黑龙江省水源地优先流区与基质流区土壤特性分析

以黑龙江省东部山地天然次生林为研究对象,采用野外染色示踪和统计分析相结合的方法,应用Photoshop Cs5,Image pro Plus6.0图像处理软件,分析天然次生林下优先流区和基质流区土壤特性差异。结果表明:黑龙江省东部山地天然次生林土壤优先流现象极为明显,主要以大孔隙流、指流以及管流为主。表层土壤孔隙间的连通性好,水分运动过程变得相对均匀,不易于发生优先流。10—45cm土层范围内,染色路径不再整体均匀扩散,表现出明显的优先运移特征,产生优先流,并表现出了一定的环绕特性。从土壤表层到底层,染色区非毛管孔隙度比未染色区高0.3%~2.0%。非毛管性孔隙可视为大孔隙,是产生优先流的主要原因。0—40cm土层范围内,染色区土壤饱和持水量、毛管持水量和田间持水量均高于未染色区,染色区土壤容重均低于未染色区。20—40cm是该地区天然次生林土壤产生优先路径最明显的土层。在此范围内优先流区土壤入渗速率明显大于基质流区,证明该区土壤特性差异是黑龙江省东部山地天然次生林优先流产生的主要原因。     

汾河流域下游不同土地利用方式下优先流区与基质流区土壤团聚体稳定性分析

优先流是水分和溶质在土壤中非均质性运移的普遍现象,但对其形成的优先流区和基质流区土壤团聚体稳定性的研究还较少。为了阐明土壤团聚体破碎机制的差异,研究以汾河流域下游农田、撂荒地和果园3种土地利用方式为对象,采用野外染色示踪法与Le Bissonnais(LB)法分析了土壤染色区分下优先流区与基质流区土壤团聚体稳定性特征。结果表明:土壤染色率主要分布在0—30 cm土层,在10—30 cm土层果园显著高于撂荒地。LB处理的>0.25 mm团聚体含量和平均重量直径(MWD)在不同土地利用方式下表现为果园>农田>撂荒地,相对消散指数(RSI)和相对机械破碎指数(RMI)则有相反的趋势。优先流区在10—20 cm土层比基质流区具有更强的团聚体稳定性以及抵抗消散作用和机械破坏能力。土壤染色率与快速湿润的MWD呈显著负相关,与RSI呈显著正相关。研究表明果园比农田和撂荒地具有更好的优先流特征和团聚体稳定性,并且优先流区抗团聚破碎能力比基质流区更强,这将有利于维持优先流途径稳定性。     

北方土石山区典型坡面优先流特征研究

以太行山区崇陵流域的典型坡面为研究对象,通过亮蓝(Blue-FCF)与KI染色示踪试验,利用图像处理软件技术,计算优先流形态特征参数,分析5个不同坡位的优先流形态特征变化规律。结果表明:(1)随着坡位升高,坡面土壤厚度、容重逐渐减小,而总孔隙度、渗透系数、饱和含水量逐渐增大,凋萎系数与田间持水量则呈现波动变化趋势;(2)随着坡位的升高,染色剂运移深度不断增加,基质流区域占比减小而优先流区域占比增大;各坡位染色面积比随深度缓慢下降,在40cm以下深度范围高坡位点的土壤水分与周围土体交互作用较低坡位点较弱;染色剂入渗体积随坡位升高而逐渐增大;(3)随着坡位的升高,优先流对实际水分运移的贡献增大,高坡位坡面水分以优先流为主要方式向下入渗;(4)土壤质地与容重是影响土石山区坡面不同坡位优先流差异的主要因素。     

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 ...     

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...     

