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。

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。

辣椒根系影响下的农地土壤水分空间运动分异特征

根系是土壤层中重要的组成结构,根土环境影响田间作物生长发育。为探究作物根系对农地土壤水分空间运动异质性的影响,进一步反映根土环境对农业生产的作用,该研究以辣椒为试验作物,于2022年9月20日—2022年9月23日开展野外染色示踪试验,结合形态学图像解析技术与灰色系统理论,对作物根系影响下的农地土壤水分空间运动变化进行分析。结果表明:辣椒根系接近鱼尾形结构,根系体积相对较大,根系扎根深度和根系广度(根系形态)与根系结构相关程度高(P<0.05)。在相同外部供水条件下,非根区的水分整体分布在田间土壤表层(平均狭长度为0.89),而根区土壤水分在整个土壤深度(0~50 cm)空间内沿深度由整体向团状聚集状态再向“指状”(平均狭长度为0.61)形态转变。非根区和根区的土壤平均染色面积比均随土壤深度增加而减小,但根区平均染色面积比(36.84%)显著高于非根区(23.62%),土壤水分分布更集中。非根区水分沿土壤深度的增加,其运动变化程度(平均湍动强度为116.09)显著高于根区(P<0.05),在根系的影响下,水分竖向入渗能力较强。相较于根系结构,根系形态对土壤水分运动影响更显著,其中比根长对土壤水分湍动强度影响最大(灰色关联度为0.984)。可见,田间根系周围的土壤水分运动较活跃,根系的作用能增加其下方土壤水分的入渗能力,研究为提高辣椒水分利用效率提供理论支撑。

永定河典型护岸植被土壤水分入渗特征及影响因素

为探究永定河岸坡缓冲带不同护岸植被覆盖下土壤水分入渗状况及植被根系对其影响,为区域河岸带生态修复和水资源保护提供参考,选取永定河流域典型护岸植被柳树林、荆条林、狗尾草地为研究对象,通过亮蓝染色法结合Photoshop、Image Pro6.0等图像处理技术,基于分形维数和多指标评价法定量评价了优先流发育程度,并探讨了不同植被根系对优先流的影响。结果表明:①研究区3种植被类型覆盖地土壤均存在水分优先入渗现象,土壤染色面积比随土层深度增加而逐渐减小,柳树林地平均染色面积比(38.32%)最大,为荆条林地和狗尾草地的1.11倍和1.37倍。狗尾草地的长度指数、优先流分数均显著低于柳树林地(P<0.05),3种植被覆盖地基质流深度无显著差异。②以优先流评价指数和分形维数评价优先流发育程度的结果呈一致,为柳树林地>荆条林地>狗尾草地,柳树林地的湿润锋迹线破碎化程度最高,优先流发育最显著。③有机质、非毛管孔隙度和根长密度对水分入渗均具有显著影响,总根长密度、非毛管孔隙度与染色面积比呈显著正相关,≥1 mm根系根长密度、有机质含量与分形维数呈显著正相关。3种植被覆盖地染色面积比和根长密度关系曲线拟合较好。总之,在外界条件相同的情况下,柳树林地水分优先入渗现象最明显;植物根系的径级、密度对优先流的发育具有显著影响,≥1 mm根系越丰富优先流现象越明显,而径级<1 mm的根系主要促进表层土壤水分均匀入渗。

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。

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。

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(43cm)明显大于秋翻土壤(27cm).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.

