北京地区2种类型土壤优先流染色形态特征及其影响因素

通过野外染色示踪试验结合室内图像解析技术,对北京地区2种类型土壤(淋溶褐土和潮土)进行了优先流染色形态特征及其影响因素研究。结果表明:(1)样地土壤用浓度为4g/L的亮蓝溶液27.3L染色后,淋溶褐土基质流深度均值为7.72cm,潮土为8.56cm,潮土优先流发生相对滞后;(2)淋溶褐土的优先流比、染色面积比、最大染色深度和长度指数均大于潮土,优先流现象更明显;(3)淋溶褐土优先路径集中区较多,侧向流较发达,且染色面积比和土壤深度相关性大于潮土,两者关系更密切;(4)2种类型土壤的土壤质地和土壤有机质与染色面积比显著相关(P0.01),直径为1~3mm的根长密度也和染色面积比呈显著相关(P0.05)。淋溶褐土优先流现象比潮土更明显,2种类型土壤对优先流染色特征影响较大的为土壤质地、土壤有机质和直径为1~3mm的根长密度。     

永定河(北京段)滨河带藤本和次生乔木林土壤优先流特征

以永定河(北京段)滨河带的藤本植被和次生乔木林为研究对象,采用野外染色示踪法和根系分析法,利用形态学和统计分析学的解译手段,对得到的剖面染色图片进行优先流特征研究。结果表明:藤本植被覆盖的样地基质流深度比次生乔木林小5.48 cm,优先路径的通道数量比次生乔木林多67%。藤本植被的优先流现象更明显,平均染色面积比(34.17%)、优先流比(69.44%)和长度指数(457.79%)分别比乔木样地大9.89%,18.66%,25.71%。2种覆被状况下根长密度随土层深度增加逐渐减小,藤本植被覆盖下土壤表层0—10 cm根长密度是次生乔木林样地的2.96倍。2种覆被状况下的染色面积比和根长密度关系曲线拟合较好,藤本样地相关指数R~2高达0.97。在相同外界条件下,藤本植被覆盖下的土壤比次生乔木林土壤优先流程度更大。     

金沙江干热河谷活跃和稳定冲沟集水区土壤优先流特征

为揭示金沙江干热河谷冲沟集水区土壤优先流特征,以金沙江元谋干热河谷地区不同发育程度冲沟(活跃期、稳定期)集水区为研究对象,采用野外染色示踪和统计分析相结合的方法,通过图像处理技术,从野外染色图像中整合出相关5个优先流特征指标,并结合根系特征,对比分析土壤优先流差异规律。结果表明:(1)稳定期冲沟集水区在0—15 cm土层深度范围出现大面积的团块状染色,随后呈小枝状分布,染色区分布相对更加集中,活跃期染色呈整体状—团块状—枝状分布,表明活跃期冲沟集水区染色形态特征更加分化。(2)活跃期冲沟集水区的平均基质流深度、平均染色面积比、平均土壤染色斑块形状系数和优先流平均长度指数(20.53 cm,54.25%,24.94,592.46%)分别是稳定期冲沟集水区的1.79,1.62,2.20,1.16倍,表现为活跃期冲沟系统集水区优先流发生时间相对滞后,优先流发育程度更大,优先流空间异质性相对较强。(3)随土层深度增加,根重密度和根长密度均呈减小趋势,且二者与染色面积比均呈显著正相关关系(p＜0.05)。活跃期冲沟集水区各土层根重密度和根长密度均大于稳定期冲沟集水区。研究结果为揭示金沙江干热河谷冲沟集水区土壤优先流特征提供理论依据,同时为该地区生态恢复与水土保持工作提供参考和借鉴。     

永定河平原南部典型植被土壤优先流特征及其归因

[目的]研究永定河平原地区的优先流现象，解析其形态特征和发育程度，明确影响优先流的主要因素，为该区域淡水资源保护以及生态环境恢复提供理论依据。[方法]以3种典型植被柳树、荆条和狗尾草为对象，在25 mm入渗水量下(大雨)通过野外亮蓝染色示踪试验获取原始土样和染色剖面图像，使用图像处理技术解析水分和溶质在土壤中下渗的形态规律，结合相关性分析和主成成分分析法研究不同土壤因子对优先流产生和发育的响应。[结果](1)柳树、荆条和狗尾草土壤优先流分别集中在10—40 cm处、10—40 cm处和10—30 cm处，最大染色深度分别为40.0 cm, 44.8 cm, 31.5 cm。不同植被类型垂直剖面上显示出染色面积比随土层深度的增加而下降。(2)优先流发育程度为柳树样地>荆条样地>狗尾草样地。柳树样地和狗尾草样地的染色面积比和长度指数差异显著(p<0.05),荆条样地与其他2种植被差异均不显著(p>0.05)。(3)黏粒、砂粒、粉粒含量对方差变异性的贡献率为24.824%,根重密度和有机质含量对方差变异性的贡献率为46.312%。[结论]永定河平原南部3种典型植被中柳...     

