Soil water resources use limit in the loess plateau of China

Soil water is a key factor limiting plant growth in water-limited regions. Without limit of soil water used by plants, soil degradation in the form of soil desiccation is easy to take place in the perennial forestland and grassland with too higher density or productivity. Soil water resources use limit (SWRUL) is the lowest control limit of soil water resources which is used by plants in those regions. It can be defined as soil water storage within the maximum infiltration depth in which all of soil layers belong to dried soil layers. In this paper, after detailed discussion of characteristics of water resources and the relationship between soil water and plant growth in the Loess Plateau, the definition, quantitative method, and practical applications of SWRUL are introduced. Henceforth, we should strengthen the study of SWRUL and have a better understanding of soil water resources. All those are of great importance for designing effective restoration project and sustainable management of soil water resources in water- limited regions in the future.

水蚀风蚀交错区典型植被土壤水分消耗和补充深度对比研究

研究了黄土高原水蚀风蚀交错区六道沟小流域8种植被类型条件下植物消耗土壤水分深度与降水对应的补充深度。结果表明:裸地、农地、撂荒地、人工草(灌)地(苜蓿地、柠条地、沙打旺地)、当地典型草地(荒草地、长芒草地)在平水年及干旱年,土壤水分均表现为负平衡;丰水年部分样地土壤水分得到补充。平水年以及干旱年(2010—2011年)植物耗水深度依次为:柠条地>撂荒地>沙打旺地>苜蓿地≈长芒草地≈荒草地>农地>裸地,降水补充深度为农地>裸地>撂荒地>荒草地>长芒草地>沙打旺地>苜蓿地>柠条地。丰水年(2012年)裸地、苜蓿地、荒草地与沙打旺地土壤水分并未显示出明显负平衡过程,但柠条地耗水深度依然达到260 cm,其它样地依次为撂荒地>农地>长芒草地;降水入渗深度排序:农地>裸地>撂荒地=柠条地>荒草地=苜蓿地>长芒草地>沙打旺地。水蚀风蚀交错区土壤蒸发(裸地蒸发)以及降水补充深度一般为0—120 cm范围内,丰水年土壤水分能得到恢复。农地的土壤水分消耗与补充深度略有增加。农地撂荒后耗水深度与撂荒地植被类型有密切联系,随植被盖度与丰度的增加,耗水有进一步加深的趋势,撂荒地土壤水分补充深度小于等于消耗深度。农地退耕还草所种植的深根性植被(苜蓿、沙打旺、柠条等)不仅会迅速消耗当季降水,同时会进一步消耗土壤深层储水,致使120 cm以下观测土层土壤含水量较低,造成土壤水分消耗深度较浅的假象。除撂荒地外,高生物产量的人工草(灌)耗水量高,耗水深度也深,因此在退耕还林(草)过程中,应该充分考虑不同植被类型的年度水分交换深度,采取措施降低消耗深度,增加入渗深度。

黄土塬区不同土地利用方式土壤水分消耗与补给变化特征

对黄土塬区不同土地利用方式下2012年3—10月7龄果园(挂果初期)、17龄果园(盛果期)、小麦地、玉米地土壤水文状况进行分析,结果显示,0—600 cm试验土层7龄果园土壤贮水量最高,其次为玉米地、小麦地,17龄果园最低,且不同土地利用方式下贮水量随着降水量的变化而上下波动,但其变化滞后于降水。不同土地利用方式均表现为随土壤深度增加土壤含水量变异程度减弱的特征,且其土壤剖面的水分含量变化存在季节变异。农田和7龄果园中不存在土壤干燥化现象,而17龄果园土壤剖面存在较厚的干燥化土层,其分布深度为320—600 cm。不同的土地利用方式的土壤水分的消耗和补充深度有较大差异,17龄果园消耗深度为500 cm,补充深度为200 cm;7龄果园、玉米地和小麦地消耗深度分别为200、300 cm和300 cm,且补充深度均超过了测定的土壤深度,大于600 cm。

