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荒漠绿洲湿地土壤优先流与水分入渗特征

生态学报 2020年第12期40卷 3979-3990页

作者：朱钊岑刘冰刘婵司瑞中国科学院西北生态环境资源研究院中国生态系统网络临泽内陆河流域研究站中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室兰州730000 中国科学院大学北京100049

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... 详细信息

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。

关键词：荒漠绿洲湿地土壤优先流染色示踪染色面积比染色路径

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半干旱区放牧管理草地土壤优先流特征及其影响因素研究

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节水灌溉 2023年第8期 110-120,128页

作者：侍世玲韩若琳蒙仲举内蒙古农业大学沙漠治理学院呼和浩特010018

为探究半干旱区不同放牧管理草地土壤优先流的特征,以内蒙古中部荒漠草原为研究对象,通过野外模拟染色示踪试验,并结合计算机图像处理技术对优先流的发育特征、发育程度以及影响因素进行系统研究,分析不同放牧管理对草地水分溶质运移的... 详细信息

为探究半干旱区不同放牧管理草地土壤优先流的特征,以内蒙古中部荒漠草原为研究对象,通过野外模拟染色示踪试验,并结合计算机图像处理技术对优先流的发育特征、发育程度以及影响因素进行系统研究,分析不同放牧管理对草地水分溶质运移的影响,以期为半干旱草原植被恢复和水土保持工作提供理论数据支撑。结果表明:①不同放牧管理草地土壤水分入渗深度空间异质性较强,禁牧草地水分入渗深度最大,波峰-波谷交替分布结构明显,入渗水流的非均匀性强。②不同放牧管理草地均有优先流现象发生,但程度和类型存在差异,均匀基质流主要分布在表层土壤,禁牧草地优先流发育程度最高。③土壤机械组成是影响半干旱区管理草地土壤优先流形成和发育的核心因素。综上所述,在半干旱草原区,禁牧草地具有更大的土壤水分入渗深度和优先流效应,可有效增加水分和养分输送,减少地表径流和养分流失,可作为半干旱草原地区的一种可持续的放牧管理实践。

关键词：水分运动路径放牧管理土壤优先流植被恢复草原

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有机肥施用量对残塬沟壑区苹果园土壤优先流特征的影响

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土壤 2020年第6期52卷 1272-1280页

作者：孟凡旭王树森马迎梅张淑媛秦富仓罗于洋王迪海郭宇郭向东程冀文张娜张平内蒙古农业大学沙漠治理学院荒漠生态系统保护与修复国家林业局重点实验室内蒙古自治区风沙物理与防沙治沙工程重点实验室呼和浩特010018 西北农林科技大学林学院陕西杨凌712100

为研究有机肥施用量对残塬沟壑区苹果园土壤优先流特征的影响,以残塬沟壑区苹果园为研究对象,采用室外染色示踪法结合形态学和统计学方法,对永寿县苹果园土壤垂直染色剖面进行定量分析,使用均方差决策法综合各优先流特征指标对0 kg/hm2(... 详细信息

为研究有机肥施用量对残塬沟壑区苹果园土壤优先流特征的影响,以残塬沟壑区苹果园为研究对象,采用室外染色示踪法结合形态学和统计学方法,对永寿县苹果园土壤垂直染色剖面进行定量分析,使用均方差决策法综合各优先流特征指标对0 kg/hm2(CK)、6000 kg/hm2(T1)、9000 kg/hm2(T2)、12000 kg/hm2(T3)四种不同有机肥施用量苹果园土壤优先流特征进行研究。结果表明:①不同有机肥施用量样地土壤染色面积比随土壤深度的变化状况均与Logistic曲线拟合程度较好,决定系数R2均大于0.986。②选用的优先流特征指标中基质流入渗深度、优先流分数、变异系数和分形维数与均方差决策法计算出的优先流发育程度结果一致,优先流发展程度表现为T3>T2>T1>CK。但平均最大入渗深度、优先流区染色面积比和长度指数在评价优先流程度中结果有些偏差,表现为T3>T2>CK>T1。③利用均方差决策法得到的优先流指数由大到小为:T3(0.75)、T2(0.59)、T1(0.27)、CK(0.25),随着有机肥施肥量的增加,优先流程度也随之增加。本研究可为土壤优先流特征综合评价提供参考,并为残塬沟壑区果园合理施肥提供依据。

