不同坡度和不同生育期的谷子坡耕地入渗特征.pdf
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1、第3 7卷第4期2 0 2 3年8月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 5 资助项目:国家自然科学基金项目(4 1 9 7 7 0 6 5);国家重点实验室开放基金项目(k 3 0 5 0 2 1 9 1 7 1)第一作者:付世琳(2 0 0 0),女,在读硕士研究生,主要从事土壤侵蚀研究。E-m a i l:7 5 0 4 0 3 6 9 5q q.c o m 通信作者:吴发启(1 9 5 7),男
2、,教授,博士生导师,主要从事水土保持研究。E-m a i l:w u f a q i 2 6 3.n e t不同坡度和不同生育期的谷子坡耕地入渗特征付世琳1,2,姚 冲1,2,余 倩1,2,吴发启1,3(1.黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;2.西北农林科技大学水土保持研究所,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;3.西北农林科技大学资源环境学院,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0)摘要:坡度和作物生育期是影响坡耕地土壤入渗性能的关键因素,作物生长导致土壤特性及根系变化进而影响坡面入渗过程。通过人工模拟降雨试验,设计4个坡耕地坡度(3,5,1 0,1 5)及
3、2个降雨强度(4 0,8 0mm/h),在谷子4个生育期(拔节初期、拔节中期、抽穗初期、灌浆初期)开展试验,探究坡度和生育期对谷子坡耕地土壤入渗特征的影响机制,并结合入渗模型(H o r t o n、K o s t i a k o v、P h i l i p模型)对谷子坡耕地土壤水分入渗过程进行拟合并评价其适用性。结果表明:(1)随坡度增加土壤入渗能力下降,与3 相比,1 5 坡耕地土壤稳定入渗速率、平均入渗速率及累积入渗量分别减小3 0.7 6%5 2.3 8%,2 1.2 8%3 7.5 0%和2 2.5 1%4 3.5 5%。(2)随着谷子生育期的延长,土壤入渗能力显著增加,与拔节初期相
4、比,灌浆初期时土壤稳定入渗速率、平均入渗速率及累积入渗量分别增加2 3.8 1%8 0.0 0%,2 0.8 3%4 0.0 0%,1 7.8 4%5 4.1 0%,表现为拔节初期拔节中期抽穗初期灌浆初期。(3)通过对入渗速率实测值进行拟合,H o r t o n模型对坡耕地土壤入渗过程拟合最好,且模型拟合参数具有物理意义。研究结果可为增加坡耕地降雨入渗、提高水分利用效率、减少坡耕地水土流失提供理论依据。关键词:土壤侵蚀;坡耕地;入渗速率;坡度;生育期中图分类号:S 1 5 7.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 4-0 0 2 3-0 8D O
5、I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 4.0 0 4I n f i l t r a t i o nC h a r a c t e r i s t i c so fM i l l e t S l o p eF a r m l a n dw i t hD i f f e r e n tS l o p eG r a d i e n t a n dD i f f e r e n tG r o w t hP e r i o dF US h i l i n1,2,YAOC h o n g1,2,YU Q i a n1,2,WUF a q i1,3(
6、1.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fS o i lE r o s i o na n dD r y l a n dF a r m i n go nt h eL o e s sP l a t e a u,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0;2.I n s t i t u t eo fS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,N o r t h w e s tA&FU n i v e r s i t y,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1
7、 2 1 0 0;3.C o l l e g eo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t,N o r t h w e s tA&FU n i v e r s i t y,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0)A b s t r a c t:S l o p ea n dc r o pg r o w t hp e r i o da r et h ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h es o i li n f i l t r a t i o np e r f o
8、 r m a n c eo fs l o p i n gf a r m l a n d,a n dc r o pg r o w t hc a n r e s u l t i ns o i l c h a r a c t e r i s t i c s a n d r o o t c h a n g e s,w h i c h f u r t h e r a f f e c t t h es l o p e i n f i l t r a t i o np r o c e s s.T h r o u g ha r t i f i c i a l s i m u l a t e dr a i n
