农田裂隙优先流对灌水模式/初始墒情响应机制及其模拟研究

农田灌溉管理过程中优先流降低水肥利用效率,加剧地下水污染风险。基于碘化钾-淀粉染色示踪试验,分析了地面灌DM、微喷灌WP1(20 mm/h)、微喷灌WP2(40 mm/h)处理下的裂隙优先流特征,验证了基于水量平衡的双域渗透模型的有效性,并采用4组初始体积含水率(0.20、0.25、0.30、0.35 cm^(3)/cm^(3))与5组灌水强度(12.0、24.0、36.0、48.0、60.0mm/h)旋转组合设计进行模拟应用分析。结果表明,WP1、WP2处理整体上水分以均匀的基质流形式入渗;DM处理下的土壤剖面染色区域在垂直方向上可明显划分为基质流区(0~6.9 cm)和优先流区(>6.9 cm)。此外,DM处理下的基质流深度、灌水均匀度显著(P<0.05)小于WP1、WP2处理,而其优先流指数及湿润锋弯曲度均极显著大于(P<0.01)WP1、WP2处理,这表明地面灌可以激活更多的优先流路径,增大优先流发育程度和空间异质性,降低灌水质量。基于水量平衡的双域渗透模型可有效预测不同灌水强度下的基质流深度和土壤剖面染色面积比变化趋势(R2≥0.9276、NSE≥0.8844、RSR≤0.0230),初始体积含水率和灌水强度旋转组合设计模拟结果表明,增加灌水强度或减小初始含水率会增加优先流的程度而降低灌水质量,故建议在农田灌溉管理过程中采用“高频少量”的灌水模式以减少优先流导致的水肥利用效率降低。该研究成果可为农田灌溉决策提供理论依据,其试验数据可为优先流模型优化与验证提供重要的数据支撑。

碎石土细颗粒迁移特征及优先流形成路径

碎石土是一种非连续、非均质的结构性材料,由于内部含有大量碎石块,容易形成架空结构,使其内部形成复杂独特的渗流通道即优先流通道,碎石土优先流通道是包括水分运移和土体细颗粒迁移的复杂过程,但在研究其优先流路径时通常只考虑了水分的运移而忽略了细颗粒的迁移,颗粒迁移与通道形成密切相关。为此,对两种不同级配土柱(粗细颗粒连续级配和间断级配)分别进行饱和渗流-颗粒迁移试验,从细颗粒迁移的角度分析通道形成的时空发展规律。试验结果表明:细颗粒迁移一部分由于流失引起碎石土渗透性增大,另一部分由于重新沉积而堵塞局部孔隙,降低渗透性,两者作用结果最终加速优先流通道形成;连续级配的碎石土形成大面积交叉分布的管网状渗流通道,间断级配的碎石土则形成集中渗流通道;相同水力条件下,不同级配细颗粒迁移的空间分布特征不同,连续级配的碎石土细颗粒迁移不随空间位置的差异而发生变化,间断级配的碎石土细颗粒迁移随空间位置的差异而发生变化,两种级配下碎石土细颗粒主要流失量的粒径范围均在1~0.075 mm;不同水力梯度条件下,连续与间断级配试验细颗粒流失量均随水力梯度增加而增大,间断级配的碎石土破坏时水力梯度小于连续级配破坏时水力梯度,间断级配碎石土更容易发生破坏。研究成果为进一步揭示碎石土优先流形成机理提供试验依据。

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,以山西吉县蔡家川小流域刺槐人工林为研究对象,结合野外染色示踪试验与室内图像处理的技术方法,获取垂直剖面染色形态特征图像并进行特征值的提取,选取基质流深度、染色面积比、优先流比、长度指数、平均最大染色深度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75mm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、32.20、38.87cm,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75 mm(0.81)>50 mm(0.39)>25 mm(0.36),入渗水量增加促使优先流发育程度更高。