关键词：残塬沟壑区苹果园染色示踪土壤优先流均方差决策法

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半干旱区放牧管理草地土壤优先流特征及其影响因素研究

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节水灌溉 2023年

作者：韩若琳侍世玲蒙仲举内蒙古农业大学沙漠治理学院

为探究半干旱区不同放牧管理草地土壤优先流的特征，以内蒙古中部荒漠草原为研究对象，通过野外模拟染色示踪试验，并结合计算机图像处理技术对优先流的发育特征、发育程度以及影响因素进行系统研究，分析不同放牧管理对草地水分溶质运... 详细信息

为探究半干旱区不同放牧管理草地土壤优先流的特征，以内蒙古中部荒漠草原为研究对象，通过野外模拟染色示踪试验，并结合计算机图像处理技术对优先流的发育特征、发育程度以及影响因素进行系统研究，分析不同放牧管理对草地水分溶质运移的影响，以期为半干旱草原植被恢复和水土保持工作提论理论数据支撑。结果表明：①不同放牧管理草地土壤水分入渗深度空间异质性较强，禁牧草地水分入渗深度最大，波峰-波谷交替分布结构明显，入渗水流的非均匀性强。②不同放牧管理草地均有优先流现象发生，但程度和类型存在差异，均匀基质流主要分布在表层土壤，禁牧草地优先流发育程度最高。③土壤机械组成是影响半干旱区纲目管理草地土壤优先流形成和发育的核心因素。综上所述，在半干旱草原区，禁牧草地具有更大的土壤水分入渗深度和优先流效应，可有效增加水分和养分输送，减少地表径流和养分流失，可作为半干旱草原地区的一种可持续的放牧管理实践。

关键词：水分运动路径放牧管理土壤优先流植被恢复草原

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

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广西植物 2022年第11期42卷 1854-1864页

作者：黄俞铭罗维钢胡钧铭韦翔华黄嘉琪陈仕林蒙炎成俞月凤李婷婷张俊辉周慧蓉黄忠华韦本辉陈渊广西大学农学院南宁530004 广西壮族自治区农业科学院农业资源与环境研究所南宁530007 南宁市灌溉试验站南宁530001 广西壮族自治区农业科学院经济作物研究所南宁530073

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... 详细信息

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。

关键词：保护性耕作秸秆覆盖土壤优先流甘蔗根系粉垄耕作

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黑龙江省东部山地针叶人工林土壤优先流及影响因素研究

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黑龙江省东部山地针叶人工林土壤优先流及影响因素研究

作者：艾力夏提·库尔班东北林业大学

学位级别：硕士

本文以黑龙江省东部山地樟子松(Pinus sylvestris ***)人工林和红松(Pinus koraiensis)人工林为研究对象,采用野外染色示踪法、PS 6.0和Arc Map 10.4图像处理方法相结合,分析土壤优先流的空间分布特征及形态特征。通过优先流区与基质流... 详细信息