9、f a l l e x p e r i m e n t s,t h es l o p e s(3,5,1 0 a n d1 5)a n d2r a i n f a l l i n t e n s i t i e s(4 0a n d8 0mm/h)o f f o u r s l o p e c u l t i v a t e d l a n dw e r ed e s i g n e d,a n d t h ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t i nf o u rg r o w t hs t a g e so fm i l l e t
10、(e a r l y j o i n t i n gp e r i o d,m i d d l e j o i n t i n gp e r i o d,e a r l yh e a d i n gp e r i o d,e a r l yp u s t u l a t i o np e r i o d)t oe x p l o r et h ei n f l u e n c e m e c h a n i s m o fs l o p ea n dg r o w t hp e r i o do ns o i li n f i l t r a t i o nc h a r a c t e r
11、i s t i c so fm i l l e ts l o p ef a r m l a n d,a n dc o m b i n e d w i t ht h ei n f i l t r a t i o n m o d e l(H o r t o n,K o s t i a k o va n dP h i l i pm o d e l s)t oe v a l u a t et h ea p p l i c a b i l i t yo fs o i lm o i s t u r ei n f i l t r a t i o np r o c e s s i nc u l t i v a
12、 t e dl a n do fm i l l e t s l o p e.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t:(1)T h e s o i l i n f i l t r a t i o nc a p a c i t yd e c r e a s e dw i t h t h e i n c r e a s eo fs l o p e,a n dc o m p a r e dw i t ht h e s l o p eo f 3,t h e s t a b l e i n f i l t r a t i o nr a t e,a v e r a g
13、 e i n f i l t r a t i o nr a t e a n dc u m u l a t i v ei n f i l t r a t i o nr a t eo f t h es o i l i nf a r m l a n do f1 5 s l o p ed e c r e a s e db y3 0.7 6%5 2.3 8%,2 1.2 8%3 7.5 0%a n d2 2.5 1%4 3.5 5%,r e s p e c t i v e l y.(2)W i t ht h ee x t e n s i o no fm i l l e tg r o w t hp e r
14、 i o d,s o i l i n f i l t r a t i o nc a p a c i t yi n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y,a n dc o m p a r e dw i t ht h e e a r l y j o i n t i n gs t a g e,t h es t a b l e i n f i l t r a t i o nr a t e,a v e r a g e i n f i l t r a t i o nr a t ea n dc u m u l a t i v ei n f i l t r a t i
15、o na m o u n to fs o i li nt h ee a r l yf i l l i n gs t a g ei n c r e a s e db y2 3.8 1%8 0.0 0%,2 0.8 3%4 0.0 0%a n d1 7.8 4%5 4.1 0%,r e s p e c t i v e l y,s h o w i n gt h a t t h ee a r l yj o i n t i n gp e r i o dt h em i d d l ej o i n t i n gp e r i o dt h ee a r l yh e a d i n gp e r i
16、o d8 0%,降雨强度的调控范围为3 01 4 0mm/h,采用调节水压力控制阀和更换喷头垫片的方式调节雨强。降雨前需要先率定雨强,满足试验要求后进行降雨试验。1.3 指标测定与计算降雨试验开始计时后,观察并记录各小区的产流时间,产流开始时用塑料小桶收集径流和泥沙样品,时间间隔为2 m i n,直至试验结束。降雨试验结束后,称取每份样品重,待样品静置2 4h后倒掉上清液,将沉淀的泥沙样品冲入铝盒,放入1 0 5 的烘箱中烘干至恒重,称重,记录时段径流量与产沙量,然后通过计算得出土壤入渗速率和累积入渗量等指标。坡耕地坡度的不同可影响径流小区有效降雨面积,在计算降水量时需校正。土壤入渗速率采用降
17、雨-入渗法计算(水量的闭合计算不包括壤中流),计算方法为:h=6 0 0 0W/A(1)V=P-h(2)式中:h为径流深(mm/m i n);W为径流量(m3/s);A为径流 小 区 面 积(m2);V为 土 壤 入 渗 速 率(mm/m i n);P为降雨强度(mm/m i n)。1.4 入渗模型为更加深入分析不同坡度谷子坡耕地土壤入渗特征及变化规律,分别选取P h i l i p、K o s t i a k o v和H o r t o n模型对坡面入渗过程进行拟合,各入渗模型为:(1)P h i l i p模型i(t)=ic+0.5S t-0.5(3)式中:i(t)为入渗速率(mm/m i
