一种基于分层土壤的水土调控方法与流程

本发明涉及水土调控技术领域，具体涉及一种基于分层土壤的水土调控方法。

背景技术：

我国是世界上环境问题最为突出的国家之一，其中干旱地区、半干旱地区的总面积为504万平方公里，其中干旱区面积达296万平方公里。干旱半干旱地区降雨稀少，雨水集中，植被稀少，导致区域产生缺水等问题，生态环境问题突出。区域土地荒漠化已成为我国心腹大患之一。目前，沙漠化土地面积已经达到173.11万km²，另外有30.1万km²的土地有明显的沙漠化趋势。

人们一直在探索沙漠化治理方法。现行沙漠化治理方法很多，主要划分为三种类型，即工程固沙、化学固沙和植物固沙等。这些方法以达到固沙为目的，但是这些方法均没有从改变沙子本身的性质使其获得土壤的属性入手。为了使沙子土壤化，易志坚等提出了沙子土壤化的方法。

沙漠真正缺的是水分，由于水分的限制，植物造林等工程因植被缺水而很难长期成活，因此解决沙漠缺水是固沙，防治土地沙漠化的前提。为了解决沙漠缺水问题，国内提出了“红旗河”、“天空河流”等伟大的工程方案，但这些工程能否解决沙漠缺水问题，仍面临着技术、经济、社会和生态等领域的多重严峻挑战和极大的不确定性。

解决干旱区土地沙漠化问题，首先需要解决干旱区缺水问题。解决干旱缺水，首先应充分考虑如何提高当地现有的雨水资源利用效率，并根据现有雨水资源分布特征，依次从沙漠周边向中心开展防沙治沙工作。当现有雨水资源仍无法满足防沙治沙时，再考虑跨流域调水。

大部分干旱区土地沙漠化，除了本身降水较少外，出现土地沙漠化的主要原因在于土壤无效蒸发大，挤占了植被所需的最低耗水量，导致植被因缺水而枯死。因此，防治土地沙漠化，降低土壤无效蒸发是解决该问题的关键。

技术实现要素：

本发明以土壤物理学原理为依据，充分利用土壤物理性质的基础上，提出了一种基于分层土壤的水土调控方法，本发明充分利用土壤分层、土石介质和土壤膨胀性等土壤物理学性质，对现有自然条件下的土壤分层组合方式进行改造，可以改变土壤入渗和蒸散发等土壤水文过程，进而达到调控水土的目的。

本发明的技术方案：

一种基于分层土壤的水土调控方法，对土壤改良，具体包括在原始土壤上挖沙沟，沙沟内填沙，所述填完沙后的沙沟上覆盖膨胀性土壤土石混合介质层；

所述膨胀性土壤土石混合介质层包括膨胀性粘土和碎石；

所述的沙沟由沙土组成，所述沙沟横截面呈椭圆形，长直径为0.5-1m，短直径为0.3-0.5m，沙沟的纵截面为弧形；

两个相邻沙沟形成波浪线型，两个相邻沙沟之间的原始土壤上种植有植被。

进一步的，膨胀性土壤土石混合介质层的制备方法包括：直接就地取土，粉碎后过筛(0.075mm)，获得粘土，然后与膨润土按比例混合（制备膨胀性粘土时，当地土壤具有膨胀性时，可以就地取土粉碎后直接使用，否则需加入蒙脱石、蛭石等膨润土。但大部分土壤均因含有膨胀性矿物成分而具有膨胀性，因此可以就地取土粉碎后直接使用），并搅拌均匀，最后加入碎石，获得含碎石的膨胀性粘土。

进一步的，所述膨胀性粘土土石混合介质层厚度10cm。

进一步的，所述的碎石粒径大于5mm，小于50mm。

进一步的，胀性粘土过筛后获得的粘土粒径小于0.075mm。

进一步的，粘土与膨润土的质量比为0-1:5。

进一步的，所述碎石的质量占膨胀性土壤土石混合介质层总质量的20-40%。进一步的，所述膨润土中的矿物成分为蒙脱石或蛭石。

进一步的，所述沙沟和膨胀性土壤土石混合介质层80-90%的区域总厚度超过15cm，未超过15cm的区域为种植植被的区域。

进一步的，沙土为河道采集的细沙或人工制备的细沙；细砂：细度模数为2.2-1.6，粒径大于0.075mm的颗粒超过全重90%，平均粒径为0.25mm-0.5mm的砂石。

本发明以土壤物理学原理为指导，充分利用土壤物理性质的基础上，提出了基于分层土壤的土壤水土调控方法，由于新改造的土壤是在原来土壤层上人工覆盖了两层新的土壤层，因此命名为人工土膜。

本发明的有益效果：

本发明充分利用土壤分层、土石介质和土壤膨胀性等土壤物理性质，对现有自然条件下的土壤分层组合方式进行改造，改变土壤入渗和蒸散发等土壤水文过程，进而达到调控水土的目的；本发明覆盖人工土膜可以大幅提高土壤入渗能力，降低表层土壤含水量和土壤无效蒸发。

