贡嘎山暗针叶林生态系统基于KDW运动-弥散波模型的优先流研究

利用自制的土柱装置,开展室内土柱实验,并与野外实地示踪影像分析相结合,针对研究区域土壤包气带根系层中水分快速运动的优先流展开研究,其目的在于系统分析优先流对径流过程的影响,为长江上游暗针叶林生态系统土壤水分运动规律研究及有效流域管理提供理论支持。研究采用雷诺数计算及野外示踪映像分析方法,判定证明在所研究地区,有优先流现象发生,优先流是处于层流及紊流之间的过渡流。同时针对成熟林坡积物土壤的水分运移状况分析表明研究区域的壤中流过程主要表现为优先流,而土壤中的基质部分,则表现为不动区域。研究在以往优先流模型构建的基础上,综合考虑了研究区域的实地情况,应用融入弥散波的运动波模型(KDW优先流模型),利用交叉模拟方法和统计分析方法将此模型与实地实验检验分析,认定KDW优先流模型实用性强、可靠程度较高,可较好地模拟贡嘎山暗针叶林生态系统实地。     

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。     

优先流研究现状及发展趋势

优先流是一种常见的土壤水分运动形式,它是土壤水运动机理研究由均质走向非均质领域的标志。但最初却没有真正的定义。综合介绍了目前国际上公认的土壤优先流定义、优先流多种表现形式及其重要特征。系统阐述了优先流的静态（内在）和动态（外在）影响因素、开展研究的基础理论以及实验研究技术,指出开展优先流研究可以有效及充分地解释早期水文学研究所困扰的不符合达西定律及对流一弥散方程等重大问题,但由于优先流运动过程具有非平衡性及区域特点,其自身类型较多,开展优先流研究同时加大了水文过程研究的难度及深度,所以长期以来没有得到充分重视,到目前为止,对于优先流运动机理尚未明确;开展优先流研究判定标准多样,但缺乏系统成形的判定标准;由于土壤本身就是异质性系统,对优先流研究需综合考虑尺度效应;虽然已有多种方法可以有效开展优先流研究,但缺少已获得国际标准认证的适用于具有快速环绕特性的优先流研究需要的现代仪器设备。同时还探讨了优先流研究的发展趋势。     

岷江上游三种典型植被下土壤优势流现象的染色法研究

优势流是土壤中存在的一种普遍现象,对水分运动有重要的影响。为了进一步了解森林涵养水源的机理,用亮蓝野外染色示踪试验研究了岷江上游垂直梯度上的三种典型植被下土壤中的优势流。从染色结果来看,在三种植被下的土壤中均存在优势流现象,而这种优势流的产生由于植被、海拔高度、成土过程、根系及土壤动物活动的不同,复杂程度不一。染色面积的百分数反映了入渗水分在剖面的分布,即使在整体水分仅仅停留在表层10cm以上时,部分水分可通过优势流进入到土壤底层。三种植被下优势流染色的分形维数在1.59到1.85之间,分维数反映出优势流通道的复杂性,低海拔的原始暗针叶林土和高海拔的亚高山草甸土具有复杂的优势流通道。优势流的存在对坡面水文过程产生重要的影响,是今后进一步认识森林水文效应的基础。     

Ponded infiltration into soil with biopores — field experiment and modeling

Preferential movement of water in macropores plays an important role when the process of ponded infiltration in natural porous systems is studied. For example, the detailed knowledge of water flow through macropores is of a major importance when predicting runoff responses to rainfall events. The main objectives of this study are to detect preferential movement of water in Chernozem soil and to employ numerical modeling to describe the variably saturated flow during a field ponded infiltration experiment. The infiltration experiment was performed at the Macov experimental station (Calcari-Haplic Chernozem in Danubian Lowland, Slovakia). The experiment involved single ring ponded infiltration. At the quasi steady state phase of the experiment dye tracer was added to the infiltrating water. Then the soil profile was excavated and the penetration pattern of the applied tracer was recorded. The abundance of biopores as a product of fauna and flora was found. To quantify the preferential flow effects during the infiltration experiment, three-dimensional axisymmetric simulations were carried out by a two-dimensional dual-continuum numerical model. The water flow simulations based on measured hydraulic characteristics without consideration of preferential flow effects failed to describe the infiltration experiment adequately. The 3D axisymmetric simulation based on dual-permeability approach provided relatively realistic space-time distribution of soil water pressure below the infiltration ring.     

