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寒区土壤水运移研究热点与进展--基于科学计量分析法的可视分析

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绿色科技 2023年第2期25卷 29-35页

作者：孙佳歆杜崇胡金辉王宁李赞黑龙江大学水利电力学院黑龙江哈尔滨150080 中俄寒区水文水利工程联合实验室黑龙江哈尔滨150080

基于CiteSpace可视化软件对CNKI和WOS数据库共30000余篇文献进行了分析,通过关键词、发文机构、发文作者等特征对有关寒区土壤水运移的文献进行了统计分析。结果表明:寒区土壤水运移方向的研究方法包括数值模拟,实验研究与实地观测;研... 详细信息

基于CiteSpace可视化软件对CNKI和WOS数据库共30000余篇文献进行了分析,通过关键词、发文机构、发文作者等特征对有关寒区土壤水运移的文献进行了统计分析。结果表明:寒区土壤水运移方向的研究方法包括数值模拟,实验研究与实地观测;研究的主要地区集中在我国中西部地区;其中水热耦合研究是当前关注的重点,针对水热盐运移实验观测和模型规律的研究较少,然而通过近20年的发文量呈现出上升趋势,并且具备了一定的规模。随着气候变化引起的冻土退化程度更加明显,更多的衍生问题被暴露出来,总的来看,为加强对寒区生态环境的保护,有关寒区土壤水分运移的研究开始呈现出精细化、多学科交叉等发展前景。

关键词：寒区土壤水运移 CiteSpace 文献计量学研究进展

不同下垫面和降雨条件下土壤水运移模拟与响应规律研究

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不同下垫面和降雨条件下土壤水运移模拟与响应规律研究

作者：岳小雨中国矿业大学

学位级别：硕士

土壤水作为水资源的重要组成部分,对农作物生长、区域水土保持以及改善生态环境等领域有重要作用。降雨是北方区域土壤水的主要补给来源,下垫面条件影响土壤水的运移,因而原状土条件下的土壤水分运移更具由研究价值。华北土石山区土壤... 详细信息

土壤水作为水资源的重要组成部分,对农作物生长、区域水土保持以及改善生态环境等领域有重要作用。降雨是北方区域土壤水的主要补给来源,下垫面条件影响土壤水的运移,因而原状土条件下的土壤水分运移更具由研究价值。华北土石山区土壤水分动态变化区域代表性强,可为典型区域土石山区土壤水分动态运移规律的研究提供依据。本文选取典型场次降雨,在实际降雨条件下研究下垫面不同的两块试验小区土壤水对降雨的响应情况;建立研究区土壤水运移模型,通过率定和验证确定研究区的土壤水力特性参数;分析土壤渗透系数、潜在蒸发系数、不同雨量和不同降雨历时四种因素对区域土壤水运移的影响效果探究不同下垫面条件和降雨条件下土壤水运移响应规律,最终得到以下规律:（1）流域土层0-10cm为水分速变层,20cm-50cm为水分活跃层,60cm以下为水分稳定层;两个试验小区的土壤颗粒机械组成不同,林木茂盛的松林小区与灌草地荒坡小区相比,松林小区渗透系数大、植被覆盖度高,因此松林小区均质性较高,上下剖面对降雨的响应效果一致,荒坡小区上下剖面异质性显著,深部土层上下剖面土壤水响应时间减少0.5h-1h,峰值增量速度相差超过20%;（2）区域内建立土壤水分运移模型,均方根误差（RMSE）小于2%、绝对误差（MAE）在1.5%左右,相对误差（RE）控制在10%以内;HYDRUS-2D软件对华北土石山区土壤水分运移的适用性,对其他半干旱土石山区土壤水分运移模拟具有较强的参考意义,也为区域水土保持和建立灾害预警机制提供技术支撑;（3）潜在蒸发速率与响应时间和土壤水峰值增量速度相关性低,Pearson相关系数不超过0.2;在50cm土层厚度土壤水对降雨的响应时间上的Pearson相关系数:土壤渗透系数＞降雨历时＞雨量＞蒸发速率,土壤渗透系数和降雨历时与土壤水对降雨的响应时间均为强相关,Pearson相关系数高于0.9;雨量、降雨历时和渗透系数均与土壤水分峰值增量速度显著相关,相关系数最高分别为0.781、0.625和0.992。研究不同下垫面条件和降雨条件对土壤水运移响应的影响效果,为区域水土保持工作的深入开展以及水资源的有效利用提供理论和技术参考。

