北京昌平区农地土壤优先流影响硝态氮运移的试验分析

为了探讨在优先流影响下农地土壤水分与溶质的运移规律,以昌平农地土壤为研究对象,通过原状土取样和分层填充制备实验土柱,模拟存在优先流和平衡入渗2种水分下渗过程,分析优先流对农地土壤中硝态氮运移的影响。结果表明:相较于平衡入渗,存在优先流的土壤中硝态氮运移的速率更快、数量更多,且其穿透曲线表现出拖尾现象。优先流的存在会使土壤的水分出流速率达到平衡入渗过程的1.48～2.69倍,且波动程度较大;受其影响,硝态氮运移表现出快速、大量下渗的特征,原状土柱中NO3-的穿透时间为12 h,此时的孔隙体积为0.36,相较于填充土柱分别减少了57%和27%。此外,原状土柱中以NO3-标记的优先流占水流总量的43.83%,引起的NO3-累计淋出量占总量的97.60%,这表明有限的优先流流量能够引起绝大部分的硝态氮运移。土壤优先流还使得其穿透曲线表现出拖尾现象,这可能是由于优先流和基质流之间下渗速率的不平衡造成的。     

利用两区和两流区模型模拟氯离子在黑垆土中的迁移过程

以原状长武黑垆土为研究对象,针对不同输入方式、不同孔隙水流速条件下的氯离子溶质迁移过程,分析原状土壤中大孔隙存在条件下溶质迁移的特征,对两区模型和两流区模型的各拟合参数进行对比和分析。结果表明:大小脉冲输入条件下,氯离子浓度在试验土柱中均随穿透试验的进行呈现先增加而后降低的趋势,其峰值大小及其出现位置随孔隙水流速变化差异显著,且小脉冲输入时溶质穿透曲线较大脉冲时的不对称和拖尾现象更为显著;两流区模型相对于两区模型可较好描述氯离子的穿透曲线;两模型所得模拟参数随孔隙水流速的变化差异性较大。两模型拟合所得弥散度(λ)随孔隙水流速的变化趋势相同,但两流区模型拟合的弥散度大两区模型拟合值2个数量级。两模型拟合所得可动水含量(β)均随孔隙水流速的增加相应增加,而质量交换系数(α)值均极小。     

柑橘地土壤溶质优先运移研究

通过室内原状土柱与重塑土柱对比实验,应用溶质穿透曲线研究柑橘地土壤优先流及溶质优先运移的特征。结果表明:柑橘地原状土柱土壤穿透曲线表现出了上升阶段的拐点现象,是优先流与基质流共同作用的结果。原状土柱土体穿透曲线下降初期较陡,并表现出了较长的拖尾特征,重塑土柱下降趋势相对稳定。存在优先路径的土体出流速率稳定性较差,变异系数较大,其平均出流速率是重塑土柱出流速率的3.5倍。优先流作用使溶质相对浓度到达峰值的时间缩短了37.7%,此时造成的溶质运移量却是平衡基质流所造成的溶质运移量的2.5倍,因此优先流能够导致土壤溶质的快速大量迁移。     

土壤团聚状况对Cl~-运移规律的影响

在室内条件下采用垂直土柱易混置换法,研究土壤团聚体大小对非反应性溶质(Cl-)迁移的影响,并以相同直径的细砂柱作为对照,揭示土壤团聚状况对溶质迁移的影响规律。结果表明:在相同实验条件下,随着土壤团聚体直径的减小,孔隙水流速、溶液流速均减慢,在介质颗粒粒径为0.25～0.5mm时发现优势流的存在;通过分析比较土柱与砂柱的穿透曲线、运移参数,发现穿透曲线与土壤孔隙分布状况密切相关;随着土壤团聚体直径的减小,Cl-在土柱中的溶质出流推后,淋洗结束提前,水动力弥散系数(Dsh)逐渐减小,说明介质的孔隙构造是影响溶质运移的一个重要因素。     