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。     

秸秆还田对甘蔗地土壤优先流运动特征的影响

秸秆还田措施可改变田间土壤环境,在一定程度上影响作物生长.为探究不同秸秆还田措施对田间土壤优先流的影响,以秸秆覆盖(CM)、秸秆焚烧覆盖(BM)和无秸秆覆盖(CK)3种处理方式下的甘蔗地为研究对象,通过野外染色示踪试验,结合图像解析技术和生态学景观格局分析方法对广西不同秸秆还田措施下的甘蔗地土壤优先流运动特征进行研究....     

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。     

贡嘎山暗针叶林土壤优先流形成因素的初步研究

该研究以长江上游贡嘎山暗针叶林生态系统的降雨过程、地被物层、根系层及土壤层的生长发育特点和水分运动状况为基础,利用自制实验仪器,在研究区域开展室内土柱实验,与野外实地示踪影像分析及树种根系调查相结合,针对研究区域土壤包气带根系层中水分快速运动的优先流形成的内外影响因子展开研究工作。研究结果表明研究区域土壤松散和多孔,土壤的孔隙度较大,大部分降雨为低强度、低雨量级和长历时,并具有较厚的地被物层和丰富的根系层,这些诱发因素存在,使研究区域——贡嘎山高山生态系统具有优先流形成的条件,降雨不会对土壤造成击溅作用,水分运移沿着土壤孔隙或植物根孔等处开辟优先路径,在地被物层及土壤层形成一个水流通道,随着长历时的降雨的继续,水分及其所携带的溶质继续沿着此路径向下运移。     

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。     

森林生态系统林木根系对优先流的影响

土壤水和溶质运移是土壤学和环境科学研究的难点和热点,优先流是一种常见的土壤溶质运移形式,绕过土壤基质而优先运移至地下水源,造成土壤养分的流失和水质的恶化。林木根系是土壤层的重要部分,其结构形态影响着优先流过程,为量化林木根系结构对土壤优先流的影响,以首都圈森林生态系统鹫峰定位监测站为研究区域,利用野外染色示踪与室内分析相结合的方法,定量分析根长密度和根系生物量在优先流区和基质流区的变化。结果表明:1)随着土层深度的增加,根长密度表现为减小的趋势,对径级d1 mm,1d3 mm和3d5 mm根系而言,根长密度在优先流区大于基质流区发生概率分别为66.7%,88.9%和83.3%;2)根系d1 mm对优先流贡献度最大,均值为94.8%,1d3 mm和3d5 mm根系对优先流贡献度较小,均值分别为4.3%和0.9%;3)研究点根系生物量进行统计,66.7%优先流区根系生物量大于基质流区根系生物量。开展根系对优先流的影响研究,有助于探明土壤水分运移规律,分析地表地下水质恶化根源,为生态环境安全提供理论指导和技术支持。     

荒漠绿洲湿地土壤优先流与水分入渗特征

地表水分、溶质和污染物以土壤优先流的形式下渗到深层土壤或地下水中,将导致土壤养分流失与地下水污染等问题。因此,土壤优先流研究将为干旱区荒漠绿洲湿地水分运移与盐分积累过程提供理论依据。以荒漠绿洲湿地为研究区,选取柽柳灌丛、盐碱草地和杨树林,以道路为对照,采用室外染色示踪法对湿地土壤优先流特征与水分入渗进行研究。结果表明:不同植被类型土壤优先流入渗深度存在显著差异,其柽柳灌丛和盐碱草地几乎是杨树林和道的2倍;染色面积比随深度的增加而波动下降,0—20 cm土层染色面积比占总染色面积的54.42%—89.27%;染色路径宽度以20—250 mm和250 mm为主;优先流类型以高相互作用混合流和非均质指流为主。在荒漠绿洲湿地,砾石促进土壤优先流发生,增加了侧向流;同时,粗根的减少抑制了优先流的发生;此外,土壤盐分通过影响土壤大孔隙分布而影响水分入渗过程。因此,荒漠绿洲湿地土壤优先流与水分入渗差异是土壤质地、根系分布与盐分离子共同作用的结果。     

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.     