黄土半干旱区枣林深层土壤水分消耗特征

黄土区人工经济林普遍出现利用性土壤干层,制约着植被的恢复与重建。为了准确计算黄土半干旱区密植高产枣林（Ziziphus jujube Mill.）深层土壤（2 m以下）水分消耗量,采用根钻法（洛阳铲）分层获得从地表到细根分布最大深度范围内的土壤含水率。结果表明：枣林深层土壤水分消耗是一个逐渐加深、逐渐向下的过程。2、4、9和12 a生枣林深层土壤水分消耗量分别为0、29.6、149.9和155.7 mm,可再供水量分别为203.7、167.7、35.5和29.7 mm;枣林生长第9年后,2-4 m土层几乎没有可利用的水分,现有降水和滴灌已经不能满足枣树的耗水需求,枣林吸收土壤水分有向深处延伸的趋势。以降水入渗最大深度为上界、细根分布最大深度为下界计算的深层土壤水分消耗量,能更准确地评估林地利用性土壤干层的程度和深度。

残膜埋深对滴灌条件下粉砂壤土水分入渗影响的试验研究

利用室内模拟试验,设置高低两个滴灌流量(0.5、2 L/h),根据残膜在土壤中的上、中、下3个位置研究不同残膜埋深对滴灌入渗湿润体形状、入渗速率以及土体内含水率分布的影响。结果表明:残膜埋深越深滴灌结束时湿润范围越小,残膜区湿润体曲线呈不规则现象;残膜区水分入渗速率明显低于对应其他处理该层的入渗速率(P<0.01);残膜区土壤含水率明显高于无残膜区,并且随着残膜埋深增加,土体内最高含水率呈增加趋势,且不同滴头流量处理不同残膜埋深对滴灌入渗的影响相似。故残膜在土壤中埋深位置的不同对滴灌入渗有较大的影响,掌握残膜在土壤中不同位置对入渗的影响对于制定残膜存在下合理的灌溉制度具有重要意义。

地下水埋深对冻融土壤水分入渗特性影响的试验研究

本文基于冻融期间大田测坑不同地下水埋深条件下，自然冻结土壤水分入渗试验，分析讨论了地下水埋深对冻融土壤水分入渗能力、相对稳渗率的影响和冻融期间土壤入渗能力的变化特点．结果表明：地下水埋深对冻融土壤入渗能力的影响十分明显；土壤入渗能力随地下水埋深的增大而增大；冻融土壤的相对稳渗率随地下水埋深的减小而减小；冻融期间地下水埋深小的土壤的入渗能力始终小于地下水埋深大的土壤的入渗能力．地下水埋深对冻融土壤水分入渗能力的影响通过其对地表土壤含水量的影响而实现．研究结果对于指导季节性冻土地区冬、春灌溉合理灌水技术参数的确定具有实际意义．

刺槐人工林地土壤水分下渗研究

分析了不同雨量条件下刺槐林地土壤水分下渗过程，得出不同雨量下的土壤水分下渗深度即稳定渗深。阐述了降雨量、前期土壤水分含量和下渗历时与水分下渗深度的关系。

基于颗粒模型的风积砂层降雨入渗深度计算及验证

为了研究沙漠干旱区降雨对砂层非饱和带水分的贡献,该文对风积砂层水分入渗过程中的水分存在形式和运移机理进行了理论和力学分析。通过以触点水为主要储水单元的立方布局颗粒模型推导出水分入渗过程中湿润深度的解析表达式,并进行验证。物理和力学分析表明,砂颗粒表面很难形成较厚的薄膜水,砂层非饱和带水分大部分以触点水的形式存在。模型计算结果表明,水分入渗的湿润深度与入渗水量和触点水湿润角有关。模型验证表明,水分入渗湿润深度的解析表达式在风积砂层入渗深度计算中具有一定的适用性,但触点水湿润角与砂颗粒粒径的函数关系还有待进一步研究当设定触点水湿润角为π/4时,比例常数为11.5。该研究可为干旱区农业规划提供依据。

