干旱区绿洲农业生态系统土壤优先流量化方法可行性综述

归因于多孔介质的空间变异性和各向异性,非饱和带中土壤水流运动与溶质运移对优先流响应机制的研究十分具有挑战性。绿洲农业生态系统作为新疆主要经济支柱,如果忽略土壤优先流现象,可能会降低灌溉用水利用效率,减少土壤吸附污染物时间,进而导致地下水污染,最终制约农业发展。因此,该研究以新疆干旱绿洲区121团场的棉花种植区作为研究对象,旨在探明与探究在干旱绿洲区中可能导致优先流发生的潜在因素以及适合该地区观测优先流现象的量化技术。总体而言,在121团场,冻融循环,残膜现象,深耕棉秆还田的耕作方式以及土壤盐渍化会影响并改变土壤耕层孔隙度与结构,形成大孔隙式的优先入渗路径,进而引发大孔隙流。与此同时,因为该地区的主要土壤类型为壤土,其斥水性驱动着水流不稳定运动,导致指流或漏斗流的发生。通过对量化技术的总结与评估,染色示踪成像方法由于其能直观表述土壤水的非均匀运动,在121团场具有能很好地评价土壤优先流的潜力与实用性。其他的量化技术虽然具有各自的优势,但相较于染色示踪成像试验成本高,前期准备工作量大,评价尺度不统一,因此不适用于干旱绿洲区优先流的量化评价。在未来的研究中,需要适当地采用将微尺度观察与大尺度调查相结合的方法来对优先流现象进行全面评估。该研究有望为新疆及世界其他类似地区干旱绿洲生态系统优先流的研究提供理论参考。     

优先流问题研究及其科学意义

 优先流是近年来针对土壤水运动所提出的术语,它是一种较为常见的土壤水分运动形式,与土壤入渗、地表及地下水质密切相关。开展优先流研究,是土壤水运动机制研究由均质走向非均质领域的标志。分析优先流的基本涵义及特征,阐述大孔隙流、环绕流、管流、漏斗流、指流、沟槽流、短路流、部分置换流、地下强径流、非饱和重力流、异质流、摆动流及低洼再蓄满等优先流类型及其表征现象,论述优先流研究的科学意义,并指出了优先流研究存在的问题及未来发展方向。     

鹤大高速（G11）低路基边坡土壤优先流特征研究

为了探明盐分在低路基公路边坡土壤中的运移方式,以鹤大高速公路(G11)低路基段边坡土壤为研究对象,引入优先流,来探讨盐分随土壤水分运动的过程。采用亮蓝染色示踪和图像解析方法,分析土壤剖面优先路径水平和垂直分布特征。结果显示:染色区和非染色区的土壤性质存在显著差异,染色区土壤存在较多的大孔隙。在水平剖面上,相同影响半径优先路径数量随着土层深度的增加而减少,同一土层中1.0~10.0mm影响半径的优先路径数量要远远多于10.0mm影响半径的优先路径数量。在垂直剖面上,优先流特征指标染色覆盖率(DC)、均匀入渗深度(UF)、优先流分数(PF-fr)、长度指数(LI)和峰值(PI)分别为40.10%,4.10cm,801.96cm2,74.44%,543.6cm和5。低路基边坡土壤这种重塑的土体中存在较为明显的优先流现象,且优先流对氯盐在土壤中的运移起着重要的作用。优先流指标的提出,为今后量化土壤优先流发生程度提供了一个很好的研究方法。     

Interaction Between Plant Roots and Soil Water Flow in Response to Preferential Flow Paths in Northern China

