土壤质地层状性和水质对土壤侵蚀影响的试验研究

摘要

由于气象、地质和生物等过程的作用，层状土壤构型在自然界普遍存在，降雨水质性质随着地域发生改变，因此在降雨侵蚀过程中这两个因素也起到了关键的作用。并且土壤层状构型的存在，使水分在均质土中和层状土壤构型中的运动规律具有很大的差异，土壤理化性质也会随降雨水质的不同而发生改变。虽然土壤的层状构型和各类的水质对土壤入渗的影响被广泛证实，但是对土壤侵蚀过程影响的研究较少，而且研究不同灌溉和降雨水质在层状土壤构型中的土壤入渗过程还未见有报道。因此，本论文以黄土高原广泛分布的塿土、黄绵土和砂土为研究对象，通过人工室内模拟降雨，研究不同的层状土壤构型对土壤入渗及坡面土壤侵蚀过程中的影响;以及不同降雨水质作用下，土壤的降雨入渗过程，产流产沙特性;同时研究室内层状土壤构型，在各种水质入渗过程中的土壤水分运动规律，以期为层状土壤入渗过程和侵蚀过程模拟提供科学数据。研究结果表明:
　　(1)层状土壤构型“上砂下黏”组合能够降低降雨侵蚀程度。通过人工模拟降雨试验，研究了3种土壤类型及其不同层状结构组成条件下的降雨入渗和产流产沙特征:随降雨强度增大，各层状土壤的产流时间均变短，而径流系数均增大，土壤侵蚀强度增大;在相同降雨强度下，“上砂下黏”的层状土壤构型稳定入渗率较大，抗侵蚀能力较强，而“上黏下砂”的层状土壤构型在降雨侵蚀过程中的产沙量大，土壤侵蚀强;土壤入渗率的大小由层状土壤的总土水势和导水率共同决定的，三层土壤组合的入渗率大小为砂土-黄绵土-塿土＞砂土-塿土-黄绵土＞塿土-砂土-黄绵土＞塿土-黄绵土-砂土;两层组合的大小为砂土-塿土＞塿土-砂土。土壤水分的入渗是有土水势起主导作用，因此，在降雨侵蚀过程中，非饱和土壤水分运动，孔隙是与大气相连通，层状土壤构型的水头压力决定土壤入渗速率，从而使得其含水量高于均质土壤。层状土壤构型产流产沙量总体为三层组合＜两层组合＜单层土壤，表明层状组合层次越多，其抗侵蚀能力可能越强;根据Smith降水入渗模型和Kostiakov入渗模型，可得出在降雨条件下层状土壤的入渗模型公式，利用试验进行了模拟验证;
　　(2)降雨水质的不同，侵蚀过程侵蚀程度不同。通过模拟降雨试验研究了不同水溶液（去离子水、天然降水、天然积水、自来水和微咸水）模拟降雨条件下土壤入渗和产流产沙特征:随着降水中钠吸附比和电导率的增加，土壤侵蚀强度先降低后增加;天然积水作用下，侵蚀程度最低，因此其是降水中钠吸附比和电导率的临界值，高于或低于此值，侵蚀程度加剧;塿土入渗率和累积入渗量从大到小的排列顺序为:天然积水＞微咸水＞自来水＞天然降水＞去离子水，天然积水的累积入渗量最高，去离子水累积入渗量最低。水质对降雨侵蚀的影响特征还受土壤质地和构型的影响，粘粒含量较高的塿土降雨侵蚀受水质影响比粘粒含量较低的黄绵土更加明显，同时层状构型塿土-砂土的降雨侵蚀程度和均质塿土侵蚀规律一致，但是侵蚀程度比均质塿土强;Philip模型应用于降雨水质入渗模拟时，对于钠吸附比较低的水质计算结果较为精确，对于钠吸附比较高的水溶液，其计算结果有一定偏差。也就是说水质钠吸附比(SAR)是有一定的阈值范围，本试验的范围是当钠吸附SAR等于天然积水的SAR时，降雨侵蚀量最低。
　　(3)不同水质的积水入渗过程是受土体构型控制。利用去离子水、天然降水、天然积水、自来水4种水质的水，作用于三种土壤构型（均质塿土、塿夹砂、砂夹塿），研究均质和层状土壤积水入渗过程:Philip入渗模型模拟不同水质在均质塿土的入渗过程，均方根误差(RMSE)计算值偏小，拟合精度高;四种水溶液在三种土壤构型入渗的时间:去离子水＞天然降水＞自来水＞天然积水;均质塿土＞塿夹砂＞砂夹塿。湿润锋在相同时间内推进距离:均质塿土＜塿夹砂＜砂夹塿;含有不同钠吸附比和电导率的水溶液对层状土壤湿润锋推进距离的影响程度受由土壤分层组合方式决定。
　　土壤层状结构的普遍存在，通过室内人工模拟降雨和一维土柱入渗试验，对层状土壤构型的侵蚀规律进行研究，以及塿土夹砂土和砂土夹塿土进行积水入渗规律进行探讨，获得层状土壤构型的侵蚀特征和不同夹层层状土入渗规律及降雨水质的对土壤侵蚀的影响程度，揭示了层状土壤入渗机理，为干旱半干旱地区提高水资源的利用效率和预防有关土壤侵蚀危害提供一定的参考，其研究成果对于生产实践具有一定的实践意义。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 土壤质地层状性对降雨侵蚀过程的影响研究