本文以黑龙江省东部山地樟子松(Pinus sylvestris ***)人工林和红松(Pinus koraiensis)人工林为研究对象,采用野外染色示踪法、PS 6.0和Arc Map 10.4图像处理方法相结合,分析土壤优先流的空间分布特征及形态特征。通过优先流区与基质流区土壤容重、孔隙度、持水量、入渗特征及团聚体含量的差异,研究土壤物理性质对优先路径的影响。结合根长密度、根重密度、根表面积等指标,研究根系与优先路径之间的关系,明晰根系在土壤水分运移过程中的作用。可为东部山地水源涵养林涵养水源机理研究提供科学依据。研究发现:樟子松人工林和红松人工林都有明显的土壤优先流现象,以大孔隙流为主,具有环绕和快速入渗特征。樟子松人工林在10-40 cm土层范围内优先流现象最为明显,出现多条优先路径,示踪剂呈漏斗状集中快速向下运移,最大染色深度达到43 cm。红松人工林土壤优先流具有侧向入渗特征,最大染色深度可以达到45 cm。两种针叶人工林土壤总孔隙度、持水量和入渗特性随着土层的增加而减少,土壤容重与其相反。0-40 cm土层范围内,两种针叶人工林优先流区入渗速率均大于基质流区。樟子松人工林土壤团聚体以5-2 mm粒径为主,红松人工林土壤团聚体以2-1 mm粒径为主。樟子松人工林和红松人工林土壤染色面积比与总孔隙度、饱和持水量和田间持水量呈极显著正相关(p土壤容重呈极显著负相关(p土壤染色面积比与非毛管孔隙度呈显著相关关系(p土壤容重、总孔隙度、饱和持水量和田间持水量是影响土壤优先路径的主要物理性质。樟子松人工林和红松人工林根系主要分布在0-40 cm土层范围内,根长密度随着土层深度的增加而减少。樟子松人工林土壤染色面积比与1土壤优先流形成过程中起重要作用,促进了优先流的产生。红松人工林3优先路径产生过程中起重要作用。樟子松人工林d土壤容重、毛管孔隙度、总孔隙度、饱和持水量、毛管持水量和田间持水量等物理性质影响最大。红松人工林d土壤容重、毛管孔隙度、总孔隙度、饱和持水量、毛管持水量和田间持水量等物理性质,非毛管孔隙度主要受d>5mm根系的影响。

关键词：土壤优先流染色面积比孔隙度入渗特性持水性能根系特征

基于染色示踪图像的土壤优先流分割与量化系统

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基于染色示踪图像的土壤优先流分割与量化系统

作者：柏浩北京林业大学

学位级别：硕士

优先流作为土壤中常见的水分运动形式,探究其路径分布和发育状况,是当今土壤水文学的研究重点。由于土壤优先流路径复杂多变,以及现有图像处理软件分割困难且操作复杂的限制,优先流研究存在自动化程度低、鲁棒性差等问题。因此土壤优先... 详细信息

优先流作为土壤中常见的水分运动形式,探究其路径分布和发育状况,是当今土壤水文学的研究重点。由于土壤优先流路径复杂多变,以及现有图像处理软件分割困难且操作复杂的限制,优先流研究存在自动化程度低、鲁棒性差等问题。因此土壤优先流自动高精度分割是当下土壤优先流发育状况研究的难点。本文从土壤优先流路径分割和发育状况评价目标入手,采用染色示踪技术对两种林地土壤优先流过程观测,结合模糊聚类和深度学习理论,提出了自动化、智能化分割方法,实现了土壤染色示踪图像的高精度分割,并分析了两种林地土壤优先流的发育状况。具体包括:(1)提出基于H分量的改进模糊C均值聚类分割法针对现有染色示踪图像分割方法自动化程度低、分割精度差的问题,本文提出了基于H分量的改进模糊C均值聚类分割法(HM-FCM),该方法根据染色示踪图像在色调上差异较大的特点,提取图像的H分量,结合模糊C均值聚类以及形态学运算提高了染色区域的分割精度。通过与常用的软件比较表明,HM-FCM法具有较高的自动化程度和分割精度。(2)提出了基于双尺度混合域注意力残差模块的UNet模型针对HM-FCM方法存在的过分割问题,以及探索深度学习理论在土壤水文学领域应用的可行性,本文对比分析了3种深度学习语义分割模型(FCN、Deep Lab V3+和UNet),并在UNet模型的基础上结合不同尺度感受野以及注意力机制提出了基于双尺度混合域注意力残差模块的UNet模型(DMAR-UNet)。通过与HM-FCM和UNet比较证明,DMAR-UNet模型具有最佳的准确率(95.71%和93.29%)、精确率(93.67%和94.58%)和调和平均值(92.72%和91.82%)。(3)实现了两种林地土壤优先流特征的量化研究基于DMAR-UNet模型的分割结果图,对两种林地土壤优先流的发育状况展开了研究,通过多个指标系统分析了两种林地优先流的发育特征,从而证明了天然次生林的优先流现象更突出,而且最早出现优先流运动形式,同时两种林地优先流现象均呈现出环绕特征和空间变异性。