覆膜种植措施对垄作农地土壤优先流空间异质性的影响

为进一步针对垄作田间农业生产制定高效的需水用肥策略提供科学支撑,将野外染色示踪试验和室内土柱水分入渗实验相结合,利用图像形态学解析、模拟入渗分析、熵权分析和灰色系统理论分析等方法,对垄作覆膜和垄作(对照)种植措施下的农地土壤优先流空间异质性特征进行分析,阐明覆膜种植措施下的垄作农地土壤优先流空间分布及其运动变化规律,揭示覆膜种植措施影响下的优先流与垄作田间土壤水分运动过程的作用关系。结果表明:在相同外部供水条件下,垄作覆膜种植农地的水分集中分布在0~10 cm土壤表层,随着土壤深度的增加分布范围逐渐缩小,其土壤染色复杂程度随着土壤深度的增加先增大后减少。而垄作种植农地在10~30 cm土壤深度范围内的水分分布出现显著的指状优先流分化现象。同时,垄作覆膜农地土壤达到饱和状态的时间是垄作农地的1.36倍,其单位时间内的平均土柱水流出流量(质量流率为0.20 g/s)显著(P<0.05)小于垄作农地(质量流率为0.35 g/s),土壤优先流程度相较更高,土壤属性中饱和导水率对优先流程度影响最大。垄作覆膜种植措施相较垄作在一定程度上能够进一步降低农地土壤空间内优先流的发生及其分布,减少水分向土壤深层渗漏,起到一定程度的蓄水保墒作用。

喀斯特地区典型植被根系对优先流的影响

[目的]揭示西南喀斯特地区优先流特征及根系对其影响,明确不同植被类型根系对优先流程度的影响,为当地植被恢复和水源涵养提供依据。[方法]以云南喀斯特地区3种典型林分为研究对象,采用野外染色示踪和统计分析相结合的方法,获得优先流形态特征与染色面积比,结合植物根长密度等4个根系特征参数,运用单因素方差法分析不同林分类型下的优先流程度。[结果](1) 3种典型林分根系特征总体呈现天然次生林>天然混交林>人工纯林。(2)不同林分最大染色深度为20—30 cm,随深度增加呈现减少的趋势,垂直剖面和水平剖面均反映出土壤水分发生侧渗。(3) 0—2 cm土层出现基质流,随着土层加深其余染色剖面呈指状或漏斗状流动,并显示出明显的根系路径。混交林中优先流主要的运移方式是垂直下渗,而纯林横向流发育程度较高,天然次生林的优先流比最大且长度指数最小,表明复杂的根系结构能有效加强水分在土壤中的运移深度。[结论]3种典型林分根系特征参数与优先流发育密切相关且均有促进作用,但不同林分类型根系指标与优先流发育程度相关性不同。天然次生林的根系指标均呈现负相关关系;人工纯林的根长密度和根表面积密度呈现正相关关系,根体积密度和根生物量密度呈现负相关关系;天然混交林的根系指标均呈现正相关关系。

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种典型植被中柳树样地最早发生土壤优先流现象,形成优先流染色形态分化程度最高,优先流现象最明显,而狗尾草样地最不明显。随着入渗水量的增加,土壤水分运动表现出整体下移,加深了土壤水流形态分化界面深度,即0—20 cm土层染色形态表现为相对稳定。土壤机械组成与径级小于5 mm根系是影响优先流产生发育的重要因素,由于各样地中植被的生长发育状态不同,因此对土壤优先流的影响程度也不尽相同,存在一定的差异性。

