运用染色示踪方法研究土壤质地对土壤水非均匀流动特征的影响

为研究土壤质地对土壤水流运动非均匀特征的影响,在砂土、壤土和粉质粘土中采用亮蓝(砂土)和碘离子(壤土和粉质粘土)作为示踪剂分别开展了2个、5个和4个不同入渗条件(土壤初始含水率和入渗水量)的染色示踪试验,通过计算活动流场模型(Active Region Model,ARM)分形特征参数(γ)来定量描述和比较不同入渗条件下土壤水流运动的非均匀特征。研究结果表明,(1)活动流场模型较好的捕捉到了土壤水流运动整体的非均匀信息;(2)当其它入渗条件(土壤初始含水率和入渗水量)相同时,土壤水在细质地土壤中运动的非均匀程度要高于其在粗质地土壤中运动的非均匀程度。     

利用染色示踪和图像处理技术对土壤大孔隙进行定量研究

以太湖地区水稻土为例介绍了染色示踪和图像处理技术在土壤大孔隙定量化研究中的应用.剖面染色的区域是孔隙存在的地方,孔隙的孔径越大,充斥的染料溶液就越多,所染的颜色就越深.据此利用地理信息系统软件ArcGIS和遥感图像处理软件ERDAS对土壤剖面图像进行处理并进行颜色分级.从分级结果中提取代表土壤大孔隙的部分,计算大孔隙的含量.所得结果与土壤各层次的孔隙度、黏粒含量、饱和导水率变化趋势有很好的一致性.并且本文还对染色示踪法土壤孔隙定量的影响因素进行讨论.     

华北平原大孔隙优先流对农田氮素淋溶的影响

优先流是土壤水分入渗的一个重要途径,大孔隙是产生优先流的关键因素。研究优先流对于土壤水分和溶质运移研究及生态环境保护、制定合理的田间管理措施等具有重要意义。本研究将田间亮蓝染色示踪试验和WHCNS(soilwaterheatcarbonnitrogensimulator)模型模拟相结合,研究了华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系存在大孔隙下,强降雨和不同施肥、灌溉情景下土壤水氮运移的情况,以此探讨大孔隙优先流对于土体中水分和硝态氮运移的影响。结果表明:明显含有虫洞的免耕土壤入渗深度和染色面积均高于旋耕土壤;免耕土壤的染色面积和稳定入渗速率的Pearson相关性不显著,染色示踪不能定量化土壤稳定入渗速率。同时WHCNS模拟的0～100cm土层硝态氮淋洗量结果显示:一方面,相较于无大孔隙情景,大孔隙存在会显著增加硝态氮的淋洗量;另一方面,大孔隙存在下优化施肥模式的硝态氮淋洗量比传统施肥模式减少46.0%。常规灌溉量下喷灌比漫灌处理的硝态氮淋洗量减少15.6%;强降雨导致硝态氮淋洗量增加119.4%。本研究为华北平原地区大孔隙存在条件下的农田水肥优化管理措施提供了理论指导。     

不同大孔隙深度对土壤水分入渗特性的影响

利用特定粒径砂石和特制模具模拟同一有效面孔隙度、不同深度的大孔隙域.研究积水入渗条件下水分在其中的三维运移行为.实验研究表明,大孔隙的存在导致水分入渗湿润锋在入渗初期剧烈紊动,但随着入渗的推移湿润锋逐渐平稳且其稳定的转折时间和孔隙深度相关性较高;大孔隙域的存在使得水分迅速充满孔隙域并到达大孔隙域底部.造成初期水分垂直和径向两部分入渗,累积入渗增量随着孔隙深度的增大而加大并与孔隙深度呈一定的函数关系;大孔隙域的存在使得湿润锋在转折时间T_p前后表现出不同的现象,大孔隙域中心处的湿润锋为入渗过程中的最深值即特征湿润锋Z_(mf),实验分析Z_(mf)与孔隙深度Z在转折时间T_p前后呈同一函数关系但前后系数不同.利用偏差J_p对所建立的回归函数模型进行了累积入渗量I、特征湿润锋Zmf预测值和实测值之间的精度检验.结果表明其满足精度要求.     