覆盖人工土膜，施工简单，所需膨胀性粘土、碎石和沙土均是自然界土石材料，取材方便，因此可以大规模应用。

人工土膜可以增大土壤入渗能力，降低土壤无效蒸发，因此可以为洪水资源化、沙漠化防治等提供技术支撑。

人工土膜可以调控水土过程的机理如下：

1）膨胀性粘土土石混合介质层中，土壤吸水膨胀，失水收缩，土壤干湿收缩变形过程中，侧向表现为干缩裂隙的闭合和张开。土壤干缩裂隙的存在，可以在降雨期将土壤入渗过程划分为优先流区和基质流区。降雨期该层土壤水主要来源于基质流区入渗水分。由于该层基质区导水性差（粘土导水性相对较差），土壤入渗补给量较小。另外，细土中混有碎石（碎石导水性和持水性可以忽略不计），进一步降低了土壤导水能力和持水能力。另外，优先流区的存在为雨水快速进入深层土壤提供了条件。

2）沙沟中沙土导水性很强，但其持水能力较小。沙沟在降雨期可以避免因上层干缩裂隙尖灭而降低土壤入渗能力，也为通过裂隙通道快速入渗补给下层土壤创造了条件。降雨期由于表层土壤基质流区导水性极差，大部分雨水可以绕过基质区直接通过优先流区进入沙沟。雨水进入沙沟后，可以快速补给原始土层，过多的水分储存在沙沟内，以便后期补给原始土层。由于降雨期很少有水分补给表层土壤，其下沙沟持水性又较小，两层土壤总厚度大部分区域超过15cm（土壤无效蒸发影响深度）。由于表层土壤相对较干燥，下层土壤又无水分供给，两层土壤均含有较少水分，则在非降雨期大量降低了土壤无效蒸发。另外，膨胀性土壤失水，侧向产生大量裂隙。但裂隙发育接触到沙土后，沙土无膨胀性，则裂隙可以与沙土层衔接，进而保证了裂隙不会尖灭。衔接的裂隙为在降雨期高效入渗补给沙沟提供了条件，入渗水流可以快速补给沙土层。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明土柱试验土壤剖面示意图。

图3为本发明土壤累计入渗量随时间变化关系图。

图4-a为本发明土壤无人工土膜覆盖含水量随时间变化过程图。

图4-b为本发明土壤人工土膜覆盖含水量随时间变化过程图。

图5为本发明土壤蒸散发随时间变化过程图。

附图中，1-膨胀性土壤土石混合介质层、2-沙沟、3-植被、4-原始土壤。

具体实施方式

如图1所示，一种基于分层土壤的水土调控方法，对土壤改良，具体包括在原始土壤4上挖沙沟2，沙沟2内填沙，所述填完沙后的沙沟2上覆盖膨胀性土壤土石混合介质层1；所述膨胀性土壤土石混合介质层1包括膨胀性粘土和碎石；所述的沙沟2由沙土组成，所述沙沟2横截面呈椭圆形，长直径为0.5-1m，短直径为0.3-0.5m，沙沟2的纵截面为弧形；两个相邻沙沟2形成波浪线型，两个相邻沙沟2之间的原始土壤4上种植有植被3。本发明进行了小尺度人工土膜覆盖条件下的入渗试验和植被耗水试验，具体见实施例1。

实施例1

1.1试验材料

供试土壤选择西宁市区沙土、碎石和栗钙土，膨胀性粘土直接对栗钙土粉碎后过0.075mm筛后获得。所有土壤经风干后过筛备用（栗钙土2mm；沙土2mm；粘土0.075mm）。土壤采用烘干法测定土壤初始含水量、干容重和饱和含水量，采用吸管法测定土壤颗粒组成，用定水头法测定饱和导水系数（表1）。碎石粒径1-3cm，为建筑砂石。粘性土壤土石混合介质由粘土和碎石混合而得，混合比例为碎石占总质量的30%。

表1土壤基本物理性质表

1.2.试验方法

试验采用土柱法（土柱高55cm，内径40cm）进行，试验分为积水入渗试验和植被耗水试验，每个试验均设置两个处理，分别为人工土膜覆盖和不覆盖，每个处理2个重复。土壤装填时，首先在土槽底部铺设反滤作用的石子，厚10cm；再在石子的上面铺设纱布，然后按人工土膜土壤分层组合方式分层按一定容重（土石混合介质1.56g/cm³；沙土；1.65g/cm³；栗钙土1.36g/cm³）装填土壤，由于土柱直径较小，装填土壤是对沙沟进行了缩小，具体见图2。为了测定剖面土壤水分，在土柱中心5、15、25、35cm处安装em50水分传感器，用以测定土壤0-10、10-20、20-30和30-40cm处的土壤水分。

