覆土质地及容重对裸岩石砾地土壤水分入渗的影响.pdf
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1、Hans Journal of Soil Science 土壤科学土壤科学,2023,11(4),191-203 Published Online October 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/hjss https:/doi.org/10.12677/hjss.2023.114023 文章引用文章引用:张盼盼,黎雅楠,夏利恒.覆土质地及容重对裸岩石砾地土壤水分入渗的影响J.土壤科学,2023,11(4):191-203.DOI:10.12677/hjss.2023.114023 覆土质地及容重对裸岩覆土质地及容重对裸岩石砾地土壤水分入渗
2、的石砾地土壤水分入渗的影响影响 张张盼盼盼盼1,2,3,4,5,黎雅楠,黎雅楠1,2,3,4,5,夏利恒,夏利恒1,2,3,4,5 1陕西地建西安交大土地工程与人居环境技术创新中心,陕西 西安 2陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司,陕西 西安 3陕西省土地工程建设集团有限责任公司,陕西 西安 4自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,陕西 西安 5陕西省土地整治工程技术研究中心,陕西 西安 收稿日期:2023年9月3日;录用日期:2023年10月4日;发布日期:2023年10月13日 摘摘 要要 为探明石砾地区覆土整治后不同容重对土壤水分入渗过程的影响,本研究选取了塿土、黄棕壤土两种
3、不为探明石砾地区覆土整治后不同容重对土壤水分入渗过程的影响,本研究选取了塿土、黄棕壤土两种不同质地类型的土壤,通过室内土柱入渗试验,比较分析了这两种土壤不同容重条件下石砾地覆土土壤的同质地类型的土壤,通过室内土柱入渗试验,比较分析了这两种土壤不同容重条件下石砾地覆土土壤的水分入渗过程,为此类地区的覆土整治提供理论依据。结果水分入渗过程,为此类地区的覆土整治提供理论依据。结果表表明,容重对明,容重对2种质地的试验土壤入渗过程种质地的试验土壤入渗过程有较大影响,试验土壤入渗能力随土壤容重的增加而减小;两种土壤的稳定入渗率与容重均呈对数负相有较大影响,试验土壤入渗能力随土壤容重的增加而减小;两种土壤
4、的稳定入渗率与容重均呈对数负相关关系关关系(R2 95%),塿土容重对稳定入渗率的影响程度要大于黄棕壤土;同一时刻,容重越大累积入渗,塿土容重对稳定入渗率的影响程度要大于黄棕壤土;同一时刻,容重越大累积入渗量越小,量越小,2种土壤在种土壤在100 min内累积入渗量与容重之间呈显著线性负相关关系;与内累积入渗量与容重之间呈显著线性负相关关系;与Philip方程相比,方程相比,Kostiakov入渗模型可以更好地反映塿土的整个入渗过程及黄棕壤土前入渗模型可以更好地反映塿土的整个入渗过程及黄棕壤土前40 min的入渗,黄棕壤土的入渗,黄棕壤土40 min后的入渗过程可用线性方程很好地描述;在土壤水
5、分再分布过程中,同一土层高度中土壤容重越大其含后的入渗过程可用线性方程很好地描述;在土壤水分再分布过程中,同一土层高度中土壤容重越大其含水量越小,且土壤含水量随土层深度的增加而增加,土壤水分再分布的结果是容重越大水量越小,且土壤含水量随土层深度的增加而增加,土壤水分再分布的结果是容重越大030 cm土壤的土壤的储水量储水量越大。越大。关键词关键词 石砾地石砾地,容重容重,土壤水分土壤水分,入渗入渗,模型模型 Effects of Soil Texture and Bulk Density on Soil Water Infiltration in Bare Rock Gravel Land P
6、anpan Zhang1,2,3,4,5,Yanan Li1,2,3,4,5,Liheng Xia1,2,3,4,5 张盼盼 等 DOI:10.12677/hjss.2023.114023 192 土壤科学 1Technology Innovation Center for Land Engineering and Human Settlements,Shaanxi Land Engineering Construction Group Co.,Ltd.and Xian Jiaotong University,Xian Shaanxi 2Institute of Land Engineerin
7、g&Technology,Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.,Ltd.,Xian Shaanxi 3Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.,Ltd,Xian Shaanxi 4Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering,The Ministry of Natural Resources,Xian Shaanxi 5Shaanxi Provinc
8、ial Land Consolidation Engineering Technology Research Center,Xian Shaanxi Received:Sep.3rd,2023;accepted:Oct.4th,2023;published:Oct.13th,2023 Abstract In order to explore the influence of different bulk density on soil water infiltration process after soil cover treatment in gravel area,this study