北京昌平区农地土壤大孔隙特征

研究在利用染色示踪法对北京昌平区农地的优先流发生区进行判断的基础上,采用Photoshop软件和土壤水分穿透曲线对该农地的大孔隙数量与分布特征进行量化分析。结果表明:试验农地的土壤大孔隙半径主要集中在0.5～2.8mm之间,平均半径为0.695～0.711mm,大孔隙率为5.10%～22.06%。随着土壤深度的增加,染色区在土壤剖面上呈现出集中分布的特征,同时,染色面积比例逐渐减小。各土层染色区的稳定出流速率是未染色区的1.39～2.05倍,在大孔隙各孔径范围内,染色区的数量是未染色区的1.33～3.57倍。大孔隙的垂直分布表现出上层多、下层少的特点,其中半径小于1.5mm的孔隙占98%以上。染色区在大孔隙密度、大孔隙连通性上的优势能够使其更快地进行水分运输并更早达到稳定,因而也就更易成为优先流发生区。     

干旱区绿洲农田土壤大孔隙与水分入渗特征

土壤大孔隙虽然占土壤总孔隙的极少部分,但影响着土壤水分入渗途径和过程。本研究以干旱区山前绿洲、老绿洲、边缘绿洲三种典型绿洲农田为研究对象,通过原位染色示踪和CT扫描技术,定量研究了绿洲农田的大孔隙特征和土壤水分入渗性能。结果表明：绿洲农田的土壤大孔隙大多集中在0～20 cm土层,老绿洲农田的大孔隙三维结构较山前绿洲农田和边缘绿洲农田复杂,其土壤大孔隙度、分形维数、分支密度、连接点密度、连通性指数显著大于山前绿洲和边缘绿洲农田(P<0.05)。绿洲农田的稳定入渗率存在显著性差异(P <0.05),表现为：边缘绿洲(0.48 mm·min^-1)>老绿洲(0.28 mm·min^-1)>山前绿洲(0.16mm·min^-1)。绿洲农田水分的入渗特征呈现异质性,入渗的染色面积比随土层深度增加而减小,老绿洲的优先流长度指数、最大入渗深度显著高于山前绿洲和边缘绿洲(P <0.05),其优先流现象明显。在干旱区绿洲农田,土壤大孔隙是影响优先流的关键因素,土壤的大孔隙度高,且连通性好,更容易产生优先流。     

土壤水非均匀流动的碘-淀粉染色示踪研究

在壤土和粉质黏土条件下采用碘-淀粉染色示踪方法分别开展了6个和4个不同土壤初始含水率和入渗水量的示踪试验,通过分析入渗深度和染色面积分布模式来研究入渗条件(土壤初始含水率、入渗水量和土壤质地)对土壤水非均匀流动特征的影响。研究表明:①土壤初始含水率升高时,土壤水入渗深度增大,但土壤初始含水率对染色面积分布模式无明显影响;②土壤水入渗深度随入渗水量的增大而增大,但入渗水量的增大对土壤水入渗深度增大的影响有限;③当入渗水量较小时,土壤水流运动以优先流为主;随着入渗水量的增大,土壤水流运动逐渐转变成以基质流为主的流动形态;④土壤水在细质地土壤(粉质黏土)中运动具有更高的非均匀程度,非均匀流通道总宽度较窄。     

山地土壤优先流路径的染色示踪研究

在山地林区开展土壤大孔隙及优先流的实验研究,可深化对森林土壤涵养水源机理的认识,为山区的水土流失防治和植被恢复提供依据。利用剖面染色与图像分析相结合的方法,沿长江三峡大老岭-邓村一线,对山地不同垂直带内土壤优先流特征进行了调查,分析了优先流路径对剖面水分入渗过程的影响。结果显示,中山常绿落叶针阔混交林-山地黄棕壤、低山暖性针叶林-山地黄壤中大孔隙孔径大、分布广,有利于优先流的形成和入渗。受耕作扰动的弃耕土壤中大孔隙结构遭到破坏,优先流路径与森林土壤不同,且渗流强度较弱,染色区域较浅。森林土壤各发生层内优先流特征差异显著,腐殖质层内以洞穴流为主,水分与土壤基质域交换较少,多通过大孔隙快速下渗。淋溶淀积层内洞穴流消失或减弱,侧向渗透增强。低山暖性针叶林-山地黄壤质地较粗,出现以裂隙为主的大孔隙,优先流表现为裂隙流。弃耕土壤各发生层都表现为指流,染色面积随深度减小,侧向渗透基本稳定。植被-土壤垂直地带性分布是山地土壤优先流存在差异的主要原因,山区生态环境建设中应促进土壤优先流路径的发育。     

土壤性质对入渗再分布影响的显色示踪试验研究

同时使用染色剂和碘离子作为示踪剂,染色剂用于示踪大孔隙通道,根据碘-淀粉显色反应确定实际流动模式。开展了6组试验,研究了土壤大孔隙特征和非均匀流动特性,比较了粉土和粘土2种土壤,入渗水量分别为20、40、60和80 mm以及不同流动边界条件下的土壤水和溶质再分布特性。实验资料显示,入渗水再分布主要受到湿润模式的影响。入渗水量较小的情况下,水流运动主要发生在大孔隙中,随着入渗水量增大,入渗模式与孔隙发育表现出显著的区别,随着入渗水量的增加,水流运动非均匀性表现出先增加,随后减小的趋势。溶质迁移非均匀性取决于水流非均匀流动特性,然而表现出更多的不确定性。     

