基于染色示踪的农膜残留农田土壤优先流特征

随着覆膜农作的发展,农膜残留日益严峻,严重影响土壤水流运动。为了探索农膜残留对水流运动的影响机制,在河套灌区九庄节水综合试验站,设计3种残膜量,分别为0,300,600 kg/hm^2,于成熟期在各试验小区选择典型区域进行20,80 mm水量的染色示踪试验,共6个处理,研究不同残膜量对土壤物理特性的影响,基于染色示踪技术分析不同入渗量和不同残膜量对土壤水流运动的影响,并评价各处理土壤剖面的优先流特征。结果表明:随着残膜量增加,土壤容重、饱和导水率和土壤初始含水率呈下降趋势,而土壤孔隙度呈增大趋势,土壤中随机分布的残膜导致残膜处理(300,600 kg/hm^2)的各物理参数有较高的变异系数。基于土壤染色剖面二值化图像分析,土壤优先流发育程度随残膜量和入渗量增加而提高,300,600 kg/hm^2残膜量处理的最大染色深度(MDSD)和土壤染色剖面的变异系数(Cv)随残膜量增加而增大,与20 mm入渗量相比,80 mm入渗量下残膜处理的MDSD和Cv分别平均增加47.23%和27.34%。不同处理的优先流特征指标差异显著,5个优先流特征指标(染色面积比、基质流深度、优先流比、长度指数和变异系数)均显示残膜处理(300,600 kg/hm^2)的优先流程度高于无残膜处理(0 kg/hm^2),可见残膜量及入渗量的增加均会增大土壤优先流的发生几率和强度。     

土壤优先水流及污染物优先迁移的研究进展

土壤优先水流是非平衡管道流。土壤优先水流具有优先穿透、侧向入渗、穿透曲线不对称性和施尾等特征。因其与土壤的作用较弱,并可携带深质快速穿透土壤,造成土壤水分和养分利用率下降,同时导致地下水污染。向下移动的ＮＯ＾－３、农药和其它溶质造成的地下水溶质浓度的变化远高于期望值。本文从土壤优先水流的产生机理出发,综述了土壤优先水流的特征、土壤优先水流的研究方法、土壤优先水流对环境的影响和土壤优先水流的研究进展     

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...     

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。     

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。     

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。     

黄土土柱入渗的优先流试验研究

在黄土高原塬区的长武试验站,采用大型土柱监测天然降雨补给下土柱底部下渗量的变异.对2007-2010年期间的5次连续监测数据分析,结果表明:100-300 cm深度土柱在不同测定时段多数土柱有一定的渗出量,但渗出量具有十分显著的差异性;渗出量差异性可用土壤大孔隙连通或阻隔来解释,且黄土土柱大孔隙稳定性与降雨和土柱深度有关.降雨补给增大时,大孔隙贯通性增强;土柱越深.贯通性变差.以黄土非饱和入渗的均匀介质理论难以解释其补给地下水的差异性,黄土大孔隙流应是降雨补给地下水的主要机制.     

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 ...     

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。     

土壤裂隙及其优先流研究进展

土壤在干燥脱水的过程中易收缩产生裂隙。裂隙的产生是土壤性质与外界条件等多种因素综合作用的结果,其形态结构也非常复杂,难以准确描述。裂隙能够作为优先流的路径,增加农田水分和养分的流失以及地下水污染的风险。本文总结和归纳了裂隙产生的影响因素、裂隙的表征指标与测定方法、裂隙导致的优先流的研究方法、裂隙对优先流的影响和模拟等方面的研究进展。今后应进一步加强裂隙产生机理的全面深入的研究;构建和完善裂隙三维指标体系及其测定方法;推进裂隙导致的优先流的定量化和数学模拟研究;加大田间原位裂隙及其优先流的研究。     

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.     

