基于多指标评价和分形维数的坡耕地土壤优先流定量分析

以重庆紫色砂岩区坡耕地田间染色示踪试验为基础,采用形态学和统计学方法,对3种坡耕地土壤剖面染色图像进行指标提取,运用多指标评价法确定了优先流指数PFI,并结合几何学中的分形理论,定量评价了土壤优先流的发育程度,结果表明:6个优先流特征指标(优先流区染色面积比、基质入渗深度、优先流分数、长度指数、峰值指数和变异系数)均表现出南瓜地和柑橘地的优先流程度高于玉米地;优先流指数PFI由大到小为南瓜地(0.88)、柑橘地(0.77)、玉米地(0);通过Fractal Fox 2.0软件计算得到的优先流湿润峰迹线分形维数由大到小为南瓜地、柑橘地、玉米地。与土壤优先流指数PFI进行比较,所得结果基本一致,说明利用分形维数来评价土壤优先流发育程度是较为准确可行的。该方法基于田间尺度,具有简单易行,成本低,准确性高的特点,丰富了土壤优先流的研究方法。     

基于染色图像变异性分析的优先流程度定量评价

应用统计学样本变异性分析方法,结合形态学图像处理技术,对田间尺度下土壤染色剖面优先流染色区的图像进行变异性分析,评价不同处理条件下农地土壤优先流的发育程度。结果表明:土壤湿润锋渗透速率和土壤染色图像指数(染色面积比、基质流深度、优先流比、长度指数)的变化均表征湿润农地的优先流程度高于干燥农地;将提出的优先流评价方法与土壤染色图像指数进行对比分析,所得结果相一致,表明所提方法可以准确评价土壤优先流发育程度。优先流区图像变异性分析方法简单易行,提高了直观评价染色图像的准确性,能够从统计学和形态学角度来量化分析土壤优先流的发育程度。     

土壤类型对优先流路径和磷形态影响的定量评价

以中国贡嘎山由青灰色砂质冰水堆积物发育而成的疏松岩性土壤和德国厄尔士山渍水土壤优先流路径为研究对象,通过野外染色示踪试验和改进的Hedley磷形态提取法,使用优先流染色面积比和优先流程度评价指数定量评价不同类型土壤的优先流程度,通过相关关系分析进一步揭示不同土壤类型中优先流路径对磷形态分布的影响。结果表明:贡嘎山和厄尔士山优先流图片总染色面积比分别为31%和52%,厄尔士山渍水土优先流比贡嘎山疏松岩性土发育较好。贡嘎山疏松岩性土壤优先流发育程度与潜在生物可利用无机磷和有机磷贡献率显著正相关,而即时生物有效无机磷和磷灰石磷与厄尔士山渍水土壤优先流发育程度显著正相关。土壤类型影响优先流路径分布和土壤磷形态分布,从而影响土壤磷赋存状况和下游水质安全。     

基于主成分分析的不同预处理麦秸改良土壤效果评价

以7种不同预处理(T1~T7)麦秸改良土壤为试验数据,选用150 min累积入渗量(I150)、有效含水率(θ)、土壤累积蒸发量(Ec)、土壤团聚体分形维数(FD)、土壤孔隙分形维数(Dp)、秸秆分解率(Rd)、全氮含量(wTN)7个相互独立的指标,基于主成分分析方法研究不同预处理秸秆还田后,对土壤入渗特性、土壤水分有效性、持水性、结构稳定性、土壤孔隙、秸秆分解率、土壤全氮含量7个方面的改良土壤效果进行评价。将各评价指标的加权和作为改良土壤效果的综合主成分指标。结果表明,改良效果综合主成分可以代表86.93%的不同预处理麦秸改良效果变异信息,且服从正态分布,具有较好的代表性和客观性,可以用于预处理麦秸改良土壤效果的评价。在7个指标中,第一公因子以全氮含量(wTN)、孔隙分形维数(Dp)、土壤团聚体分形维数(FD)、土壤有效含水率(θ)的贡献率较大(达49.92%);第二公因子以秸秆分解率(Rd)、累积入渗量(I150)和土壤累积蒸发量(Ec)的贡献率较大(达37.01%)。不同预处理秸秆改良土壤综合效果优劣依次为T6、T7、T3、T5、T4、T2、T1。氨化秸秆对土壤的综合改良效果优于未氨化秸秆,粉碎秸秆对土壤的综合改良效果优于未粉碎秸秆,氨化秸秆与硫酸钙改良剂混合还田的土壤改良效果优于与硫酸铝改良剂混合配施措施。     