巴基斯坦谢胡普拉农业区优先流三维结构及其影响因素

优先流是水通过土壤中特定路径的运动,而不是水在土壤结构里均匀地流动。由于土壤的异质性,例如裂缝、根通道或虫洞,这些优先流动路径经常形成。这种分形图案使理解和描述首选流动路线的行为变得具有挑战性。为了准确地进行水和溶质的输送,需要花费大量时间来理解和描述优先流路的增长和演变。传统模型需要改进来捕捉优先流的复杂和非线性行为。选取4块120 cm×120 cm样地,对4块样地进行染料示踪实验,以确认溶质和水的优选流动模式。数据已在Origin Lab中进行分析,以创建3D图表,并使用Sketchu p-2021 Pro向每个绘图提供0.50 L亮蓝溶液(5 g/L)。每个地块包含3个垂直的土壤剖面,每个剖面深150 cm,并且剖面墙经过广泛的刀具准备。将亮蓝留在表面24 h以渗透到土壤表面。结果表明:优先流在压实度最小且大孔隙连续性保持的区域最为突出。相反,压实的影响导致压实区域微孔隙率降低和优先流动模式减弱。亮蓝色在土壤中的最大深度可达15.5 cm。FCP的运动取决于不同的因素,如根部、毛孔、裂缝等。亮蓝色在根部可用的地方达到最大深度。在本研究中,通过使用Sketch Pro软件以三维方式显示亮蓝色运动,以便更好地理解它。此外,本研究揭示压实和随后的恢复过程如何影响土壤对水流和地表径流的敏感性。全面的3D表示,这项研究提供了对水流通道的形成和演化的深入理解。根据本研究发现的水流模式,在没有压实作用的较高位置,大孔隙连续性得以保留,择流最强。由于压实作用,微孔隙度下降,且越下侧越弱。该研究可以更好地理解水流通道的创建和演化。该研究增强对优先流及其在自然和农业生态系统中养分和水循环中的作用的了解。从这项研究中获得的见解可以为制定改进的农业用地管理策略提供信息,促进可持续和高效的水资源管理。

花岗岩山坡A-C结构土壤下典型植被优先流发育特征研究

土石山区A-C结构土壤条件下土薄石多,不同植被条件下优先流发育的是否受到土壤厚度、石砾含量的影响尚不明确。本研究利用染色示踪法与图像处理技术,对鲁中南花岗岩山坡2种土层厚度条件下的黑松林、刺槐林(土层厚度约为40 cm)和板栗林(土壤厚度约为80 cm)优先流染色剖面分布特征及其影响因素进行研究。结果表明,3种植被覆盖下基质流发育深度和最大入渗深度非均匀系数差异不显著(P>0.05),但土层较厚的板栗林最大入渗深度、优先流比、长度指数均明显较高(P<0.05),因此土层较厚条件下优先流发育程度较高。根长密度、土壤容重、总孔隙度、非毛管孔隙度、石砾含量,是影响各植被条件下优先流路径选择的重要因素,但土壤物理性质和根系的剖面分布变化是影响不同植被条件下优先流发育差异的关键因素。研究结果有助于进一步揭示土石山区优先流产流机制。

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<4 mm占比以外,其余指标都随着土层深度的增加而减小。水分渗漏路径显示,水田田埂垂直渗漏和侧向渗漏明显;旱地田埂仅有垂直渗漏发育;林地田埂垂直渗漏较强,侧向渗漏发育不明显。为提高南方典型低山丘陵区的水肥利用效率、减少水土流失,可以通过控制水田土壤水分含量,减少稻田干湿交替下的裂隙发育,破除旱地犁底层,定期清除旱地和林地田埂内、外侧杂草,减少动物孔穴等措施。

金沙江干热河谷冲沟系统优先流影响下的土壤可蚀性

【目的】为探究金沙江干热河谷冲沟系统优先流影响下的土壤可蚀性差异规律,揭示冲沟发育区土、水相互作用机理,为干热河谷地区水土流失治理及生态恢复提供理论依据。【方法】在干热河谷典型冲沟发育区选择完整冲沟作为研究对象,基于染色示踪、土壤抗冲抗蚀及土壤理化试验,利用主成分分析等统计分析方法获取土壤优先流、土壤可蚀性指标及其相关关系,明晰集水区、沟壁、沟床、沟底完整冲沟系统土壤优先流特征,探究优先流和土壤可蚀性之间的关系。【结果】干热河谷冲沟优先流类型以“大孔隙流”为主,伴随“指流”和“漏斗流”,优先流百分数呈集水区>沟壁>沟床>沟底,说明冲沟上游优先流发育程度高于下游。冲沟内优先流区有机质含量、土壤含水率均高于基质流区,机械组成黏粒、粉粒、砂粒配比优先流区优于基质流区,土壤密度优先流区低于基质流区。冲沟内优先流区土壤抗冲系数小于基质流区,表明优先流会使土壤稳定性降低,抗蚀指数呈优先流区大于基质流区,说明土壤水分溶质运移会使局部土壤抗蚀性提高。冲沟系统土壤可蚀性因子(K)与优先流百分数、优先流区染色面积比、最大染色深度均呈正相关关系,同时主成分分析显示以上3个因子是影响土壤可蚀性的主要因子。【结论】优先流发育程度高的土层中优先流区K值总是大于基质流区,在优先流发育不足土层中则相反,优先流发育一定程度上会提高土壤可蚀性。

