绿洲农田土壤优先流特征及其对灌溉量的响应

优先流是土壤养分和水分快速通过土壤剖面的普遍物理现象.研究农田土壤优先流特征及其影响因素,对量化绿洲灌溉深层渗漏量、提高水肥利用效率以及降低浅层地下水质污染的风险具有重要意义.在绿洲农田利用亮蓝溶液进行原位染色示踪试验,结果表明：沟与垄位置处的染色路径数目在土壤深度7.3～16.7 cm差异显著,而优先流最大入渗深度差异不显著.优先流最大入渗深度主要受蚂蚁洞穴和灌溉量的影响,平均灌溉量120 mm下优先流的最大入渗深度为(43.1±5.9) cm;受到蚂蚁洞的影响,灌溉量55 mm的样方优先流最大入渗深度达(68.3±7.6) cm.细根(Φ≤2 mm)与优先流显著相关,粗根与优先流相关性不显著,表明植物根系中的细根对优先流的产生有重要作用.绿洲农田土壤优先流特征受到灌溉量、垄沟耕作、蚂蚁洞穴和根系等因素的影响,而蚂蚁洞穴是影响优先流最大入渗深度的不确定因素.     

宁夏荒漠草原不同林龄人工柠条林地土壤优先流研究

土壤优先流作为土壤中常见的水分流动方式,会造成土壤水分流失、地下水污染及坡面土体稳定性降低等问题。以位于宁夏盐池县的典型荒漠草原为研究区域,通过土壤水分入渗染色法、CT扫描法、图像处理技术相结合的分析方式,选取人工营造9、14、24、35年的柠条灌丛林地,以空白草地作为对照,探究不同恢复年限人工柠条林土壤优先流特征及其与土壤大孔隙与根系的关系。结果表明：(1)不同林龄柠条林地土壤优先流特征及大孔隙度具有显著差异,表现为随着种植年份的增加,土壤大孔隙度逐渐升高,土壤入渗染色深度随之加深,同时染色面积比随着柠条林林龄的增加而增大。(2)土壤基质流深度表现为随着种植年份的增加而增大,人工柠条林地的土壤优先流程度显著高于草地。(3)随着人工柠条林龄的增加,土壤根系数量增加,而灌丛生长发育过程中的根系活动使得灌丛林地土壤具有更多迂曲度低、连通性强的大孔隙,这些大孔隙是导致土壤水分优先迁移的主要因素。因此,植物根系和土壤大孔隙变化是影响荒漠草原人工柠条恢复过程中土壤水分分布的关键因素,合理配置人工林以改善根系及土壤结构特征,或可有效提高荒漠草原地区的土壤水分利用效率。     

黄河三角洲刺槐群落土壤优先流及养分分布特征

黄河三角洲湿地面临严重的水资源短缺、湿地退化、土壤盐碱化等问题,湿地土壤干旱缺水,土壤收缩产生裂隙等优先流路径,在小尺度上改变湿地内部以及湿地板块之间水文连通性,小尺度水文效应往往制约大尺度水文连通性,基于当前社会对湿地修复的迫切需求,从小尺度对水文连通研究有必要加以重视。然而,目前的研究多集中在大尺度水文连通的阐述,为进一步明确黄河三角洲湿地小尺度水文连通和养分随优先流路径运移分布情况,以此区域典型刺槐群落为研究对象,基于室外染色示踪实验和室内图像处理技术,分析土壤优先流形态和分布特征,并探究优先流和土壤养分含量之间的关系。结果表明：（1）刺槐群落染色面积比随土壤深度变化主要包括2个阶段,第一阶段：优先流和基质流相互影响作用显著,第二阶段：优先流和基质流相互作用不显著,优先流强度逐渐增强,明显存在指流现象,极少部分管流现象。（2）刺槐群落染色面积比、基质流深度和百分之五十染色深度的数值较大,优先流区染色面积比较小,基质流深度发生在土壤深10-15 cm区间,该类型植被群落水流均匀入渗深度较大,优先流和基质流相互作用程度大,水文连通性较高。（3）优先流区土壤有机碳、有机质、全氮、全磷和有效磷含量值均高于基质流区;（4）土壤优先流区染色面积比与5种养分指标均呈负相关关系,有机碳、有机质和有效磷含量受优先流路径影响显著。（5）土壤中有机碳、有机质和有效磷含量在一定程度上可以衡量土壤优先流发育水平。研究结果可为黄河三角洲湿地生态系统保护和管理提供参考。     