秸秆施入深度对土壤水分运移和水吸力变化的影响

为了研究秸秆还田下秸秆施入深度对土壤水分运移和水吸力变化的影响,通过室内模拟试验,对不同秸秆施入深度条件下土壤水分运移分布特性进行了模拟。玉米秸秆粉碎成<5 mm的小段且干燥放置,在秸秆施入深度内按干土重的1%配比均匀混施。设置无秸秆还田(CK)、秸秆施入深度15 cm(S15)、秸秆施入深度20 cm(S20)、秸秆施入深度25 cm(S25)、秸秆施入深度30 cm(S30)5个处理,并用微型张力计(T5)测定土壤水吸力值。结果表明:秸秆施入深度对土壤水分入渗特性有影响。随着秸秆施入深度的增加,土壤湿润锋运移距离和累积入渗量减小;秸秆施入深度对湿润锋运移影响较明显;相同入渗深度下,含有秸秆土层的含水量比不含有秸秆土层的含水量明显增加。秸秆施入深度对土壤水吸力有重要影响,土壤水吸力的变化反映了土层中水分的变化,不同土层深度下,土壤水吸力的变化趋势大致相同。不同秸秆施入深度,导致各处理在同一土层深度下,土壤水吸力峰值和达到峰值的时间出现差异,秸秆施入深度越深,土壤水吸力的峰值相对较大,达到峰值的时间相对较长。

干旱内陆河灌区灌溉入渗系数的测定与计算

在深入分析灌溉水入渗和再分布过程的基础上,依据包气带水量平衡原理,提出了一种根据土壤剖面含水率和同步地下水埋深资料计算灌溉入渗系数的方法。应用事例表明,方法简单可行,易于推广应用。

秸秆层施深度对土壤水分入渗特性的影响

通过室内试验分析了秸秆层施深度对土壤水分入渗特性的影响,结果表明:(1)不同秸秆层施深度的累积入渗量和湿润锋运移距离均小于对照处理,入渗时间越长,减渗效果越明显,随着秸秆层施深度的减小,相同入渗时间的累积入渗量和湿润锋运移距离减小;(2)不同秸秆层施深度下,秸秆层上部土壤含水量比不施秸秆时大,而秸秆层下部土壤含水量比不施秸秆时小;(3)入渗结束时,层施深度越小,其秸秆层上部的土壤含水量越大,而秸秆层下部范围则相反。研究结果可以为秸秆覆盖下农田水分的高效利用提供参考。

丘间地固沙林土壤水分动态变化特征

水分是影响固沙植被生长发育最重要的限制因素,同时也是沙漠环境中最容易受到影响的生态因子,定位观测研究流动沙地建立固沙植被后的土壤水分变化具有重要的现实意义。采用Watch Dog土壤水分自动监测系统,于2014年6月17日—10月31日定位定时记录了樟子松人工林、杨树人工林和榆树天然林土壤体积含水量数值,结果表明:相同降雨量条件下,不同固沙植被土壤重力水的入渗深度存在明显差异。降雨量20 mm左右时,榆树天然林地降雨入渗深度大于20 cm土层,杨树和樟子松林地大于40 cm土层;降雨量12 mm左右时,杨树林地降雨入渗深度达到40 cm土层,榆树林小于20 cm土层,樟子松小于40 cm土层。相同降水量条件下,不同固沙林降雨入渗到相同土层深度所经历的时间不同。在降雨量21.1 mm事件中,榆树天然林入渗到20和40 cm土层所经历的时间分别为降雨开始后4和9 h,樟子松林分别为5和9 h。

黄土旱塬主要农林用地土壤水文特征对比

土壤水分是黄土高原地区植被恢复与农林产业持续发展的主要限制因子,为明确主要农林用地土壤水分变化特征及其干化现状,利用CNC503B（DR）中子仪,于2014年4—10月,对长武塬区19龄果园、9龄果园、玉米地及小麦地0～600 cm的土壤水分进行长期监测,并利用土钻法进行校准。结果表明：1）0～600 cm土壤贮水量表现为9龄果园〉玉米地〉小麦地〉19龄果园,均值分别为186.5、183.6、158.6和132.8 cm,除9龄果园与玉米地间差异性不显著（P〉0.05）外,其他农林用地土壤贮水量两两比较均呈显著性差异（P〈0.05）;2）4块样地浅层（0～200 cm）土壤含水量波动程度为中等变异（10%600 cm;4）19龄苹果园土壤干化最严重,0～200 cm土壤干化程度呈季节性变化,200～250和250～320 cm土层分别为严重干燥化与强烈干燥化,320～600 cm呈极度干燥化,形成永久性土壤干层;其次为小麦地,0～100 cm产生临时性干层,250～300 cm发生强烈干燥化;玉米地与9龄果园干化程度较轻,在水分补给不足情况下,只在土壤浅层产生临时性土壤干层。长武塬区农业结构由大田作物转向苹果经济林建设具有一定理论基础;但是,随着苹果林达到盛果后期,土壤贮水量亏缺,土壤干化严重,苹果经济林的经济价值及生态作用等都将受到限制,需要采取合理用水措施及调整林分密度等科学方式,完成长武塬区经济与生态的可持续发展。

