稻田—田埂过渡区土壤优先流特征研究

为揭示田埂对稻田—田埂过渡区土壤水分渗漏的影响,对比不同位点(田内、过渡带和田埂)优先流特征差异,采用室外亮蓝染色示踪方法,对江汉平原典型稻田—田埂过渡区进行研究。结果表明:过渡区土壤染色面积比(SAR)随深度的增加呈波动下降,其中0~20cm土层SAR较高,占剖面总SAR的53.85%~88.55%。不同位点土壤SAR差异明显,0~20 cm土层平均SAR由大到小依次为田内、过渡带、田埂,20 cm以下各位点SAR均较低,但田埂平均SAR高于田内。各位点水平剖面染色结果与垂直染色结果能较好对应,且随着深度增加,土壤染色区域急剧减少。各位点染色路径数(SPN)与SAR显著相关,田埂中、下层土壤SPN均高于田内。染色路径宽度(SPW)结果显示,0~20 cm田内以10~80 mm和大于80 mm SPW为主,过渡带和田埂大于80 mm SPW较少,均以小于10 mm和10~80 mm为主。各位点SPW的差异反映在水流类型上,田内为非均质指流—高相互作用大孔隙流,过渡区和田埂以混合作用大孔隙流—高相互作用大孔隙流为主。水分渗漏路径结果显示,田内水分由过渡带和田埂的垂直和侧向渗漏较强,且田沟田埂侧向流较田间田埂明显。田埂是稻田水分快速流失的主要区域,加剧了稻田水肥流失和水环境污染风险。本研究可为稻田水分保持和制定合理施肥、灌溉等措施提供依据。     

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<...     

三峡库区不同植被覆盖坡地的土壤优先流运动特征研究

研究土壤优先流运动特征与植被覆盖、坡位及土壤结构的关系,既能丰富山坡水文学的研究内容,还能进一步揭示森林涵养水源、保持水土的机制。以三峡库首大老岭林区常绿林、林灌混合落叶林和弃耕草地覆盖的坡地为研究对象,运用染色示踪和图像处理的方法,定量分析了3种植被覆盖的坡面上、下坡位的优先流染色特征,阐明了植被覆盖和坡位对土壤优先流运动和坡面水分入渗特征的影响。结果表明：（1）各样地染色面积比（SAR）和染色路径数（SPN）均呈现浅层高、深层低的特征。不同植被覆盖下,0~60 cm土层的SAR表现为落叶林坡地（44.2%）>弃耕坡地（36.1%）>常绿林坡地（35.3%）,SPN表现为落叶林坡地（43条）>常绿林坡地（19条）>弃耕坡地（15条）。不同坡位下,0~60 cm土层的SAR表现为上坡（41.5%）>下坡（35.6%）,SPN表现为上坡（23条）<下坡（28条）。落叶林坡地土壤染色深度最大,60~110 cm深度土层仍有很多狭长的水流路径延伸,而其他样地较少出现;（2）各样地的染色路径宽度（SPW）以1~10 cm和>10 cm为主,二者之和占剖面总染色面积的84.2%。除弃耕地坡上位点缺少均质流与非均质指流外,其他样点0~30 cm土层以均质流和非均质指流为主,30 cm以下为不同类型大孔隙流的混合分布;（3）弃耕坡地的侧向流最为明显,染色剂延伸到染液喷洒区外50 cm处,常绿林地和落叶林地仅延伸至10~20 cm。植被覆盖类型与坡位的耦合作用影响了土壤理化性质,从而影响优先流路径的形成与水分的入渗过程。常绿林与落叶林的水源涵养能力强于弃耕坡地,耕作形成的犁底层限制了弃耕坡地的水分垂直入渗,增加了侧向入渗与地表径流的风险,需要通过破除犁底层或种植根系发达的乔灌木以增加降雨蓄存能力。     