草覆盖影响了沙地土壤的水文物理学参数和水流的异质性

Vegetation cover has a major effect on water flow in soils.Two sites,separated by distance of about 50 m,were selected to quantify the influence of grass cover on hydrophysical parameters and heterogeneity of water flow in a sandy soil emerging during a heavy rain following a long hot,dry period.A control soil(pure sand)with limited impact of vegetation or organic matter was obtained by sampling at 50 cm depth beneath a glade area,and a grassland soil was covered in a 10 cm thick humic layer and colonised by grasses.The persistence of water repellency was measured using the water drop penetration time test,sorptivity and unsaturated hydraulic conductivity using a mini disk infiltrometer, and saturated hydraulic conductivity using a double-ring infiltrometer.Dye tracer experiments were used to assess the heterogeneity of water flow,and both the modified method for estimating effective cross section and an original method for assessing the degree of preferential flow were used to quantify this heterogeneity from the images of dyed soil profiles.Most hydrophysical parameters were substantially different between the two surfaces.The grassland soil had an index of water repellency about 10 times that of pure sand and the persistence of water repellency almost 350 times that of pure sand. Water and ethanol sorptivities in the grassland soil were 7% and 43%,respectively,of those of the pure sand.Hydraulic conductivity and saturated hydraulic conductivities in the grassland soil were 5% and 16%of those of the pure sand, respectively.Dye tracer experiments revealed a stable flow with"air-draining"condition in pure sand and well-developed preferential flow in grassland soil,corresponding to individual grass tussocks and small micro-depressions.The grassland soil was substantially more water repellent and had 3 times the degree of preferential flow compared to pure sand.The results of this study reinforce our view that the consequences of any change in climate,which will ultimately influence hydrology,will be markedly different between grasslands and bare soils.     

引入分维理论评价土壤对优势流的敏感性

Food dye Brilliant Blue was introduced as the tracer in a dye-tracing experiment to obtain dye profile patterns of sandy loam soil,aeolian sandy soil,percolating paddy soil and permeable paddy soil.The dyed soil profiles were then photographed and the photos were scanned into a computer.Edited with certain software,only the dyed areas were left on the profile photos,which indicted the preferential flow paths for water and solute transport.Fractal dimensions of the dye patterns were calculated according to Arnold‘s function.Soil particle size distribution was analyzed by pipette method.The regression analysis showed that there was significant relationship between soil clay content and fractal dimension D of the dye pattern of soil profile.Based on the experiment results,the possibility of introducing fractal dimension to estimation of soil sensitivity to preferential flow is discussed.     

基于电阻率层析成像技术的农田土壤优先流原位动态监测

针对现有观测技术无法原位监测和判别农田土壤优先流类型、发育位置和演化过程的问题,该研究采用电阻率层析成像技术对野外大尺度条件下的NaCl溶液入渗过程进行原位监测,根据不同时刻监测的剖面视电阻率分布对试验区域的土壤结构分布特征进行分析,对优先流通道发育位置、优先流类型和演化过程进行识别,同时对电阻率层析成像技术识别优先流的精度进行研究。结果表明,试验区域的土壤结构性质不均匀,水平方向5.0～10.0 m范围内的土壤较水平方向0～5.0 m范围内的土壤更为密实;入渗过程中在试验区域土壤疏松区水平方向4.0～5.0 m区间中有非均质指流形成;该指流通道在灌入NaCl溶液9～14 min完全形成,在灌入NaCl溶液60 min时完全退化成基质流;幂函数模型可用来建立剖面视电阻率与Cl-浓度之间的关系。研究成果对农田土壤优先流发育位置与演化过程的原位监测与识别以及防治因水和溶质优势入渗而引起的资源浪费、环境污染和工程地质灾害等具有参考价值。     

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（P<0.05）。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。     

土壤污染物优势流的数学模拟

A simple modeling approach was suggested to simulate preferential transport of water and contaminants in soil.After saturated hydraulic conductivity was interpolated by means of Krige interpolation method or scaling method,and then zoned,the locations where saturated hydraulic conductivity was larger represented regions where preferential flow occurred ,because heterogeneity of soil,one of the mechanisms resulting in prefeential flow,could be reflected through the difference in saturated hydraulic conductivity,The modeling approach was validatd through numerical simulation of contaminant tansport in a two-dimensional hypothetical soil profle.The results of the numerical simulation showed that the approach suggested in this study was feasible.     