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。     

喀斯特洼地退耕和耕作土壤优先流特征

应用亮蓝染色示踪技术,研究了喀斯特洼地退耕封育区土壤和耕作土壤的优先流类型及其特征,分析2种土地利用方式下的土壤优先流路径分布特征以及影响因素,并结合去除耕作层的对比试验,阐述了耕作层对优先流发生及其优先流路径发育的重要影响。结果表明,喀斯特洼地优先流类型为大孔隙流、裂隙流;耕地与自然封育区的优先流程度差异显著(P0.01),虽然其剖面染色总面积并无明显差异,但耕地染色区域主要集中在表层土壤,0—20cm范围内染色面积占染色总面积的91%,而自然封育区染色面积比仅为60%;耕地的水分入渗深度小于自然封育区,耕作层阻碍了水分入渗及优先流的产生并加强了孔隙中水分与基质的交换;耕作层以下土壤优先流程度与自然封育区差异不明显,但其优先流路径分布特征具有明显差异,自然封育区的孔隙、裂隙发育程度高于耕地,但是最大入渗深度大于退耕封育区,表明封育区更能有效的蓄持水分;植被覆盖及其根系生长通过影响土壤理化性质及其优先流路径分布导致优先流特征差异,而同时耕作层的存在对于耕作层以下部分优先流路径的发育起到关键作用。     

有机肥施用量对残塬沟壑区苹果园土壤优先流特征的影响

为研究有机肥施用量对残塬沟壑区苹果园土壤优先流特征的影响,以残塬沟壑区苹果园为研究对象,采用室外染色示踪法结合形态学和统计学方法,对永寿县苹果园土壤垂直染色剖面进行定量分析,使用均方差决策法综合各优先流特征指标对0 kg/hm²(CK)、6 000 kg/hm²(T1)、9 000 kg/hm²(T2)、12 000 kg/hm²(T3)四种不同有机肥施用量苹果园土壤优先流特征进行研究。结果表明:①不同有机肥施用量样地土壤染色面积比随土壤深度的变化状况均与Logistic曲线拟合程度较好,决定系数R²均大于0.986。②选用的优先流特征指标中基质流入渗深度、优先流分数、变异系数和分形维数与均方差决策法计算出的优先流发育程度结果一致,优先流发展程度表现为T3>T2>T1>CK。但平均最大入渗深度、优先流区染色面积比和长度指数在评价优先流程度中结果有些偏差,表现为T3>T2>CK>T1。③利用均方差决策法得到的优先流指数由大到小为:T3(0.75...     

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...     

基于计算流体力学分析的蔗田土壤优先流运动过程研究

田间土壤优先流会导致水肥的快速运动,影响作物的吸水需肥效率。为定量探究农田土壤优先流的运动过程,以广西典型农地蔗田为研究对象,将野外染色示踪试验与室内土柱入渗模拟实验相结合,利用形态学解析与计算流体力学的分析方法,对不同耕作方式下蔗田的土壤优先流运动过程进行仿真模拟与分析。结果表明：1）免耕蔗田土壤垂直剖面染色形态较垄耕蔗田分化程度高,其湿润锋迹线波动幅度较大,水流入渗能力更强,优先流现象显著,且分布相对更广泛。2）在相同外部供水条件下,免耕蔗田土柱的初始出流时间（6 min 1 s）早于垄耕蔗田（8 min 20 s）,其质量流率和优先流流速分别是垄耕蔗田的1.09和1.36倍（P<0.05）。3）相同时间内免耕蔗田表层（0～10 cm）的压力值较大,水流运动达到稳态时其均值为垄耕蔗田的1.20倍,免耕蔗田优先流以垂向运动为主并伴随侧向运动,而垄耕蔗田则呈现水流整体均匀向下入渗。     