黄土高原南部黄土渗流特征的染色示踪研究

为探究黄土中的渗流特征,明确不同初始条件对优先流的影响程度,使用亮蓝和离子染色剂,并控制入渗水量和初始含水率,在黄土高原南部进行染色示踪试验,根据获取的染色剖面图像,从定性和定量2个方面分析了优先流程度。结果表明:亮蓝染色剂在黄土中的染色深度有限,而离子染色剂经显色反应后能很好地示踪水的渗流;黄土高原南部黄土中优先流类型随土层深度从小到大为基质流—非均质指流—高相互作用大孔隙流—混合相互作用大孔隙流;优先流评价指数试坑A(0.55)＞试坑C(0.48)＞试坑B(0.46),优先流程度由高到低为试坑A—试坑C—试坑B;在其他条件相同时,黄土中更多的入渗水量、更大的初始含水率抑制优先流的发育,使基质入渗深度更大,基质流程度更高,优先流程度降低。研究结果可为黄土地区灾害防治、探明地下水污染机制提供参考。     

长江三峡花岗岩坡面管流产流特性研究

含有大孔隙的土体 ,如花岗岩风化壳及其上形成的土层水分运动规律并不遵从达西定律 (Darcy L aw) ,大孔隙中运动的水流称为管流 (pipe flow)。在花岗岩地区 ,由于管流的普遍存在 ,从土壤剖面流出的水量远远超出在达西法则定义下流出的水量。为研究土壤水分渗透中非遵从达西定律的土管 (大孔隙 )管流运动规律 ,在位于长江三峡的湖北省秭归县花岗岩坡面进行了管流流量、坡面渗流、地表径流和降雨过程等项目的观测和研究。发现管流在该地区是一种普遍存在的现象 ,管流过程中的水分运动不遵从达西定律 ,其流量在坡面渗流中占的比重约为 10 %～ 30 % ,土管在土壤剖面中所占面积虽然很小 ,但其水分通量远大于相同降雨条件下的土壤剖面水分渗透通量。     

Water movement and macroporosity of an Australian Alfisol under different tillage and pasture conditions

We assessed the effect of different tillage practices (i.e. conventional tillage and direct drilling) and pasture conditions on the infiltration and distribution of infiltrated rain water in an Australian Alfisol. Bromide was used as a tracer for the infiltrated rain under simulated rainfall conditions. The different infiltration patterns were then related to the macroporosity of the soils.

A 25-year-old permanent pasture was found to have the highest density (number per area) of macropores and percentages of transmitting macropores. A 9-year-old pasture phase in a pasture/crop rotation did not fully restore the macroporosity of the soil. Conventional cultivation by scarifying to 0.1 m for 4 years significantly reduced macropore density as well as continuity when compared with the pasture soil. The reduced macroporosity led to increased run-off by reducing preferential flow and altered the pathway of infiltrated water movement. As a consequence, the increase in water content below 0.1 m in the cultivated soil was predominantly from downward displacement of original soil solution, resulting in more leaching. The infiltrated rain water largely remained on the surface 0.1-m layer. In contrast, macroporosity found under direct drilling was similar to that of the pasture soil.     

入渗水量和试验尺度对土壤水非均匀流动的影响

[目的]研究入渗水量和试验尺度对土壤水非均匀流动(最大入渗深度和平均入渗深度、土壤水流运动非均匀程度和土壤优先流尺寸的影响)的影响,为农业灌溉施肥的高效利用、地下水环境保护以及流域水文过程预测等方面提供理论支撑。[方法]采用亮蓝染色示踪方法在砂土条件下开展了9组18个(每组2个重复)不同入渗水量(分别为1.25,2.5和5.0cm)和试验尺度(分别为0.25m×0.25m,0.5m×0.5m和1.0m×1.0m)的入渗试验。[结果](1)相同试验尺度条件下,土壤水最大入渗深度和平均入渗深度均随着入渗水量的增大而增大;土壤水流运动非均匀程度随入渗水量的增大而先增大后减小。(2)相同入渗水量条件下,当入渗水量较小时,土壤水最大入渗深度和土壤水流运动非均匀程度随着试验尺度的增大而增大;当入渗水量很大时,试验尺度的变化对最大入渗深度和土壤水流运动非均匀程度的影响不明显。(3)入渗水量的增加和试验尺度的增大都将使得优先流通道尺寸增大。[结论]入渗水量和试验尺度对土壤优先流运动有重要影响。     