金沙江干热河谷冲沟区优先流影响下的土壤力学特性

为探究金沙江干热河谷冲沟区优先流与土壤力学的相关机理,揭示优先流影响下土壤抗剪强度特征规律,丰富干热河谷冲沟发育区沟侵蚀机理,为该地区进一步开展沟蚀治理提供理论依据。在典型冲沟发育区选择完整冲沟为研究对象,基于染色示踪、土壤理化、原状土直剪试验,利用RDA等统计方法分析优先流与土壤力学指标间的相关性,明晰优先流和抗剪强度的关系。结果表明:(1)由于冲沟发育使冲沟内由集水区到沟底优先流发育程度逐渐降低。土壤含水率、容重、总孔隙度、有机质含量均呈优先流区大于基质流区,机械组成分形维数整体上基质流区(2.680~2.874)大于优先流区(2.746~2.893)。(2)冲沟区优先流通过影响土壤黏聚力和内摩擦角进而对抗剪强度产生影响,一定程度上会降低土体抗剪强度。集水区、沟头抗剪强度大于沟床和沟底。优先流区黏聚力(1.24~2.65 kPa)小于基质流区黏聚力(1.91~4.27 kPa),优先流区内摩擦角(19.52°~22.47°)略大于基质流区内摩擦角(17.68°~22.35°),优先流区抗剪强度(36.66~43.68 kPa)整体小于基质流区抗剪强度(38.74~47.32 kPa)。(3)优先流与土壤黏聚力和内摩擦角有不同程度的相关性。土壤黏聚力与染色面积比、基质流深度呈显著负相关,内摩擦角与优先流百分数、优先流区染色面积比呈负相关;抗剪强度与染色面比、最大染色深度、优先流百分数、优先流区染色面积比呈负相关。

灌溉优先流对裂隙分布密度、灌水强度及土壤湿度的响应机理

【目的】研究土壤初始含水率(土壤湿度)、裂隙分布密度及灌水强度对裂隙优先流强度的影响机理。【方法】构建基于水量平衡原理的优先流双域渗透模型,并通过染色示踪试验进行物理模拟及模型验证,基于模型数值模拟了裂隙分布密度、初始含水率和灌水强度三维因素旋转组合下的优先流特征。【结果】试验区的浅小型裂隙(裂隙平均宽度0.2 cm≤wc≤1.0 cm,平均深度0.5 cm≤d≤10 cm)与优先流的发育无直接联系,宽深型裂隙(裂隙平均宽度w_(c)≥2 cm,平均深度d≥50 cm)是产生裂隙优先流的主要原因;宽深型裂隙分布密度增大,基质流深度、染色面积率以及灌水均匀度增加;模型对裂隙优先流的模拟效果较好(R^(2)=0.951,P<0.01);模拟结果显示,裂隙深度很大程度上决定了优先流的最大入渗深度;接近土壤饱和导水率的灌水强度无法触发优先流,随着灌水强度增加,优先流程度和最大入渗深度增加,基质流深度和灌水均匀度降低;随着土壤初始含水率和裂隙分布密度增大,基质流深度和灌水均匀度增加,优先流程度降低。【结论】对于缩胀性较强、有机质量丰富的农田土壤,降低灌水强度、提高土壤初始含水率及裂隙分布密度能有效抑制裂隙优先流并提高灌水质量。