18、 n);ic为稳定入渗速率(mm/m i n);S为吸湿率(mm/m i n0.5);t为入渗 时间(m i n)。(2)K o s t i a k o v模型i(t)=a t-b(4)式中:a、b为入渗参数。(3)H o r t o n模型i(t)=ic+(i1-ic)e-k t(5)式中:i1为初始入渗速率(mm/m i n);k为入渗模型参数。1.5 数据处理利用M i c r o s o f tE x c e l 2 0 2 1软件对试验数据进行处理分析,并且使用O r i g i n2 0 1 7软件制作图表,用S P S S2 2.0软件进行模型拟合。2 结果与分析2.1 不同坡度
19、坡面的土壤入渗过程图1和图2为谷子坡耕地4 0,8 0mm/h降雨条件下不同坡度坡面入渗速率的动态变化过程。不同坡度谷子坡耕地的入渗速率随时间的变化规律具有较强的一致性,均表现为先下降后稳定波动,入渗速率与时间呈负相关关系。入渗初期,坡耕地土壤具有较高的初始入渗性能,此时土壤入渗速率最大,随时间推移土壤入渗速率急剧减小并逐渐趋于稳定。根据入渗时间大致可将土壤入渗过程分为入渗速率瞬变阶段、渐变阶段、稳定波动阶段3个阶段。(1)入渗速率瞬变阶段(02 5m i n):土壤入渗速率变化极大,主要是因为入渗初始是土壤浸润阶段,由于分子力作用,土壤与水分作用形成薄膜水,水分在重力因素影响下形成水压,使下
20、渗锋面快速延伸,此阶段入渗速率较大且变化较快。(2)渐变阶段(2 55 0m i n):渐变阶段下渗的水分由于受土壤毛管孔隙的引力及其自身重力的作用,土壤间的孔隙被逐步填满,入渗速率持续降低,入渗速率逐渐放缓。(3)稳定波动阶段(5 06 0m i n):稳定波动阶段时,土壤孔隙中水分已经达到饱和状态,水分在重力作用下运动,土壤入渗速率在此阶段逐渐趋于稳定,达到稳定入渗状态。2.2 坡度对坡耕地土壤入渗特征的影响2.2.1 坡度对坡面稳定入渗速率的影响 由图3可知,在4 0,8 0mm/h2种雨强条件下,随坡度变化土壤稳定入渗速率发生明显变化,同一谷子生育期土壤稳定入渗速率随坡度增大而降低。4
21、 0mm/h降雨条件下,谷子拔节初期4个坡度(由小到大)稳定入渗速率分别为0.4 2,0.3 2,0.2 9,0.2 0mm/m i n,随坡度增加稳定入渗速率分别降低2 3.8 1%,3 0.9 5%,5 2.3 8%;谷子灌浆初期稳定入渗速率分别为0.5 2,0.4 8,0.4 3,0.3 6mm/m i n,随坡耕地坡度增加稳定入渗速率分别降低7.6 0%,1 7.3 1%,3 0.7 7%。8 0mm/h降雨条件下,谷子拔节初期时稳定入渗速率分别为0.6 1,0.5 2,0.2 7,0.3 4mm/m i n,随坡度增加稳定入渗速率分别降低1 4.7 5%,5 5.7 3%,4 4.2
22、 6%;谷子灌浆初期时坡面稳定入渗速率分别为0.8 7,0.8 4,0.6 5,0.6 3mm/m i n,随坡度增加稳定入渗速率分别降低3.4 5%,2 5.2 8%,2 7.5 9%。结果表明,在生育期和雨强相同时,坡度增大使谷子坡耕地稳定入渗速率减小,整体表现为3 5 1 0 1 5。这主要是因为在稳定入渗阶段土壤孔隙中水分已经达到饱和,各径流小区土壤入渗速率也基本趋于稳定,土壤水分入渗主要受水层压力的影响,随坡度增加径流沿坡面方向的分力增大,垂直坡面的压力减小,使得坡面稳定入渗速率减小。由图3可知,坡度相同时,谷子不同生育期坡面稳定入渗速率具有明显差异,随谷子生长坡面稳定入渗速率逐渐增
23、大。在4 0mm/h雨强时,随谷子生长3 坡耕地的稳定入渗速率分别为0.4 2,0.4 4,0.4 9,0.5 2mm/m i n,与拔节初期相比,其他生育期坡面稳52第4期 付世琳等:不同坡度和不同生育期的谷子坡耕地入渗特征定入渗速率分别增加0.0 2,0.0 7,0.1 0mm/m i n;随谷子生长1 5 坡耕地稳定入渗速率依次为0.2 0,0.2 9,0.3 1,0.3 6mm/m i n,与拔节初期相比,其他生育期坡面稳定入渗分别增加0.0 9,0.1 1,0.1 6mm/m i n。结果表明,谷子生长可明显影响坡面稳定入渗速率,当降雨强度和坡耕地坡度相同时,谷子各生育期坡面稳定入渗
24、速率表现为拔节初期拔节中期抽穗初期 5 1 0 1 5。这主要与谷子坡耕地表面水层的受压情况有关,径流水分入渗受大气压力和水层压力的综合作用。随坡耕地坡度增加,径流沿坡面方向的分力增大,垂直坡面的压力减小,从而使得坡面平均入渗速率减小。此外,随谷子生长坡面平均入渗速率呈逐渐上升的变化趋势,谷子灌浆初期的坡面平均入渗速率明显大于其他生育期。雨强增大可明显增加坡面平均入渗速率,8 0mm/h雨强条件下坡耕地平均入渗速率为4 0mm/h雨强时的1.3 2 1.8 6倍,这与水体自重力的增加和雨滴打击对水体产生的冲力有关,其不仅可以加速入渗水流的速率,也可使部分静止的毛管水加入到入渗水流中,从而使坡面
25、平均入渗速率增加。图3 2种雨强条件下坡度及生育期对坡耕地稳定入渗速率的影响表1 2种雨强条件下不同坡度及生育期的坡耕地平均入渗速率单位:mm/m i n坡度/()拔节初期4 0mm/h8 0mm/h拔节中期4 0mm/h8 0mm/h抽穗初期4 0mm/h8 0mm/h灌浆初期4 0mm/h8 0mm/h30.4 80.7 30.4 70.7 80.5 40.9 60.5 80.9 950.3 90.6 80.4 80.7 90.4 90.8 50.5 40.9 91 00.3 70.5 40.3 80.5 90.4 90.7 90.4 90.8 11 50.3 00.4 40.3 70.4
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