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物理化学调控对土壤水分运动特性的影响研究

潘英华

  我国干旱半干旱区面积广大,约占国土面积的52.5%,其中以黄土高原为中心的半干旱区是我国旱地雨养农业的主要分布区。天然降雨利用率低、土壤无效蒸发量大、水土流失严重是制约黄土高原地区农业可持续发展的主要问题。利用物理化学调控方法减少地表径流和土壤无效蒸发、提高降雨利用率,是黄土高原地区减少干旱、缓解水资源危机、减轻土壤侵蚀危害、提高农业生产力的重要途径。本文所采用的物理方法即产渗流法也是微集水种植技术的一种,它是在不改变坡地地表条件的情况下,通过在坡地上设置不同的产流面与渗流面的比例来增加局部土壤蓄水,提高雨水利用率、作物抵抗干旱能力与单位产出。土壤的降雨入渗性能是雨水利用的重要参数,快速准确地测定土壤的降雨入渗性能具有十分重要的意义。本文所采用的化学方法是在土壤表面施加土壤结构改良剂,结构改良剂的主要成分为聚丙烯酰胺(PAM)与磷石膏(PG)。PAM 能够很好地维持土壤结构和增加降雨入渗量,而PG 也是一种效果良好的土壤结构改良剂,两者配合使用既可起到增加降雨入渗的作用,也可使PAM 的作用得以充分发挥。通过对国内外的研究状况以及黄土高原地区降雨、地形和土壤条件的分析,物理化学调控方法是黄土高原地区发展雨养农业的一个重要手段。但是,有关土壤结构改良剂对土壤水动力学参数、土壤水分蒸发及土壤降雨入渗性能的影响等问题的定量研究尚比较缺乏,对物理化学方法在坡地上结合使用的研究也不多见。因此,本文以PAM 与PG 的混合物为土壤结构改良剂,以黄绵土为主要试验土壤,采用室内小土柱试验研究土壤结构改良剂对土壤水动力学参数的影响;以人工气候室为主要试验设备,以不同高度的土柱为试验装置,研究土壤结构改良剂对土壤水分蒸发的影响;通过室内人工降雨试验,研究测定降雨入渗性能的产渗流法及其入渗率计算模型的合理性与可靠性,以及物理化学调控方法对坡地土壤降雨入渗的影响,以期为黄土高原地区采用物理化学调控方法发展雨养农业奠定基本的理论基础。研究得到如下主要结果:(1)土壤中加入结构改良剂后,持水性能有所提高。当压力在5~1000KPa 范围内时,土壤的持水性能随压力增加而增大。改良剂的施用位置及深度对土壤持水有效性及土壤水分状况有一定影响,当改良剂施加于土壤表层时,土壤的持水性能相对较差,吸力越大,持水性越差,有时甚至出现较对照降低的现象,而当改良剂与土壤混合时,持物理化学调控对土壤水分运动特性的影响研究ii水性能较好;土壤结构改良剂对土壤水分的水平扩散也有一定影响,各种处理的水平推进距离与时间均满足二次多项式关系。在近距离范围内,土壤水分的水平扩散基本与土壤结构改良剂的用量无关。当超出一定距离(本试验中约为>6cm)后,各处理之间的差异渐趋明显;表层施加结构改良剂的土壤饱和导水率较对照显著增加。在结构改良剂与土壤混合的情况下,PG 用量相同时,土壤饱和导水率值随PAM 用量的增加而降低。PAM用量相同时,土壤饱和导水率值随PG 用量增加而增加。这一现象进一步印证了PG 对PAM负作用的舒解作用。(2)室内土柱蒸发试验研究表明,土壤结构改良剂对水分蒸发有明显的抑制作用。综合考虑各方面影响因素,确定PAM 与PG 的最佳组合:P2G2(PAM 用量为2 g/m2,PG 用量为200g/m2)。(3)提出了一种测量坡地降雨、产流土壤侵蚀作用条件下土壤入渗能力的产渗流法。该方法弥补了以往降雨器和双环入渗仪法的不足,可以用于测定坡地降雨/径流/土壤侵蚀等因素影响下的整个降雨入渗过程。依据水量平衡原理推导出的入渗率(入渗能力)计算模型,可以计算得到各种降雨条件下的土壤降雨入渗特性曲线,且精度较高。(4)在坡面上采用物理方法可以调控雨水的空间分布。通过产流/渗流试验,研究了雨水叠加利用的土壤水分运动与空间分布。物理调控方法的应用使得坡面上下土壤剖面的湿润锋深度差异有所降低并使坡面上部的水分入渗量增加,渗流面覆盖土壤结构改良剂可以提高土壤的前期降雨入渗率,并对坡面侵蚀有一定的控制作用。物理化学方法在坡面上的配合使用可以提高坡面的降雨利用率,该种方法为调控黄土高原地区土壤水分状况、提高土地的生产率提供了一条较好的方法和途径,具有广阔的应用前景和较高的实用价值。……   
[关键词]:物理化学调控;土壤结构改良剂;土壤水动力学参数;蒸发;入渗
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:西北农林科技大学2004年