三峡库区高砾石含量紫色土优先流形态特征

以三峡库区王家桥小流域林地、耕地和园地为研究对象,结合染色示踪技术,利用图像处理软件技术,通过计算优先流形态特征参数,分析3种土地利用类型下高砾石含量紫色土的优先流形态发育特征。结果表明:砾石平均含量表现为园地林地耕地,土壤大孔隙平均半径随着深度的增加而减小。林地优先流运动深度可达60cm,剖面染色区域呈现明显的不规则性,耕地染色深度集中在0—15cm土层,染色区域分布均匀,但染色面积小,且存在大量的侧向流,园地染色范围广,优先路径连通性好。染色路径数表现为园地林地耕地,说明园地优先流发育较活跃,优先路径分化程度较高,染色路径宽度20mm的染色路径数量分布特征与染色路径总数分布特征相近,是紫色土壤中流染色路径的主要组成部分,壤中流类型主要为低相互作用大孔隙流。砾石和大孔隙特征共同影响土壤水分运动过程。     

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。     

红河干热河谷林草地红壤中优先流的形态分布特征

[目的] 在红河干热河谷地区开展优先流形态分布特征及与红壤特性关系的研究,为区域水资源管理和防治水土流失等工作提供理论依据。[方法] 以干热河谷地区典型植被林地和荒草地为研究对象,采用野外染色示踪法并结合图像处理技术研究优先流的形态分布特征及对红壤特性响应。[结果] ①林草地上层剖面平均染色面积分别为87.20%和91.97%,染色面积随土层的增加而减小,局部深度内染色面积出现反弹现象;林草地优先流长度指数分别为766.8%和730.0%,林地土壤优先流较荒草地发达;林草地的最大染色深度分别为40 cm和35 cm;②染色路径宽度随土层的增加而减小,0—20 cm土层内以大于250 mm的路径为主,20—40 cm内的染色路径在20—250 mm,而在40 cm以下的土层染色路径集中在20 mm以内;③优先流染色面积比、长度指数、染色路径宽度与土壤因子存在显著相关性,总孔隙度、有机质、含水率等对染色面积比（D_A）、长度指数（LI）、染色路径宽度（SPW）累积贡献率分别为97.80%,86.95%,87.45%;含水率、有机质、容重、总孔隙度和Al³⁺等因子与染色面积比、染色路径宽度呈最优线性关系。[结论] 土壤的孔隙特性、盐基离子和土壤质地等的共同作用最终导致红河干热河谷林草地优先流的差异。     

重庆四面山不同林地土壤大孔隙特征及其影响因素

以重庆四面山不同林地为研究对象,通过亮蓝野外染色示踪实验观测大孔隙流,结合Adobe Photoshop、ERDAS和ArcGIS的图像处理技术分析了阔叶林、针叶林和针阔混交林3种林地的土壤大孔隙分布特征,并探究其影响因子。结果表明:不同林地的大孔隙流形态特征有所不同,大孔隙流的存在使水分在土壤中的运移深度大幅度提高,运移深度规律为阔叶林针阔混交林针叶林;不同林地的染色面积比均随着土层深度的增加而减少;较大的孔隙(1级和2级)主要存在于0—20cm土层,随着土层深度的增加,小孔隙(4级和5级)所占百分比变大;土壤容重、有机质含量、根重密度和根孔数对大孔隙分布均有较大影响,其中,土壤容重与大孔隙数量呈负相关关系,有机质含量、根重密度和根孔数与大孔隙数量呈正相关关系。     

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。     

利用染色示踪法研究四面山两种林地优先路径分布特征

[目的]研究不同林种土壤的优先路径分布特征,为土壤水的高效利用以及植物生长环境改善等方面的研究提供理论参考。[方法]以重庆四面山张家山的针阔混交林和楠竹林为研究对象,在林地土壤存在优先路径的情况下,运用染色示踪法研究了水分及溶质的运移,并对采集的垂直剖面染色图像进行处理分析。[结果]两种林地对水分入渗的响应不同,染色路径宽度和染色路径数量在同一剖面不同深度处及不同剖面同一深度处均呈现明显的异质性:(1)针阔混交林染色路径宽度曲线呈"倒阶梯型";(2)楠竹林染色路径宽度曲线呈S形。两种林地的土壤优先流宽度和数量在一定范围内均随着深度增加而逐渐下降。[结论]两种林地均存在优先流现象,随着深度增加优先流路径不均匀递减,在0—20cm深度内,植物根系对土壤优先流影响较大。     