植物根孔构型与土壤优先流过程研究进展

植物根孔增加大孔隙网络的密度和连通性,促进土壤优先流发生。然而根孔在土壤中分布的构型特征复杂,揭示根孔构型特征影响土壤优先流过程的内在机制,对水资源高效管理、降低地下水污染和滑坡、泥石流等灾害风险具有重要意义。因此,笔者通过Web of Science和中国知网等数据库,检索获取截至2020年的相关研究文献,主要综述根孔构型的影响因素、量化方法及其对土壤优先流影响的研究进展,发现植物种类、年限季节、土壤属性等均会改变根孔的构型特征,但各因素的作用机制仍不清楚;CT扫描成像技术是量化根孔构型特征的有效方法;通过大孔隙阻断方法,能实地量化土壤入渗过程中优先流过程和基质入渗过程;植物根孔有效改良土壤入渗性能,土壤优先流通量与根孔数量、直径、表面积和体积等二维参数呈正相关关系。今后应深入研究根孔发育机制及其构型特征。加强根孔构型对土壤优先流过程的影响及作用机制的研究,是深入揭示土壤优先流运动机理的重要方向。

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。

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。

汾河流域下游不同土地利用方式下土壤性质对优先流发育的影响

[目的]揭示汾河流域下游不同土地利用方式下土壤理化性质的异质性,阐明其对优先流发育的影响。[方法]以汾河流域下游3种土地利用方式为研究对象进行野外染色示踪试验,评价优先流发育程度,分析了土壤染色区分下优先流区与非优先流区土壤性质的差异及其对优先流特征的影响。[结果]不同土地利用方式下优先流评价指数表示的优先流发育程度高低依次为草地(1.18)、农地(1.12)和果园(0.88)。土地利用方式、土层和优先流区域对除pH外的土壤性质有显著(p<0.05)的影响。土壤有机质、总孔隙度、毛管孔隙度和饱和导水率的提高和容重的降低有助于优先流的发育。多元逐步回归分析表明,优先流区的有机质和总孔隙度是影响染色面积比的主要影响因子,非优先流区的有机质、容重、砂粒是影响非染色面积比的主要影响因子。[结论]相比农地和果园,草地土壤理化性质在土层以及优先流路径间的异质性更高,对优先流发育程度影响较大。

西南喀斯特地区2种森林的土壤优先流特征

【目的】分析西南喀斯特地区纯林和混交林的土壤优先流特征,为当地森林植被恢复提供一定理论依据。【方法】选取2种典型森林植被类型(侧柏纯林和侧柏、马尾松、直杆蓝桉混交林),基于野外染色示踪试验,设置2种模拟降水量,使用亮蓝染料溶液染色,挖掘土壤的染色竖直剖面和水平剖面,借助图像处理技术,提取染色面积比、平均最大入渗深度、基质流深度、优先流比和长度指数5个优先流特征参数,同时获取不同深度处土壤的优先路径分布、数量和比例。【结果】当模拟降水量相同时,混交林的土壤染色面积比和平均最大入渗深度均高于纯林;当模拟降水量由25 mm增至60 mm时,混交林的土壤染色面积比由12.36%变为16.44%,平均最大入渗深度由22.21 cm变为30.64 cm,土壤染色面积比和最大入渗深度增幅相近;纯林的土壤染色面积比由7.42%变为15.89%,最大入渗深度由12.50 cm变为17.59 cm,土壤染色面积比增幅明显高于平均最大入渗深度。混交林下土壤染色形态呈指状或枝状,有独立斑块存在,纯林呈漏斗状,无独立斑块。当模拟降水量为25 mm时,混交林下基质流深度、优先流比和长度指数平均分别为1.65 cm、76.70%和352.61%,高于侧柏纯林的1.31 cm、74.33%和184.20%;当模拟降水量增至60 mm时,混交林下基质流深度、优先流比和长度指数为2.21 cm、77.18%和497.02%,而侧柏纯林则为4.29 cm、53.83%和331.27%。喀斯特地区混交林和纯林的优先路径主要分布在15 cm以上土层,且半径大多小于5 mm。混交林下土壤优先路径随土层深度的变异性更强,且大影响半径(>5 mm)优先路径的比例(19.0%)高于纯林(9.0%)。【结论】喀斯特地区侧柏纯林和侧柏、马尾松、直杆蓝桉混交林2种典型森林下均存在一定的优先流现象,由于其特殊土石结构影响,林地土壤优先路径数量较多;混交林下优先流的发育程度和空间变异性比纯林高,与其大影响半径优先路径比例高、优先路径分布变异性强有直接关系。