永定河典型护岸植被土壤水分入渗特征及影响因素

为探究永定河岸坡缓冲带不同护岸植被覆盖下土壤水分入渗状况及植被根系对其影响，为区域河岸带生态修复和水资源保护提供参考，选取永定河流域典型护岸植被柳树林、荆条林、狗尾草地为研究对象，通过亮蓝染色法结合Photoshop、Image Pro6.0等图像处理技术，基于分形维数和多指标评价法定量评价了优先流发育程度，并探讨了不同植被根系对优先流的影响。结果表明：(1)研究区3种植被类型覆盖地土壤均存在水分优先入渗现象，土壤染色面积比随土层深度增加而逐渐减小，柳树林地平均染色面积比(38.32%)最大，为荆条林地和狗尾草地的1.11倍和1.37倍。狗尾草地的长度指数、优先流分数均显著低于柳树林地(P<0.05),3种植被覆盖地基质流深度无显著差异。(2)以优先流评价指数和分形维数评价优先流发育程度的结果呈一致，为柳树林地>荆条林地>狗尾草地，柳树林地的湿润锋迹线破碎化程度最高，优先流发育最显著。(3)有机质、非毛管孔隙度和根长密度对水分入渗均具有显著影响，总根长密度、非毛管孔隙度与染色面积比呈显著正相关，≥1 mm根系根长密度、有机质含量与分形维数呈显著正相关。3种植被覆盖地染...     

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。     

三峡地区阔叶林地植物根系分布特征与优先路径关系分析

优先路径研究是研究地下水分运动的重要环节。本文通过亮蓝染色示踪试验法直接观测并区分林地土壤基质和土壤优先路径,分别对染色区和未染色区观测到的土壤优先路径、植物根系根长密度和根重密度进行分析,研究发生土壤优先流过程中植物根系的作用及由植物根系形成的优先路径的联通情况。研究发现,降雨强度越大,优先路径染色区的表层呈现越加明显的宽区域聚集分布。雨强为25 mm/d时,样地土壤染色区域表层大区域优先路径聚集分布厚度平均为50 cm。根径 > 5 mm的根系根长密度的大小对土壤孔隙的大小影响显著,根径 < 5 mm的根系根长密度的大小对于土壤孔隙的联通有明显作用。此外,土壤中植物根重密度的大小与优先路径数量和联通程度正相关,根重密度越大越有利于构成优先路径,有利于形成优先流。不同样地两区域植物根重密度在土壤10—20 cm和30—40 cm深度范围内具有极显著差异（P < 0.05）,而优先路径在30 cm深骤然减少。此方法在一定程度上可为优先路径的研究提供新的借鉴和参考。     

鲁中南花岗岩丘陵区坡耕地不同厚度土壤中优先流的发育特征

[目的] 研究不同土壤厚度条件下坡耕地优先流发育特征,为土层浅薄条件下坡耕地灌溉效率提高及面源污染防治提供依据。[方法] 以地处北方土石山区的山东省蒙阴县花岗岩丘陵区坡耕地为例,选取土层深度为30 cm和50 cm的样地,运用野外染色示踪试验法和室内图像处理技术,分析土层厚度对优先流发育特征的影响。[结果] 土壤厚度为30 cm和50 cm条件下平均基质入渗深度分别为11.8 cm和11.9 cm,两者没有显著差异,平均优先流比分别为28.2%和29.5%,两者也没有明显差异;土壤厚度为30 cm时,9.9 cm以上以基质入渗为主导,优先流发育深度范围为9.9—27.0 cm;土壤厚度为50 cm时,6.1 cm以上土层以基质入渗为主导,优先流发育深度范围为6.1—39.5 cm;土壤厚度为50 cm条件下优先流平均最大入渗深度为34.6 cm,平均长度指数为192%,平均变异系数为87.7%,均显著高于土壤厚度为30 cm时的数值;但两者平均最大入渗深度非均匀系数没有明显差异。[结论] 土壤层厚度差异不影响基质入渗,但会阻碍优先流向土壤深层的发育。     