1）积水入渗试验：试验有马式瓶、土柱和称量设备构成。试验进行前，向土槽注入足够水量（土壤达到田间持水量以上，并产生大量壤中流）后静置风干，产生大量风干裂隙，待表层土壤风干裂隙稳定后进行入渗试验。

试验过程中，采用马式瓶供水，入渗历时控制在90min左右。试验中em50水分测定系统记录水分动态。试验期间室内温度为25℃左右，试验主要观测资料：马式瓶读数、入渗历时等。

2）植被耗水试验：试验填土方式和所用仪器同入渗试验。试验按图2所示，填完土后，再在原土层凸面（沙沟中间）栽种植物（吊兰1株），然后向土柱注入大量水分（土壤达到田间持水量以上，并产生大量壤中流）后静置风干，待表层土壤侧向裂隙稳定后开始试验。试验于2018年8月5日开始，至2018年12月22日结束，试验期间室内温度为25℃左右，室内湿度为15%。试验每隔10-20天灌水1次，试验采用称重法测定土壤蒸散发量（精度0.1g），测定频率为1次/周。采用em50水分传感器动态测定土壤水分动态（20分钟/次）。

2、结果与讨论

2.1人工土膜覆盖对入渗过程影响

入渗试验的土壤累计入渗量随时间变化关系如图3所示。土壤累计入渗量都随时间的增大而单调增大，增大速度最后趋于稳定。由变化趋势看，入渗初期，相同入渗时间内，相较于无覆盖人工土膜，覆盖人工土膜显著增大了入渗初期的土壤入渗能力。但随着入渗时间的增加，两者入渗速率趋于相同。出现这种情况的原因在于：1）膨胀性粘土土石混合介质层风干过程中产生了大量裂隙，且这些裂隙在尖灭前已经与沙沟中的沙土联通。因此，入渗过程中，尽管膨胀性粘土土石混合介质基质区导水性很小，可以忽略不计，但这些裂隙可以快速将入渗水分快速渗入沙沟。由于沙土导水性很大，可以快速承接并储存上层土壤来水，也可以快速将入渗水分补给下层土壤。入渗后期，由于入渗水分可能已经将沙沟饱和，入渗能力由下层土壤控制，因此覆盖与无覆盖人工土膜土壤入渗能力相同，导致两者入渗速度相同。

2.2人工土膜覆盖对土壤水分动态过程影响

植被耗水试验的土壤剖面不同深度土壤水分动态变化过程如图4-a和4-b所示。可以看出，所有深度土壤水分因植被耗水和土壤蒸发而土壤含水量降低，随灌水而土壤含水量增加。相同时间内，覆盖人工土膜条件下，表层0-10cm土壤含水量最小，10-20cm次之，20-40处含水量最大。无覆盖条件下，表层0-10cm土壤含水量最小，其余各深度均相差不大。相较于无覆盖人工土膜处理，覆盖人工土膜后，表层0-10cm处土壤含水量远小于无覆盖处理。出现这种情况的原因在于，表层覆盖的膨胀性粘土土石介质，由于粘土导水性很小，且因含有碎石，进一步降低了土壤导水性。两者综合作用下，入渗过程中只有少量入渗水分补给表层土壤，导致土壤始终处于干燥状态，表层土壤含水量较小。

另外，试验期间也观测到无覆盖人工土膜处理土柱中的栗钙土也具有很大的膨胀性，风干过程中侧向产生了大量裂隙，但这些裂隙均在一定深度内尖灭，因此入渗过程中这些裂隙尽管可以增大土壤入渗能力，但其尖灭后无法继续将入渗水分快速渗入深层土壤，但却为侧向快速补给表层土壤水分增加了侧向入渗断面，导致入渗过程中有更多水分补给表层土壤。

2.3人工土膜覆盖对土壤蒸散发过程影响

植被耗水试验土壤蒸散发动态过程见图5，结合图4-a和4-b，可以看出，土壤蒸散发量随土壤含水量的变化而动态变化。相同时间内，无覆盖人工土膜土壤蒸散发量显著高于覆盖处理。就观测期内，无覆盖处理土壤日均蒸散发量为4.35mm，覆盖日均蒸散发量为2.68mm，覆盖人工土膜降低了土壤无效蒸发量约38.48%。出现这种情况的原因在于，灌水过程中很少有入渗水分补给表层土壤，其下沙沟持水性又较小，两层土壤总厚度大部分超过15cm（土壤无效蒸发影响深度）。由于表层土壤相对较干燥，下层土壤又无水分供给，两层土壤均含有较少水分，则在蒸散发期大量降低了土壤无效蒸发。

综合上述，可以看出覆盖人工土膜，可以增大土壤入渗能力，降低土壤无效蒸发，因此可以达到调控水土过程的目的。人工土膜工程施工简单，所需膨胀性粘土、碎石和沙土均是自然界土石材料，取材方便，因此可以大规模应用。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中机构技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。