荒漠草原人工柠条引入后土壤大孔隙拓扑结构演变特征

[目的]认识人工柠条种植对土壤生态过程的影响,从而为人工植被的管理提供科学依据。[方法]以宁夏盐池县典型荒漠草原区风沙土生境的草地(0 a)及9,14,24,35 a生人工柠条林为对象,分别进行原状土柱采集、CT扫描及图像处理分析,获取土壤大孔隙几何分布特征,量化大孔隙表面积、等效直径和连接度等拓扑结构参数,研究了柠条生长过程中土壤大孔隙演变特征。[结果]通过三维图像可以看出,和0 a样地相比,随着林龄增加,各样地在0—200 mm土层大孔隙数量明显增多且结构更加复杂。定量分析表明,和0 a样地相比,不同林龄柠条林地在同一土层,大孔隙数量密度、长度密度、等效直径、连接度之间差异显著(p<0.05),而表面积密度、体积密度无显著差异(p>0.05)。具体表现为在0—100 mm和100—200 mm土层大孔隙数量密度、长度密度均显著增加(p<0.05),且随着林龄增加,表层土壤(0—100 mm)增幅要大于深层土壤(100—200 mm);等效直径在0—100 mm土层显著减小,在100—200 mm土层显著增加(p<0.05),而连接度变化规律恰好相反。进一步分析发现,林龄与大孔隙数量密度、长度密度、表面积密度呈显著正相关(p<0.05),与大孔隙等效直径呈显著负相关(p<0.01),与大孔隙体积密度差异不显著(p>0.05)。[结论]人工柠条林的引入会促进土壤大孔隙致密网络状结构形成,改善大孔隙表面积、连接度等拓扑结构,且随着林龄增加,对土壤改良效果越明显。

滇西南不同土地利用方式坡地土壤大孔隙特征及与饱和导水率的关系

【目的】研究滇西南不同土地利用方式坡地土壤大孔隙特征与饱和导水率的变化,为控制滇西南地区坡地水土流失提供参考。【方法】以滇西南6种典型土地利用方式(荒草地、茶地、烤烟地、玉米地、甘蔗地、澳洲坚果地)坡地为研究对象,测定6种坡地不同坡位(坡上、坡下)和土层(0~15,15~30 cm)土壤的基本理化性质、水分穿透曲线、大孔隙特征及饱和导水率,分析不同土地利用方式坡地土壤大孔隙特征与饱和导水率的关系。【结果】(1)滇西南不同土地利用方式坡地土壤基本理化性质存在差异,坡位和土层深度对土壤的基本理化性质有明显影响。(2)滇西南不同土地利用方式坡地的土壤水分出流速率先增加,都在90 s之后基本趋于稳定。6种土地利用方式下0~30 cm土层土壤平均出流速率表现为玉米地>荒草地>澳洲坚果地>茶地>甘蔗地>烤烟地。(3)不同土地利用方式坡地土壤大孔隙半径、面积比与平均体积存在明显差异。荒草地、茶地、玉米地、澳洲坚果地土壤大孔隙平均半径随土层深度的增加而减小,而甘蔗地、烤烟地土壤大孔隙平均半径变化则相反。不同土地利用方式坡地土壤大孔隙面积比与平均体积由大到小均表现为玉米地>荒草地>澳洲坚果地>茶地>甘蔗地>烤烟地。(4)不同土地利用方式坡地土壤饱和导水率差异显著,其中玉米地和荒草地饱和导水率明显高于其他坡地。(5)相关性分析表明,不同土地利用方式坡地土壤大孔隙密度、平均体积与饱和导水率呈线性正相关关系,平均半径与饱和导水率之间呈指数函数关系。土壤大孔隙平均体积与稳定出流速率之间呈线性正相关关系。【结论】不同土地利用方式坡地表层(0~15 cm)和上坡位土壤大孔隙半径大、联通性好,更有利于土壤的滞水减流。