9、selected two different texture types of soil,Lou soil and yellow-brown soil,through indoor soil column infiltration test,compared and analyzed the water infiltration process of gravel soil under different bulk density conditions of these two soils,and provided theoretical basis for soil cover treatm
10、ent in such areas.The results showed that bulk density had a great influence on the infiltration process of the experimental soil in the two germplasm plots,and the infiltration capacity of the experimental soil decreased with the increase of soil bulk density.The stable infiltration rate of the two
11、 soils was negatively correlated with the bulk density(R2 95%),and the effect of bulk density on the stable infiltration rate of Lou soil was greater than that of yellow-brown soil.At the same time,the larger the bulk density,the smaller the cumulative infiltration.There was a significant linear neg
12、ative correlation between the cumu-lative infiltration and the bulk density of the two soils within 100 min.Compared with the Philip equation,the Kostiakov infiltration model can better reflect the whole infiltration process of Lou soil and the infiltration of yellow-brown soil in the first 40 min.T
13、he infiltration process of yel-low-brown soil after 40 min can be well described by linear equation.In the process of soil water redistribution,the greater the soil bulk density in the same soil layer height,the smaller the water content,and the soil water content increases with the increase of soil
14、 depth.The result of soil wa-ter redistribution is that the greater the bulk density,the greater the water storage of 030 cm soil.Keywords Gravel Land,Bulk Density,Soil Moisture,Infiltration,Model Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Att
15、ribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 土地是人类生存与发展的根本要素。我国人口众多,耕地资源不足已成为制约社会经济发展的重要因素。为解决人地矛盾问题,急需开发耕地后备资源,而未利用土地中,裸岩石砾地在我国分布广泛,约 1.04 108 hm2,该类土地光热条件好,具备巨大的开发潜力1。此类石砾地的开发主要是通过覆土构建新的耕作层,进而恢复该地区的农业生产,但覆土过程相对粗放,对于土源质地、覆土容重结构等缺Open AccessOpen Access张盼
16、盼 等 DOI:10.12677/hjss.2023.114023 193 土壤科学 乏相应的理论研究,覆土后常出现土壤耕作性差,水分利用率低的问题2 3。土壤水分是研究和模拟地表径流、土壤侵蚀、溶质运移等过程的基础4,而土壤入渗能力主要决定于土壤自身特性,如土壤容重、土壤质地和土壤结构等5 6。已有的关于容重对土壤水分入渗影响的研究多集中在相对单一或不同质地的土体结构上7 8 9 10,作为土壤的一个基本物理性质,容重的变化会对土粒密度及土壤孔隙状况造成影响,从而引起土壤入渗性能的改变,曾健等研究了容重对于红壤水分入渗的影响,表明累积入渗量、入渗率均随土壤容重的增大而减小9,李卓等研究了不同