典型黑土耕地土壤优先流环绕特征

以典型黑土耕地土壤为研究对象,采用双环入渗仪和染色示踪技术相结合的方法,通过对图片的判读,测定与分析了染色宽度、横纵剖面染色百分比和田间最大染色深度,以研究典型黑土耕地土壤的水分运移形式及其分布特征.结果表明:在0～15cm土层范围内,水分的运移以基质流为主;15～20cm范围内,有侧向入渗发生,平均染色宽度和染色百分比均在此层达到最大值,分别为23cm和20.73%;20～67cm范围内,水分的运移则以大孔隙流为主,优先路径主要是裂缝和大孔隙,其中,20～35cm范围内的大量裂缝使优先流表现出明显的环绕特征;而在40～67cm范围内,优先路径的形成则以连通性良好的大孔隙为主.由于裂缝和大孔隙2种优先路径的存在,使水分在土壤中的运移速度增加了4.5倍,这不仅可能造成水分损失,而且可能加速农药迁移造成地下水污染.建议在黑土区土壤的耕作和经营过程中,应当减少和消除这些优先路径.     

晋西黄土区土地利用对降雨入渗产流模式和优先流分布的影响试验研究

黄土高原退耕还林(草)工程显著改变了河川径流过程,但其作用机制尚不明晰。选取晋西黄土区4种典型下垫面(20年和30年刺槐人工林地、草地、休耕地)分别开展连续3场模拟降雨试验,观测坡面入渗产流过程,并结合染色示踪和图像处理软件技术,分析土地利用类型对坡面降雨入渗产流模式和优先流分布的影响。结果表明：(1)累积入渗量和优先流发育程度均表现为刺槐林地>草地>休耕地,刺槐林地优先流对总入渗的贡献是草地和休耕地的2.5—4.5倍,但优先流贡献均不超过10%,仍以基质流入渗为主。(2)4种用地类型降雨入渗主要补给地表60—70cm土层,前期降雨均匀增加表层土壤含水率,而后期降雨补给深层土壤水分的空间变异性显著增强。(3)刺槐林地产流量及径流系数均显著小于草地和休耕地,且前期含水量对20年刺槐林地的影响较小,而显著影响草地和休耕地径流系数。(4)直径d<1mm的细根显著促进降雨入渗和优先流发育,而d>5mm的粗根与入渗量和基质流量呈显著负相关。较高的土壤初始含水率、容重和粘粒含量会抑制入渗和优先流的发生。研究说明不同土地利用类型将改变降雨入渗产流过程及土壤水运动形式。     