基于HYDRUS-1D的不同质地土壤入渗过程数值模拟

基于HYDRUS-1D软件,对不同土质(淤泥、粉砂壤土、砂质粘壤土)的灌溉方案进行了系统的数值实验,模拟灌溉结束时及灌溉结束24 h之后的土壤剖面含水量和土壤湿润锋的变化情况。结果表明:在不产生径流的情况下,灌溉结束24 h后土壤的含水量分布和湿润深度只与土壤种类和灌溉量有关,与灌溉速度无关;对透水性较好的土质,灌溉水分重分布明显,以粉砂壤土灌溉速率0.7 cm·h^(-1)和灌溉时间3 h为例,灌溉结束时和灌溉24 h后土壤湿润深度分别为9.2 cm和20.6 cm,有55.3%的灌溉水参加了水分重分布;土壤湿润深度与灌溉量之间存在线性关系,拟合直线的斜率介于5.15(淤泥)和5.95(砂质黏壤土)之间。

昆明市主要城市公园绿地土壤入渗性能及差异性分析

在昆明市具有代表性的4个公园不同植被类型(乔灌草、灌草、乔草)的不同土层深度(10、20、40、60 cm)下,测定土壤入渗速率及土壤物理性质,分析土壤入渗特征。结果表明:土壤稳渗平均值随土层深度的增加呈现减小的趋势,在不同绿地上表现为乔灌草>灌草>乔草,在不同公园间表现为郊野公园>大观公园>黑龙潭公园>昙华寺公园。稳定入渗速率在不同公园间的差异显著,而在不同深度、不同植被间差异均不显著;最适用于城市绿地土壤入渗过程模拟的是通用公式。随着土层深度的增加城市公园绿地土壤稳渗值逐渐减小,没有明显的中间障碍层,但是在人为活动频繁的公园和乔草植被下,土壤的入渗性能都是最差的。

潮土水分入渗与再分布性能的模拟研究

对潮土入渗性能的室内土柱模拟研究结果表明，土壤水分的湿润深度与入渗时间呈指数关系，当湿润锋下移至额定饱和加水深度后，其速度明显下降；水分湿润深度与湿润层的含水量呈线性关系、与湿润锋下移速度呈乘幂关系；湿润层的含水量与湿润速率呈指数关系；入渗时间与润湿层的土壤吸力呈线性关系。结果还表明，在模拟条件下，潮土土壤表层对水分的有效持水能力为０００５～００１ＭＰａ，随着水分再分布的进行，湿润层水分含量明显下降，额定饱和加水深度下部土壤的吸力梯度不断增加，水分下移通量进一步减少，但在较短时间内，对表层土壤吸力梯度影响不大。

雨后麦田土壤湿度变化的诊断分析

通过分析研究冬小麦生育期，影响雨后麦田土壤湿度变化的主要因子，建立了雨后水分渗透深度及不同土层的土壤湿度变化诊断模式．利用1991－1994年冬小麦不同时段的实测资料进行的对比分析表明．各模式的计算结果是较为满意的．

宽垄沟灌土壤水分累积入渗特性试验研究及模拟

为了探究宽垄沟灌土壤水分累积入渗变化特性,在大田试验的基础上,利用HYDRUS-2D软件模拟并结合理论分析和数值模拟的方法,重点研究了单宽入沟流量为0.5 L/(s·m),灌水15 min后,宽垄沟灌不同沟宽(40,50,60 cm)与沟深(20,25,30 cm)对宽垄沟灌土壤累积入渗量随时间变化的影响.结果表明:沟深一定时,沟宽60和50 cm时累积入渗量较沟宽40 cm时分别增加了21.88%和7.88%,即沟宽越大,累积入渗量越大;沟宽一定时,沟深30和25 cm时累积入渗量较沟深20 cm时分别减少了3.80%和2.05%,即沟深越大,累积入渗量越小.在电容充电模型基础上建立了宽垄沟灌不同沟宽与沟深条件下的累积入渗量计算模型,累积入渗量与时间呈指数函数关系,并利用试验数据对计算模型进行了验证,模型的计算精度较高.研究结果可为改进宽垄沟灌灌水技术提供参考.