四种植物的根系在黏质红壤的分布特征及对土壤大孔隙的影响

为探究植物根系在黏质红壤中的分布特征及对土壤大孔隙的影响,选取普通甘蓝型油菜(华双4号,简称RapeC)、深根油菜(西南28,简称RapeD)、紫花苜蓿(拉迪诺,简称Luc1Y)和香根草(野生型,1年生和多年生简称Vet1Y和Vet5Y)4种植物作为研究对象,种植一年和多年后,通过剖面墙法和常规取根法分析不同植物的根系下扎深度、总根系密度、根径级配内的根长分布、根系数目密度及土壤大孔隙分布。结果表明,在1年生植物中,不同植物之间的根系下扎深度有显著性差异;不同植物的根长密度随土壤深度的增加逐渐降低,最大根长密度普遍集中在20~30 cm和40~60 cm土壤深度;根径级配中,油菜(RapeD和RapeC)的根系密度有90%集中在细根和中根根段内,而Luc1Y、Vet5Y和Vet1Y在中根和粗根根段内较多,占比分别为8%和11%;植物根系能够改善土壤的大孔隙结构,与休耕无植物地块(LandF)相比,植物根系都显著增加土壤的总孔隙度,尤其是深层土壤(40 cm以下),总孔隙度依次为Vet5Y>Luc1Y>Vet1Y>RapeD>LandF。从通气孔隙度和毛管孔隙度来看,不同植物种植后的通气孔隙和毛管孔隙之间有显著性差异(P<0.05),其中Vet5Y和Luc1Y在通气性的改善上显著高于其他植物,而Vet1Y对土壤毛管孔隙的影响较大。

六盘山典型植被下土壤大孔隙特征

利用水分穿透曲线法和Poiseuille方程研究了六盘山8种典型植被类型下土壤大孔隙的半径与密度特征．结果表明：研究区典型植被下土壤大孔隙半径在0．4～2．3mm，加权平均半径为0．57～1．21mm，平均值为0．89mm；大孔隙密度变化范围为57～1117个·dm^-2，平均408个·dm^-2；半径〉1．4mm的大孔隙密度较小，其数量仅占大孔隙总数量的6．86％；大孔隙面积与土柱水分出流面积的百分比（简称土壤大孔隙面积比）介于0．76％～31．26％，平均为10．82％．研究区土壤大孔隙密度为阔叶林大于针叶林，亚高山草甸与阔叶林相当，灌丛与针叶林相当；土壤大孔隙面积比为阔叶林高于针叶林，灌丛与阔叶林相当，亚高山草甸与针叶林相当．

土壤大孔隙流研究进展

介绍了大孔隙及大孔隙流的定义、多种表现形式及其重要特征、产生机理和室内外实验研究概况,以及染色示踪、切片、穿透曲线、张力入渗仪、X射线CT扫描摄像和雷达探测等方法的研究进展,揭示这些实验方法的优点与存在的问题.并指出由于影响大孔隙及大孔隙流的因素较复杂,应将大量的野外实验和室内实验相结合,同时改进观测方法,提高模拟手段,不断完善大孔隙流理论,使大孔隙流研究迈上一个新台阶.

土壤大孔隙及其研究方法

阐述了土壤大孔隙的定义、孔径划分类型及其成因 ,比较了各种研究方法的适用性和局限性 .土壤大孔隙是可以提供优先水流路径的孔隙 ,其孔径大小为 >0 .0 3mm .大孔隙形状具有多样性 ,既有形状不规则的裂隙和裂缝 ,也有近似圆柱状的管道 .土壤动物对土壤的挖掘作用 ,植物根系在土壤中的穿插作用 ,冻融和干湿交替过程及化学过程是产生大孔隙的主要原因 .大孔隙的研究方法可分为直接观测法和间接描述法 ,并各有其适用性和局限性 .土壤大孔隙研究的最终目的是调控它 ,为减少地下水污染、控制养分和水分的流失提供一条新途径 .

长白山主要类型森林土壤大孔隙数量与垂直分布规律

利用张力入渗仪测量和计算了长白山自然保护区中4种主要类型土壤(暗棕色森林土、棕色针叶林土、山地生草森林土和山地苔原土)中半径范围分别在≥0.5mm、0.25～0.5mm和0.1～0.25mm的大孔隙数量与分布,并探讨了大孔隙的存在对土壤饱和渗水量的影响.结果表明:暗棕色森林土中大孔隙数量随土壤深度的增加而减少,自地表向下至40cm以内土层的变化较快,在40cm以下土层内的变化较慢;棕色针叶林土和山地苔原土中大孔隙数量随土壤深度的增加而增加;山地生草森林土中大孔隙数量随土壤深度的变化不大.大孔隙占土壤体积的比例虽然很小,却对土壤饱和渗水量的传导起到了重要作用.