稻田—田埂过渡区土壤水分运动与保持特征

为揭示田埂对稻田水分渗漏的影响,以江汉平原典型稻田—田埂过渡区为研究对象,采用室内土壤理化性质分析、水力学参数测定和田间染色示踪等方法量化了过渡区各位点(田内、田埂和灌溉沟)土壤剖面导水与持水性能差异,并揭示了该区域的水流特征。结果表明:(1)不同位点的土壤饱和导水率(Ks)均随土层深度的增加而减小,上层(-20—35cm)高于中、下层(35—65cm),剖面导水性能表现为田埂灌溉沟田内,田埂平均Ks分别是灌溉沟和田内的1.6倍和16.0倍;(2)同一吸力值下不同位点土壤含水量差异较大,田内含水量最高,灌溉沟其次,田埂最低,在持水性能上表现为田内灌溉沟田埂;(3)田埂土壤受动物活动和根系生长影响剧烈,导致其大孔隙(当量孔径0.3mm)含量整体上高于田内,在染色特征上表现为田埂中、下层土壤染色面积显著高于田内。由于稻田-田埂过渡区不同位点土壤的导水和持水能力差异显著,稻田水分不仅可以在田内发生垂直渗漏,还可以通过田埂区域垂直入渗和跨田埂侧流两种方式快速流失,进而加速了稻田水分的散失。     

华南地区覆膜旱种稻田甲烷排放及其与土壤水分和温度的关系

采用静态箱法和田间小区试验,研究了常规稻田和覆膜旱种稻田水稻全生育期CH4的排放规律,探讨了温度和水分与稻田CH4排放的关系。结果表明:覆膜旱种稻田的甲烷排放量明显低于常规水田的排放量,常规水田的甲烷累计排放通量为20.38g/m2,覆膜旱种稻田为2.46g/m2,水稻覆膜旱种后甲烷排放量降低了88%。常规水田CH4排放峰期持续了35d,覆膜旱种稻田CH4排放峰期为25d,两者在CH4排放高峰期的排放量分别占整个生育期累计排放量的72%和97%。覆膜旱作稻田CH4排放量降低,主要表现在最大排放峰值降低和排放峰持续时间缩短。土壤温度(5cm处)和水分与水稻生育期稻田甲烷的排放有显著正相关。CH4排放通量大于1.0mg·m-2·h-1主要集中在土壤质量含水率高于36.25%的区域,在土壤质量含水率小于36.25%时,常规稻田和覆膜旱种稻田都只有少量CH4排放。     

秸秆覆盖下桂北岩溶区水稻田土壤优先流特征

优先流作为一种土壤水分的快速入渗形式,广泛发生于水稻田内。通过进行野外土壤染色示踪试验,结合形态学图像解析技术,开展秸秆覆盖与非覆盖条件下的广西岩溶区水稻田土壤优先流特征研究。结果表明:在相同的外部供水条件下,秸秆覆盖水稻田土壤染色形态以整体均匀分布形式为主,而非秸秆覆盖水稻田呈明显枝状染色形态分化现象并贯穿整个土壤空间,其平均染色斑块形状系数为13.96,染色形态表现为显著不规则分化状况,且土壤空间中染色水流平均分布密度达0.117,相比秸秆覆盖水稻田更大,呈现染色水流集中分布状态。秸秆覆盖水稻田土壤入渗量相比非秸秆覆盖水稻田较高,平均总染色面积比达46.69%,二者之间差异显著(P0.05),但田间优先流发生时间相对较晚,对应的平均基质流深度为16.92 cm,优先流比显著小于非秸秆覆盖水稻田(49.55%)(P0.05),仅为27.47%。秸秆覆盖措施可影响田间土壤水分运动过程,在一定程度上提高田间水分的入渗量,降低土壤优先流发生程度,促进稻田土壤水分的保持,减少田间水肥流失。     