关键词：土壤优先流图像分割染色示踪技术深度学习量化分析

红壤丘陵区林地植物根系对土壤优先流的影响研究

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红壤丘陵区林地植物根系对土壤优先流的影响研究

作者：王小芳湖南师范大学

学位级别：硕士

土壤优先流在森林土壤水源涵养方面起着重要的作用,同时在地下水污染、滑坡和泥石流等的发生方面也具有一定的负面影响,越来越受到社会各界的关注。本研究以岳麓山三种不同的林分(乔木林、混交林、灌木林)为对象,通过染色示踪法与室内... 详细信息

土壤优先流在森林土壤水源涵养方面起着重要的作用,同时在地下水污染、滑坡和泥石流等的发生方面也具有一定的负面影响,越来越受到社会各界的关注。本研究以岳麓山三种不同的林分(乔木林、混交林、灌木林)为对象,通过染色示踪法与室内分析相结合的方法,定量分析根系特征与土壤优先流之间的关系,研究结果表明:(1)三种林分的根系特征分布结果如下:同一林分不同径级根系特征随土壤深度的分布特点为:就根长而言,乔木林和灌木林的细根(d≤1mm)与小根(1土壤深度的增加而递减,中根(3土壤深度的增加而递减,而小根根长则呈“S”型递减,中根根长在10-20cm 土层内达到最大值;三种林分不同径级根系的根体积、根表面积和根系生物量随土壤深度的分布规律与根长规律大致相似。三种林分d土壤深度的分布表明,根系垂直分布类型均为表层聚积生态位型,即浅根型,又根据不同径级根系的生态位分布可知,乔木林和灌木林为反“U”型(以1优先流特征结果如下:乔木林和灌木林的垂直剖面和水平剖面均显示染色面积比均随土壤深度的增加而递减,优先流主要发生在土壤表层。混交林表层染色明显,在20-25cm处再次出现染色面积比峰值区,存在明显的优先流现象。根据变异系数(C.V)可知,三种林分垂直方向上优先流的发育程度为:混交林>乔木林>灌木林,而根据三种林分不同土层的染色面积比可知,水平方向上优先流的发育程度为:混交林>灌木林>乔木林。(3)植物根系特征与土壤优先流之间的定量关系结果如下:根据乔木林和灌木林的根系特征与优先流面积比的线性回归结果可知,乔木林和灌木林d优先流具有促进作用,相对较粗的根系(3优先流无明显作用。然而混交林却是个例,各径级根系特征值和染色面积比随土壤深度的变化不同步,故根系与染色面积比之间并非绝对关系,土壤内部因素及其他因素也可造成结果的差异。研究林木根系与土壤优先流之间的关系,有利于地表水和地下水高效管理,对于预防水土流失、水质污染、壤内侵蚀、山区泥石流滑坡均具有指导意义。由于时间关系仅对三种林分冬季植物根系进行了研究,缺乏根系在时间尺度上的探究,且仅限于论证d优先流所产生的影响,而未分析d>5mm的粗根与优先流之间的相关关系。因此导致根系与优先流之间的关系论证不够全面,林木根系对土壤中优先流的影响机制还仅仅是初步的,有待进一步加强此类研究。