黄土塬区苹果园降雨入渗机制

选取长武黄土塬区20年树龄苹果园,使用4 g·L^-1亮蓝溶液(Brilliant Blue FCF)进行染色示踪试验,分别采用喷洒、倾倒和树干径流模拟3种方式模拟雨量为50 mm的正常降雨入渗、雨量为50 mm的极端性暴雨入渗和树干径流方式的雨水入渗(18 L树干径流量).结果表明: 喷洒方式下染色平均深度为0.28 m,深度较浅,均匀入渗比平均值超过0.65,中位数超过0.7,说明水分入渗过程中均匀部分所占比重较大,活塞流是黄土塬区苹果园降雨入渗的主要机制;倾倒方式下染色平均深度为0.53 m,最大深度为0.59 m,深度较浅,表明在极端暴雨、激活大孔隙等优先路径的条件下,雨水很难短时间补给深层土壤水;树干径流模拟方式下染色最大深度为0.46 m,深度也较浅,表明雨水较难通过树干径流的方式沿着根系补给深层土壤水.活根系与腐烂根系染色比较分析发现,活根系(≥2 mm)不具有良好的导水能力,而腐烂根系(≥2 mm)形成的入渗通道则具有更好的导水能力.在土壤表层果树根系以水平根系为主,当表层根系腐烂时可能发生横向优先流,从而阻碍雨水对深层土壤水的补给.在黄土塬区苹果园,活塞流是深层土壤水降雨补给的主要机制,大孔隙和腐烂垂直根系等通道可能作为雨水补给深层土壤水的途径.     

干旱区绿洲-荒漠过渡带灌丛土壤属性研究

以天山北坡绿洲 荒漠过渡带为研究区,选择3种类型的灌丛并采集不同位置和深度的灌丛土壤样品进行分析,研究灌丛土壤资源的聚集效应.结果表明,干旱区绿洲 荒漠过渡带不同类型灌丛对土壤粒度分布的影响不显著,土壤以砂和粉砂为主,红柳＋裸地灌丛土壤粒度分布的聚集效应明显;灌丛土壤有机质、全氮和速效钾含量在冠幅下最高,其次为灌丛间低矮植物下,灌丛间裸地最低,呈现出明显的“肥岛”现象;不同灌丛类型和采样位置对土壤盐分离子和总盐含量的变化影响显著,且不同灌丛土壤资源的聚集效应各异;导致不同类型灌丛土壤资源富集率不同的原因有气候因素、灌木分布的土壤环境、灌丛高度和冠幅、灌丛间有无低矮植物等.     

黄河口湿地典型植物群落土壤水、盐入渗过程模拟

为探究积水条件、盐分条件对黄河三角洲河口湿地土壤水盐运移规律的影响,本研究采用实验室原位土柱实验,对芦苇、柽柳和盐地碱蓬3种典型河口湿地植被土壤的入渗过程及水盐重分布过程进行观测,并采用Hydrus-1D模型模拟水分入渗及重分布后的土壤剖面含水率、含盐量分布状况。结果表明：积水深度对土壤水分运移影响明显,不同积水深度条件下3种类型土壤的入渗速率均表现为先升高后骤降的变化趋势,并随入渗时间延长而不断衰减并趋于稳定;入渗实验结束后,0～30 cm土层含盐量基本与入渗水含盐量一致,在水盐运移末端(深度100 cm)趋近于土壤原始含盐量;水盐重分布后,剖面各层土壤含水率的差异减小,各层含盐量同入渗实验结束时含盐量相比基本保持不变;Hydrus-1D能很好地模拟土壤水盐入渗速率及土壤剖面的整体变化趋势,研究结果可为河口湿地水盐调控、湿地水文连通修复提供理论依据。     

黄河三角洲莱州湾湿地柽柳种群分布特征及其影响因素

为探明黄河三角洲莱州湾柽柳(Tamarix chinensis Lour)灌丛环境因子的基本特征及其对柽柳灌丛空间分布类型的影响,采用样地与样方相结合的测定方法,对柽柳灌丛样地距海远近、地下水水位、土壤盐碱含量、土壤容重和孔隙度等基本物理参数以及土壤有机质、速效氮、磷养分等13个环境因子参数进行相关性和主成分分析。结果表明:莱州湾柽柳种群空间分布表现为聚集型分布,林分密度与距海距离和地下水水位呈极显著正相关,与土壤含水量呈极显著负相关;土壤含盐量与土壤含水量呈极显著正相关,与地下水水位和土壤孔隙度呈极显著负相关;土壤含水量与地下水位呈极显著负相关。莱州湾柽柳灌丛13个环境因子的变异系数在0.060—1.296之间,土壤K+含量、土壤含盐量和林分密度变化幅度较大;其次为土壤有机质和有效磷,地下水水位的空间变异性高于至海距离,而土壤p H值、土壤容重和总孔隙度等基本物理性状变化幅度较小。土壤盐碱含量分别为0.47%和p H为8.48,呈重盐土和偏碱性特征。主成分分析表明,土壤盐碱含量是影响黄河三角洲莱州湾湿地柽柳灌丛分布的主导因素,其次是距海距离,土壤速效磷和地下水位次之。     