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。     

入渗水量对重庆四面山草地优先流影响的定量评价

以重庆四面山草地为研究对象,通过野外染色示踪试验,借助图像处理技术、方差分析、相关性分析及变异性分析等方法,分析3种不同入渗水量(20,40,60mm,对应的样地编号分别为G20,G40,G60)对土壤优先流的影响并进行定量评价。结果表明:(1)染色面积比基本上随着土层深度的增加而减小,其中G20和G40的染色面积比分别从3cm和12cm处开始显著下降;(2)总染色面积比和优先流长度指数与入渗水量呈显著正相关(P0.01);(3)入渗水量的增加可以促进水分向更深层运动,最高可达60cm;(4)优先流区染色面积比和最大入渗深度的非均匀性随着入渗水量的增加而减小,其变异性系数的变化分别为1.88~0.47和0.52~0.07,但入渗水量对实际入渗深度的影响则更为复杂。     

采用染色示踪技术的土壤优先流自动分割与量化系统

针对土壤染色图像色度不一致、染色/非染色区域对比度低的特点,以及现有土壤染色图像分割方法自动化程度弱的问题,该研究提出一种土壤优先流自动分割与量化系统。该系统采用基于H分量改进的模糊C均值方法(Fuzzy C-Means Based on H Component and Morphology,HM-FCM)实现染色区域的自动分割,运用数学统计法提取总染色面积比、基质流深度、优先流比等特征参数,实现对土壤染色区域的量化分析,以揭示优先流的发育程度。并基于2种林地染色图像验证了系统性能。试验结果表明:1)HM-FCM法对于天然次生林和榛子林图像均具有最佳分割效果,其分割准确率为87.9%和83.3%,调和平均值为90.5%和80.3%;2)2种林地土壤染色区域总体集中于0～50 cm土层,优先流具有不同发育程度(P0.05)。该系统可为优先流路径的空间演变提供技术支持和理论依据。     

不同种植间距对香根草植物边坡优先流发育特征的影响

[目的] 分析优先流在香根草边坡中的发育特征,研究植物根系与优先流之间的关系,为进一步研究降雨条件下植物根系对边坡土体稳定性的影响提供理论依据。[方法] 以种植间距为50 cm和10 cm的香根草为研究对象,模拟30 mm和50 mm两种不同的降雨量,采用示踪剂试验研究了香根草边坡土壤的优先流发育特征。[结果] 香根草种植间距从50 cm减少到10 cm会增大边坡的水力响应。在50 mm的降雨量作用下,10 cm种植间距的香根草边坡土壤的染色面积比率和优先流比分别是50 cm的1.55,1.76倍。表层土0—10 cm土层深度范围内染色路径数量变化不明显,在10—35 cm深度土层范围,10 cm种植间距的染色路径数量多于50 cm种植间距的香根草边坡土壤。当降雨量由30 mm增加至50 mm时,水流会通过优势通道更迅速迁移到边坡土壤中。降雨量为30 mm土壤的染色面积比率（36.11%）和优先流比（67.25%）小于50 mm土壤的染色面积比率（49.68%）和优先流比（79.96%）,并且染色路径数量随着降雨量的增加而增多。[结论] 香根草根系特征与优先流关系密切。选择植物护坡时,应合理选择植物的种植间距,使根系护坡在力学效应和水文效应上最大化。     

围栏封育对荒漠草原灌丛草地土壤优先流的影响研究

为探究围封对灌丛草地土壤优先流的影响,以宁夏吴忠市盐池县典型荒漠草原区为研究区,通过野外入渗染色试验、图像处理分析等方法,对围封荒漠草原灌丛草地土壤优先流的影响进行评价。结果表明:(1)围栏封育与放牧管理样地土壤水分入渗特征存在差异,在围栏封育样地,草地、天然柠条林地、人工柠条林地的入渗染色图像分别在0—125,0—115,0—105 cm呈现均匀分布,而在125—240,115—150,105—140 cm呈现染色分支,在放牧管理样地,草地、天然柠条林地、人工柠条林地入渗染色图像分别在0—80,0—70,0—80 cm呈现均匀分布,围栏封育导致土壤优先流发生深度更大;(2)土壤剖面染色面积比表现为围栏封育草地＞围栏封育天然柠条林地＞围栏封育人工柠条林地＞放牧管理人工柠条林地＞放牧管理天然柠条林地＞放牧管理草地,土壤染色深度表现为围栏封育草地＞围栏封育天然柠条林地＞放牧管理草地＞放牧管理天然柠条林地＞围栏封育人工柠条林地＞放牧管理人工柠条林地,围栏封育管理会导致土壤剖面染色面积比及染色深度增大;(3)土壤优先流变异系数表现为放牧管理天然柠条林地＞放牧管理人工柠条林地＞围栏封育天然柠条林地＞放牧管理草地＞围栏封育人工柠条林地＞围栏封育草地,放牧管理导致土壤优先流程度增加,而围栏封育降低灌木林地及草地的优先流程度。因此,在荒漠草原等干旱半干旱地区,围栏封育可作为提升土壤水分均匀入渗深度、降低优先流发生程度、提高土壤水分利用效率的重要管理方式。     