黑土区玉米穗质量与影响因素的联合多重分形研究

为揭示黑土区玉米穗质量与影响因素相互关系的尺度效应,在分析玉米穗质量与影响因素空间变异的基础上,利用联合多重分形方法研究玉米穗质量与影响因素的多尺度相关性。结果表明:研究区玉米穗质量的变异程度为中等,茎粗的变异程度随时间变化由中等变为弱变异,其他影响因素的变异程度为弱变异;玉米穗质量与影响因素的空间相关范围介于7.15~66.51 m;玉米穗质量、叶绿素含量、土壤容重、土壤粒径分布体积分形维数具有强烈空间相关性,茎粗、土壤含水率、土壤饱和含水率具有中等空间相关性;单一尺度上茎粗和叶绿素含量对玉米穗质量的空间变异性有显著影响,多尺度上叶绿素含量、土壤粒径分布体积分形维数、茎粗、土壤含水率对玉米穗质量的空间变异性有显著影响;玉米穗质量与土壤特性、不同时期作物生长指标的多尺度相关程度绝大部分都大于单一尺度上的相关程度;随取样时间变化,玉米穗质量与茎粗在单一尺度和多尺度上的相关程度均先增后降,但开始降低的时间不同。     

滨海土壤团聚体分布和分形维数及其影响因子研究

【目的】研究滨海土壤团聚结构及其分形特征,为合理利用滩涂土地资源提供理论依据。【方法】以江苏省东台市条子泥垦区为研究对象,利用湿筛法测定土壤水稳性团聚体组成,探究了垦区内荒地和水稻田土壤团聚体分形维数特征;利用因子分析法研究了各理化因子对滨海土壤团聚体分形维数的影响。【结果】与垦区荒地相比,种植水稻后土壤大团聚体量增加了4.21%,分形维数减小了0.03。土壤团聚体分形维数与较大粒径团聚体量显著负相关,而与较小粒径团聚体量显著正相关。土壤平均重量直径和几何平均直径均与分形维数显著负相关。土壤中Na~+、Mg~(2+)、Ca~(2+)、K~+、SAR(钠吸附比)、Cl~-对研究区土壤团聚体分形维数贡献率较大,且与分形维数显著正相关。【结论】水稻种植能使滨海土壤中大团聚体量增加,分形维数降低,团聚结构有所改善;部分土壤理化性质(Na~+、Mg~(2+)、Ca~(2+)、K~+、SAR、Cl~-)对土壤团聚体分形维数贡献率较大且与其显著正相关。     

