基于分层土壤的水土调控方法试验.pdf
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1、基于分层土壤的水土调控方法试验郑丽萍1,甘永德1,贾仰文2,吴玉帅1,刘欢2,袁日萍1(1.青海大学水利电力学院/黄河上游生态保护与高质量发展实验室,西宁810016;2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京100038)摘要:以土壤物理学原理为指导,充分利用土壤基本物理性质,提出一种通过调整土壤剖面的分层组合方式,达到调控水土过程的技术,命名为人工分层配土(artificiallylayeredsoil,ALS)工程。为验证人工分层配土工程在水土调控方面的作用,开展室内积水入渗试验、植被蒸散发试验和野外干旱区土壤水分观测试验。结果表明:室内试验中,通过调整土壤剖面结
2、构,人工分层配土显著提高了土壤的入渗能力,初始入渗速率提高 3 倍以上,平均入渗速率提高 67.57%,土壤累计入渗量增加 47.14%,同时降低了表层土壤含水量,减少 38.39%土壤的无效蒸发量;野外试验中,分层配土处理组土壤含水量主要储存在地表下 3150cm 处,而野外原状土土壤含水量主要位于表层土壤,且相较于原状土壤,人工分层配土耗水量减少 13.32%,耗水速率降低 12.90%。因此,人工分层配土工程实现了水土调控的目的,对干旱区水土资源调控和荒漠化防治具有重要的意义。关键词:土壤物理性质;土壤分层;土壤含水量;土壤蒸发;土壤入渗中图分类号:TV213;S152文献标志码:ADO
3、I:10.13476/ki.nsbdqk.2023.0070干旱区除降雨量较少外,土壤蒸发和水土流失也会造成水分的无效损失,导致水资源的短缺和土壤的退化1-2。植被建设是生态环境建设的重要组成部分,植被具有拦蓄降雨、减少径流、固持土壤、防止侵蚀和改善生态环境等作用,是生态系统物质循环和能量交换的枢纽,也是防止生态退化的物质基础3,在改善生态环境等方面发挥着十分重要的作用4。土壤水分是植物水分利用的重要来源之一,是生存和生长必需的营养物质,在植物的光合作用、呼吸作用以及养分运输等生理过程中都发挥着不可替代的作用,也是植被建设极为重要的生态限制因素5-6。在干旱区,自然降水是土壤水分主要来源之一,
4、故探索有效的水土调控措施,开展区域现有雨水高效利用对解决干旱区绿化具有重要科学意义。抗旱造林整地技术是干旱半干旱地区抗旱造林的重要基础,对树种生长、发育的影响巨大,主要目的在于蓄水保墒。当前的整地具体包含反坡水平沟、反坡水平阶、水平阶、鱼鳞坑以及覆盖塑料地膜等7-11,一般通过人工或者机械的方式开展。干旱区除本身降雨量较小外,主要由于土壤入渗能力较低和无效蒸发量较大,当前这些整地技术无法显著提高土壤入渗能力和降低土壤无效蒸发量,故难以达到雨水高效利用的目的。研究表明,土壤入渗特性和蒸散发特性,可以通过改良土壤物理性质和分层组合方式实现12-13。另外,自然条件下,由于土壤膨胀性、根系和虫孔等影
5、响,土壤发育大量干缩裂隙和大孔隙,极大地影响土壤入渗过程14。一方面,土壤中碎石的存在使土体内孔隙比例增大15-17,水流通道增多,促进大孔隙优先流的形成,降雨形成壤中流和入渗流的部分增多,产流减少18-20;另一方面,碎石也会增加水流弯曲度、减小过水断面,阻碍入渗,周蓓蓓等21研究发现碎石含量和大小决定两方面作用的优势比重。干缩裂隙和大孔隙是降收稿日期:2023-03-08修回日期:2023-06-29网络出版时间:2023-08-08网络出版地址:https:/ 1。由于新改造的土壤是在原来土壤层上人工配置了两层新的土壤层,改变了土壤原有的分层组合方式,因此命名为人工分层配土工程。1020
6、 cm2030 cm1.52.0 m1.0 m土壤水分温度测定系统膨胀性土壤土石混合介质植被(乔木、灌木)沙沟沙沟原始土层图1人工分层配土工程横截面Fig.1Schematicdiagramofcross-sectionofartificiallayeredsoilengineering土石混合介质层包括土壤和碎石(碎石粒径13cm,质量占总质量的 40%),沙沟由沙土组成,沙沟横截面呈椭圆形,长直径为 1.52.0m,短直径为 0.20.4m,两个相邻沙沟形成波浪线型,沙沟之间种植植被。2材料与方法2.1室内试验2.1.1试验材料供试土壤选择沙土、碎石(粒径 13cm)和壤土。所有土壤经风干
7、后过筛备用(壤土 2mm;沙土 2mm)。土壤采用烘干法测定土壤初始含水量、干容重和饱和含水量,采用吸管法测定土壤颗粒组成,用定水头法测定饱和导水系数,结果见表 1。碎石粒径为13cm,为建筑砂石。土石混合介质由壤土和碎石混合而得,混合比例为碎石占总质量的 40%。试验所用水样取自室内自来水。表1土壤基本物理性质Tab.1Basicphysicalpropertiesofsoil土壤类型干密度/(gcm3)饱和导水系数/(cmmin1)饱和含水量/(cm3cm3)残余含水量/(cm3cm3)粒径分布/%50m250m2m沙土1.600.9600.380.0596.343.660壤土1.360.