三峡库区森林土壤大孔隙特征及对饱和导水率的影响

土壤大孔隙是土体内孔径较大能优先传导水分的根孔、洞穴或裂隙,大孔隙内优先流的产生是土壤水分运动研究由均衡走向非均衡的标志。利用原状土柱的水分穿透试验,对三峡库区山地不同林型覆盖下土壤的大孔隙结构进行了研究,分析了温性阔叶林棕壤、针阔混交林黄棕壤、暖性针叶林黄壤及弃耕草地剖面内大孔隙的剖面分布特征及其对土壤饱和导水率的影响。结果表明:研究区内森林土壤的大孔隙当量孔径在0.3—3 mm之间,占土壤总体积的0.15%—4.72%。大孔隙中孔径0.3—0.6 mm的大孔隙密度最大,占大孔隙总数量的72.2%—90.4%;而孔径>1 mm的孔隙仅占大孔隙总数量的1.26%—8.55%。土壤大孔隙密度和大孔隙面积比的顺序为:温性阔叶林棕壤>针阔混交林黄棕壤>针叶林黄壤>弃耕坡地。各孔径段的大孔隙密度在不同样点均呈现A层-B层-C层逐渐减小的趋势,大孔隙密度与有机质含量呈显著正相关关系。土壤饱和导水率与不同孔径大孔隙的密度、面积比均成显著正相关关系,孔径>1mm的大孔隙仅占大孔隙总数量的1.26%—8.55%,但决定了饱和导水率84.7%的变异。此外,森林土壤饱和导水率与各土壤层的有机质含量成显著正相关关系,有机质的增多有利于改善土壤的入渗性能。

北京昌平区农地土壤大孔隙特征

研究在利用染色示踪法对北京昌平区农地的优先流发生区进行判断的基础上,采用Photoshop软件和土壤水分穿透曲线对该农地的大孔隙数量与分布特征进行量化分析。结果表明:试验农地的土壤大孔隙半径主要集中在0.5～2.8mm之间,平均半径为0.695～0.711mm,大孔隙率为5.10%～22.06%。随着土壤深度的增加,染色区在土壤剖面上呈现出集中分布的特征,同时,染色面积比例逐渐减小。各土层染色区的稳定出流速率是未染色区的1.39～2.05倍,在大孔隙各孔径范围内,染色区的数量是未染色区的1.33～3.57倍。大孔隙的垂直分布表现出上层多、下层少的特点,其中半径小于1.5mm的孔隙占98%以上。染色区在大孔隙密度、大孔隙连通性上的优势能够使其更快地进行水分运输并更早达到稳定,因而也就更易成为优先流发生区。

不同雨强下土壤大孔隙对坡面流水动力学参数的影响

以室内试验槽为平台,利用人工模拟降雨试验,定量分析了坡度为5°时,在30mm/h,60mm/h和120mm/h降雨强度下,有大孔隙试验槽和无大孔隙试验槽坡面流的水动力学参数的异同点.结果表明,各场次降雨的两坡面流的流态均为层流,除降雨强度为30mm/h时,无大孔隙坡面的坡面流为急流外,其他场次的水流均为缓流;在同一降雨强度下,相对于无大孔隙坡面,有大孔隙坡面的坡面流流速、单宽流量、弗劳德数和雷诺数较小,径流深、径流切应力、水流运动阻力以及坡面糙率较大;随着降雨强度的增大,两坡面的径流深和单宽流量增加,坡面流流速、径流切应力和雷诺数均增大,阻力系数和曼宁糙率均呈现先增大后减小的趋势,弗劳德数则呈现先减小后增大的趋势.

利用染色示踪与图像处理术研究根系对土壤大孔隙的影响

以定西安家沟流域油松、柠条根部土壤为例介绍了染色示踪和图像处理技术在土壤大孔隙研究中的应用,分析根系对土壤大孔隙的影响.将配制好的示踪溶液沿树基部渗入土壤,可获得具有颜色深浅不同的土壤染色剖面.土壤孔隙越大,充斥的染料溶液就越多,所染的颜色就越深,反之则浅.据此利用地理信息系统软件ArcGIS和遥感图像处理软件ERDAS对染色土壤剖面图像进行处理并分级计算,计算染色的等级以及染色面积.结果表明染色等级高以及染色面积大的区域一般出现在根系密度较大的地方,并且对染色示踪方法的影响因素进行了讨论.

