2.1 纳米碳对坡面土壤含水率影响极其模拟研究
小区土壤剖面含水率分布可反映土壤水分的入渗规律,可用以验证模型模拟的有效性。图1为纳米碳处理对各小区土壤剖面体积含水率实测值[7]与模拟值的对比; 表3为实测值与模拟值的相关度。从图1可以看出散点基本分布在参考线两侧。进一步观察表3可知,不同处理的相关度R2整体均在0.74以上,黄豆、玉米拟合结果较好(最低0.82)、柠条(最低0.80)、苜蓿(最低0.78)次之、裸地较差(最低0.74)。由于是野外试验,存在许多不可控因素,因此,整体模拟结果存在可信度,可以反映降雨下坡面土壤含水率的分布规律。
2.2 坡面土壤水分累积入渗量的准确性对比
土壤入渗能力与土壤自身特性有直接联系,通过降雨前后的土壤体积含水率的增量,结合模拟小区的土壤体积,可计算获得整个降雨历时的实际降雨入渗量,即累积入渗量。为分析纳米碳对坡面水分入渗量的影响,将各植被覆盖的坡面水分累积入渗量与纳米碳含量之间的关系见图2。结果显示,当纳米碳含量为0时,裸地的累积入渗量最小,不同植被覆盖的坡面水分累积入渗量大小虽有所不同,但均比裸地大(柠条9%,苜蓿17%,黄豆12%,玉米9%),由于植被根系的分布增加土壤大孔隙的含量[9],进而提高降雨入渗量。从图中还可发现,随纳米碳含量的增加,各植被覆盖下土壤水分累积入渗量基本呈增加趋势; 当纳米碳含量为1.0%时,裸地、柠条、苜蓿、黄豆、玉米累积入渗量分别增加约17%,5%,12%,6%,7%,裸地与苜蓿的增幅明显高于其他处理,说明纳米碳可有效提高土壤水分的入渗作用且对裸地与苜蓿覆盖下的坡面影响较为显著。
这是因为纳米碳的存在使该层土壤的小孔隙急剧增多,从而使基质吸力变大,且随着纳米碳含量的增加,纳米碳层的潜在基质吸力越大,进而导致入渗速率进一步加快,因此当土壤中存在纳米碳混合层时,入渗速率明显加快
[10]。
表4为实测试验结束后的累积入渗量与Hydrus模型模拟入渗量的对比分析结果,可以看出模型反推的土壤累积入渗量与实测值误差较小,均方根误差RMSE与平均绝对值误差MAE均≥0.01,且≤0.1,说明模拟效果较好,表明Hydrus模型可以较好的模拟坡面水流的入渗。
2.3 纳米碳对土壤水力参数的影响
已知Hydrus模型模拟的结果与实测数据存在良好的关联度。因此,本研究利用Hydrus对土壤水力参数进行反推,进一步分析纳米碳对土壤水力参数的影响。
2.3.1 纳米碳对土壤进气吸力的影响
土壤进气吸力值表示饱和土壤开始脱水时的临界吸力值,土壤进气吸力值越大,饱和土壤排水需要的吸力越大,土壤的持水能力越大。依据拟合结果,将纳米碳对土壤进气吸力hd的影响绘于图3,由图3可以看出未施加纳米碳的土壤进气吸力无显著变化; 纳米碳—土壤混合条层的土壤进气吸力随纳米碳施量的增加整体呈线性增加趋势(斜率分别为69.119,41.179,68.825,146.78,52.403)。由此进一步证明了纳米碳可有效提高土壤的持水能力,减少深层渗漏。
2.3.2 纳米碳对土壤形状系数的影响
形状系数为一经验常数,可以改变土壤水分特征曲线的形状。图4所示为纳米碳对土壤形状系数n的影响。由图可以看出,未施加纳米碳的土壤的形状系数n亦未发生明显变化,而添加纳米碳土壤的形状系数与纳米碳施量呈正比关系(斜率分别为0.381,1.088,2.573,1.466,1.379)。这主要由于纳米碳的施加改善了土壤孔隙结构,提高了土壤孔隙的空间连通性。
表4 实测累积入渗量与Hydrus模型模拟入渗量的对比
2.3.3 纳米碳对土壤饱和导水率的影响
土壤饱和导水率指土壤被水饱和时,单位水势梯度下、单位时间内通过单位面积的水量,其值大小可体现土壤的导水能力。根据模拟结果,将纳米碳对土壤饱和导水率Ks的影响绘于图5。通过分析图中散点的趋势,可以看出随纳米碳施加量的增大,未施加纳米碳土壤的饱和导水率未发生改变,而添加纳米碳后,土壤饱和导水率均随纳米碳含量增加呈增加趋势。进一步分析图5,可以发现未施加纳米碳土壤中,植被覆盖下的土壤饱和导水率普遍高于裸地,这可能主要由于植物根系分布增加水流通道进而增加了饱和导水率。土壤饱和导水率受土壤的孔隙分布特征的影响,其中孔隙尤其是有效孔隙是饱和水流良好的通道[11]。综上可知,小区土壤施加纳米碳后,经过长时间与土壤作用,其土壤饱和导水率增加,可显著提升土表水分下渗能力,减少坡面水分流失,进而减弱了坡面土壤侵蚀冲刷作用。