红河干旱河谷地区植物根系与砾石对土壤优先路径形成的影响

为探究红河干旱河谷林草地植物根系与砾石特征对土壤优先路径形成的影响,基于染色示踪法在确定研究区样地土壤优先路径的位置及数量的基础上,结合染色区的植物根系与砾石体积含量特征,定量分析二者与优先路径特征的关系。结果表明:(1)林地优先路径发育水平明显优于荒草地; 不同染色影响半径范围下的优先路径连通性也有所不同,其中荒草地中优先路径连通性从大到小为1～2.5 mm,≤1 mm,2.5～5 mm,5～10 mm,>10 mm; 林地为1～2.5 mm,2.5～5 mm,≤1 mm,5～10 mm,>10 mm; 优先路径数量与土层深度和同一土层内染色半径均呈负相关关系,此外,在同一土层内,优先路径的数量与染色半径也呈负相关关系。(2)林地中染色区的砾石总体积含量与土层深度呈负相关,而荒草地中在20—30 cm土层中增多,其余径级下的则随土层深度增加而减少;(3)两种样地中的根长密度与根重密度都随土层的深度增加和根径增大而单调递减,林地中不同径级下的根长密度都明显高于荒草地;(4)林地中优先路径数量的主要影响因子是根径范围在≤1 mm的根重密度和径级为5～10 mm的砾石体积含量; 而荒草地样地中的主要影响因子为根径在≤1 mm和1～3 mm范围下的根重密度、径级在2～5 mm间的砾石体积含量、根径在1～3 mm范围下的根长密度。因此,样地中砾石分布存在明显的空间异质性,细根更易促进优先路径的形成,二者共同影响着优先路径的形成。     

三峡库区森林土壤优先流染色特征

森林土壤优先流在涵养水源和调节径流过程中起着重要作用,林地优先流特征研究对分析森林土壤水分入渗特征和探讨森林对流域水文过程的调节机制具有重要意义。使用染色示踪法在三峡库区不同垂直带内进行森林土壤优先流染色试验,研究不同山地森林土壤的染色特征。结果表明:不同森林土壤的表层(0-10cm)染色比例和染色剂入渗深度差异较大,土壤染色垂直变化趋势也不相同。中山常绿和落叶阔叶混交林表层土壤染色比例最高,染色剂入渗最浅,土壤染色比例随深度变化呈连续下降趋势。中山常绿针叶林表层土壤染色比例和染色剂入渗深度在不同样地间存在着变异,土壤染色垂直分异特征存在一定的差异。低山常绿针叶林表层土壤染色比例最低,染色剂入渗最深,土壤染色比例随深度变化呈波动下降趋势。不同森林土壤中优先流路径数量和分布不同是导致染色特征存在差异的主要原因,而森林土壤中的根系、裂隙以及土壤物理性质等都会影响到优先流的形成。     

演替梯度下土壤优先流特征及影响因素

为揭示植被恢复过程中土壤优先流特征及变化规律,以胡家山小流域内植被恢复过程中5个典型阶段(荒地、草地、灌木、针叶林、乔-灌混合林)为研究对象,采用空间代替时间的方法,通过室内分析和染色示踪试验,分析了演替梯度下土壤优先流特征参数的变化规律,探讨了土壤基本理化性质和根长密度对土壤优先流和土壤水分运移的影响。结果表明:(1)随演替的进行,土壤中优先流数量和运移路径均呈增大趋势;5种演替梯度下针叶林土壤染色面积比最大,其次是乔-灌混合林、灌木、草地,荒地的土壤染色面积比最小;(2)土壤容重、毛管孔隙度、土壤有机质含量与土壤染色面积比之间的相关性较强,砂粒含量、黏粒含量对土壤中优先流染色面积影响不显著;(3)不同径级根系对土壤优先流路径影响不同,5种演替梯度下,D≤0.5 mm的根长密度与土壤染色面积比之间相关性最显著,其次是0.55 mm的根长密度与土壤染色面积比之间相关性最不显著。说明土壤容重、毛管孔隙度、土壤有机质含量、D≤2 mm的根系主要影响土壤优先流的产生与发展。     

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。