磺胺嘧啶在原状土柱中的运移特征及模拟

以磺胺嘧啶(Sulfadiazine,SDZ)为研究对象,通过室内原状土柱(0~15 cm,土柱Ⅰ和15~30 cm,土柱Ⅱ)出流试验探讨了其在不同剖面深度处的迁移特征,运用Hydrus-1D软件对试验结果进行模拟,并对不同流速下磺胺嘧啶在0~200 cm土壤中的迁移行为做了预测。结果表明:SDZ在原状土柱Ⅱ中的穿透曲线相较于原状土柱Ⅰ的发生左移,即较深层土壤中,SDZ的迁移速度更快,这主要是受土壤理化性质,如有机质、阳离子交换量和p H等的影响;两区模型(TRM)模拟的R~20.91,均方根误差RMSE0.061,不动水区域f0.154,其模拟效果优于单点模型(OSM)和两点模型(TSM),表明土壤的不可动区域是吸附SDZ的重要部分。预测结果显示:同一流速时,SDZ浓度峰值随着土壤剖面深度增加而减小,出流时间逐渐增大;同一深度处,当水流速度从0.017 cm min~(-1)增加到0.030 cm min~(-1)再到0.100 cm min~(-1)时,磺胺嘧啶在土壤中的迁移速度不断加快,出流浓度也越来越高,当流速为0.100 cm min~(-1)时,SDZ可快速穿过土层进入地下水,其穿透曲线不再对称,出现拖尾现象。     

利用染色分析法确定农田土壤中硝态氮垂直运移的研究

利用农田土壤剖面染色并结合田间硝态氮示踪的方法,研究了太湖地区典型的水稻土—白土剖面中优势流和硝态氮在土壤剖面中的运移规律。结果表明:染色法可以分析土壤剖面中大孔隙的分布状况和优势流的路径;染色面积越大的土层,表明该土层的大孔隙含量就越高。在白土剖面上,表层的大孔隙含量最高,20~30 cm和55~100 cm土层以下大孔隙含量都很低。在田间条件下,优势流是影响硝态氮迁移的主要因素;白土剖面中优势流直接影响的最大深度为78 cm,对地下水的影响很大。本试验中地下水的硝态氮含量比未试验前增加了10多倍,这对环境安全影响极大。     

土壤大孔隙饱和导水率的数值模拟及实验研究

原状土壤饱和导水率的确定将直接影响水及溶质在原状土壤中运动的模拟,进而影响到水文模型及溶质运移模型的模拟精度。为此,将原状土壤分为基质域和大孔隙域,以南京市栖霞区的土壤为例,通过CT扫描结合经验公式法、室内原状土柱实验法分别得到了原状土壤大孔隙的饱和导水率,并对其结果进行了详细的对比分析。结果表明:两种测定大孔隙饱和导水率的方法得到结果的相对偏差在10%以内。     

大孔隙扭曲度对土壤水分入渗的影响

[目的]探究大孔隙扭曲度对土壤水分入渗的影响,为深入了解大孔隙扭曲度影响优先流的物理机制提供理论依据。[方法]采用室内含大孔隙土柱的定水头入渗试验,以长武地区黑垆土为研究对象,分析大孔隙不同扭曲度对土壤湿润锋运移、累积入渗量和水分穿透时间的影响。[结果]大孔隙的形状深刻影响入渗湿润锋的形状,对湿润锋纵向、横向运移具有引导作用;大孔隙扭曲度减小可加速湿润锋运移,增加累计入渗量;水分穿透土柱的时间随扭曲度的增大而增加,穿透时间与扭曲度可用对数关系描述;湿润锋运移深度、累积入渗量与时间均呈明显的乘幂关系,其函数式的参数取决于土体中大孔隙扭曲度。[结论]大孔隙扭曲度对水分入渗影响深刻,是研究大孔隙流的重要因素。     

鹫峰国家森林公园土壤优先流现象分析

为研究鹫峰地区优先流强度与土壤发育程度之间的关系,采用室内原状土柱穿透曲线与野外染色示踪试验相结合的方法,分析鹫峰地区优先流现象。结果表明:(1)研究区有优先流现象发生,优先流类型主要是指流和大孔隙流。(2)发育程度较高和较低2种不同土壤优先流强度不同,低海拔发育程度较差土壤优先流现象越明显,强度更大;高海拔发育程度较好土壤则相反。(3)土壤表层0-30cm根系主要分布范围内,用Logistic模型进行曲线拟合得出,石砾含量对优先流影响不显著,这是因为在土壤表层0-30cm优先流强度受植物改良土壤作用明显。     

