土壤孔隙结构调控斥水性土壤水分运动的作用机理研究
批准号:
42107329
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
李生平
依托单位:
学科分类:
基础土壤学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
李生平
中文摘要
土壤斥水性能够直接影响土壤水分的入渗、再分布和蒸发过程。土壤斥水性和水分运动又均受土壤孔隙结构的调控,导致斥水性土壤水分运动比亲水性更为复杂,目前大多关于斥水性土壤水分运动研究仅考虑斥水性强弱的影响,具有片面性。本研究通过向不同结构土壤添加斥水性物质,进行土柱控制试验和数值模拟,并借助X-ray CT技术分析土壤孔隙结构对斥水性土壤水分运动的作用机制。具体研究目标包括:1)量化土壤孔隙结构和斥水性相关指标,揭示土壤孔隙结构对斥水性强弱程度的驱动作用;2)探究土壤斥水性与水力学参数之间的关系,基于Hydrus模型建立考虑土壤斥水性的水分运动模型,进一步明确土壤斥水性通过改变水力学性质对水分运动的影响;3)分析比较不同孔隙结构下斥水性土壤水分运动差异,并结合目标1中的研究内容,阐明土壤孔隙结构对水分运动的调控作用。研究结果对完善土壤水分运动基础理论和提高其模拟精度具有重要意义。
英文摘要
Soil water repellency can directly affect the processes of soil water infiltration, redistribution, and evaporation. Soil pore structure can influence soil water repellency and movement, which leads that the soil water movement under water repellent soil is more complex than under hydrophilic soil and it is a unilateral study of the hydrophobic soil water movement only considering the degree of soil water repellency. We will add different contents of a kind of hydrophobic substance to carry out a controlled soil column experiment indoors and numerical simulation. The X-ray CT technique will be applied to study the mechanism of the impact of soil pore structure on soil water movement for water repellent soil. The specific objectives of this study are: 1) to quantify soil pore structure and water repellency and then reveal the driving effect of soil pore structure on the degree of soil water repellency; 2) to establish the relationship between soil water repellency and soil hydraulic parameters and built soil water movement model using Hydrus Model that is tested by the measured value of soil water content. Furthermore, we assess the mechanism of the effect of soil water repellency on soil water movement by changing hydraulic properties; 3) to reveal the regulatory effect of soil pore structure on hydrophobic soil water movement through comparing the difference of soil water movement under different soil pore structure and combining the content of objective one. The studies have important implications for improving the basic theoretical knowledge on soil water movement and the accuracy of the simulation for the soil water movement.
土壤斥水性是普遍存在于各类型土壤和气候类型条件下的一种土壤理化性质,直接影响土壤水分的入渗、再分布和蒸发过程。土壤斥水性和水分运动又均受土壤孔隙结构的调控,导致斥水性土壤水分运动比亲水性更为复杂。保护性耕作能够同时改变土壤孔隙结构和斥水性,不同耕作措施构建了不同斥水性强弱和孔隙结构的土壤。因此,本项目聚焦保护性耕作下土壤结构和斥水性的变化,揭示土壤结构通过改变斥水性对土壤水力学性质和水文功能的作用。主要开展的内容包括:1)利用X-ray CT技术和微入渗法量化了壤孔隙结构和斥水性相关指标,揭示土壤孔隙结构对斥水性强弱程度的驱动作用;2)明确了不同耕作模式导致的土壤孔隙和斥水性程度差异下土壤水力学性质和水文功能的变化规律;3)结合分析土壤结构对斥水性的影响,揭示了土壤结构和斥水性对土壤水分运动、储水能力和水分有效性的影响。结果表明,在寿阳和公主岭站点中,与传统耕作相比(CT),免耕(NT)分别将斥水性指数提高了34.7%和56.9%,少耕(RT)分别提高了15.7%和37.7%,站点之间的差异主要是由于土壤结构不同引起的。RT和NT处理下添加作物残茬不仅通过增强孔隙度和连通性增加水分入渗率,还通过增加土壤孔隙表面积,增加了疏水物质与土壤水之间的潜在接触,减少了水分入渗率。这说明尽管土壤斥水性由疏水物质引起,但是土壤孔隙结构也可以直接影响其程度和行为。与土壤总孔隙度、贯穿阻力、平均重量直径和有机碳含量相比,土壤斥水性与土壤水分运动的关系最为密切。土壤斥水性能直接影响土壤水文功能,而土壤斥水性的影响(0.24)小于土壤结构的影响(0.67)。本项目研究对完善土壤水分运动基础理论和深入研究土壤斥水性对农业生态系统的影响具有重要意义。
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