鄱阳湖换水周期与示踪剂传输时间特征的数值模拟

在复杂湖泊水动力环境作用下,换水周期和传输时间变化直接影响着污染物的迁移和转化.本文运用数值模拟方法,定量研究了季节水情动态下鄱阳湖换水周期和示踪剂传输时间的空间分布.结果表明,不同季节下鄱阳湖换水周期均具有较高的空间异质性,贯穿整个湖区的主河道换水周期约<10 d,大多湖湾区的换水周期则长达300多天.尽管不同季节下换水周期空间分布格局几乎相似,但受鄱阳湖水动力场的季节变化影响,夏、秋季的换水周期要明显大于春、冬季.基于换水周期频率分布曲线的统计表明,80%的鄱阳湖区的换水周期约<30 d,其余湖区换水周期为几十天至几百天,表明鄱阳湖应该更加确切地描述为一个快速换水和慢速换水同时共存的湖泊系统.鄱阳湖示踪剂传输时间介于4~32 d,夏、秋季的传输时间(11~32 d)约为春、冬季(4~8 d)的4倍,主要与鄱阳湖季节性水情特征及示踪剂的迁移路径有关.本文所获取的换水周期和示踪剂传输时间的时空分布信息可为今后鄱阳湖水质、水环境和生态系统管理和维护等方面提供重要科学参考.

黄淮海平原三种土壤中优势流现象的试验研究

在黄淮海平原选择三种不同质地类型的土壤（砂壤土，淤土，风沙土），各设1．5m×1．5m两个小区，其中一个小区在试验开始前两天灌水约56kg，以获得不同的初始含水量。将100mm含有染色剂亮蓝的水灌入小区，一天之后，开挖1m×1m的剖面拍照，进行图像分析处理，计算剖面中染色百分比随深度的变异，研究所形成的优势流的状况与土壤类型、土壤初始含水量的关系。结果表明：不同土壤发生优势流的程度不同，结构发育好的土壤更容易形成优势流；在风沙土和砂壤土上初始含水量影响优势流形成的程度，初始含水量越高，优势流现象越明显，但在本试验设置的含水量条件下这种差异在淤土上是不显著的。在比较容易形成优势流的砂壤土上进行的多效唑和非反应性阴离子（氯离子）的优势迁移研究表明：氯离子极易随水分迁移，在优势流存在的地方采集土壤样品均得到其氯离子含量远远高于土壤本底值的结果；对于迁移性一般的多效唑，在染色剂到达的最大深度亦能测得其存在。

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。

稻田-田埂过渡区土壤优先流特征研究

为揭示田埂对稻田—田埂过渡区土壤水分渗漏的影响,对比不同位点(田内、过渡带和田埂)优先流特征差异,采用室外亮蓝染色示踪方法,对江汉平原典型稻田—田埂过渡区进行研究。结果表明:过渡区土壤染色面积比(SAR)随深度的增加呈波动下降,其中0~20cm土层SAR较高,占剖面总SAR的53.85%~88.55%。不同位点土壤SAR差异明显,0~20 cm土层平均SAR由大到小依次为田内、过渡带、田埂,20 cm以下各位点SAR均较低,但田埂平均SAR高于田内。各位点水平剖面染色结果与垂直染色结果能较好对应,且随着深度增加,土壤染色区域急剧减少。各位点染色路径数(SPN)与SAR显著相关,田埂中、下层土壤SPN均高于田内。染色路径宽度(SPW)结果显示,0~20 cm田内以10~80 mm和大于80 mm SPW为主,过渡带和田埂大于80 mm SPW较少,均以小于10 mm和10~80 mm为主。各位点SPW的差异反映在水流类型上,田内为非均质指流—高相互作用大孔隙流,过渡区和田埂以混合作用大孔隙流—高相互作用大孔隙流为主。水分渗漏路径结果显示,田内水分由过渡带和田埂的垂直和侧向渗漏较强,且田沟田埂侧向流较田间田埂明显。田埂是稻田水分快速流失的主要区域,加剧了稻田水肥流失和水环境污染风险。本研究可为稻田水分保持和制定合理施肥、灌溉等措施提供依据。