不同水耕年限稻田土壤水分渗漏与保持特征

以江汉平原连续水耕年限大于100年(老稻田)和由旱耕改为水耕17年(新稻田)的稻田为研究对象,通过测定土壤剖面基本理化性质和水力学参数,揭示了2种稻田土壤水分渗漏和保持特征差异。结果表明:(1)新稻田土壤的平均饱和导水率(Ks)为32.05cm/d,显著高于老稻田(17.91cm/d)。新、老稻田土壤Ks均表现为耕作层底土层犁底层,新稻田耕作层Ks分别为犁底层和底土层的6.3倍和5.7倍,老稻田耕作层Ks分别是犁底层和底土层的6.9倍和4.0倍。(2)老稻田土壤持水能力高于新稻田,同一剖面不同土层持水能力表现为耕犁底层底土层耕作层。0.03mm当量孔径的孔隙比例随土壤剖面深度的增加而降低,新稻田各层土壤比例大于老稻田。(3)新、老稻田最大有效水含量随土壤深度的增加而降低,老稻田各土层(32.25%~46.59%)均高于新稻田(26.99%~36.74%)。老稻田平均总库容(135.8mm)大于新稻田(124.4mm),新稻田滞洪库容(11.21~38.74mm)大于老稻田(8.1~60.74mm)。旱耕改水耕加重了水资源的消耗,增加了浅层地下水污染风险。     

Behavior of Iodine in a Forest Plot,an Upland Field and a Paddy Field in the Upland Area of Tsukuba,Japan. Iodine Concentration in Precipitation,Irrigation Water,Ponding Water and Soil Water to a Depth of 2.5 m

In the course of a series of studies conducted to investigate the long-term behavior of ¹²⁹I (which has a half-life of 16 million years) in the environment, the concentration of stable iodine (¹²⁷I) in precipitation, irrigation water and soil water to a depth of 2.5 m in a forest plot, an upland field and a paddy field in the upland area of Tsukuba, Japan, was determined. In the forest plot, the mean iodine concentrations in soil water at all the depths ranged from 0.13 to 0.21 μg L^?1, about one-tenth of the values recorded in precipitation (weighted mean 2.1 μg L^?1). This finding suggests that the major part of iodine in precipitation was sorbed onto the surface soil horizon under oxidative conditions. In the upland field, the mean iodine concentration in soil water was 2.2 μg L^?1 at a depth of 0.2 m and it decreased to 0.34–0.44 μg L^?1 at a depth of 0.5 m or more; these concentrations were about one-fifth of that in precipitation. This suggested that the major part of the iodine derived from precipitation was sorbed onto the subsurface soil horizon (at depths between 0.2 and 0.5 m). In the paddy field, during the non-irrigation period, the mean iodine concentrations in soil water at all the depths ranged from 1.8 to 4.8 μg L^?1, almost the same values as those recorded in precipitation. During the irrigation period, the mean iodine concentrations at depths of 0.2 and 0.5 m were 18.8 and 16.7 μg L^?1, values higher than the 10.9 μg L^?1 value recorded in irrigation water and the 11.8 μg L^?1 value recorded in ponding water. However, at a depth of 1.0 m or more, the mean iodine concentrations in soil water rapidly decreased from 7.3 to 1.8 μg L^?1. These data suggested that a significant amount of iodine flowed out from the paddy field by surface runoff and a considerable amount of iodine that leached to a depth of 0.5 m was retained onto the mildly oxidative soil horizon (2Bw) that lay at depths between 0.5 and 1.0 m. At a depth of 2.5 m in the paddy field, the mean iodine concentration in soil water decreased to 1.8 μg L^?1, but this level was much higher than those in the forest plot and upland field at the same depth, which suggested that a significant amount of iodine had leached into the groundwater-bearing layer. There was a negative correlation (r=-0.889) between the E_h of soil and the iodine concentration in soil water (0.2 m depth) of the paddy field. Particularly, when the E_h of soil fell below approximately 150 mV, the iodine concentration rapidly increased to above 10μg L^?1. As for the chemical forms of iodine in precipitation, irrigation water, ponding water and soil water during the winter irrigation period in the paddy field with oxidative conditions, 58–82% of iodine consisted of IO^? ₃ and 17–42% of iodine consisted of I^?. In the soil water during the summer irrigation period in the paddy field under reductive conditions, 52–58% of iodine consisted of I^?, and 42–47% consisted of IO^? ₃.     