不同耕作方式下黑土的渗透特性和优先流特征

用染料示踪法和双环法相结合,对连续6年的免耕与秋翻中层黑土进行水分入渗与优先流对比研究.结果表明：在整个入渗过程中,免耕土壤的渗透率都大于秋翻土壤,达到稳渗时,免耕土壤的稳渗率是秋翻土壤的1.35倍,累积渗透量是秋翻土壤的1.44倍.从亚甲基蓝溶液的渗透深度来看,免耕土壤的渗透深度（43 cm）明显大于秋翻土壤（27 cm）.与秋翻土壤相比,免耕土壤具有更好的孔隙发育和更多的生物孔隙,具有良好的优先流特征,这对水分入渗和水土保持有重要作用.     

Transport of iodide in structured soil under spring barley during irrigation experiment analyzed using dual-continuum model

Transport of radioactive iodide ¹³¹I^? in a black clay loam soil under spring barley in an early ontogenesis phase was monitored during controlled field irrigation experiment. It was found that iodide bound in the soil matrix could be mobilized by the surface leaching enhanced by mechanical impact of water drops and transported below the root zone of crops via soil cracks. The iodide transport through structured soil profile was simulated by the one-dimensional dual-continuum model, which assumes the existence of two inter-connected flow domains: the soil matrix domain and the preferential flow domain. The model predicted relatively deep percolation of iodide within a short time, in a good agreement with the observed vertical iodide distribution in soil. The dual-continuum approach proved to be an adequate tool for evaluation of field irrigation experiments conducted in structured soils.     

基于探地雷达的滨河带藤本和次生乔木林土壤优先流特征

滨河带是河流生态系统和森林生态系统的过渡带,该区域林分的土壤优先流特征对流域的地表水文过程会产生重要影响。探究土壤异质性与优先流的关系,为当地地下水安全和河流上下游水生态安全提供参考。本研究以永定河滨河带的藤本和次生乔木林两种植被为研究对象,结合传统亮蓝(Brilliant Blue FCF)染色示踪法,利用探地雷达(Ground Penetrating Radar, GPR)技术进行测线扫描。提取探地雷达图像的单道波形图,对反射波各参数与染色面积比进行拟合,并结合优先流染色特征进行分析。染色形态特征表明,藤本样地土壤染色形态呈现断离式零散分布,优先流发育带为土壤表层以下5—30 cm的土层深度,而次生乔木林土壤呈现大面积斑块状分布,优先流发育较为迟缓,其发育带为土壤表层以下10—25 cm的土层深度,且平均染色面积比藤本小1.68%。探地雷达测线表明,土层深度为0—15 cm时,最大振幅和总振幅面积均随土层的深度增加而下降,土层深度为15—35 cm时,两参数开始波动变化,且藤本样地的最大振幅和总振幅面积大于次生乔木林样地。经拟合发现,染色面积比与最大振幅呈y=25.104lnx+2...     

四面山阔叶林土壤大孔隙特征与优先流的关系

为研究土壤大孔隙数量、分布特征与优先流发生之间的关系,在使用亮蓝染色法划分林地优先流发生区域基础上,利用穿透曲线理论方法,对重庆四面山典型亚热带阔叶林土壤剖面染色和未染色区域内的土壤大孔隙进行了量化分析.结果表明：研究林地土壤剖面内大孔隙半径多在0.3～3.0 mm,大孔隙率为6.3%～10.5%,随着土壤深度的增加,大孔隙呈现出聚集态的分布特征.各孔径范围内,染色区域的土壤大孔隙数量较未染色区域高出约1个数量级.半径＞0.3 mm,尤其是半径＞1.5 mm的大孔隙数量,是影响林地优先流发生的主要通道.森林土壤0.3～3.0 mm孔径范围内,大孔隙数量与其对应的土壤水分稳定出流速率呈显著的正相关关系,其中在0.7～1.5 mm和1.5～3.0 mm孔径范围内大孔隙数量与稳定出流速率相关程度最大,相关系数分别为0.842和0.879.发生优先流的染色区内大孔隙联通状况优于未染色区,两区中1.5～3.0 mm孔径范围内的联通大孔隙数量差异最大,相差78.3%.染色区内大孔隙数量随土壤深度的增加逐渐减少,“漏斗”状的孔隙分布特征可以形成有效的水压梯度,有利于水分优先运移.     