Preferential flow is expected to provide preferential channels for plant root growth and variations in soil water flow, but few studies were conducted to imply the impacts of these changes, particularly for preferential flow in stony soils. This study aimed to characterize soil water flow and plant root distribution in response to preferential flow paths and quantitatively describe the relation between plant root distribution and soil water flow. Field dye‐tracing experiments centered on experimental plants were conducted to determine the root length density and soil water flow process. Laboratory analyses were performed to characterize changes in the relative concentration of the accumulated effluent and the degree of interaction between plant roots and soil water flow. The amount of fine plant roots with preferential flow paths decreased with increasing soil depth for all experimental plots. The largest plant roots were recorded in the upper soil layers to a depth of 20 cm. The relative concentration of the accumulated effluent increased with time and decreased with soil depth under saturated soil conditions, whereas a distinct early turning point for the relative concentration of the accumulated effluent was observed in the 0–20‐cm soil columns, and the relative concentration of the accumulated effluent initially decreased and then increased with time under unsaturated soil conditions. This study provides quantitative information with which to characterize the interaction between plant roots and soil water flow in response to preferential flow paths in soil–plant–water systems. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

浑河源头水源涵养林土壤优先流特征

以浑河源头4种类型水源涵养林为研究对象,采用野外染色示踪和室内理化分析等研究方法,研究不同水源涵养林土壤优先流的形态特征与变化规律,揭示浑河源头水源涵养林保护和治理过程中优先流的形成机理及影响因素。结果表明:4个样地土壤优先流的入渗深度范围为30~38cm,且其深浅与根系的根长密度关系密切;0—10cm土层的土壤优先流染色面积比依次为82.41%,75.44%,91.03%,79.82%,土壤优先流染色面积比随土层深度的增加而减小,4个样地上层土壤显著大于下层土壤染色面积比;土壤优先流染色面积比与土壤容重、总孔隙度、有机质、总根长密度呈极显著或显著正相关,均影响着优先流的发生程度,并且得到土壤优先流染色面积比与其影响指标的多元函数关系;根据各主成分得分及其权重,得到水源涵养林土壤优先流特征综合得分为混交林地(3.134)>落叶松(1.660)>采伐迹地(-1.946)>红松(-2.847)。研究结果可为深入探究浑河源头水源涵养林的生态水文过程及植被建设提供科学依据。     

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。     

Quantification of the effects of soil compaction on water flow using dye tracers and image analysis

Abstract. Soil compaction has long been considered to be a problem in arable land, primarily because it causes damage to soil structure, which can lead to serious reduction in crop yields. However, few studies have sought to investigate the effects of soil compaction on the water transport regime of modified soil pore systems. We attempted to quantify the effects of soil compaction on the initiation of preferential flow by using dye tracers and image analysis. A laboratory methodology involving rainfall simulation enabled us to quantitatively evaluate differences in the mechanisms of water flow between two soil types at several degrees of compaction. The results suggested significant differences in the types of water flow pathways between clay loams and sandy loams at different extents of compaction. In the sandy loam, it was concluded that a high degree of compaction led to an increased likelihood of preferential flow, whereas a more uniform movement of soil water occurred at less compaction. By contrast, preferential routing of soil water was recorded in the clay loam, except at the highest measured compaction. The results indicate that the visual techniques of dye tracing and image analysis could enable improved understanding of flow pathways of soil water associated with soil compaction.     

A morphological approach to understanding preferential flow using image analysis with dye tracers and X-ray Computed Tomography

A key problem facing soil physics and hydropedology at present is some of the standard theories of water flow in soils do not fully reflect the processes at the pore scale, and thus, cannot be adequately used for prediction. As such, examination of soil structure is vital for hydropedologists. Realisation that solutes move preferentially through soil into groundwaters has meant research in this area has increased in importance. This paper describes a multi-scale approach to analyse transport mechanisms using visualisation techniques. Chloride and Brilliant Blue tracers were applied to undisturbed soil cores to examine the physical and morphological properties associated with preferential flow in a range of soil types. Following collection of serial digital images, it was possible to examine and quantify the nature of active water flow mechanisms in terms of both dye-stained pathways and spatial distribution of dye concentration, using image analysis. Preferential flow linked to water potential and soil structural discontinuity was observed in all but the coarsest textured soil which conformed to uniform flow theory. A high level of variability in flow patterns was noted between the soil types. Such information as to how a soil dynamically re-wets is key for hydropedologists involved in applications such as pollution modelling. This is especially significant when considering a wetting mechanism, such as preferential flow, that cannot be adequately described by conventional soil physics.     