土壤优先流运动的活动流场模型模拟和敏感性分析

在壤土和砂土条件下分别采用碘-淀粉染色示踪方法和亮蓝染色示踪方法各开展了2个染色示踪试验,分别采用活动流场模型和二域模型模拟计算了各试验入渗后染色区内的土壤含水率和溶质浓度分布,通过相对均方根误差分析评价了两个模型模拟预测优先流发展的有效性;此外,通过敏感性分析研究了不同入渗条件（土壤质地、入渗水量和土壤初始含水率）下活动流场模型模拟预测结果（入渗深度）对活动流场模型分形特征参数变化的敏感度。模型检验分析结果显示活动流场模型对土壤水入渗深度、入渗后染色区内土壤含水率和溶质浓度分布的预测精度要明显高于二域模型的模拟预测精度;活动流场模型较好的捕捉到了优先流运动整体的非均匀特征。敏感性分析结果显示,当降雨入渗水量和土壤初始含水率相同时,入渗深度对活动流场模型分形特征参数（γ）的敏感度随着γ的增大而增大;相同活动流场模型分形特征参数（γ）值条件下（即流动非均匀程度相同）,入渗深度对活动流场模型分形特征参数（γ）的敏感度随着入渗水量的增大和土壤初始含水率的升高而减小。     

基于非均匀性和分形维数的黄土优先流特征定量分析

该文以陕西泾阳南塬边坡黄土为例开展示踪剂试验,通过改进的优先流入渗深度和入渗量非均匀性系数,研究黄土优先流的入渗量、入渗深度、含水率、孔隙率、分形等参数的相互关系及其内在规律。结果表明:1)入渗量越大,优先流入渗深度的非均匀性越明显;2)初始含水率越高,优先流发育程度越低,而湿润锋迹线的分形维数越小;3)黄土孔隙率越大,优先流入渗深度的非均匀性越明显,且入渗深度值波动范围也相对较大;4)同一类型的黄土,其试验尺度大小对湿润锋迹线的分形维数没有明显影响;5)在0.5倍黄土优先流最大入渗深度范围内,分形特征值越大,优先流非均匀程度越强,优先流越发育;6)在没有明显优先流渗流通道情况下,90 mm地表灌溉水量,其最大入渗深度不超过120 cm。考虑正常蒸发和没有裂缝的前提下,地表灌溉水并不容易直接导致地下水位上升。由此推断,优先流在地表水向地下水转换过程中发挥着重要作用。同时,优先流对黄土滑坡的影响不容忽视。研究可为深入揭示黄土优先流渗流特征与黄土优先流滑坡的内在联系提供依据。     

土壤介质特征对水分再分布过程中指流发育的影响

指流研究对农业水肥资源有效利用、环境和水资源污染防治等具有重要意义。为研究土壤介质特性对水分再分布过程中指流发育的影响,该文采用粗质石英砂和细质石英砂2种不同的土壤介质进行试验,探讨了土壤质地、土壤结构（包括均质土体、质地成层土体和湿度成层土体）、土壤初始含水率等土壤介质特征对水分再分布过程中指流发育的影响。通过分析试验结果可知,水分再分布过程中,土壤质地较粗时易于形成指流;增大土体初始含水率会抑制指流的形成和发展;湿润锋向下推移速度受土体初始含水率和指流发育情况的耦合影响;与均质土体相比,细质石英砂覆盖于粗质石英砂之上的层状结构土体中指流的形体更为明显,但其指流发育所需的时间相对较长;而由湿度不同构成的层状结构土体中指流发育进程较慢、程度较弱。研究表明,水分再分布过程中,土体介质的质地、结构和初始含水率等特性能够对指流现象的发生、发展产生重要影响。