水势理论在四水转化研究中应用时代特征与趋势:纪念ZFP方法引进我国30周年

20世纪80年代零通量面方法在我国应用中解决了"四水"转化研究中参数不确定性带来的问题,发现在降水入渗补给地下水过程中土壤总水势梯度大于1.0cm H2O/cm,且逐渐降低,流入、流出被监测土层的水量相等时土壤总水势梯度趋近于1.0cm H2O/cm。20世纪90年代,利用土壤水势与含水量之间量化关系,指导了农业节水灌溉,提出在灌溉过程中土壤水势梯度等于1.0cm H2O/cm的时间持续愈长,表明过剩灌溉而浪费的水量愈多的认识。进入21世纪以来,水势理论较广泛地用来解决土壤水盐分运移数值模拟与入渗模型中水文地质参数问题和降水入渗土壤水势运移微观机理研究,并发现表聚型、中聚型和底聚型土壤盐分剖面的水动力学特征。通过土壤水动力场调控改变土壤水盐(养分或污染物)运移是未来重要研究方向。     

基于土壤水势变化的灌溉节水机理与调控阈值

大量试验结果表明,在农田灌溉过程中,土壤含水率及水势变化具有入渗排气、渗吸增能、吸脱水减能和缓慢脱水减能的阶段性特征。当土壤处于水分亏缺状态急需补充水分(土壤吸水)时,土壤水势梯度大于1.0 cmH2O/cm;当土壤水分得到充分补给达到过水(土壤含水率不变,且水通量不为零)状态时,土壤水势梯度等于1.0 cmH2O/cm;当土壤中水分过剩而处于脱水(流出大于流入水量)状态时,土壤水势梯度小于1 cmH2O/cm。由此,根据上述特征指导农田灌溉调控节水,其中土壤层下部(深度15~60 cm)的水势梯度等于或小于1.0 cmH2O/cm可作为监测及预警节水灌溉的阈值。     

焉耆盆地土壤盐分剖面特征及其与土壤颗粒组成的关系

为查明焉耆盆地土壤盐分剖面特征及其影响因素, 进行土壤样本含盐量及颗粒组成测试, 利用Spearman等级相关分析两者关系.结果表明: 土壤盐分剖面分为3种类型——均布型、表聚型和振荡型, 均布型剖面含盐量最低且分布均匀, 表聚型剖面盐分表聚特征最明显(表聚系数4.20), 振荡型剖面含盐量高且变异程度大(变异系数82.4%); 土样类型中粉质壤土最多(占70.8%), 颗粒组成中粉粒平均含量最高(57.1%); 均布型剖面盐分与粘粒含量相关程度最高(相关系数0.560), 为极显著正相关; 振荡型剖面盐分与砂粒含量相关程度最高(相关系数-0.639), 呈极显著负相关; 表聚型剖面盐分与颗粒组成无明显关系.结合各类剖面分布区域可知, 在砂粒含量与盐分含量较低的非盐渍化地带, 土壤盐分分布主要受粘粒含量影响; 砂粒含量与盐分含量较高的盐渍化地带, 土壤盐分分布主要受砂粒含量影响.      

电磁感应仪EM38用于土壤盐渍剖面分类与评价研究

结合电磁感应仪EM38测量与田间采样,文章分析了黄河三角洲典型区域土壤电导率的剖面分布特征,建立了磁感式表观电导率与土壤电导率间的(多元)回归解译模型,探讨了不同分类方法对土壤盐渍剖面分类结果的准确性,并对典型盐渍剖面类型进行了评价。结果表明:研究区土壤盐分具有较强的表聚性与变异强度;土壤电导率与磁感表观电导率EMh、EMv间呈极显著的相关关系,EMh对浅层土壤电导率的解译精度较高,而EMv对深层土壤电导率的解译精度较高;EMv/EMh法和理论函数法对土壤盐渍剖面的分类结果均具有较高的精度,且理论函数法分类结果的准确性明显优于EMv/EMh法;研究区土壤盐渍剖面可划分为表聚型、底聚型与均匀型,在数量上以表聚型及底聚型为主,其中表聚型与均匀型属于积盐型剖面,底聚型属于脱盐型剖面。该结果对研究黄河三角洲地区土壤盐渍化的发生、机理、预测与评估该地区土壤盐渍化的发生、发展具有重要意义。     

冬小麦田咸水灌溉与土壤盐分调控试验

利用浅层咸水灌溉，可使浅层咸水分布区无效降水转化为有效水资源，缓解北方水资源紧缺的矛盾；通过王瞳试验场进行的咸水灌溉与土壤盐分调控试验表明，利用3g/L左右的微咸水连续灌溉5a，根层土壤溶液浓度未超过小麦的耐盐能力，且作物增产；多年盐分变化趋势为：1994－1997年1m深度内土壤总含盐量在一定范围内波动，总体变化不大，连续干旱的1997－1998年略呈上升趋势；麦秸覆盖和施有机肥能减少根层土壤盐分，对土壤盐分具有有利的调控作用，具有增产效果。     