农田裂隙优先流对灌水模式/初始墒情响应机制及其模拟研究

农田灌溉管理过程中优先流降低水肥利用效率,加剧地下水污染风险。基于碘化钾-淀粉染色示踪试验,分析了地面灌DM、微喷灌WP1(20 mm/h)、微喷灌WP2(40 mm/h)处理下的裂隙优先流特征,验证了基于水量平衡的双域渗透模型的有效性,并采用4组初始体积含水率（0.20、0.25、0.30、0.35 cm3/cm3）与5组灌水强度（12.0、24.0、36.0、48.0、60.0mm/h）旋转组合设计进行模拟应用分析。结果表明,WP1、WP2处理整体上水分以均匀的基质流形式入渗;DM处理下的土壤剖面染色区域在垂直方向上可明显划分为基质流区（0～6.9 cm）和优先流区（>6.9 cm）。此外,DM处理下的基质流深度、灌水均匀度显著（P<0.05）小于WP1、WP2处理,而其优先流指数及湿润锋弯曲度均极显著大于（P<0.01）WP1、WP2处理,这表明地面灌可以激活更多的优先流路径,增大优先流发育程度和空间异质性,降低灌水质量。基于水量平衡的双域渗透模型可有效预测不同灌水强度下的基质流深度和土壤剖面染色面积比变化趋势（R2≥0.927 6、NSE≥0.884 4、RS...     

基于分形理论的地下滴灌灌水器水力特性研究

为了研究滴头工作压力和土壤物理特性对地下滴灌灌水器流量的影响,采用分形理论分析各种级配土壤的分形特征;以土壤颗粒质量分形维数、灌水器工作压力、土壤容积密度、土壤初始含水率为试验因素,运用混合水平均匀设计方法进行试验。结果表明,粘粒含量大小是土壤分形维数的主要影响因素,土壤分形维数随着粘粒含量的增加而增大;PLASSIM公司地下滴灌灌水器流量随土壤分形维数的增大而减小,即土壤质地越细地下滴灌滴头流量就越小;通过试验所建立的包含有土壤分形维数因素的地下滴灌灌水器流量计算经验公式的普适性较高。     

紫色土小流域三种土地利用类型土壤颗粒特征

在三峡库区忠县虾子岭小流域选择林地、旱地、水田3种土地利用类型采集了63个土样,利用分形维数研究了不同土层深度的土壤颗粒特征。结果表明,紫色土剖面土壤颗粒体积分形维数在2.406~2.551之间,不同土地利用类型分形维数随土壤深度增加变化的趋势不同;土壤颗粒体积分形维数与土粒结构组成存在较强的相关性,受黏粒量影响最为显著,即土壤黏粒量(≤0.002mm)越高,分形维数越大;3种土地利用类型下,土壤颗粒体积分形维数平均值表现为水田林地旱地。3种土地利用类型之间,除0~20cm土层外其余各层土壤颗粒体积分形维数差异不显著。     

麦秸预处理方式对黄绵土结构及低吸力段持水性的影响

通过土柱模拟培养试验,对比研究秸秆经过粉碎、氨化预处理及与无机土壤改良剂(硫酸钙)混合配施对黄绵土结构及低吸力段持水特性的影响。结果表明,秸秆经粉碎、氨化预处理及与土壤改良剂配施后能显著提高土壤结构稳定性,降低土壤结构分形维数。其中粉碎氨化秸秆对提高土壤稳定性具有一定的迟效性。秸秆经过不同预处理后施入土壤使土壤孔隙连通性降低,并随着秸秆的分解得到改善。其中长秸秆对土壤孔隙连通性改善作用较粉碎秸秆差。试验表明,土壤团聚体分形维数与土壤结构评价指标均呈极显著负相关关系(P<0.01),土壤团聚体分形维数FD与低吸力段土壤孔隙分形维数Dp之间呈极显著直线相关关系,相关系数为-0.80。FD与Dp两者结合分析可定量描述不同预处理秸秆对土壤结构、低吸力段持水特性的动态影响过程。     

地表积水条件下滴灌入渗特性研究

大流量供水条件下滴灌入渗地表积水区域不断变大,直到通过积水区域的水分渗透能力和滴头的供水强度达到平衡。不同滴头流量条件下水平和垂向湿润锋的推进速率和入渗时间存在极显著的幂函数关系。滴头流量对湿润体水平和垂向湿润距离的比值有显著的影响,滴头流量越大该值也越大,并且该值随着入渗时间的增加而逐渐变小。滴灌积水入渗的稳定渗透通量Jo大于垂直一维入渗的稳渗率,并且Jo随滴头流量的增加而减小,Jo和地表积水半径的倒数呈显著的线性关系,根据Wooding入渗方程可推导出该直线的截距代表了一维入渗条件下土壤的饱和导水率。     

