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。     

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。     

亚热带红壤区不同土地利用方式下的土壤剖面水流特征

以江西省鹰潭市的典型旱地、稻田和林地为研究对象,采用野外亮蓝染色示踪试验结合室内图像处理的方法,量化了各样地土壤剖面染色特征参数,明确了水流类型的剖面分布规律,并揭示了土壤理化性质对水流特征的影响机制。结果表明:染色面积比(SAR)随着土层深度的增加急剧降低,0—60 cm土层的平均SAR表现为稻田(28.16%)高于旱地(21.95%)和林地(18.64%),SAR差异主要体现在5—25 cm土层;染色路径数(SPN)随着土层深度的增加先增加后减小,整个剖面的平均SPN为稻田最多(20条),旱地其次(12条),林地最少(9条)。各样地0—20 cm土层染色路径宽度(SPW)均以1—10 cm为主,水流类型从上至下依次为均质流、非均质指流和高相互作用大孔隙流;对于20 cm以下土层,旱地和稻田的SPW以1 cm为主,水流类型分别以低相互作用大孔隙流和混合作用大孔隙流为主,林地以1—10 cm的SPW为主,主要水流类型为高相互作用大孔隙流。有机质含量、根系密度和土壤机械组成等性质影响了土壤的孔隙特征,进而影响了土壤的饱和导水率和水流特征。为提高红壤区的水分利用效率、减少水土流失,可以通过破除旱地犁底层、减少稻田干湿交替下的裂隙发育,以及增加林地植被多样性等多种方式实现。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

柑橘地土壤溶质优先运移研究

通过室内原状土柱与重塑土柱对比实验,应用溶质穿透曲线研究柑橘地土壤优先流及溶质优先运移的特征。结果表明:柑橘地原状土柱土壤穿透曲线表现出了上升阶段的拐点现象,是优先流与基质流共同作用的结果。原状土柱土体穿透曲线下降初期较陡,并表现出了较长的拖尾特征,重塑土柱下降趋势相对稳定。存在优先路径的土体出流速率稳定性较差,变异系数较大,其平均出流速率是重塑土柱出流速率的3.5倍。优先流作用使溶质相对浓度到达峰值的时间缩短了37.7%,此时造成的溶质运移量却是平衡基质流所造成的溶质运移量的2.5倍,因此优先流能够导致土壤溶质的快速大量迁移。     

柑橘地土壤大孔隙与优先流的关系研究

以重庆市江津区10和20a林龄的柑橘地为研究对象,应用优先流染色法和室内图像提取技术,土壤水分穿透曲线及Poiseulle方程综合分析土壤大孔隙与优先流的关系。结果表明,大孔隙使染色区的水分渗透速率较非染色区提高了1.48倍以上。柑橘地大孔隙孔径范围在0.3～1.7mm,半径大于0.7mm的土壤大孔隙是形成优先流路径的主要孔径范围。     

Heterogeneous solute flow in a sandy soil under a pine forest: evaluation of a modeling concept

This study investigated the heterogeneous water characteristic functions and hydraulic conductivities for a gleyic podzol under a coniferous forest 40 km northeast of Hannover, Germany. The hydraulic properties were parameterized with the van Genuchten model. Reference functions and sets of scaling factors were derived for every horizon. The scaling factors showed correlation lengths of about 0.2 m. Along a 10 m long transect the spatially variable rain throughfall as the upper boundary and the groundwater level as the lower boundary was measured. A tracer experiment was conducted for the period of main groundwater recharge. Using the independent measurements of heterogeneous hydraulic properties, we simulated the solute transport for this period with a conventional model that solves the Richards' equation for water flow and the convective dispersive equation for solute transport. We found qualitative agreement between some features of the measured and modeled solute transport such as its channel‐like structure. However, the partly preferential flow of solutes and the correspondingly large dispersivities could not be modeled.     