南疆棉田表层土壤盐分的空间变异特征分析与应用

通过研究土壤盐分的空间变异,快速准确获取土壤盐分的空间分布是精准农业和环境保护的基础。使用土壤电导率仪(PET2000)网格法在50 m×70 m面积的田块内布点(网格边长5 m),测量棉田表层土壤(0~25 cm深度,每5 cm为一层)电导率;应用ArcGIS9.2中地统计学模块构建、筛选和验证模型;利用地统计学方法研究表层土壤盐分的空间变异规律,进行空间分布预测,并针对棉田表层积盐问题提出了相应的解决措施。结果表明:克里格(Kriging)插值方法中的Rational Quadratic模型适宜预测表层土壤电导率,区内棉田表层盐分的空间变异特征明显,变异系数达到0.578,土壤盐分的空间变异性随深度增大逐渐降低;产生空间变异的主要原因是土壤岩性的空间差异和微咸水灌溉;解决棉田局部积盐的措施是根据土壤盐分空间差异特征的分析与预测进行适时定位灌溉,从而合理利用水资源并改善作物生长环境。     

黑河下游土壤和地下水盐分特征分析

根据405个土壤样品和101个水样,分析了黑河下游土壤盐分分布规律以及与地形地貌部位、地下水水化学的关系.结果表明:额济纳三角洲地区的土壤具有质地粗、含盐量高、盐分表聚性强的特征,该地区呈现盐碱化和沙漠化严重、可利用土地资源骤减、生态环境恶化的状况.在所有剖面上盐分的分布呈现漏斗型分布,土壤中盐分随地形变化较为复杂,但与地下水化学变化相一致.地下水矿化度普遍比较高,大多数地区的矿化度在800~3000 mg·L^-1之间变化;水化学类型主要有HCO₃·SO₄-Na、Cl·SO₄-Na(Ca)、HCO₃·Cl-Na(Ca)SO₄·Cl-Na和SO₄·Cl-Na(Ca-Mg).地下水矿化度的高低与补给源的距离远近密切相关,在河岸附近的矿化度变化幅度较小;在远离河道地区,随离岸距离的增减而升降,体现了矿化度的高低主要依赖于上游补给水量变化.     

疏勒河上游多年冻土区植物生长季主要温室气体排放观测

选取青藏高原东北部疏勒河上游多年冻土区的高寒草甸样地为研究对象, 对2011年植物生长季(6-10月)主要温室气体(CO₂、 CH₄CH₄和CO₂)的排放进行了观测. 结果显示: 疏勒河上游多年冻土区高寒草甸地表CO₂、 CH₄和N₂O排放速率范围分别为7.58~418.60 mg·m^-2·h^-1, -0.20~0.14 mg·m^-2·h^-1和-27.22~39.98 μg·m^-2·h^-1. 0~10 cm土壤温度、 含水量和盐分与CO₂和CH₄排放速率显著相关, 但与N₂O排放速率无显著相关. 日均排放速率显示, CO₂和N₂O在整个观测期均表现为排放; CH₄在植物返青期和生长旺盛期表现为排放, 在枯黄期伴随表层土壤发生日冻融循环时为吸收. 从9月30日12:00-10月6日14:40, 表层0~10 cm土壤经历了3次日冻融循环, CO₂和N₂O日均排放速率分别由冻融前的60.73 mg·m^-2·h^-1和9.91 μg·m^-2·h^-1提高到122.33 mg·m^-2·h^-1和11.70 μg·m^-2·h^-1. 土壤温度、 含水量和盐分是影响CO₂和CH₄排放的重要因子, 表层土壤冻融交替作用可提高地表CO₂和N₂O的排放速率.     

基于电磁感应仪的表聚型土壤盐渍剖面特征解译研究

针对目前黄河三角洲地区存在的土壤盐渍化问题,以该地区分布最广泛的表聚型盐分剖面类型为研究对象,运用磁感大地电导率仪EM38,建立了磁感式表观电导率和土壤盐分之间的(多元)回归模型,在分析土壤盐分剖面分布特征的基础上提出了指数衰减模型,并运用该模型对盐分剖面进行了参数拟合和验证。结果表明:磁感式表观电导率EMh和EMv呈极显著的线性相关,土壤盐分在垂直方向上的变异主要表现在表层0~25cm的深度范围内。统计分析和Friedman检验结果表明,回归模型和指数衰减模型均具有较好的拟合结果和预测效果,二者的预测精度差异也不显著,表明本文提出的指数衰减模型不仅能降低待估参数的数量、提高土壤盐分剖面磁感式解译的实用性,同时还具有较高的预测精度。该研究结果为利用电磁感应仪快速、精确地进行土壤盐分预测以及盐分剖面解译提供了一定的理论参考和实践依据。     