土壤容重对土壤水分入渗特性影响研究

采用一维垂直积水入渗法研究不同容重对入渗率、累积入渗量及湿润锋的影响,试验结果表明对应于同一入渗时间,容重越大,入渗率、累积入渗量及湿润锋深度均越低;相对于基准入渗量和基准湿润锋,容重越大,其减渗率μ和减锋率η均随之越大;稳定入渗率有随土壤容重的增加而减小的趋势;不同容重的累积入渗量和时间的平方根呈显著的线性关系,拟合的系数M随容重增加而降低,并与容重较好的呈幂函数关系;湿润锋深度与入渗时间呈幂函数关系,随着容重的增加,入渗的系数A降低,而指数B差异较小,系数A与容重之间较好的符合乘幂函数关系。研究结果为从入渗特性推求容重与土壤水分运动参数的关系提供定量分析依据。     

秸秆颗粒形态对沟灌入渗特征影响的试验研究

为了探明秸秆粉碎颗粒形态对沟灌土壤水分运移特征和土壤质量含水率分布状况的的影响,采用具有不同秸秆粉碎形态的玉米叶(片状)和玉米芯(颗粒状),进行了室内试验研究,并采用HYDRUS-2D软件对不同处理湿润锋运移情况进行了模拟.结果表明:具有片状形态的玉米叶各处理,随混掺比例及埋深的不同,均能降低土壤的入渗率,而具有颗粒形态的玉米芯处理显著增加了土壤入渗率;玉米芯混掺处理表明在埋深(10,15］ cm设置混掺层能增大土壤的垂向运移距离,18%土壤质量含水率等值线垂向距离明显大于埋深(5,10］ cm处理的;玉米叶不同埋深处理表明埋深(10,15］ cm比(5,10］ cm更能增加18%土壤质量含水率等值线的水平距离;3%Y10~15(混掺比例3%,玉米叶,埋深(10,15］ cm)处理最大土壤质量含水率值达到21%,而其垂向运移距离最短,说明该处理能够有效地阻滞水分的垂向入渗,增强植物混掺层上部土壤质量含水率;采用HYDRUS-2D软件模拟的湿润锋运移值与实测值误差在3%以内,说明其能够准确描述植物混掺条件下沟灌入渗过程中的湿润锋运移特征.     

考虑降雨特征的浅层边坡稳定性分析

由降雨诱发的残积土滑坡在亚热带和热带地区非常普遍,产生此类滑坡的主要原因是雨水入渗使斜坡内非饱和区材料抗剪强参数和基质吸力降低导致了土体抗剪强度的减小.基于Mein-Larson模型,用一种近似的显式方法模拟入渗过程,得出了实际入渗率和湿润锋深度随时间变化规律,在此基础上,采用考虑基质吸力的极限平衡方法进行了边坡稳定性分析.计算结果表明实际入渗率在积水之前为降雨强度,之后逐渐减小;湿润锋深度随时间成近似线性变化;边坡安全系数随降雨的入渗而显著下降.     

分形在土壤空间变异性评价中的应用研究

针对土壤空间变异性问题,研究了分维数和土壤空间变异性的关系。应用Green-Ampt入渗模型模拟出十种土壤的下渗湿峰深度值,它们的大小依次是:壤质砂土、沙壤土、沙质黏壤土、壤土、粉砂壤土、砂质壤土、黏质壤土、粉砂黏壤土、黏土、粉砂黏土,然后计算出十种土壤随机组合构成的100种土壤剖面的湿峰形状分维数,用这些分维数来描述土壤空间变异性。同时用反距离加权法和相邻两参数平方均值法算出土壤区域属性值,并与分维数进行比较,再通过对土壤空间变异性(用土壤饱和水力传导度来表示)的统计分析和分维数关系的分析,得出湿峰的分形维数与KS具有较明显的分带关系,而且这种关系在实际流域中会更明显。总的来说,土壤空间变异性越大,分形维数df越大。因此可以看出,用分形来评价土壤空间变异性是可行的,并取得了不错的效果。     

