不同种植年限压砂地土壤入渗特征及水力学参数研究

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压砂地是西北干旱半干旱区农民为应对降水稀缺、水分匮乏这一自然条件所形成的独特旱作雨养节水农业模式,其利用地表覆盖砾石来增渗保墒,提高农田生产力。然而随着种植年限增加,压砂地土石介质结构及砾石配比和含量等均发生了改变,压砂地普遍呈现出水分含量降低、土壤耕性变差、土壤增渗保墒功能逐渐退化,并且严重制约了压砂地的可持续发展。因此研究不同种植年限压砂地土壤水分入渗过程及水力学参数特征对了解土壤水分分布状况、制定合理灌溉制度及估算地表水文流量等有至关重要的作用。为明确不同种植年限压砂地土壤水分入渗及水力学参数特征,本文选取了宁夏中卫市的一个压砂地集中区域,利用实地调查、野外采样、原位试验及室内模拟试验等方法对不同种植年限(2、5、10、20、30和40 a)压砂地土壤水分入渗及水力学参数特征进行了研究。取得如下主要结论:(1)压砂地不同粒径砾石的空间变异系数均大于10%,属中等变异。不同粒径砾石的空间异质比变化范围较大(0.26%~82.48%),其空间异质性受随机性因素和结构性因素共同影响。空间自相关分析显示各粒径砾石的全局Moran’s I指数均高于0.674,且Z值均大于1.96,表明不同粒径砾石存在极显著的空间依赖特征,呈聚集性分布。地理探测器模型识别表明压砂地不同粒径砾石的空间分异的解释力由大到小依次为:种植年限>坡向>地表粗糙度>坡度>剖面曲率>平面曲率>地表起伏度,种植年限是压砂地不同粒径砾石空间分布状况的主要影响因子。不同环境条件下压砂地土体中不同粒径砾石空间分布差异明显且呈聚集性分布。(2)根据不同种植年限压砂地垂直一维土柱入渗试验分析可知,种植年限增加,相同时间下湿润锋和累积入渗量逐渐减小,初始入渗速率、稳定入渗速率和平均入渗速率均呈减小趋势。结合Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型和通用经验模型4个入渗模型的R2及其物理学意义,Horton模型对不同种植年限压砂地水分入渗过程拟合效果最佳。一维代数模型拟合的不同种植年限土壤剖面含水率值与实测值间的MAE均在0.48%~2.09%之间,RMSE在0.52%~2.13%之间,D均大于0.782,说明一维代数模型能够较好的描述不同种植年限下压砂地土壤剖面不同深度含水率的分布状况。(3)根据不同种植年限压砂地水平一维土柱吸渗试验分析可知,在相同吸渗时间下,随着种植年限的增加,湿润锋深度和累积入渗量均呈减小趋势,Philip模型中的吸渗率和Green-Ampt模型中的平均扩散率均呈逐渐减小的趋势。Brooks-Corey模型中,在相同土壤含水率下,随着种植年限的增加,水吸力和非饱和扩散率均呈减小趋势。在水分吸渗过程中,随着种植年限的增加,压砂地土壤水分入渗能力及持水能力均明显减低。(4)随种植年限增大,土壤容重显著增大(P<0.05),饱和导水率显著降低(P<0.05),通过压砂地剖面染色形态可以看出,随着种植年限增大土石混合程度增加,砾石覆盖层与下层土壤边界逐渐模糊,整体上随土壤深度增加剖面染色水流形态从均匀的活塞流向指流转变,基质流区域减小,优先流区域增大。随种植年限增大,剖面染色面积比、土壤基质流占比和基质流深度减小,优先流占比、剖面染色变异系数和湿润锋迹线的不规律性呈增大趋势。综合染色特征参数和分形维数可知种植年限越长,压砂地染色形态的不均匀性越高,基质流区占比逐渐减小,优先流区占比逐渐增大、发育程度增高。
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