天津滨海地区土壤剖面盐渍化特征及其影响因素

土壤盐渍化是由自然或人类活动引起的一种环境风险,对工农业生产具有重要影响。本次研究在天津滨海地区布置了6条具有代表性的土壤盐渍化剖面,选取其中4个剖面进行了为期两年的按月采样监测。研究发现,除了BHY6土壤剖面由于长年耕种,表现为平衡型土壤剖面形态之外,其余基本表现为底聚型土壤盐渍化剖面形态;从剖面中下部直到底部浅层地下水位附近,土壤中阳离子以Na+为主,阴离子以Cl-或Cl-+HCO-3为主,尤其在浅层地下水矿化度显著偏高(达盐水程度)的地区,土壤中Na+、Cl-所占比例具有绝对优势,具有滨海盐土的基本发生特征;气候因素、浅层地下水矿化度及埋深、表层土壤植被都是滨海地区土壤盐渍化的重要影响因素。表层土壤表现出春季积盐、夏季脱盐、秋冬季缓慢积盐的特征,浅层地下水矿化度越高、埋深越浅,其土壤剖面含盐量越高;果林地和长期耕种的土地可以降低土壤盐分的活性,有效抑制盐分的累积,降低滨海地区土壤盐渍化程度,保护和改良土壤。     

Soil water-salt dynamics state and associated sensitivity factors in an irrigation district of the loess area: a case study in the Luohui Canal Irrigation District,China

Soil salinisation determines the distribution pattern of crop processes in irrigation districts. The research presented here was conducted in the Luohui Canal Irrigation District, which is located in the loess area of Shaanxi Province, China. A back-propagation artificial neural network (BPANN) for the soil water-salt state was established to predict soil salinity and alkalinity. The degree of influence of numerous factors on the dynamics was quantitatively determined using the default factor testing method and verified with grey relational analysis. The results show that the BPANN prediction accuracy is very high, and it can efficiently depict the comprehensive relationships between the influential factors and dynamic states. The influence of soil moisture, evaporation, groundwater salt and groundwater depth on the dynamics is significant in the region. The current irrigation method, used for many years, cannot meet the water necessities for the vegetation, causing the groundwater levels to decline and a lowering of the soil moisture zone, leading to the occurrence of serious soil salinisation. Under the action of evaporation, more salt accumulates in the upper part of the soil, resulting in extensive soil salinisation. The higher the groundwater salt content, the more salt is carried by rising capillary water, and the more the soil is salinised. If groundwater depth was to exceed the critical water table, then groundwater and salt would move to the soil surface by moisture evaporation, and salt would build up on the soil surface in this irrigation district. The interactions between each factor forms a complex coupling relationship state.     

冻结-冻融过程中水分运移机理

为研究冻结-冻融过程中水分运移机理,在天山北麓平原通过人为控制潜水不同埋深条件下的模拟试验和田间土壤水分运移观测试验,分析了土壤水势分布和土壤含水量分布特征,发现冻结过程不同潜水埋深条件下的土壤水分运移机理、土壤水与潜水之间的相互转化关系有明显差异.在冻结过程中,潜水浅埋条件下,冻结层下界面与潜水面之间土壤水分运移状态呈上渗型,土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时引起潜水蒸发损耗使潜水位下降,表现出地下水向土壤水转化的基本特征.潜水深埋区,土壤水分运移状态呈上渗-入渗型,同样土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时潜水得到一定的入渗补给并使潜水位上升,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融过程中对于不同潜水埋深,由原来各自的土壤水分运移状态均逐渐转变为入渗型,形成潜水入渗补给,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融期是土壤水资源、地下水资源形成的重要时期,对于干旱少雨的西北地区而言,冻融水的形成、运移和入渗补给地下水具有重要的生态环境意义.     