围栏封育对荒漠草原灌丛草地土壤优先流的影响研究

为探究围封对灌丛草地土壤优先流的影响,以宁夏吴忠市盐池县典型荒漠草原区为研究区,通过野外入渗染色试验、图像处理分析等方法,对围封荒漠草原灌丛草地土壤优先流的影响进行评价。结果表明:(1)围栏封育与放牧管理样地土壤水分入渗特征存在差异,在围栏封育样地,草地、天然柠条林地、人工柠条林地的入渗染色图像分别在0—125,0—115,0—105 cm呈现均匀分布,而在125—240,115—150,105—140 cm呈现染色分支,在放牧管理样地,草地、天然柠条林地、人工柠条林地入渗染色图像分别在0—80,0—70,0—80 cm呈现均匀分布,围栏封育导致土壤优先流发生深度更大;(2)土壤剖面染色面积比表现为围栏封育草地>围栏封育天然柠条林地>围栏封育人工柠条林地>放牧管理人工柠条林地>放牧管理天然柠条林地>放牧管理草地,土壤染色深度表现为围栏封育草地>围栏封育天然柠条林地>放牧管理草地>放牧管理天然柠条林地>围栏封育人工柠条林地>放牧管理人工柠条林地,围栏封育管理会导致土壤剖面染色面积比及染色深度增大;(3)土壤优先流变异系数表现为放牧管理天然柠条林地>放牧管理人工柠条林地>围栏封育天然柠条林地>放牧管理草地>围栏封育人工柠条林地>围栏封育草地,放牧管理导致土壤优先流程度增加,而围栏封育降低灌木林地及草地的优先流程度。因此,在荒漠草原等干旱半干旱地区,围栏封育可作为提升土壤水分均匀入渗深度、降低优先流发生程度、提高土壤水分利用效率的重要管理方式。

西南喀斯特区不同土地利用梯田优先流定量分析

为探明不同土地利用类型条件下优先流入渗的定量特征,以西南喀斯特地区梯田的园地、耕地和林地为研究对象,通过表置式环式入渗仪和亮蓝进行染色入渗试验,对梯田上不同土地利用类型的优先流和基质流进行了定量划分,并对其入渗速率和累积入渗量进行了对比研究。结果表明:①基质流是该地区梯田土壤入渗的主要部分。②在整个入渗过程中,园地和耕地的优先流渗透率都大于林地,达到稳定入渗时,耕地和园地的优先流入渗率分别是林地的1.87和1.80倍,累积入渗量是林地的1.2和1.3倍。③从染色渗透深度来看,耕地的优先流运动深度可达32.1 cm,明显大于园地(25.5 cm)和林地(15.7 cm),即与林地相比,园地和耕地具有更好的孔隙发育,优先流现象更明显。④不同土地利用方式的土壤质地显著影响优先流入渗率和入渗量的大小。研究结果可深化对西南喀斯特梯田入渗过程的认识,并对防控西南喀斯特地区水土流失具有一定指导意义。

元江干热河谷典型林草地优先流区和基质流区土壤团聚体特征

[目的]明晰干热河谷区土壤优先流对红壤团聚体特征及其稳定性的影响,为该区植被恢复和水土流失防治提供理论依据。[方法]以元江干热河谷典型地段龙潭箐流域内的银合欢林地、扭黄茅荒草地为研究对象,基于染色示踪试验区分样地土壤优先流区和基质流区,利用干湿筛法结合分形理论分析两区内0-50 cm土层团聚体特征差异,并借助通径分析法表征各土壤理化因子对团聚体稳定性的影响。[结果]干湿筛后R0.25团聚体含量从大到小顺序为林地优先流区>林地基质流区>荒草地优先流区>荒草地基质流区,平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)与R0.25排序相同且呈现出随土层深度增加而减小的趋势,分形维数(D)与团聚体破坏率(PAD)则为相反规律并随土层加深D和PAD的值逐渐增大。对两区土壤团聚体稳定性影响较大的理化因子是土壤容重和黏粒含量,其决策系数分别为0.474和-0.644。[结论]荒草地土壤团聚体破坏率更高,土壤优先流区团聚体稳定性优于基质流区;土壤团聚体稳定性主要受黏粒含量、容重、有机质等因子影响。