8、0640.420.0638.0640.0121.932.1.2试验方法试验于青海大学水利大厅实验室开展,采用垂直土柱法(土柱高 60cm,内径 40cm)进行。试验分为垂向一维积水入渗试验和植被耗水试验,每个试验均设置 2 个处理,分别为人工分层配土(ALS)和均质无分层土壤(non-artificiallylayeredsoil,NLS),NLS 为均质壤土。试验装置由土柱、马氏瓶、称量设备和数据采集器构成。郑丽萍,等基于分层土壤的水土调控方法试验709对于人工分层配土(ALS)处理组:土壤装填时,首先在土槽底部铺设反滤作用的砂石,厚度约为10cm;再在砂石的上面铺设纱布,然后按人工分层土壤
9、分层组合方式顺序填装壤土、沙土和土石混合介质,密度分别为壤土 1.36g/cm3、沙土 1.60g/cm3、土石混合介质 1.56g/cm3。由于土柱直径较小,装填土壤时对沙沟进行了缩小(呈抛物线型),具体见图 2。为了确定剖面土壤水分,在土柱中心 5、15、25、35cm 和与土柱 17.5cm 相对应的沙土层 7.5cm处安装 EM50 土壤温度水分传感器,用以测定土壤010cm、3140cm 和沙土层 015cm 深度处的土壤含水量,而土壤 1120cm 和 2130cm 处的含水量根据土柱中心 15cm、25cm 的土壤水分数据分别与沙土层 7.5cm 处的水分数据加权平均确定。EM5
10、0EM50EM50EM50EM5010 cm15 cm15 cm10 cm12234图2人工分层配土试验土壤剖面Fig.2Schematicdiagramofsoilprofileforartificiallayeredsoilexperiment注:1:土石混合介质层;2:沙土层;3:壤土层;4:砂石层。对于均质无分层土壤(NLS)处理组:土壤装填时,首先在土槽底部铺设反滤作用的砂石,厚度约为 10cm;再在砂石的上面铺设纱布,然后按自然条件下土壤的组成方式装填壤土,壤土密度为1.36g/cm3。为了测定剖面土壤含水量,在处理组的土柱中心 5、15、25、35cm 处安装 EM50 土壤温度
11、水分传感器,用 以 测 定 土壤 010 cm、1120 cm、2130 cm、3140cm 深度处的土壤含水量。试验用马氏瓶恒压供水。在试验过程测定马氏瓶读数和土柱内积水深度,计算得到时段内土壤的累计入渗量。在试验时段内,EM50 水分传感器每隔 20min 记录一次土壤含水量。积水入渗试验。试验进行前,向土槽注入足够水量(土壤达到田间持水量以上,并产生大量壤中流)后静置风干后开展入渗试验。采用马式瓶供水,入渗历时控制在 90min 左右。其间室内温度为 25左右,主要观测资料:马式瓶读数、入渗历时等。植被耗水试验。试验填土方式和所用仪器同入渗试验。如图 1 所示,填完土后,再在原土层凸面(
12、沙沟中间)栽种植物(吊兰 1 株),然后向土柱注入大量水分(土壤达到田间持水量以上,并产生大量壤中流)后开始试验。试验于 2018 年 8 月 5 日开始,至 2018 年 12 月 22 日结束,期间室内温度为 25左右,室内湿度为 15%。每隔 1020d 灌水 1 次,采用称重法测定土壤蒸散发量(精度 0.1g),测定频率为 1 次/周,灌水前后加测。2.2野外试验2.2.1研究区概况野外试验于青海省德令哈市怀头他拉试验基地开展,基地位于青海省德令哈市西北方向,地理位置为 9644E,3721N,海拔为 2869m,属于干旱大陆性高原气候,多年平均气温为 4.1,日温差可达25 以上;多
13、年平均降水量仅有 154.2mm,且集中在 6、7 月份,多年平均蒸发量高达 2301.5mm。研究区位置见图 3。图例怀头他拉试验基地DEM 值高:5 725低:2 725N图3试验区位置Fig.3Locationmapoftheexperimentalarea2.2.2试验方法野外试验即开挖沙沟(20cm),填沙,覆盖土石混合介质(10cm),沙沟间种植植物。试验设置人工分层配土(ALS)处理组和野外实际原状土(FieldUndisturbedSoil,FUS)对照组,见图 1,对于 ALS 处理组,在地表以下 5、20、40、60、85cm 和沙土层 10cm 处设置 TDR 水分温度自
14、动观测系统,用以测定土壤 010cm、3150cm、5170cm、71100cm 和第21卷第4期南水北调与水利科技(中英文)2023年 8 月710沙土层 1130cm 深度处的含水量,而 1130cm 处土壤含水量根据地表下 20cm 和沙土层 10cm 处的水分数据加权平均确定;对于 FUS 对照组,在地表下 10、30、50、70、90cm 处安装 TDR 水分温度自动 观 测 系 统,测定 020 cm、2140 cm、4160cm、6180cm、81100cm 的土壤含水量。试验进行了原状土不同土层土壤基本物理性质的测定(表 2),该试验基地土壤中存在大量碎石,碎石比例呈现向下增大
15、的趋势,地表 60cm 以下为风化基岩层,难以保水。人工分层配土所需土壤、沙土和碎石就地取材获得,其中沙土为当地沙场粉碎沙,成本较低(为 6 元/m3)。表2不同土层土壤物理性质Tab.2Soilphysicalpropertiesofdifferentsoillayers土层深度/cm土壤干密度/(gcm3)饱和含水率/%土壤颗粒组成/%黏粒(0.002mm)粉粒(0.00250m250m2msandysoil1.600.9600.380.0596.343.660loam1.360.0640.420.0638.0640.0121.932.1.2ExperimentalmethodThe ex
16、periments were conducted in the WaterConservancy Hall Laboratory of Qinghai Universitythroughtheverticalsoilcolumnmethod(withacolumnheightof60cmandaninnerdiameterof40cm).Theexperimentsincludedverticalone-dimensionalinfiltra-tionpondingexperimentandvegetationwaterconsump-tionexperiment.Eachexperiment