早涝碱咸综合治理与生态环境良性循环

华北平原东部淡水资源短缺，旱涝碱成灾害限制了农业生产的可持续发展。海河的治理，解决了排洪排涝排咸出路。春季开发利用地下水包括微咸水和半咸水抗旱灌溉。夏季利用伏雨洗盐排咸，增大降雨入渗，减少径流流失，防治渍涝灾害，把降雨转化为地下水资源。秋冬引蓄河水，回灌地下水补源。以土壤与潜水的地层空间作为调节大气降水、土壤水、地下水、地表水的地下水库，以调控地下水埋深在临界动态为指标，最大限度地把时空分布不均的天然降雨转化为可持续利用的水资源。地表水地下水联合运用，促使水资源采补平衡，降雨灌溉淋洗脱盐强于干旱蒸发积盐过程，地下水淡化强于矿化过程。实现旱涝碱咸综合治理，水土资源可持续利用，经济社会可持续发展，生态环境良性循环。     

运城解州地区地下水水质恶化形成原因及防治

运城解州地区近年来出现地下水水质明显恶化的现象, 直接影响了当地居民正常生活和农业灌溉用水.通过对该区水文地质条件的调查和水质分析对比, 认为是洪积倾斜平原中上部大量开采地下水使地下水水位下降, 水力坡度变缓, 在这种条件下, 又在咸淡水过渡带附近抽取地下水使地下水位低于硝池水位, 引起咸水入侵, 造成地下水水质恶化.研究认为必须控制开采量和抽水地段才能防止地下水水质进一步恶化和扩展.      

渤海湾西岸滨海盐渍土的盐渍化特征分析

渤海湾西岸滨海盐渍土的盐渍化特征与滨海平原的地面高程、气候条件、盐渍土的理化性状、地下水的矿化度及人类活动等密切相关。就土盐渍化的程度而言,地面高程较高处的土高于地面高程较低处的土,上层土高于下层土。受蒸发和降水影响,地下水位以上土的盐渍化敏感深度为1 m左右。随着气候的变化,滨海盐渍土显现出春季蒸发,上层土积盐;夏季淋洗,土中盐分向下移动的盐渍化特征。随着深度的增加,土的含盐量逐渐减少,至地下水位附近出现轻微增长。从剖面上地表至地下水位间可划分为3个不同聚盐形态和含盐量的土盐渍化程度分区带,即土蒸发浓缩聚盐带、土盐化变动带和土饱水溶盐带;平面上向海岸线方向延伸,土逐渐由非盐渍土变为弱盐渍土、中盐渍土和强盐渍土,含盐量和盐渍化程度也越来越高。地下水位浅和地下水矿化度高,则上层土的盐渍化程度就愈高。     

基于染色示踪的膜下滴灌棉田水盐运移规律

采用亮蓝FCF染色示踪剂, 研究膜下滴灌条件的水盐运移规律; 分别在灌溉前、灌溉中和灌溉后等不同时间段共开挖13个时刻的剖面, 观察膜下滴灌湿润面的运移情况; 以10 cm间隔的网格, 用MP406土壤水分探测器原位测定3 120个点的土壤体积含水率, 同时取1 430份土样, 利用1∶5土水比浸提法测定土壤盐分; 并利用WATCHDOG气象站监测研究区气象要素.结果表明: 染色示踪能直观表征土壤水盐运动轨迹; 膜下滴灌条件下, 垂直滴灌带方向土壤水流呈点源入渗特征、沿滴灌带方向近似呈线源入渗特征; 现行灌溉模式下, 壤质砂土湿润锋横向运移速率约为8 cm/h; 滴灌对滴头附近土体有一定洗盐效果, 未覆膜区域地表土体出现盐分积累; 灌水时间越长, 湿润锋越深, 横向扩展速率接近无作物小区(8 cm/h); 从土壤水合理利用角度考虑, 满足研究区一膜一带四行的种植模式和土质的单次合理灌水量应为29.4~69.8 mm.      

冻融过程对景电灌区草窝滩盆地土壤水盐动态的影响

景电灌区为干寒气候,蒸发强烈,季节冻土发育,土壤地下水位以上非饱和带毛细作用发育,在地表蒸发作用下,通过毛细作用,地下水不断地向地表运动,导致大量盐分到达地表.虽然蒸发作用下的毛细水运动在土壤水分垂直运动中占绝对优势,但自上而下的季节冻结和融化过程对土壤中水盐重分布的影响也起着重要的作用.基于冻融作用对水盐迁移驱动力和土壤结构等参数的影响,分析了冻融作用下水盐重分布的综合特征.     

冻融期土壤水盐变化特征分析——以黑河上游祁连县阿柔草场为例

冻融作用是土地盐碱化的形成机制之一,对冻融区春季积盐有明显的控制作用.在冻融过程中,土壤剖面结构发生变异,形成冻结层、似冻结层和非冻结层.以祁连山黑河上游阿柔草场为例,研究了解冻期土壤水盐运移变化特征.阿柔草场隶属青海祁连山地区,地处西北高寒地区,为季节性冻土区,大面积土壤经历冬冻春融的冻融循环.这种循环引起了土壤中水分和盐分运移的特殊规律,即冻结时土壤中的水分和盐分向冻层迁移,使得冻层的土壤含盐量明显增加;而融化时,由于地表蒸发,土壤中的水分和盐分又向地表强烈迁移,从而造成盐分在地表积聚,诱发盐分两次抬升.