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。     

晋西黄土区不同入渗水量下刺槐林地优先流特征

为探究晋西黄土区刺槐林地是否存在土壤优先流及不同入渗水量条件下对优先流发育程度的影响,本文以山西吉县蔡家川小流域刺槐人工林为研究对象,采用野外染色示踪试验和室内图像处理技术相结合的方法,获取垂直剖面染色形态特征图像并进行特征指标的提取,选取基质流深度、平均最大染色深度、染色面积比、优先流比、长度指数和染色面积比变异系数6个特征指标,基于均方差决策法定量分析不同入渗水量条件下的优先流发育情况。结果表明：（1）刺槐人工林土壤水分入渗过程中存在优先流现象,随入渗水量的增加,优先路径逐步向侧向发展,优先流斜侧入渗现象明显;（2）染色面积比随土层深度的增加呈非线性减小趋势,水分呈现非均匀下渗现象;入渗水量为75 mm时的优先流比达到47.11%,优先流发育程度最高;（3）3种入渗水量条件下的平均最大染色深度分别为25.33 cm、32.20 cm、38.87 cm,与入渗水量的大小呈正相关关系,表明入渗水量的增加可以促进水分向深层运动,有利于优先路径的开启;（4）入渗水量与优先流评价指数之间呈正相关关系,优先流评价指数75mm（0.81）＞50mm（0.39）＞25mm（0.36）,入渗水量增加促使优先流发育程度更高。研究结果可为黄土区植被恢复及林-水关系的深度解析提供依据。     

耦合基质区与裂隙网络的土壤优先流模型及验证

该文旨在通过分析土壤裂隙存在下的土壤优先流运动模式与特点,建立耦合基质区与裂隙网络的土壤优先流模型(crack preferential flow model,CP模型)。用控制体积有限元法求解两区土壤水分运动的基本方程,采用整体法将土壤基质水流运动方程和三维土壤裂隙网络区水流运动方程耦合。模拟与试验结果表明,增加降雨或灌溉强度能促进激活裂隙通道作为优先流通道,有利于优先流形成。CP模型及耦合方法较好地描述出了优先流运动的特点,模拟与实测的土壤饱和度均方根误差为0.016~0.025,决定系数均在0.78以上(P0.05),偏差为0.020~0.026,一致性指标为0.918~0.938。与等效连续体模型(Richards模型)相比较,CP模型模拟裂隙存在情况下土壤水流非均匀性规律更有效。研究丰富了土壤优先流理论,对提高农田水分利用率具有重要的意义。     

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.     

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。     

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。     

元江干热河谷典型林草地优先流区和基质流区土壤团聚体特征

[目的]明晰干热河谷区土壤优先流对红壤团聚体特征及其稳定性的影响,为该区植被恢复和水土流失防治提供理论依据。[方法]以元江干热河谷典型地段龙潭箐流域内的银合欢林地、扭黄茅荒草地为研究对象,基于染色示踪试验区分样地土壤优先流区和基质流区,利用干湿筛法结合分形理论分析两区内0—50 cm土层团聚体特征差异,并借助通径分析法表征各土壤理化因子对团聚体稳定性的影响。[结果]干湿筛后R_0.25团聚体含量从大到小顺序为林地优先流区>林地基质流区>荒草地优先流区>荒草地基质流区,平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)与R_0.25排序相同且呈现出随土层深度增加而减小的趋势,分形维数(D)与团聚体破坏率(PAD)则为相反规律并随土层加深D和PAD的值逐渐增大。对两区土壤团聚体稳定性影响较大的理化因子是土壤容重和黏粒含量,其决策系数分别为0.474和-0.644。[结论]荒草地土壤团聚体破坏率更高,土壤优先流区团聚体稳定性优于基质流区;土壤团聚体稳定性主要受黏粒含量、容重、有机质等因子影响。     

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。     

土壤重金属在优先流区和基质流区迁移能力研究

以Richards原始数据为研究对象,分析优先流区和基质流区土壤重金属浓度分布特征及含量变化,并利用土壤重金属迁移能力揭示可动区-不可动区模型所需参数条件。结果表明:(1)重金属主要分布在土壤表层,土壤表层以下,重金属分布受优先流影响显著,90%以上重金属被土壤表层滞留;(2)重金属浓度随土壤深度的增加呈现降低趋势,土壤表层重金属浓度明显高于深层土壤;(3)优先流区和基质流区内重金属(Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn)浓度变化差异不显著,总体讲,优先流区重金属浓度大于基质流区,土壤层面上重金属迁移能力表现为Zn>Cu>Cr>Pb>Ni>Cd;(4)利用可动区-不可动区模型模拟优先流区和基质流区重金属浓度,根据重金属浓度分布特征及实验数据,推出Richards等实验数据相关参数必须满足D/vm>289.6。     

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。