土壤类型对优先流路径和磷形态影响的定量评价

以中国贡嘎山由青灰色砂质冰水堆积物发育而成的疏松岩性土壤和德国厄尔士山渍水土壤优先流路径为研究对象,通过野外染色示踪试验和改进的Hedley磷形态提取法,使用优先流染色面积比和优先流程度评价指数定量评价不同类型土壤的优先流程度,通过相关关系分析进一步揭示不同土壤类型中优先流路径对磷形态分布的影响。结果表明:贡嘎山和厄尔士山优先流图片总染色面积比分别为31%和52%,厄尔士山渍水土优先流比贡嘎山疏松岩性土发育较好。贡嘎山疏松岩性土壤优先流发育程度与潜在生物可利用无机磷和有机磷贡献率显著正相关,而即时生物有效无机磷和磷灰石磷与厄尔士山渍水土壤优先流发育程度显著正相关。土壤类型影响优先流路径分布和土壤磷形态分布,从而影响土壤磷赋存状况和下游水质安全。

多孔介质中非均匀流动特性的染色示踪试验研究

通过土壤染色剂进行的4组试验,对不同介质结构条件下的水流和溶质非均匀运动规律,非均匀流动变异信息分布特征关系以及全局性非均匀流动示踪方法进行了研究。结果表明,即使在相对比较均匀的介质条件下,流动也表现出明显的非均匀特性;对数正态分布能够较好的反映水流的运动分布模式,相比水流运动,溶质的运动和分布规律明显不同,表现出更多的不确定性和变异性。

基于多指标评价和分形维数的坡耕地优先流定量分析

以重庆紫色砂岩区坡耕地田间染色示踪试验为基础,采用形态学和统计学方法,对3种坡耕地土壤剖面染色图像进行指标提取,运用多指标评价法确定了优先流指数PFI,并结合几何学中的分形理论,定量评价了土壤优先流的发育程度。结果表明:6个优先流特征指标(优先流区染色面积比、基质入渗深度、优先流分数、长度指数、峰值指数和变异系数)均表现出南瓜地和柑橘地的优先流程度高于玉米地;优先流指数PFI由大到小为南瓜地(0.88)、柑橘地(0.77)、玉米地(0);通过Fractal Fox 2.0软件计算得到的优先流湿润峰迹线分形维数由大到小为南瓜地、柑橘地、玉米地。与土壤优先流指数PFI进行比较,所得结果基本一致,说明利用分形维数来评价土壤优先流发育程度是准确可行的。

采用染色示踪技术的土壤优先流自动分割与量化系统

针对土壤染色图像色度不一致、染色/非染色区域对比度低的特点,以及现有土壤染色图像分割方法自动化程度弱的问题,该研究提出一种土壤优先流自动分割与量化系统。该系统采用基于H分量改进的模糊C均值方法(Fuzzy C-Means Based on H Component and Morphology,HM-FCM)实现染色区域的自动分割,运用数学统计法提取总染色面积比、基质流深度、优先流比等特征参数,实现对土壤染色区域的量化分析,以揭示优先流的发育程度。并基于2种林地染色图像验证了系统性能。试验结果表明:1)HM-FCM法对于天然次生林和榛子林图像均具有最佳分割效果,其分割准确率为87.9%和83.3%,调和平均值为90.5%和80.3%;2)2种林地土壤染色区域总体集中于0~50 cm土层,优先流具有不同发育程度(P<0.05)。该系统可为优先流路径的空间演变提供技术支持和理论依据。

旱耕地土壤磷垂直迁移机理的研究

为了解磷素在土壤剖面中淋溶及迁移机理,选择有较长施肥历史的3个旱地土壤,用亮蓝溶液染色鉴定了优势流途径,并分离和采集被染色剂染色和不染色的土样,分析了土壤全磷、有效磷的垂直分布。结果表明,供试土壤中磷的迁移存在基质流和优势流2种途径,心土层以下染色部分土壤的磷含量明显高于不染色部分土壤,基质流迁移磷的深度与土壤磷的饱和吸附量成反比;土壤中优势流区域从上至下变小,但优势流磷迁移比基质流深得多,优势流磷迁移深度与基质流磷迁移深度的比值随土壤粘粒含量的增加而增加。