黄土高原不同土质和植被类型下Cl~-运移特征及影响因素

为确定不同土质和植被类型下溶质运移特征及影响因素,采用垂直土柱易混置换法,研究了陕北六道沟和圪丑沟流域不同土质(砂土S、壤土L)和植被类型(乔AR、灌SH、草GR)下Cl~-运移特征。结果表明:Cl~-初始穿透时间(TS:12～80 min)、完全穿透时间(TE:75～480 min)、平均孔隙水流速(V:0.52～1.98 cm·h~(-1))和水动力弥散系数(D:0.75～2.55 cm2·h~(-1))均随土壤质地、植被类型和土层深度而发生变化。0～20 cm土层Cl~-的TS和TE最小,随深度增加而增大,V和D则相反。同一质地不同植被类型条件下0～1 m剖面中Cl~-的V和D均值表现为:S-AR S-GR S-SH和L-AR L-SH L-GR,TS和TE则相反,这是由于砂土和壤土中不同类型植物根系生物量剖面分布具有显著差异,进而影响大孔隙数量、孔隙连通性密度和优先流路径。同一植被类型不同质地土壤0～1 m剖面中Cl~-的V和D均值表现为:S-AR L-AR;S-SH L-SH;S-GR L-GR,TS和TE则相反,这是由于土壤机械组成影响孔隙分布状况,砂土中大孔隙数量多且孔隙连通性密度高,有助于形成优先流,而壤土中细小孔隙所构成的复杂孔径及带电团聚体对离子的吸附作用会阻碍Cl~-运移。容重、大孔隙数、孔隙连通性密度、有机碳含量和颗粒组成均与V,TS和TE显著相关,表明土壤性质显著影响不同土质和植被类型下Cl~-运移特征。上述结果可为黄土高原不同质地土壤人工植被合理布局与配置,降低养分流失风险,提升生态系统服务功能提供参考。     

亚热带红壤区不同土地利用方式下的土壤剖面水流特征

以江西省鹰潭市的典型旱地、稻田和林地为研究对象,采用野外亮蓝染色示踪试验结合室内图像处理的方法,量化了各样地土壤剖面染色特征参数,明确了水流类型的剖面分布规律,并揭示了土壤理化性质对水流特征的影响机制。结果表明:染色面积比(SAR)随着土层深度的增加急剧降低,0—60 cm土层的平均SAR表现为稻田(28.16%)高于旱地(21.95%)和林地(18.64%),SAR差异主要体现在5—25 cm土层;染色路径数(SPN)随着土层深度的增加先增加后减小,整个剖面的平均SPN为稻田最多(20条),旱地其次(12条),林地最少(9条)。各样地0—20 cm土层染色路径宽度(SPW)均以1—10 cm为主,水流类型从上至下依次为均质流、非均质指流和高相互作用大孔隙流;对于20 cm以下土层,旱地和稻田的SPW以1 cm为主,水流类型分别以低相互作用大孔隙流和混合作用大孔隙流为主,林地以1—10 cm的SPW为主,主要水流类型为高相互作用大孔隙流。有机质含量、根系密度和土壤机械组成等性质影响了土壤的孔隙特征,进而影响了土壤的饱和导水率和水流特征。为提高红壤区的水分利用效率、减少水土流失,可以通过破除旱地犁底层、减少稻田干湿交替下的裂隙发育,以及增加林地植被多样性等多种方式实现。     

蒸渗仪控制下烤烟土壤水分的时空动态研究

采用蒸渗仪试验,研究了不同水分处理下烤烟土壤水分时空动态变化。结果表明,全生育期0～20cm土层水分含量变化最为活跃,20～40cm土层次之,40～60cm土层较为稳定;建立了不同土层土壤含水量随时间变化的数学模型,以此来推测烤烟土壤水分随时间的变化动态;烤烟伸根、旺长、成熟期的计划湿润层深度分别以20～30cm,50～60cm,30～40cm较佳;各时期适宜土壤相对含水量水分处理组合以60%-80%-70%或60%-80%-60%优于其它组合。     

