CK相比,(NH_4)_2SO_4和NaNO_3处理对土壤净氮矿化和氨化的影响不大,而(NH_4)_2SO_4处理的净硝化量在高氮水平下为负值,说明硝化很弱,但该处理的净氨化量高于其他处理,特别是NaNO_3处理的净氨化量较高,认为很可能存在NO_3^--N异化还原为铵(DNRA).NaNO_3处理能显著提高土壤净硝化量而显著降低w(SON)(SON为土壤可溶性有机氮),NH_4NO_3处理同时降低了土壤w(NH_4^+-N)和w(NO_3^--N),表现为氮固定作用,并且高氮水平的土壤w(MBN)(MBN为微生物量氮)显著高于低氮水平;NaNO_3和NH_4NO_3处理的土壤N_2O排放速率和培养周期内的累积排放量均显著高于CK,并且高氮水平显著高于低氮水平,而(NH_4)_2SO_4处理与CK相当,并且高氮水平下的N_2O累积排放量低于低氮水平.研究显示,在过饱和土壤水分条件下,混合形态氮对土壤氮素净转化格局影响较大,含NO_3^-形态氮明显促进土壤N_2O的排放,尤其是高氮水平.研究结果可为评价全球气候变化下特别是降雨情况下沉降氮形态对土壤氮素转化的影响提供重要参考.

不同近地表土壤水文条件下雨滴打击对黑土坡面养分流失的影响

目前,土壤水分饱和和壤中流条件下,雨滴打击对养分流失的影响尚不清楚。通过3个近地表土壤水文条件(自由入渗、土壤水分饱和与壤中流)下,土槽上方架设与不架设尼龙纱网模拟降雨对比试验,研究雨滴打击对黑土坡面侵蚀过程及NO3-N、NH4-N与PO4-P随径流和侵蚀泥沙迁移的影响。结果表明,纱网覆盖消除雨滴打击后坡面侵蚀量和泥沙浓度分别减少59.4%—71.6%和57.3%—73.0%,不同水文条件下减少量的排序为:自由入渗>壤中流>土壤水分饱和。消除雨滴打击后养分随径流流失的减少仅在自由入渗条件下体现较明显,该水文条件下NO3-N、NH4-N与PO4-P流失分别减少33.3%、23.1%和40.7%;3种水文条件下,消除雨滴打击均明显减少养分随泥沙的流失,其中自由入渗条件下减少效果最明显,该水文条件下,NO3-N和NH4-N流失分别减少20.9%—54.9%和25.0%—62.3%,而PO4-P流失减少在74.6%以上。雨滴打击增大了NO3-N的淋失,但对NH4-N与PO4-P的淋失几乎无影响。消除雨滴打击后,自由入渗条件下养分的等效径流迁移深度减少26.7%—42.6%,而土壤水分饱和与壤中流条件下基本无变化。以上研究结果为有效防治坡面土壤侵蚀和农业非点源污染提供科学理论依据,尤其是在壤中流出现的地方。

非等温入渗条件下土壤中水分运移的解析分析

基于多孔介质渗流力学-热力学理论,建立了非等温条件下土壤中水-热耦合迁移的数学模型,并运用分离变量法和拉普拉斯(Laplace)变换对模型进行解析求解;通过算例分析,表明温度对非饱和土壤中水分迁移的影响。本文所得结果及结论,对于农田水利保护和地下水资源的利用具有重要的实际应用价值和理论意义.

不同系号楸树持续饱和水分下光合特征比较

以1年生楸树根插苗为试验材料,研究不同系号楸树在饱和土壤水分含量下的生长及光合特征差异。结果显示:不同系号的地径增量差异不显著,而苗高增量及植株鲜质量则都达到了极显著水平;净光合速率日变化均呈双峰曲线,其日均值排序由大到小为1-8、4-3、2-9、3-7、3-3,净光合速率与胞间CO2摩尔分数、相对湿度、气孔导度和蒸腾速率等因子均呈显著正相关;光响应曲线比较发现系号1-8的光饱和点和最大净光合速率分别达2062.80、19.44μmol/(m^2·s),大大超过系号3-3的1226.71、15.41μmol/(m^2·s)及系号3-7的1356.93、11.44μmol/(m^2·s);相关分析显示生长特征与气孔导度、胞间二氧化碳摩尔分数、净光合速率、光饱和点等呈正相关,较高的气孔导度、胞间二氧化碳摩尔分数、净光合速率及光饱和点,更有利于形成生长优势。总之,试验处理的5个系号中1-8长势最好,光合特征优势明显,具备较好的耐湿潜力,最具有推广价值。

计算层状土稳定入渗率的饱和层最小通量法

根据土壤水动力学原理,提出了计算多层土壤稳定入渗率的饱和层最小通量法。采用HYDRUS-1D数值模拟软件,模拟了不同土壤表面水头、多层土壤特性下的稳渗过程,根据模拟结果对饱和层最小通量法进行了检验。结果表明,这种计算多层土壤稳渗率的方法物理意义明确、误差较小。与改进的Green-Ampt公式相比,该方法不需要考虑下层土壤的进水吸力,同时考虑了多层土壤对入渗的影响,更适用于实际情况下分层土壤稳定入渗率的估算,可以为水资源量评价、环境污染评价和相关工程设计等领域提供理论依据。

不同近地表水文条件下紫色土坡面土壤侵蚀过程研究

采用模拟降雨试验,研究了自由下渗(free drainage)、土壤水分饱和(saturation)、壤中流(seepage) 3种近地面水文条件下紫色土坡面土壤侵蚀过程。结果表明,近地表水文条件会对紫色土坡面侵蚀过程产生重要影响。在地面坡度5°～15°条件下,当地表水文条件由自由下渗演变为土壤水分饱和时,坡面侵蚀量由1.31～2.02 g/(min·m^2)增加到1.83～5.50 g/(min·m^2);当地表水文条件由土壤水分饱和变为壤中流时,坡面侵蚀量达到4.40～16.41 g/(min·m^2)。土壤水分饱和条件下坡面侵蚀量是自由下渗的1.40～2.73倍;壤中流条件下坡面侵蚀量是自由下渗时的3.36～8.12倍,是土壤水分饱和时的2.40～2.98倍。同时,坡面坡度对紫色土坡面侵蚀过程有重要的影响。

土壤溶质迁移过程的试验研究

设计了自由排水、土壤水分饱和和壤中流3种水文条件,采用人工模拟5组不同地表径流流速,分别对土壤溶质迁移到地表径流过程中土壤侵蚀、伯努利效应、扩散和对流4种途径的作用机理进行了分析。结果表明,在土壤水分饱和条件下,伯努利效应引起的土壤溶质流失量占总流失量的比例很大。结合混合层理论和试验得到了3种水文条件下混合层的深度,其中自由排水（-10 cm）时混合层深度小于1.5 mm;在土壤水分饱和条件下,混合层深度介于0.9～4.5 mm;但是在壤中流条件下,混合层表现为整个土层都为混合层深度。