17、质地土壤水分入渗与容重之间的关系,得出同样的结论11,其主要原因是土壤容重增大,土壤团粒结构破坏、孔隙度减小,土壤变得紧密坚实,从而使得入渗能力降低12 13。对于含石砾等大孔隙介质中水分运动的研究也多偏向于石砾覆盖、土石混合等对于土壤水分运动的影响。如 Mandal 和 Cerda等分别对印度热带半干旱地区、瑞典东南部地区砾石覆盖土壤的水分入渗进行了研究,发现随着砾石覆盖厚度的增加,入渗速率和湿润峰运移速度增大14 15;Zavala 等研究了石砾覆盖度与径流产生和土壤侵蚀之间的关系16;Novk 等利用模型分析了不同深度石砾含量对土壤含水量和水分运移的影响,表明石砾含量与水流运动的复杂性1
18、7;Zhou 等证明石砾含量 40%时,入渗率和导水率随石砾含量的增加而增加18;纵观现有针对砾石对土壤入渗影响的研究,大部分仅注重山区砂石覆盖对水分入渗的影响,或土石混合后水分的入渗特性。而当土体下部存在石砾等大孔隙介质层时,土体与石砾之间形成明显的分层界面,当上覆土体质地及容重结构不同时,大孔隙石砾层中有可能产生气阻作用或形成水流通道从而影响水分运动,影响了石砾地覆土整治后土壤的宜耕性。因此,研究石砾地覆土土壤质地、容重对土壤水分入渗的影响规律,可进一步明晰含石砾等大孔隙介质的上层土体水分运动特征,探明存在石砾等大面积的大孔隙介质层时土壤容重对其内部水分运动的影响规律,为该类地区的开发整治
19、提供理论依据和技术参数,对于提升整治效果、提高土壤水分利用效率具有重要意义。2.材料与方法材料与方法 2.1.供试土壤供试土壤 试验所用自然土壤分别采自陕西省关中地区富平县的塿土及陕南汉中市的黄棕壤土,土壤样品采自地表以下 30 cm,以减小耕层高有机质含量的影响。将所采集土壤自然风干、研磨,过 2 mm 筛,采用沉降法测定各级颗粒组成,分析结果见表 1。Table 1.Particle composition of tested soil 表表 1.供试土壤颗粒组成 供试土样 砂粒 20.05 粉粒 0.050.002 粘粒 0.95),容重与累积渗入量之间的关系如图 4 所示。由图 4 可
20、知,当塿土容重从 1.3 g/cm3增加到 1.6 g/cm3,累积入渗量则从 71.36 cm 减少到 21.99 cm;当黄棕壤容重从 1.3 g/cm3增加到 1.6 g/cm3,累积入渗量则从 28.25 cm 减少到 16.45 cm。由此可以看出,土壤累积入渗量受覆土容重的影响巨大,容重增大,入渗能力下降十分明显。3.3.不同质地、容重土壤的入渗模型不同质地、容重土壤的入渗模型 Table 2.Fitting results of infiltration model of Lou soil 表表 2.塿土入渗模型拟合结果 容重(g/cm3)Kostiakov 入渗模型 Phlip
21、 入渗模型 K K/R2 S A R2 1.3 5.776 0.521 11.086 0.988 5.294 6.64E-4 0.987 1.4 4.116 0.494 8.332 0.999 4.157 0.0078 0.999 1.5 4.505 0.613 7.349 0.995 3.591 3.21E-7 0.329 1.6 3.953 0.634 6.235 0.981 3.274 1.02E-9 0.754 Table 3.Yellow-brown soil infiltration model fitting results 表表 3.黄棕壤土入渗模型拟合结果 容重(g/cm3)
22、Kostiakov 入渗模型 Phlip 入渗模型 K K/R2 S A R2 1.3 5.387 0.583 9.249 0.990 4.893 0 0.711 1.4 3.566 0.497 7.174 0.992 3.590 0.00195 0.992 1.5 3.122 0.526 5.942 0.987 3.081 0 0.954 1.6 2.168 0.464 4.670 0.992 2.224 0.0405 0.992 为进一步研究砾石覆盖厚度对土壤水分入渗过程的影响,选用 Kostiakov 及 Philip 模型对石砾地覆土的土壤水分入渗过程进行模拟,塿土的模拟结果见表 2,
23、在对黄棕壤土进行模型拟合的过程发现(如表 3),其入渗过程在 40 min 后出现一明显的转折,两个模型单独模拟 100 min 内的整个过程均较差,因此对其做分段处理,前 40 min 分别采用 Kostiakov、Philip 公式拟合,转折后采用线性公式拟合,拟合结果见表 4。由表 2 和表 3 可以看出,塿土的整个入渗过程及黄棕壤土前 40 min 的入渗过程Kostiakov 模型模拟结果均较好,R2均大于 0.98,而 Phlip 模型的整体模拟结果较差,这说明 Phlip 模型虽然有一定的物理基础,但在石砾地覆土的土壤水分入渗过程中适用性较差。黄棕壤土 40 min 以后的入渗过
24、程利用线性方程能较好地描述(R2 0.95)。因此可利用 Kostiakov 模型对 2 种土壤的入渗过程进行进一步分析。K 值表示土壤入渗开始后第一个单位时段末的累积入渗量即初始入渗速率,其主要受到土壤结构的张盼盼 等 DOI:10.12677/hjss.2023.114023 198 土壤科学 影响。对于同一土壤质地类型,初始含水率基本接近时,影响 K 值的主要因素为土壤的孔隙分布特征,土壤孔隙特征的变化表现为土壤容重的不同,容重越大,孔隙度越小,土壤越密实。从表 2、表 3 可看出,随着容重的增大,K值逐渐减小,塿土容重由1.3 g/cm3增大到1.6 g/cm3时,K 值由 5.776
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