斥水土壤中指流發(fā)育過程試驗(yàn)研究.pdf

1、斥水性土壤在全球范圍內(nèi)分布普遍，且對(duì)環(huán)境有著直接或間接的負(fù)面影響，如加劇土壤侵蝕和坡面徑流，引發(fā)土壤水分的優(yōu)先流現(xiàn)象，從而導(dǎo)致土壤中溶質(zhì)遷移、地下水污染等問題，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為了研究土壤斥水性(SWR)的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素，以新疆瑪納斯河流域主要灌區(qū)的農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，分別采用了滴水穿透時(shí)間(WDPT)、酒精摩爾濃度(MED)和接觸角(ω)三種指標(biāo)表征SWR，探討各指標(biāo)之間的聯(lián)系和差異，其中，接觸角ω的測(cè)定采用了高度法和質(zhì)量

2、法兩種方法;對(duì)WDPT值是否受烘干及不同容重值的影響進(jìn)行了比較，研究了影響SWR的關(guān)鍵理化性質(zhì)因素，探討了SWR的形成機(jī)理和產(chǎn)生原因。在對(duì)SWR指標(biāo)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)斥水土壤中的水分運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，采用人工添加斥水劑配置不同斥水程度土壤的方法，通過室內(nèi)土箱入滲試驗(yàn)，分析了不同斥水程度下均質(zhì)和非均質(zhì)（層狀）土壤中的水分運(yùn)移情況，并且對(duì)出現(xiàn)的指流現(xiàn)象選取了多種指標(biāo)進(jìn)行了定量分析。研究的主要結(jié)果有:
　　(1)三種SWR指標(biāo)（WD

3、PT、MED及ω）之間存在一定程度的相關(guān)性，但MED與θ的相關(guān)性不明顯，各SWR指標(biāo)之間雖有一定聯(lián)系，但存在著一定差異性;高容重土壤的WDPT值比低容重土壤的大，烘干土壤的WDPT值比風(fēng)干土壤大。采用高度法和質(zhì)量法測(cè)量水與土壤界面的ω值時(shí)，高度法的ω值大于質(zhì)量法，高度法重復(fù)之間的差異小于質(zhì)量法;使用正辛烷作為參比溶液測(cè)量水-土壤界面的ω值時(shí)，其重復(fù)間的差異較小，低于無水乙醇。在多種理化性質(zhì)中，粘粒含量比其他土壤屬性更明顯地影響WDPT和

4、ω;鉀離子濃度和鈉離子濃度均與ω呈正相關(guān);蒙脫石含量與WDPT和MED呈負(fù)相關(guān)。土壤SWR的三種測(cè)定方法中，WDPT法操作簡(jiǎn)單易行，但結(jié)果易被影響;MED法縮短了入滲時(shí)間但試驗(yàn)過程較為耗時(shí);接觸角法雖然操作復(fù)雜，但測(cè)定結(jié)果相對(duì)精確，其中以正辛烷作為參比溶液的高度法使測(cè)定結(jié)果更加可靠。
　　(2)不論是在均質(zhì)土壤中還是層狀土壤中，斥水性都可以阻礙水分的入滲，降低入滲率。在斥水等級(jí)相同的均質(zhì)土壤中，壤土的入滲耗時(shí)比渭河砂土的耗時(shí)長(zhǎng)，表

5、明水分在細(xì)質(zhì)地土壤中的運(yùn)移速度明顯低于砂質(zhì)土壤。塿土在親水、輕微斥水、強(qiáng)烈斥水、嚴(yán)重斥水和極度斥水級(jí)別下的處理中，隨著入滲時(shí)間的增加，累積入滲量(CI)均表現(xiàn)為逐漸變緩的趨勢(shì)。而在渭河砂土中，除去親水外的其余四個(gè)斥水等級(jí)，CI曲線均出現(xiàn)了隨時(shí)間逐漸增加的趨勢(shì)，這與塿土的變化趨勢(shì)相反;同時(shí)，斥水土壤中出現(xiàn)指流可引發(fā)水分的快速入滲。
　　(3)在均質(zhì)斥水土壤中，隨著斥水程度變強(qiáng)，濕潤(rùn)鋒從幾近均勻狀態(tài)，逐漸發(fā)展成不均勻形態(tài)，并且引發(fā)了非

6、均勻流和指流。在相同的斥水程度下，渭河砂土比壤土更易表現(xiàn)出濕潤(rùn)鋒的不穩(wěn)定性，表明在粗質(zhì)地的斥水土壤中更易引發(fā)不穩(wěn)定流和指流。累積濕潤(rùn)面積（WA）與CI表現(xiàn)出較好的正相關(guān)關(guān)系。但在均質(zhì)強(qiáng)烈斥水渭河砂土到均質(zhì)極度斥水渭河砂土的處理SL3～SL5中，這種關(guān)系卻符合冪函數(shù)的形式，這表明指流發(fā)生后，可以在較小的區(qū)域中瞬間通過較大的水流量。對(duì)SL3～SL5中所出現(xiàn)的指流進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算，指鋒流速Fv隨著斥水性的增強(qiáng)先略有增加，然后開始變緩;隨著斥

7、水性的增強(qiáng)，指流形態(tài)在均質(zhì)渭河砂土中由細(xì)長(zhǎng)變得短粗;指流長(zhǎng)度FL與WA之間有較好的正相關(guān)關(guān)系，表明入滲量越大，引發(fā)的指流越長(zhǎng)。SWR可以在一定程度上增強(qiáng)土壤含水率（θv）分布的不均勻性，但是不同的斥水等級(jí)對(duì)θv分布不均勻性的影響程度存在一定差異。壤土組中，均質(zhì)極度斥水壤土LL5的變異系數(shù)Cv達(dá)到最大，說明θv的分布最不均勻。在均質(zhì)渭河砂土中，強(qiáng)度斥水等級(jí)處理的SL3中Cv達(dá)到最大，且渭河砂土θv的變異性要高于塿土，說明斥水性砂質(zhì)土比粘性

8、質(zhì)地土壤更容易出現(xiàn)非均勻流。
　　(4)層狀斥水土壤中的水分運(yùn)移情況與親水層狀土壤的不同，比均質(zhì)斥水土壤中更容易發(fā)育指流。CI大致隨上層土壤斥水程度的增加而降低，并且上層土壤的質(zhì)地對(duì)濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移程度和CI的控制力比下層強(qiáng)。隨著上層土壤斥水性的提高，指流的濕潤(rùn)鋒變得更加不規(guī)律，而且相關(guān)的指流指標(biāo)(包括指流長(zhǎng)度FL、指流寬度FWh、指鋒流速Fv、指根流速Bv、指流形態(tài)指數(shù)SI和指流分布指數(shù)DI)也隨著斥水性的變化而發(fā)生改變;表征指流發(fā)

9、展的不規(guī)則性指標(biāo)SI和DI的最大值出現(xiàn)于GAL3（強(qiáng)烈斥水粘壤土/砂土）和GCL5（極端斥水粘壤土/砂土），這表明了指流最易發(fā)生的土壤斥水和層位條件。在不同的斥水等級(jí)下，指流參數(shù)的變化也相對(duì)隨機(jī)，但是在不同斥水級(jí)別和親水的處理之間，仍然存在明顯差異。CI和WA、CI和FL之間均存在較好的線性關(guān)系。上層10cm土壤的θv隨著斥水程度的增加而下降，但明顯高于下層土體。斥水層狀土的入滲和指流發(fā)展并不完全依斥水等級(jí)的增加而呈規(guī)律性變化，斥水性和