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。     

降雨强度对优先流特征的影响及其数值模拟

为了研究优先通道发育程度对不同降雨强度下优先流特征的影响,该文选取不同深度的田间原状土样,在不同降雨强度下进行土壤优先流的室内物理模拟试验,并采用双渗透介质模型Hydrus-1D对优先流发育过程进行数值模拟。结果表明:优先通道越发育,其优先流程度越高。降雨强度对优先流速率及其增加幅度的影响随土壤优先通道发育程度的增加而增加。优先通道发育的土柱,降雨强度越大时,其土柱下端初始出流时间越短,而优先通道一般发育的土柱,其土柱下端初始出流时间均随降雨强度增加呈先减小而后增加的规律。当降雨强度小于土柱最大导水能力(原状土柱表面出现积水时的导水能力)时,优先流速率随降雨强度增加而显著增加,而当降雨强度接近或大于其最大优先导水能力时,优先流速率增加缓慢或趋于稳定。土壤优先通道对降雨入渗的导水能力(即优先流速率与降雨强度之比)随降雨强度增加而变小。双渗透介质模型能较理想地模拟优先流发育过程,对土壤基质向大孔隙排水过程的模拟较差,但模型不适用于裂隙发育的土壤。各土柱的优先流程度为93.6%~99.9%。在研究降雨强度对优先流的影响规律时,该研究考虑了优先通道发育程度对此规律的影响,丰富了优先流理论,同时对农业节水、土壤污染迁移、地下水污染风险评价以及滑坡机理等研究方面具有重要的科学意义。     

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.     

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。     

A semi‐analytical model for solute transport in layered dual‐porosity media

The vulnerability of groundwater from chemical leaching through soil is a concern at some locations. Because measurements are laborious, time‐consuming, and expensive, simulation models are frequently used to assess leaching risks. But the significance of simulated solute movement through a layered soil is questionable if vertical homogeneity of physical soil properties has been assumed. In the present study, a semi‐analytical model for solute leaching in soils is presented. The model is relatively simple, but it does account for soil layers having different physical properties. The model includes the mobile‐immobile model (MIM) to describe one‐dimensional (1‐D) nonequilibrium, transient solute transport under steady‐state flow conditions. The MIM is rewritten as a second‐order differential equation and solved by a numerical scheme. Differing from fully analytical or fully numerical solutions, the new approach solves the differential equation numerically with respect to time and analytically with respect to distance. Numerical experiments for a single layered soil profile show that the semi‐analytical solution (SA‐MIM) is numerically stable for a wide range of parameter values. The accuracy of SA‐MIM predictions is comparable to that of analytical solutions. Numerical experiments for a multilayered profile indicate that the model correctly predicts effluent curves from finite layered soil profiles under steady‐state flow conditions. The SA‐MIM simulations with typical parameter values suggest that neglecting vertical heterogeneity of flow paths in a layered soil can lead to inaccurate prediction of soil‐solute leaching. The quality of predictions is generally improved if parameter estimates for the different soil layers are considered. However, the mobile‐immobile‐parameter estimates obtained in a number of previous studies may not be transferable to a field situation that is characterized by a slow and steady flow of water. Further field experiments to determine mobile‐immobile parameters under such conditions are desirable.     

Water and Bromide Recovery in Wick and Pan Lysimeters under Conventional and Zero Tillage

Abstract

Quantifying in situ solute transport through soils and the landscape has been widely acknowledged as important and yet challenging. The objective of this study was to evaluate water and bromide movement in no‐tilled (NT) and conventionally tilled (CT) corn using two different types of in situ lysimeters—pan and capillary wick—for single rainfall events. Four zero‐tension pan and four capillary‐wick lysimeters were installed 1.2 m deep on opposite sides of four soil pits. Two were under NT corn, and two were under CT corn. Bromide (Br) was either surface applied or applied with an initial 25 to 27 mm of irrigation (33 to 34 g Br m²). A total of 120 to 147 mm of irrigation was applied continuously at 8.8 mm h^?1. Leachate was collected on 15 min intervals for 24 h and on greater intervals for up to 350 h. Lysimeter discharge and Br concentration were determined for each interval. After drainage began and until rainfall was discontinued, the water drainage rate was, on average, greater in NT (7.2 mm h^?1) than in CT (5.6 mm h^?1) based on results from the pan lysimeters. By contrast, the water drainage rate for the wick lysimeters was, on average, greater in CT (7.3 mm h^?1) than in NT (3.0 mm h^?1). The wick lysimeter appears to have behaved as a sink under the CT conditions, likely representing water flow in smaller channels. Under NT conditions, greater discharge observed with the pan lysimeter implicates the response from larger channels as the conduit for water flow. Flow‐weighted mean Br concentration was less when Br was applied on the soil surface (17.9 mg L^?1) than when Br was applied with the irrigation water (50.6 mg L^?1). Implications from preferential flow studies are often determined based on a single method of evaluation for solute transport, which are likely subject to the limitation of the method used. This study illustrates that contrary to the conventional understanding about preferential flow in NT, water flow and Br transport to the 1.2-m depth was as great as or greater with CT than with NT based on the results from the wick lysimeters for single rainfall events.