北京市昌平区农地土壤大孔隙形成的影响因素分析

【目的】探讨影响土壤大孔隙形成的主要因素。【方法】利用土壤水分穿透曲线法对北京市昌平区农地的土壤大孔隙数量特征进行分析,确定了大孔隙数量的潜在影响因素,包括根系密度、土壤质地、土壤结构(水稳性团聚体)、有机质含量,并利用典型相关分析,研究了各因素对大孔隙率的影响。【结果】根系密度、土壤质地和水稳性团聚体对大孔隙的形成均存在显著影响;根系密度与大孔隙率呈极显著正相关关系(P<0.01),根系密度对大孔隙的影响主要在于根对土壤的机械力作用以及环形根孔本身作为大孔隙的一部分对大孔隙率的直接贡献;土壤质地对大孔隙形成的影响主要在于粉粒含量的变化,粉粒含量与大孔隙率呈显著负相关关系(P<0.05),砂粒和黏粒含量对大孔隙率的影响不显著;土壤水稳性团聚体含量与大孔隙率呈显著正相关关系(P<0.05),但二者之间的关系又主要受有机质含量的影响。【结论】土壤大孔隙形成的主要影响因素为植物根系密度、粉粒含量和有机质含量。

分形理论在土壤大孔隙研究中的应用及其展望

土壤大孔隙是普遍存在的现象 ,而非例外 ,它们使水及溶质快速穿过土壤 ,确定大孔隙大小分布需要大量的野外和室内实验。本文在对分形理论概念进行简要阐述的基础上 ,介绍了分形理论在大孔隙研究中所取得的成果 ,结果表明应用分形理论确定土壤大孔隙性质是一种省时、省力和具有广泛代表性的方法 ,最后对分形理论在土壤大孔隙研究中应用前景作了展望。

黄土丘陵区人工油松林地土壤大孔隙定量研究

根据水分穿透曲线和Poiseulle方程原理，定量研究了黄土丘陵区人工油松林地原状土大孔隙的半径范围、个数及分布情况。黄土丘陵区人工油松林地田间持水量至饱和含水量之间的大孔隙半径为0．2～3mm．孔径〉1mm的特大孔隙仅占大孔隙总数的2．2％，表现出特大孔隙较少、小孔隙较多的特点。土壤剖面上部的大孔隙加权平均半径较大，随土层深度的增加，大孔隙半径逐渐减小。大孔隙所占过水断面面积在1．27％～18．13％之间，大部分样品大孔隙所占过水断面面积〈5％。坡位、坡度、坡形、坡向对大孔隙形成起着重要作用。大孔隙虽然占土壤体积的很小一部分，但其平均半径与水流通量和饱和导水率之间有显著幂函数关系，分别决定了水流通量的77％和饱和导水率的75％变异。植物强化土壤渗透能力的主要原因之一是根层土壤大孔隙的优势流效应。

三峡库区不同垂直带森林土壤大孔隙染色实验

降雨过程中森林土壤大孔隙内优先流的发生,是森林植被调蓄径流和保持水土的主要方式。利用染色示踪法,对三峡库区宜昌大老岭-邓村地区不同垂直带内森林土壤大孔隙特征进行了实验研究。结果表明,山地植被-土壤类型的梯度变化使不同垂直带内土壤大孔隙数量差异显著,在土壤垂直剖面内呈现不同分布模式。亚高山阔叶林覆盖的山地棕壤下,土壤剖面染色面积比达62.3%,染色区域主要集中在根系发达的腐殖质层,染料下渗深度较浅。低山针叶林黄壤剖面染色比例低于亚高山阔叶林棕壤,但染料下渗深度较深可达69.5 cm,腐殖质层、淋溶淀积层和母质层间染色比例无显著差异。中山灌丛幼林黄棕壤剖面染色比例和染料下渗深度较小,腐殖质层染色比例显著高于淋溶淀积层,母质层几乎无染色现象。与森林土壤相比,低山弃耕坡地的染料下渗深度和染色面积比显著减小,染色区域集中在耕作表层。植物根孔、母质裂隙、土壤发育程度和土地耕作是造成山地不同垂直带间土壤大孔隙结构差异的主要因素。