长江三峡花岗岩区林地优先流影响因子分析

为了研究三峡地区花岗岩林地优先流影响因子，在长江三峡地区曲溪小流域内选定的实验坡面下部，垂直开挖了一个长度为2．9m、深度为2．60m的土壤剖面。在降雨过程中观察优先流过程，分析降雨对优先流的影响。同时对该地区的土壤物理性质和土壤渗透特性进行了测定，分析其对优先流的影响。分析结果表明，影响长江三峡花岗岩区优先流产流的降雨量在26mm（24h降雨量）以上。长江三峡库区的降雨可分为递减降雨型、均匀降雨型、突发降雨型及峰值降雨型4种类型，不同降雨类型对应的优先流过程都表现出相应的降雨过程特征。不同降雨类型的优先流出现时间也各有差异，峰值降雨型降雨产生的优先流出现时间最早，其次是突发降雨型、递减降雨型、均匀降雨型。当一场降雨中的最大降雨强度〉0．075mm／min时，就有可能产生优先流。非毛管孔隙比例较大的土壤中容易形成优先流。研究区林下土壤中粗颗粒含量呈现出由上层至下层逐渐增多的趋势。对于较深层次土壤来说，它们含有的较粗颗粒有利于优先流的形成。优先流的存在使距地表83～110cm土层中土壤稳渗速率较其他土层得以大幅度提高，土层内快速运动的水流又加速了优先流的形成与发展。     

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。     

紫色砂岩区不同植被类型土壤优先流特征及其影响因素

以三峡库区内的重庆市四面山针阔混交林、竹林和草地3种不同植被类型土地为研究对象,应用亮蓝染色示踪法和图像分析法,同时结合SPSS软件对比研究紫色砂岩区针阔混交林、竹林和草地3种不同植被类型下的土壤优先流特征及其影响因素。结果表明：1）3种植被类型下土壤优先流的主要发生区域不同,竹林和草地的土壤优先流主要发生在0~20 cm土壤表层,而针阔混交林的土壤优先流主要发生在10~40 cm土层;2）针阔混交林的土壤优先路径数量较竹林和草地多,优先路径发育程度表现为针阔混交林〉竹林〉草地;3）根系直径d影响土壤中优先流的发生,     

土壤中优势流的几个基本问题研究

优势流是指土壤在整个入流边界上接受补给,但只通过少部分土体的快速运移.优势流是一种普遍存在的现象,而不是一种特例.它受许多因素的控制,如土壤中的大空隙、土壤结构、土壤质地、土壤水分含量、土壤初始水分含量、水和溶质的施加速率及溶质的施加方法等.优势流的产生机理主要有2种:一种是由土壤介质的非均质性所驱动的优势流;另一种是由湿润锋的不稳定性所驱动的优势流.目前,优势流的监测方法主要有取土壤原状土、实验室内的土柱出流试验及染色示踪试验.尽管优势流的模拟非常困难,但人们仍提出了许多模型来描述它.今后优势流研究的重点应放在进行大量的综合性野外试验,以获取足够的数据资料来确切地刻划优势流;发展新的观测技术以便在时间和空间上监测优势流;建立新的模型来模拟优势流,从而进一步解决与土壤和地下水污染有关的环境问题.     

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.     