近100年植被破坏加速侵蚀下土壤养分和 酶活性动态变化研究

选取不同开垦年限的阳坡梁坡农地为研究对象,研究子午岭地区近100年植被破坏加速侵蚀下土壤养分和酶活性动态变化。结果表明,林地被开垦近100年来,阳坡梁坡农地0―20和20―40 cm土层中土壤的有机碳、全氮含量,碱性磷酸酶和蔗糖酶活性皆随开垦年限的延长呈明显的下降趋势。与对照林地相比,不同开垦年限的农地土壤剖面0―20 cm土层的土壤有机碳、全氮含量,碱性磷酸酶和蔗糖酶活性分别下降了26.6 %～84 .4%、17.6%～76.9 %,15.7%～73.8%和37.6%～68.6 %;20―40 cm土层分别下降了30.7 %～81.0%、8.3 %～71.9%,17.3 %～96.9%和51.1%～92.6%。土壤有机碳、全氮含量,碱性磷酸酶和蔗糖酶活性在开垦初期（4 a）年均下降速率最大;而后,随开垦年限延长年均下降速率减少。土壤有机碳和全氮含量在0―20和20―40 cm土层之间差异随着开垦年限的延长呈减少趋势。土壤脲酶活性随开垦年限的延长呈先上升后下降的趋势,开垦9 a农地的土壤脲酶活性最高。受施用磷肥的影响,土壤速效磷含量随开垦年限延长,在0―20 cm土层呈波动变化,在20―40 cm土层呈微弱下降趋势。     

Solute movement in an intact soil core under different ponding heights

Contaminant transport to groundwater systems through the unsaturated zone follows, in most cases, preferential pathways. The understanding and assessment of this preferential flow mechanism is important to the prevention and solution of resulting problems. A column study was carried out where a NaCl-tracer solution (33 to 37 mmohs/cm of conductivity) was passed through an intact soil core under saturated conditions and three different ponding heights ranging from 5 to 30 mm. Outflow rates varied from 13 to 103 ml/min during the three tests performed. A subsequent dye tracing and slicing of the soil column was performed. Electrical conductivity measurements assessed indirectly the chloride content of the water outflow. Breakthrough curves (BTCs) showed short threshold times (less than 20% pore volume time) and asymmetry with respect to the point defined by C/Co = 0.5 and pore volume time. The BTCs successfully represent the flow measurements through the soil column, this fact is supported by the subsequent horizontal slicing (5 cm thick) of the intact core.     

Soil Macropore Structure Characterized by X-Ray Computed Tomography Under Different Land Uses in the Qinghai Lake Watershed, Qinghai-Tibet Plateau

Quantification of soil macropores is important to enhance our understanding of preferential pathways for water, air, and chemical movement in soils. However, the soil architecture of different land uses is not well understood in elusive alpine regions. The objective of this study was to quantify the architecture of soil macropores in a Kobresia meadow, farmland, and sand in the Qinghai Lake watershed of northeastern Qinghai-Tibet Plateau, China using X-ray computed tomography. Nine soil cores at 0–50 cm depth were collected at three sites with three replicates. At each site, the three collected cores were scanned using a GE Hi Speed FX/i medical scanner(General Electric, USA). To analyze soil architecture, the number of macropores, macroporosity, and mean macropore equivalent diameter within the 50 cm soil profile were determined from the X-ray computed tomography. Analysis of variance indicated that land use significantly influenced macroporosity, mean macropore equivalent diameter, and number of macropores. The soils of the Kobresia meadow and farmland had greater macroporosity and developed deeper and longer macropores than that of sand. For the Kobresia meadow, macropores were distributed mainly in the 0–10 cm soil layer, while they were distributed in the 0–20 cm soil layer for the farmland. The large number of macropores observed in the soils of the Kobresia meadow and farmland could be attributed to greater root development. The results of this study provided improved quantitative evaluation of a suite of soil macropore features with significant implications for non-equilibrium flow prediction and chemical transport modeling in soils.     