土壤大孔隙发育特征对水和溶质输移的影响

在原状土条件下采用单离子示踪和多离子示踪技术各开展了两个入渗试验,通过对比分析试验观测结果研究了各试验区域土壤中大孔隙的存在状况、发育特征及其对入渗示踪剂溶液输移的影响。研究结果表明,试验1(单离子示踪)所在区域土壤中存在贯穿型土壤大孔隙(大孔隙贯穿整个入渗深度范围土层),试验3(多离子示踪)所在区域土壤中存在非贯穿型土壤大孔隙(大孔隙仅发生在上层部分土壤中),而试验2(单离子示踪)和试验4(多离子示踪)所在区域土壤中不存在土壤大孔隙。示踪剂溶液在含有贯穿型土壤大孔隙的试验1中运移速度更快、入渗深度更大、输移到深层土壤时的浓度更高;贯穿型土壤大孔隙对不同阶段注入的示踪剂溶液的输移能力无显著差异。与贯穿型土壤大孔隙不同,试验3中出现的非贯穿型土壤大孔隙对中间阶段(第二阶段)注入的示踪剂溶液的输移能力最大,而对第一、三阶段注入的示踪剂溶液的输移能力相对较小。

利用染色示踪和图像处理技术对土壤大孔隙进行定量研究

以太湖地区水稻土为例介绍了染色示踪和图像处理技术在土壤大孔隙定量化研究中的应用。剖面染色的区域是孔隙存在的地方,孔隙的孔径越大,充斥的染料溶液就越多,所染的颜色就越深。据此利用地理信息系统软件ArcGIS和遥感图像处理软件ERDAS对土壤剖面图像进行处理并进行颜色分级。从分级结果中提取代表土壤大孔隙的部分,计算大孔隙的含量。所得结果与土壤各层次的孔隙度、黏粒含量、饱和导水率变化趋势有很好的一致性。并且本文还对染色示踪法土壤孔隙定量的影响因素进行讨论。

论分形几何在土壤大孔隙研究中的应用

土壤大孔隙是普遍存在的现象,并非例外,它对水及溶质在土壤中的运移有着深刻影响。介绍了分形几何在确定土壤大孔隙分布中的应用。对含有各种大孔隙的南京原状土柱进行CT扫描实验,对CT扫描图像进行处理,得到大孔隙在土壤横断面的分布。指出南京土壤大孔隙的分布不具有分形结构,采用分形几何理论建立的描述土壤大孔隙大小分布的公式不具有普遍的适用性。

森林土壤大孔隙特征及其生态水文学意义

由于研究方法和目的的不同,土壤大孔隙的标准并不统一,一般认为土壤大孔隙的孔径在0.03～3mm;＞3 mm的孔隙相对于土壤结构而言非常巨大,水流在这些孔隙中的运动完全不同于土壤中的运动方式,因此一般土壤大孔隙研究中不包含这种成因的巨大孔隙.对于森林土壤而言,动物活动和根系作用是大孔隙形成的主要原因.研究土壤大孔隙经常采用的方法有染色法、CT扫描技术和入渗方法;由于土壤大孔隙的高度不规则性,常采用分形理论研究大孔隙的特征.水分在大孔隙中的快速运动是大孔隙流的主要特征,因此模拟大孔隙流时经常采用可将土壤分为快速运动区域和运动较慢区域两个部分的两区模型.壤中流是森林涵养水源和调节径流的主要方式,土壤大孔隙对壤中流的产生具有重要的影响.研究森林土壤大孔隙,可深化森林涵养水源机理的认识,不仅在理论上可加深理解森林调节水文的过程;在实践上用于预测土地利用变化对水资源和水环境的影响,为退耕还林、天然林保护工程的植被恢复重建提供理论与决策依据.

土壤大孔隙对坡面溶质流失的影响

以室内实验槽为平台,利用人工模拟降雨实验,研究了大孔隙对坡面Br-流失的影响。研究结果表明,大孔隙坡面的地面径流中Br-流失总量和平均流失速率均较无大孔隙坡面小。将大孔隙特征尺度、降雨强度、降雨历时、坡度和离子吸附系数作为模型的输入,坡面溶质累积流失量作为模型输出,建立了基于模糊神经网络的坡面溶质流失模型。并以160组实测数据为基础,对模型进行了仿真验证。仿真结果显示,坡面累积溶质流失量模拟仿真输出与实验测量输出基本一致,所建系统模型是有效的。