金沙江干热河谷典型林草地植物根系对土壤优先流的影响

为了明确土壤优先流形态特征以及植物根系对其形成的影响,以金沙江干热河谷元谋县苴那小流域典型植被类型银合欢人工林地和扭黄茅荒草地为研究对象,基于染色示踪法并结合Photoshop CS5和Image-Pro Plus 6.0图像处理技术,分析了2种植被下的土壤优先流形态特征和分布特征,并探究了植物根系对其的影响。结果表明: 林地和荒草地的土壤优先流染色面积具有明显差异,林地染色面积比总体随土壤深度的增加而减小,但部分地方表现出增大现象;荒草地染色面积比随土壤深度增加呈单调递减,林地优先流发生程度高于荒草地。根系对优先流的形成具有重要影响,根径0≤d≤5 mm和d>10 mm范围内,林地根长密度随着土层深度的增加呈单调递减趋势,5 mm<d≤10 mm根系根长密度在30～40 cm土层出现较大波动;荒草地各级根系根长密度均与土壤深度呈负相关关系。林地染色面积比与3 mm<d≤5 mm根径范围内的根长密度呈极显著相关,荒草地染色面积比与d≤3 mm范围的根长密度呈极显著相关;2种地类染色面积比均与1 mm<d≤3 mm范围的根重密度及d≤1 mm的根表面积呈极显著相关,与d>5 mm根径的根长密度、根重密度、根表面积的相关性不显著。研究区2种地类的土壤优先流染色面积总体变化趋势为随土壤深度的增加而减小,植物根系与土壤优先流的形成关系密切,其中,细根能显著促进土壤优先流的形成,粗根对优先流的形成具有局限性。     

西南喀斯特地区典型林分土壤优先流特征及影响因素

研究喀斯特地区的优先流现象,明确影响优先流的主要因素,对当地植被恢复具有重要意义。通过野外染色示踪试验以及图像处理技术,获得染色溶液在垂直和水平方向上的分布情况,并提取总染色面积比、基质流深度、优先流比和长度指数作为优先流特征参数,运用灰色关联度分析法对影响优先流的14个因子进行分析。结果表明: 喀斯特地区典型林分土壤存在优先流现象,其优先流主要有漏斗状和树枝状两类,有横向水流运动现象发生。喀斯特地区林下的染色面积比平均为19.4%,基质流深度、优先流比和长度指数平均分别为4.96 cm、62.9%和385.5%。在影响优先流的14个环境因子中,对染色面积比影响最大的是土壤初始含水量,对基质流深度影响最大的是速效钾含量,对优先流比和长度指数影响最大的均为速效磷含量。喀斯特地区典型林分下优先流的发育程度高且空间变化剧烈,土壤初始含水量等物理性质对其有较大影响,土壤养分也是优先流的一个重要影响因素。     