灌水频率对辣椒各生育期设施土壤盐分迁移规律的影响

为寻求设施栽培条件下辣椒各生育期适宜灌水频率,通过室内土箱模拟试验,研究辣椒苗期、现蕾期和成熟期同一灌水总量高(5 d灌1次水)、中(10 d灌1次水)和低(15 d灌1次水)3个不同灌水频率设施土壤剖面盐分迁移规律。结果表明:辣椒苗期,各灌水频率灌水后,0~20 cm土层脱盐率均达34%以上,积盐量降幅分别达47.57%、49.85%和52.41%,20~50 cm土层积盐量却表现为中频低频和高频;辣椒现蕾期,灌水前,中和低频灌水土壤含盐量最大值均出现在10~20 cm土层,而高频灌水最大值在30~40 cm土层,灌水后高频灌水由于优先流导致30~40 cm土层含盐量降幅最大;辣椒成熟期,灌水前,高和低频灌水盐分表聚现象强于中频,但高频灌水后,0~20 cm土层脱盐率仍相对较大,20~50 cm土层盐分有累积优势,中频灌水下20~50 cm土层含盐量降幅却较大,20~50 cm土层积盐量高频灌水比中频灌水高18.86%。在辣椒成熟期前采用中频适量灌水较优,但在辣椒成熟期宜采用高频少量灌水,低频大量灌水易出现将大量盐分离子淋洗出土体的现象,加大地下水的污染风险。     

不同类型水稻土可溶性有机氮及其组分的剖面分布

为揭示可溶性有机氮(soluble organic nitrogen,SON)在土壤剖面的分布状况,选取中亚热带地区发育于相同母质的黄泥田、灰黄泥田和灰泥田3种不同类型水稻土为对象,研究不同类型水稻土剖面中SON含量、组分及主控因子。结果表明,不同类型水稻土SON、游离氨基酸氮(FAA-N)、酰胺氮(AN-N)和可溶性蛋白氮(SP-N)含量具有明显的剖面分异,均表现为0～20 cm土层>20～40 cm土层>40～60 cm土层。不同类型水稻土SON及各组分含量差异主要表现在0～20 cm土层,均表现为灰泥田>灰黄泥田>黄泥田,灰泥田SON、FAA-N、AN-N和SP-N含量分别高于灰黄泥田50.5%、41.7%、44.8%和2.1%,高于黄泥田196.5%、200.9%、180.4%和76.5%。0～20 cm土层3种不同类型水稻土FAA-N和AN-N分别占SON的54.4%～58.7%和45.5%～48.1%,而底层(40～60 cm)FAA-N和AN-N分别占SON的33.1%～55.7%和50.3%～52.8%,说明FAA-N和AN-N具有向下累积的趋势...     

低山丘陵区不同土地利用方式田内-田埂土壤优先流特征

为探究低山丘陵地区优先流形态特征,该研究以南方典型低山丘陵区—江苏省南京市江宁区三种典型土地利用方式（水田、旱地和林地）为研究对象,采用野外亮蓝染色示踪试验结合室内图像处理的方法,定量分析不同位点（田内、过渡带、田埂）土壤染色面积比、染色路径和优先流类型差异。结果表明：各土地利用方式下土壤染色面积比（stained area ratio,SAR）随着土层深度的增加急剧降低,水田平均SAR高于旱地和林地,SAR差异主要体现在20～40 cm,不同位点平均SAR总体表现为田内高于过渡带和田埂;各样地不同位点染色路径数（staining path number,SPN）随着土层深度的增加先增大后减小,整个剖面平均SPN林地最多,且大部分分布于田内,水田和旱地各位点平均SPN分布则相反。各土地利用方式下田内、过渡带水流类型0～15 cm为均质流/非均质指流,15 cm以下均为高相互作用大孔隙流,田埂水流类型为高相互作用大孔隙流。水田的SPN和SPW<4 mm占比（SPW:stained path width,染色路径宽度）最大;不同位点下田内SAR、SPW较其余两个位点大;除SPW<...