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。     

保护地蔗田对土壤优先流与根系生物量及产量品质的影响

为探明保护性耕作对蔗田土壤及甘蔗生长的影响,该研究设置2种耕作方式(常规耕作、粉垄耕作)与2种施肥水平(减量施肥20%、常规施肥),并于甘蔗苗期后在甘蔗行间近根部覆盖豆科秸秆,以第二年宿根蔗为研究对象,采用染色示踪法测定秸秆覆盖下蔗田土壤优先流特征,同时测定分析甘蔗株高、茎围、地下根系生物量、产量及品质等重要农艺性状。结果表明:(1)粉垄耕作方式下蔗田土壤优先流发生速度快且活跃,添加秸秆覆盖降低了土壤优先流发生程度,增加了土壤水分在10～25 cm土层的横向运移能力,在一定程度上提高了土壤蓄水能力。(2)粉垄保护性耕作在秸秆覆盖下提高了甘蔗根系生物量和产量,秸秆覆盖下粉垄免耕宿根蔗根系生物量提高了8.97%～25.54%,并且减量施肥处理中秸秆覆盖宿根蔗伸长期地下根系生物量显著高于无秸秆覆盖,秸秆覆盖下甘蔗株高提高了4.2%～13.1%; 在减量施肥处理中,粉垄耕作添加秸秆覆盖甘蔗产量提高了16.27%,并且添加秸秆覆盖较常规施肥中无秸秆覆盖,产量提高了5.95%。(3)粉垄保护性耕作利于提高甘蔗品质,对比无秸秆覆盖处理,粉垄耕作下秸秆覆盖后显著提高了甘蔗蔗汁视纯度,并且宿根蔗纤维分、蔗汁锤度、转光度和蔗糖分均有提升。综上认为,免耕秸秆覆盖可作为粉垄红壤坡耕地蔗田保护性生产调控方式。     

基于稳定同位素和热比率技术的侧柏水分逆向运移特征与过程

植物在一定环境条件下可通过叶片吸水发生水分逆向运移来维持自身生长,尤其是在季节性干旱地区。但这一过程通常被忽视,使得在量化理解干旱胁迫下的森林植被水分利用过程与机制方面仍存在一定的空白。本研究以北京山区为研究区,以其典型造林树种侧柏为研究对象,利用稳定同位素和热比率技术,通过野外布设对比试验和室内控制盆栽试验,分析树木体内水分逆向运移的发生条件和规律,量化逆向运移量及补给率,研究不同部位水分逆向运移变化特征及过程。结果表明: 在野外对比试验中,控制样方在雨后的树木胸径和根系处监测到逆向液流,且根系逆向液流的发生比胸径处会有所延迟,而对比样方则无逆向液流;在室内控制试验中,不同处理组在雨后2 h树木各部位逆向运移补给率达到最高值,除重度和中度干旱处理外,雨后8 h基本恢复初始状态,水分逆向运移对植物的影响一般不超过24 h;叶片吸水量与其产生的对枝条和根际土壤的逆向补给率和土壤前期含水量呈负相关关系,对叶片、枝条和根际土壤的最大补给率分别为(9.5±0.1)%、(5.9±0.3)%和(5.7%±0.6)%;在水分逆向运移过程中,侧柏不同部位水分运移对时间的响应不同。在复杂多变的水分供给条件下,研究植物水分逆向运移的过程与机制,对准确理解其生存和竞争力具有重要意义。