关键词：岳麓山土壤优先流植物根系染色示踪法

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南京紫金山枫香麻栎混交林土壤优先流研究

南京紫金山枫香麻栎混交林土壤优先流研究

作者：连经纬南京林业大学

学位级别：硕士

水文循环是城市森林效应的主要效应之一,优先流是城市森林水文循环的重要组成部分。本文在江苏长江三角洲城市森林生态定位站,选取南京紫金山典型植被枫香麻栎混交林为样地,运用染色示踪技术进行野外测定,探究不同模拟降雨强度优先流的... 详细信息

水文循环是城市森林效应的主要效应之一,优先流是城市森林水文循环的重要组成部分。本文在江苏长江三角洲城市森林生态定位站,选取南京紫金山典型植被枫香麻栎混交林为样地,运用染色示踪技术进行野外测定,探究不同模拟降雨强度优先流的发育情况,优先流区与基质流区土壤特性差异以及优先流对土壤养分分布的影响。研究结果如下:(1)紫金山枫香麻栎混交林土壤优先流区非毛管孔隙度显著高于基质流区,总孔隙度、毛管孔隙度无显著差异。非毛管孔隙度、非毛管孔隙度与总孔隙度的比值的增加会促进优先流的发育。紫金山枫香麻栎混交林土壤优先流区与基质流区中砂粒含量、团聚体R%和平均重量直径、有机质、无机碳含量无显著差异。土壤初始含水率的增加会促进优先流发育。(2)随着模拟降雨强度的增大,染色面积比和最大染色深度均有所增加。当模拟降雨强度由10 mm增加至50 mm时,最大染色深度则由17.72 cm增加至42 cm。在三种模拟降雨强度下,随着土层深度增加染色面积比均出现明显下降。降雨强度的增大,可以促进深层土壤优先流的发育,使水分向土层更深处流动,同时也会促进土壤的均匀下渗,较浅土层的优先流会转变为基质流,但若在试验土壤中出现大块砾石会改变优先流路径或阻断优先流路径。(3)土壤优先流发育程度越高,对土壤水溶性有机碳的贡献率越大(优先流染色面积比与优先流对水溶性有机碳的贡献率的相关系数为0.492),优先流发育程度的增强可以加大其对土壤水溶性有机碳分布的影响。土壤优先流的发育对土壤全氮、碱解氮、全磷和速效钾的分布具有影响作用,使其分布不均。土壤优先流区与基质流区全氮、碱解氮、全磷、速效钾含量均有显著差异。随着模拟降雨强度的增加,优先流发育程度越高,其对全氮、碱解氮的运移贡献率也逐渐增加。与全氮相比,优先流对碱解氮的贡献率对模拟降雨强度(相关系数为0.502)的改变更为敏感。模拟降雨强度较小和适中的情况下,优先流对土壤全磷的贡献率在各土层间无显著差异。模拟降雨强度较大时,优先流对土壤全磷的贡献率随土层深度的增加逐渐减小,0-10 cm和10-20 cm土层深度土壤优先流对全磷的贡献率显著高于20-30 cm土层。土壤优先流的发育对土壤全磷的分布产生影响。模拟降雨强度较小和适中的情况下,优先流对速效钾的贡献率随土层深度的增加呈现先增大后减小的趋势。模拟降雨强度较大时,优先流对速效钾的贡献率在各土层间无显著差异。(4)指数方程(y=?)是土壤养分与优先流染色面积比拟合最佳模型,优先流区水溶性有机碳、碱解氮、全磷、有效磷以及基质流区水溶性有机碳、碱解氮与土壤优先流染色面积比指数拟合的相关性均大于0.5。在土壤养分与优先流的相互作用中,水溶性有机碳、碱解氮、全磷、有效磷含量对优先流染色面积比的形成有一定的影响。

关键词：土壤优先流养分分布枫香麻栎混交林城市森林