地下水浅埋下层状土壤波涌畦灌间歇入渗模型研究

为进一步揭示地下水浅埋下的层状土波涌畦灌间歇入渗机制,通过试验资料分析与理论研究,建立了波涌灌间歇入渗条件下的层状土Brook-Corey和Green-Ampt（BC-GA）改进入渗模型,推导出层状土间歇入渗湿润锋面水吸力与湿润锋运移深度的函数关系,确定了含砂层内部土壤饱和导水率、进气吸力是层状土间歇入渗运移距离变化的主要影响参数。周期数增大,上层土壤饱和导水率减小,饱和含水率减小,进气吸力增大,夹砂层内部仅进气吸力随周期数增加而增大。根据BC-GA模型计算不同埋深的含砂层土壤间歇入渗特性及湿润锋运移特性,对比分析指出,周期数增加,相同含砂层埋深下的累积入渗量减小,湿润锋运移距离增大;含砂层埋深增加,相同供水周期的累积入渗量增大,湿润锋增大;供水周期达到最大时,含砂层埋深对累积入渗量和湿润锋运移距离影响减小。     

负水头环境土壤水分湿润锋运移三维模拟

【目的】更加有效地控制土壤含水率,指导节水灌溉。【方法】采用负水头土壤水分湿润锋运移试验和Hydrus-3D三维土壤水分运移数值模型,研究了山西榆次砂土、壤土在负水头高度(0、-0.5、-1.0m)时的土壤水分湿润锋运移规律和模型的有效性。【结果】水分累积入渗量随着时间的增加逐渐增大,与时间呈良好的幂函数关系;湿润锋随着时间的增加逐渐向水平、垂直方向扩大,曲线呈1/4椭囿状,最大湿润距离与时间的平方根呈良好的线性关系;湿润锋入渗速度随着负水头高度的增加逐渐减小,与时间呈良好的幂函数关系。实测湿润锋包络面积与模型计算值的偏差,砂土为0.51%~7.21%,壤土为0.22%~16.03%。【结论】所建三维模型可以用于描述负水头环境下土壤水分湿润锋的运移特征,并用于预测各种条件改变下的湿润锋运移和含水率分布。     

微重力滴灌层状土壤入渗特性及湿润模式研究

本试验以层状土壤结构为研究对象,对微压小流量滴灌条件下点源入渗特性规律进行了室内试验,设置均质壤土、上壤下砂结构和上砂下壤结构层状土壤3个处理,对其湿润模式,湿润体在径向、垂向湿润距离与时间的变化特征及湿润锋随时间的变化特性进行分析,结果显示两种层状都具有减渗功能,湿润锋随时间的变化规律符合幂函数关系,研究结果对于层状土壤湿润体预报,准确模拟层状土壤介质中的水分和溶质运动过程有重要意义。     

矿化度对微润灌土壤入渗特性的影响

采用室内土箱模拟试验的方式,研究了5种矿化度条件下微润灌土壤水分的入渗特性。试验结果表明:矿化度对湿润体形状影响小,微润灌湿润体横剖面呈近似圆形;矿化度对湿润体体积影响较大,矿化水湿润体体积大于清水的湿润体体积。当矿化度为3 g/L时,微润灌湿润体湿润锋运移速率最大,湿润锋运移速率与时间呈幂函数关系。矿化水可增加微润灌的累计入渗量,但累计入渗量与矿化度之间不是单调关系,当矿化度为3 g/L时,累计入渗量达到最大,土壤平均含水率也最大。