1．2．2 水质对土壤水分运动规律影响的研究现状

1．3 存在的问题

1．4 本章小结

第二章 研究内容与研究方法

2．1 研究材料

2．1．1 供试土壤采集地理位置

2．1．2 供试土壤性质

2．1．3 供试水质

2．2 研究内容

2．2．1 人工模拟降雨对层状土壤组合结构侵蚀过程的影响

2．2．2 人工模拟降雨水质对土壤侵蚀过程的影响

2．3 研究方法与技术路线

2．3．1 研究方法

2．3．2 技术路线

2．3．3 试验设计

第三章 层状结构土壤降雨入渗和侵蚀过程的试验研究

3．1 试验方法

3．1．1 方案设计

3．1．2 土槽装土

3．1．3 降雨强度

3．1．4 试验数据测定方法

3．1．5 数据处理

3．2 结果与分析

3．2．2 土壤入渗率的变化

3．2．3 层状土壤累积入渗率的变化

3．2．4 不同层状土壤降雨过程中含水量的变化

3．2．5 不同层状土壤产流产沙量的变化

3．3 本章小结

第四章 水质对模拟降雨条件下土壤侵蚀过程的影响

4．1 试验方法

4．1．1 方案设计

4．1．2 土槽装土

4．1．3 降雨强度

4．1．4 试验数据测定方法

4．1．5 数据处理

4．2 结果与分析

4．2．2 水质对模拟降雨条件下土壤入渗率的影响

4．2．3 土壤累积入渗量分析

4．2．4 水质对坡面降雨侵蚀过程中土壤含水量变化的影响

4．2．5 水质对侵蚀产流产沙量的影响

4．2．6 模拟降雨侵蚀过程中钠吸附比的变化

4．2．7 Philip入渗模型在不同钠吸附比的降雨入渗过程中的应用

4．2．8 不同降雨水质对层状土壤侵蚀过程影响

4．3 本章小结

第五章 水质对层状土壤入渗过程的影响

5．1 试验方法

5．1．1 方案设计

5．1．2 试验步骤

5．2 试验数据测定方法

5．2．4 实验读数

5．3 结果与分析

5．3．1 水质入渗特征比较分析

5．3．2 水质对层状土壤入渗时间的影响

5．3．3 水质对层状土壤入渗率的影响

5．3．4 水质对层状土壤累积入渗量的影响

5．3．5 水质对湿润锋运移的影响

5．4 本章小结

第六章 主要结论及研究展望

6．1 主要结论

6．1．1 模拟降雨条件下，层状土壤构型对土壤侵蚀过程的影响

6．1．2 模拟降雨条件下降雨水质对土壤侵蚀过程的影响

6．2 主要创新点

6．3 需要进一步研究的问题

参考文献

致谢

作者简介