17、hadtwotreatmentsof ALS and homogeneous no-artificially layered soil(NLS),whereNLSishomogeneousloam.Theexperi-mental setup consisted of soil columns,Mariottebottles,weighingequipment,anddatacollector.In the ALS treatment group,during soil filling,first,alayerofsandwithanapproximatethicknessof10cmwasl
18、aidatthebottomofthesoiltroughtoserveastheanti-filtrationlayer.Then,alayerofgauzewasplacedontopofthesand.Loam,sandysoil,andsoil-rock mixed media were filled in the soil troughfollowing the soil layering sequence of ALS.Thedensities were 1.36 g/cm3 for loam,1.60 g/cm3 forsandy soil,and 1.56 g/cm3 for
19、the soil-rock mixedmediarespectively.Duetothesmalldiameterofthesoil column,the sand ditches were narrowed(aparabolicshape)duringsoilfilling,asshowninFig.2.To determine the soil water profiles,we installedEM50soiltemperatureandmoisturesensorsatthecenterofthesoilcolumnatdepthsof5cm,15cm,25cm,35 cm,and
20、 7.5 cm of the sand layercorresponding to the 17.5 cm of the soil column.These sensors were employed to measure the soilwatercontentatdepthsof010cm,3140cm,andinthesandysoillayeratadepthof015cm.Thesoilwatercontentatdepthsof1120cmand2130cmwas determined by taking the weighted average ofthesoilwaterdat
21、aatthecenterofthesoilcolumnat15cmand25cmrespectively,alongwiththewaterdataatthesandysoillayerat7.5cm.InthehomogeneousNLStreatmentgroup,duringsoilfilling,first,alayerofsandwithanapproximatethicknessof10cmwaslaidatthebottomofthesoilVol.21No.4South-to-NorthWaterTransfersandWaterScience&TechnologyAug.20
22、23720troughtoserveastheanti-filtrationlayer.Then,alayerofgauzewasplacedontopofthesand.Loamwithadensity of 1.36 g/cm3 was filled in the soil troughfollowing the natural soil composition.EM50 soiltemperature and moisture sensors were installed atthecenterofthesoilcolumnatdepthsof5cm,15cm,25 cm,and 35
23、cm to measure the soil watercontent profiles.These sensors were adopted tomeasurethesoilwatercontentatdepthsof010cm,1120cm,2130cm,and3140cmrespectively.10 cmNote:1.Soil-rock mixed media layer;2.Sandy soil layer;3.Loamlayer;4.Gravel layer.15 cm15 cm10 cmEM5012234EM50EM50EM50EM50Fig.2SoilprofileforALS
24、experimentA Mariotte bottle with constant pressure wasleveragedforwatersupplyduringtheexperiment.Thereadingsofthebottleandthedepthoftheinfiltrationpond in the soil column were measured during theexperimenttocalculatethecumulativesoilinfiltrationvolumeovertheperiod.Throughouttheexperimentalperiod,the
25、 EM50 moisture sensor recorded the soilwatercontentevery20minutes.Infiltrationpondingexperiment.Beforeexperimen-ting,thesoiltroughwasfilledwithenoughwater(thesoilreachingabovethefieldwaterholdingcapacityandgenerating significant subsurface flow).After airdrying,the infiltration experiment was carrie
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