染料示踪法联合荧光示踪法提高乳腺癌前哨淋巴结活检术成功率

背景近年来乳腺癌前哨淋巴结活检术(SLNB)愈来愈受到重视,而示踪剂的选择对于其成功率至关重要。目的评价染料示踪法联合荧光示踪法在乳腺癌SLNB中的临床有效性以及应用价值。方法选取2010年1月—2015年9月同济大学附属杨浦医院乳腺外科符合纳入标准的原发性浸润性乳腺癌患者449例为研究对象。采用随机数字表法将患者分成A组(226例,采用染料示踪法)和B组(223例,采用染料示踪法联合荧光示踪法)。收集患者一般资料〔包括年龄、体质指数(BMI)〕,计算各组患者SLNB成功率。将患者以BMI(≤22.5 kg/m2和>22.5 kg/m2)、年龄(≤55岁和>55岁)进行分层分析。结果 A组患者年龄、BMI小于B组(P<0.05)。223例BMI≤22.5kg/m2患者中,采用染料示踪法联合荧光示踪法SLNB成功率〔94.7%(108/114)〕高于采用染料示踪法〔78.0%(85/109)〕〔OR=5.082,95%CI(1.988,12.993)〕。226例BMI>22.5 kg/m2患者中,采用染料示踪法联合荧光示踪法SLNB成功率〔85.3%(93/109)〕高于采用染料示踪法〔63.2%(74/117)〕〔OR=3.378,95%CI(1.763,6.471)〕。不同BMI层之间同质(χ2BD=0.495,P=0.482)。去除BMI的混杂作用后,采用染料示踪法联合荧光示踪法SLNB成功率高于采用染料示踪法(χ2MH=25.979,P<0.001,ORMH=3.896)。244例≤55岁患者中,采用染料示踪法联合荧光示踪法SLNB成功率〔92.6%(112/121)〕高于采用染料示踪法〔75.4%(94/123)〕〔OR=3.928,95%CI(1.731,8.515)〕。205例>55岁患者中,采用染料示踪法联合荧光示踪法SLNB成功率〔87.3%(89/102)〕高于采用染料示踪法〔63.1%(65/103)〕〔OR=4.002,95%CI(1.975,8.111)〕。不同年龄层之间同质(χ2BD=0.006,P=0.939)。去除年龄的混杂作用后,采用染料示踪法联合荧光示踪法SLNB成功率高于采用染料示踪法(χ2MH=26.686,P<0.001,ORMH=3.928)。Logistic回归分析结果显示,示踪法、BMI、年龄是SLNB结果的影响因素(P<0.05)。Logistic回归模型分类预测准确率为80.2%。结论染料示踪法联合荧光示踪法可有效提高乳腺癌SLNB成功率,值得临床推荐使用。

土壤水入渗均匀特性的染色示踪试验研究

利用土壤染色示踪剂,对初始水头分别为1.25,2.5和5.0 cm三种情况下的实际入渗模式进行了全局性的观测。染色水流经过的区域被染色,通过照相记录染色分布获得实际流动模式,在此基础上,对水流运动的均匀性进行分析和评价。结果表明:即使在相对均匀的介质条件下,流动也表现出非均匀运动特性,入渗的均匀程度表现出随入渗水量的增加而增大的趋势,但过多的增加入渗水量,对于均匀程度的影响是有限的。

两种常用染色剂管道及淤泥条件下示踪及对比——以丁旗地下河连通试验为例

通过对丁旗地下河同一投放点同时开展二元示踪试验,探讨了当前被忽略的不同示踪剂应用对比及回收率合理性等问题。在淤泥沉积的地下河管道及流量和浊度稳定条件下,得出主要结论:(1)荧光素钠、罗丹明B回收率分别为53.91%和40.72%,前者比后者少损失13.19%;其中荧光素钠在主峰和缓慢衰减段排出量分别占85.03%和14.97%,罗丹明B则对应为65.88%、34.12%;(2)荧光素钠对应峰值的回收强度为罗丹明B的2.95倍且最大峰值出现时间比后者提前2h;(3)罗丹明B由于吸附等形成的浓度曲线对管道结构分析有可能产生误导,荧光素钠则相对更准确。

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。