广西岩溶区稻田土壤优先路径的空间分布

田间土壤优先路径空间分布影响优先流的发生和运动。通过野外土壤染色示踪试验,利用形态学图像解析技术,并结合群落生态学分析方法,对广西岩溶区秸秆覆盖(CM)和非覆盖(CK)下的水稻田进行土壤优先路径空间分布研究。结果表明: 在相同的外部供水状况下,随土壤深度的增加,秸秆覆盖水稻田的土壤水平染色由整体分布向团块状聚集分布转变;非秸秆覆盖水稻田以枝状染色为主,其平均染色斑块形状系数为21.69,染色形态规则,是秸秆覆盖水稻田的1.04倍。秸秆覆盖与非覆盖水稻田的土壤优先路径均呈聚集分布,秸秆覆盖水稻田内优先路径的Morisita指数为1.28,且田间优先路径以影响半径＜1.0 mm为主(重要值0.31),非秸秆覆盖水稻田内影响半径＜1.0 mm的优先路径重要值为0.28。秸秆覆盖影响稻田土壤优先路径,有助于改善田间作物的水肥利用状况。     

半干旱黄土高原苜蓿草地撂荒过程土壤水分变化特征

土壤水分是黄土高原植被恢复和生态建设的主要限制因子,明确土壤水分随植被演替的变化规律是阐明黄土高原植被与水分相互作用机制的重要基础。以半干旱黄土高原小流域苜蓿草地撂荒过程为研究对象,通过对2016-2018年生长季苜蓿群落、苜蓿+赖草群落、赖草群落和长芒草群落四种草地群落0-1.8 m土壤水分进行动态监测以及0-5 m深度土壤水分测定,分析不同演替阶段苜蓿草地土壤水分的动态特征,探讨土壤水分对苜蓿草地撂荒过程的响应。结果表明：（1）在苜蓿草地撂荒演替过程中,土壤水分随群落恢复时间的延长呈先增加后降低的变化,降水的年际动态显著影响不同演替群落的土壤水分响应;（2）0-0.4 m土壤水分主要受降水影响,使得各草地群落在这一层次没有显著差异（P>0.05）,而1 m以下的土壤水分含量则主要受植被类型的影响,各草地群落之间存在显著差异（P<0.05）;（3）0-5 m深层土壤水分随群落的演替,1 m以下各土层土壤水分含量逐渐增加,表明撂荒过程中使土壤水分得到了一定程度的恢复。研究结果揭示了苜蓿草地撂荒过程土壤水分的变化规律,可为黄土高原生态恢复提供理论依据。     

荒漠草原-灌丛镶嵌体的植被稳态转变特征

以柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）灌丛引入形成荒漠草原-灌丛地镶嵌体为研究对象,选择其内部荒漠草地（DG）、草地边缘（GE）、灌丛边缘（SE）、灌丛地（SL）为试验样地,开展荒漠草原向灌丛地人为稳态转变过程土壤水分与植被变化特征研究。结果如下：各样地0-200 cm土层水分含量随着转变过程呈显著降低趋势（P<0.05）,其中荒漠草地、草地边缘和灌丛边缘样地的土壤水分均在秋季雨水补充期增加,灌丛地由于深层土壤水分过度消耗而愈加降低,且灌丛边缘和灌丛地深层水分显著低于荒漠草地、草地边缘（P<0.05）,垂直动态不显著;地上植被随样地转变除优势度指数表现为灌丛地多样性、均匀度、丰富度指数均显著低于各样地（P<0.05）,多年生优势草本蒙古冰草（Agropyron mongolicum）、短花针茅（Stipa breviflora）逐渐被一年生草本刺藜（Dysphania aristata）、猪毛蒿（Artemisia scoparia）所代替;土壤种子库萌发种类随样地转变逐渐减少,种子库密度则显著升高（P<0.05）,灌丛地以一年生草本植物为主（占总密度的97.51%）,荒漠草地则以多年生草本萌发为主,且各样地土壤萌发种子库及多年生草本多集中于0-5 cm土层（P<0.05）;转变过程荒漠草原和灌丛地植被地上地下相似度分别为0.14和0.19,均显著低于两边缘样地0.35,较两边缘样地群落更为稳定,呈现草原灌丛化过程中草地-灌丛共存的植被双稳态特征。