大孔隙对土壤水分入渗特性影响的物理模拟试验

利用不同粒径砂石和大孔隙域模具模拟同一深度、不同有效面孔隙度,在特制试验装置中研究积水条件下大孔隙流的三维运移行为。结果表明：湿润峰平齐且稳定的转折时间和有效面孔隙度相关性较高;不同有效面孔隙度条件下累积入渗量符合Kostiakov模型但其参数是有效面孔隙度的函数;大孔隙的连通性在一定条件下对土壤水分的优先入渗起主导作用;大孔隙的存在导致大孔隙中心特征剖面湿润面积发生典型变化,给出了大孔隙中心特征剖面湿润面积增量的定量概念及其与有效面孔隙度之间的数学模型,并进行了验证,精度满足要求。     

矿渣型泥石流源区土体的入渗特性

[目的]分析矿渣型泥石流源区不同类型土体的入渗特性及差异,为矿渣型泥石流源区的流域水文过程分析提供可靠的基础数据。[方法]以小秦岭金矿区大西岔泥石流沟为研究流域,通过野外双环原位试验,分别测定大西岔沟源区的新矿渣,堆积1a的矿渣,堆积4a的矿渣,耕地和草地这5种不同类型土体的入渗特性,并以霍顿模型对试验数据进行了拟合率定。[结果]通过试验数据分析发现,新矿渣的初始入渗率最大,而堆积4a的矿渣入渗率最小;稳定入渗率方面,耕地的稳定入渗率最大,达到了0.062mm/s。[结论]土体的初始入渗速率由土体密实度决定;而土体的稳定入渗率则由土体的级配特性所决定。     

农地耕层与犁底层土壤入渗性能的连续测量方法

研究农田土壤入渗性能对于了解铧式犁耕作对土壤水力性能的影响、指导农地耕作方式决策、农田灌溉、改善农地生态环境具有重要意义。该文提出了一种农耕地耕层与犁底层土壤入渗能力连续测量方法以及相应的计算模型。采用恒定流量向地表供水,由供水在地表湿润面积随时间的变化过程估计地表耕层土壤初期很高的入渗性能,由产流后供水流量与产流流量之差计算相对较低的土壤入渗性能及犁底层土壤入渗性能。并进行了室内模拟试验,结果表明该方法可连续测量农地耕层与犁底层的入渗过程。采用入渗量和供水量对比的方法进行误差分析,相对误差为5.75%,说明该方法具有较高精度。该方法省时、省水便于野外应用,为今后的进一步研究提供手段。     

土壤初始含水率对优先流的影响简

土壤中优先流的存在会造成肥料利用率降低以及土壤深层甚至地下水污染.为确定土壤初始含水率对优先流的影响,通过室内含大孔隙土柱定水头入渗实验,以长武黑垆土及渭河砂土为研究对象,分析不同土壤初始含水率对优先流的影响.结果表明：1）相同质地,当土壤初始含水率大于其斥水性的峰值含水率时,湿润锋运移深度随着土壤初始含水率的增大而增大,反之湿润锋运移深度随着初始含水率的增加而减少,不同质地土壤湿润锋运移速度随土壤粉粒质量分数升高而减慢;2）累积入渗量受到土壤储水性及斥水性的双重影响,导致与湿润锋的运移趋势并不一致,黑垆土对照CK组及优先流O-C-30组（除7.04％含水率外）累积入渗量随着土壤初始含水率的增大而减小,渭河砂土CK组及O-C-30组均呈现2阶段特征,累积入渗量先随着土壤初始含水率的增加而减少,之后随土壤初始含水率的增加而增加;3）Kostiakov入渗模型能很好地拟合累积入渗量随时间的变化过程,适用于存在优先流的土壤入渗模拟.该研究结果对土壤优先流水分模拟具有一定的指导意义.     

泥石流源地降雨渗透深度检测仪的研制及应用

目前的泥石流预报模型主要是利用单一降雨信息为基础的统计模型,预报模糊区间较大,而泥石流形成的本质是泥石流源地土体在饱水侵润以及地表径流作用下失稳移动,因而可通过增加泥石流源地降雨后的土壤饱和渗透深度等下界面信息,为泥石流预报增加物理要素。在介绍土体渗透深度检测仪结构及工作原理基础上,探讨了将泥石流源地土体渗透深度信息与实时降雨信息相结合预报泥石流发生的应用技术,并进行了实测试验。实测结果表明,通过监测源地土体降雨渗透深度,可以提高预报泥石流的发生的准确性,具有良好的应用前景。