节水灌溉稻田土壤呼吸变化及其影响因素分析

为了揭示节水灌溉稻田土壤呼吸变化特征及其影响因素,基于蒸渗仪试验结果,分析了不同灌溉模式对稻田土壤呼吸速率日变化的影响,阐明了土壤呼吸速率对节水灌溉干湿交替过程的响应;同时,分析了节水灌溉稻田土壤呼吸速率的影响因子。结果表明,在处理间土壤水分状况差异较小的生育阶段,节水灌溉和常规灌溉稻田土壤呼吸速率日变化规律基本一致;在处理间水分差异较大的生育阶段,控灌稻田土壤呼吸日变化幅度较大,且速率和变化幅度均要大于常灌稻田土壤。控灌稻田全生育期土壤呼吸速率日变化均值为常灌稻田的1.47倍。控灌稻田土壤一般在复水和脱水的临界点上会出现土壤呼吸速率峰值。控灌稻田土壤呼吸速率受土温和土壤水分影响较大。稻田土壤呼吸速率与5 cm土温有较好的指数相关性,控灌稻田土壤达到了显著水平(P0.05)。土壤体积含水率在35%~55%之间时,土壤体积含水率43%为控灌稻田土壤呼吸的一个临界值,当土壤体积含水率低于临界值时,土壤呼吸速率随着土壤含水率的升高而逐渐增大(P0.05),当土壤体积含水率超过临界值时,土壤呼吸速率随着土壤含水率的增大而降低(P0.05)。研究结果为更加全面地评价节水灌溉的生态环境效应,同时为准确评估稻田生态系统碳源/汇特征提供依据。     

不同利用方式对潮棕壤交换性钾钠及盐基总量的影响

为深刻认识土地利用变化对土壤交换性离子的影响,本文对潮棕壤水稻田、玉米地、撂荒地和人工林地4种土地利用方式经过14年后,在0～150cm剖面中土壤交换性钾、钠、交换性盐基总量的剖面分布及交换性钾钠比值变化进行了比较研究。结果表明,林地和撂荒地各土层交换性K含量及土体中交换性K储量具有高于水稻田和玉米地的趋势;水稻田和撂荒地0～20cm各土层的交换性Na含量显著高于林地和玉米地;林地0～150cm深度土壤交换性Na储量显著高于其他三种利用方式(P<0.05);0～150cm深度内土壤交换性盐基总储量大小依次为林地、玉米地、撂荒地、水稻田;水稻田剖面土壤交换性K/Na随土层深度增加而增大,其他3种土地利用方式则是随土层深度增加而降低。土壤管理和植物自身的特性在土壤剖面中交换性离子的构成以及土壤交换性盐基库的重建等方面可能起到重要作用。     

How different or similar are nematode communities between a paddy and an upland rice fields across a flooding-drainage cycle?

The paddy field is being recognised as a biodiversity hotspot fostering a variety of organisms. However, there are few studies on the ecology of paddy field nematodes. We characterised nematode communities in rice paddy fields by comparing them with upland fields of rice or soybean. We examined nematode communities of the top (0-15 mm) and second (15-50 mm) soil layers before flooding (March or April), during flooding (June or July) and during the draining period (October) 2007-2009. We found that the nematode community in the paddy was different than that in the upland fields during all periods. Rhabdolaimus, Tobrilus, Mesodorylaims and Monhysteridae characterised the top of the paddy and Hirschmanniella characterised the second layer of the paddy. Total nematode density was generally lower in the paddy than in the upland field. However, the density in the paddy top layer increased with time from the flooding period to the draining period, during which time it was about the same as (or even greater than) the peak density in the upland fields. The density in the second layer of the paddy remained lower than that in the top layer of the paddy throughout the time course. Community diversity values were generally greater in the paddy top layer than in the paddy second layer across the six sampling periods, but periodic differences between the paddy and upland fields or between soil layers were not significant. During the flooding period, the F/(F + B) (13-37) and Enrichment Index (17-38) values were lower in the paddy than in the upland fields (32-47, 37-74, respectively) to reflect that bacteria dominate over fungi with slow decomposition due to anaerobic conditions in the flooded paddy field. In addition, particularly in the top layer, the Maturity (2.0-2.4) and Structure Index (23-72) values were greater in the paddy than in the upland fields (1.7-2.1, 9-15, respectively), indicating a well-developed ecosystem under water. These unique nematode communities persisted during the draining period, but there was a rapid increase in opportunistic bacterivores, which increased the EI values. We suggest that bactivorous nematodes in the families Cephalobidae and Chronogasteridae, herbivores in the genus Hirschmanniella, and fungivores in the genus Filenchus may be specific to paddy field soil rather than to pond and lake sediments.