西南岩溶区粉垄耕作和免耕方式下甘蔗地土壤优先流特征

以西南岩溶区的典型农地甘蔗地为研究对象,采用野外染色示踪技术,利用形态学解析手段,并结合土壤水分分层评价方法,对粉垄耕作和免耕方式下甘蔗地土壤优先流特征进行研究。结果表明:在相同外部供水条件下,粉垄耕作甘蔗地水分下渗湿润锋迹线较免耕甘蔗地平缓,呈均匀整体形式下渗,平均下渗深度是免耕甘蔗地的0.95倍,其优先流染色形态相对于免耕甘蔗地的枝状分化状态,多以零散团块状分化形式为主;在相同外部条件下,免耕甘蔗地最先发生优先流现象,优先流的发生速度是粉垄耕作甘蔗地的1.45倍,平均优先流比达88.61%,大于粉垄耕作甘蔗地(82.89%),二者之间差异显著(P0.05);沿土壤深度的增加,优先流在粉垄耕作甘蔗地土壤空间中的发展变化程度表现为"次活跃—活跃—次活跃—相对稳定—次活跃",而免耕甘蔗地表现为"次活跃—活跃—次活跃—相对稳定",免耕甘蔗地的优先流空间发展变化程度较高,主要发生在5—35cm土层范围内,相比粉垄耕作甘蔗地10—30cm土层深。粉垄耕作方式与免耕方式相比,降低了岩溶区甘蔗地土壤优先流的发生与发展,在一定程度上提高了土壤的保肥蓄水能力。     

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。     

基于分形理论的土壤优先流运动控制方程

为表征土壤优先流的快速非平衡运动、更准确地预测非饱和带土壤中的水流运动和溶质运移过程,该文在活动流场模型基本理论和土壤优先流表现出的分形特征的基础上,将分形理论引入到连续性模型,根据质量守恒原理建立了描述土壤优先流形式下水流运动和溶质运移过程的控制方程,发展和完善了活动流场模型理论;对比分析了活动流场模型理论与二域模型理论和活动裂隙模型理论之间的联系和区别。研究成果为运用活动流场模型解决优先流条件下土壤水流运动和溶质运移等相关问题提供了参考。     

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。     

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。     

基于O-ring统计的公路边坡土壤优先流路径分布分析

引入优先流理论分析氯盐污染物在边坡土壤中的迁移机制,对揭示公路工业盐污染物迁移规律和保护路域环境具有重要意义。以鹤大高速低路基公路边坡土壤为例,采用染色示踪试验对土壤优先流路径的位置进行确定,并应用景观生态学中的空间点格局分析方法O-ring统计,对不同影响半径土壤优先流路径水平分布特征及其空间关联性进行分析。结果表明:边坡土壤优先流路径发育深度可达40 cm;相同影响半径优先流路径的数量随着土层深度的增加而减少,同一土层优先流路径的数量随影响半径的增大逐渐减少;随着影响半径的增加,聚集分布趋于显著;不同影响半径的优先流路径之间的关联性相对独立。O-ring统计,能从统计学角度量化分析土壤优先流路径的分布特征,丰富了优先流的研究方法。     

三峡库区花岗岩林地土壤特性与“优先路径”的关系

 “优先路径”是指土壤中植物根系穿插而产生的根孔、动物的运动通道和居穴、由于土壤膨胀收缩形成的裂隙,以及因湿润锋不稳定所形成的指状渗透通道等。通过在长江三峡曲溪小流域花岗岩林地坡面开挖土壤剖面,测定了“优先路径”在剖面的分布状况,并采取土壤样品,对土壤的物理特性用筛分法进行了室内测定。结果表明:剖面中距地表以下82～110cm范围内,土壤密度最小,其毛管孔隙度也较小,显示出其土壤中存在有较多非毛管孔隙构成的“优先路径”。“优先路径”在距地表以下80～100cm范围内,分布比较集中。该范围内含有较多粗颗粒物质,有利于“优先路径”的形成。“优先路径”的存在,使该层土壤稳渗速率较其他土层得以大幅度提高,土层内快速运动的水流,又加速了“优先路径”的形成与发展。“优先路径”的存在,影响着土壤物理特性,而土壤物理性质,对“优先路径”的形成与发展,也有较大影响。