关键词：下垫面降雨条件土壤水运移 HYDRUS-2D

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接菌影响模拟重构土层水分布及水同位素分馏

煤炭科学技术 2023年第9期51卷 274-283页

作者：毕银丽田乐煊柯增鸣西安科技大学西部矿山生态环境修复研究院陕西西安710054 中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083

水资源决定着生态恢复过程中的植被结构和种类,是矿区实现绿色生产、生态修复的主要限制因素。为了研究半干旱煤矿区接种丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhiza Fungi,AMF)对植物根系提水、模拟土壤水分分布及水同位素分馏的影响,本研究... 详细信息

水资源决定着生态恢复过程中的植被结构和种类,是矿区实现绿色生产、生态修复的主要限制因素。为了研究半干旱煤矿区接种丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhiza Fungi,AMF)对植物根系提水、模拟土壤水分分布及水同位素分馏的影响,本研究以玉米为供试植物,布设室内分层土柱模拟试验。设置纯土柱(CK1)、土柱+玉米(CK2)、土柱+接菌玉米(AMF)三个处理,每个处理3个重复,测定土柱毛细水上升高度、土壤含水率以及玉米茎水与土壤水的氢氧同位素。分析了不同处理之间玉米生长发育情况、水分运移规律以及不同深度土壤水同位素分馏的差异,结果表明:①接菌有效促进玉米生长发育,株高、地上生物量、地下生物量、总根长比CK2处理分别提高15.78%、23.39%、43.40%、21.0%。②AMF促进根系吸收底部黏土层内的蓄水,提高毛细水上升高度18.9%,玉米吸水空间扩大约50%,进而影响土柱水分分布。③土柱表层、深层土壤水与初始水相比分馏差异较大。在表层0~10 cm处,CK2与AMF处理的18O、2H富集系数显著低于CK1处理,在深层60~70 cm处,AMF处理的18O、2H富集系数显著高于CK2处理,表明AMF可以增强深层土壤水同位素分馏的现象。综上,接菌可以提高玉米对重构土层内深部土壤水的吸收,促使根系通过提水效应反释至上部干燥土壤,提高水分重分配能力,影响不同深度的土壤水同位素分馏,该结果为解决半干旱煤矿区排土场土地复垦水资源短缺问题提供了科学依据和技术支持。

关键词：矿区生态修复土柱试验丛枝菌根水同位素分馏土壤水运移提水作用

单次和间歇性降雨下紫色土坡地壤中硝氮迁移特征

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水土保持学报 2022年第1期36卷 24-29页

作者：谢梅香洪大林付静张展羽郑成鑫张平仓南京水利科学研究院农村水利研究所南京210029 河海大学水利水电学院南京210098 长江科学院水土保持研究所武汉430010

为探究不同降雨条件下不同观测时期硝氮在紫色土坡地中的迁移特征,通过室内土槽和人工模拟降雨装置,设置单次降雨和间歇性多次(12次)降雨条件,分别探讨短时期和长时期下的紫色土壤中硝氮迁移特征。结果表明:在单次降雨后短期内紫色土坡... 详细信息

为探究不同降雨条件下不同观测时期硝氮在紫色土坡地中的迁移特征,通过室内土槽和人工模拟降雨装置,设置单次降雨和间歇性多次(12次)降雨条件,分别探讨短时期和长时期下的紫色土壤中硝氮迁移特征。结果表明:在单次降雨后短期内紫色土坡地距地表15 cm处土壤水和硝氮均匀地向下距地表35 cm土壤坡脚处迁移,而在间歇性12次降雨条件下,前6次降雨中观测点硝氮浓度由初始345.7 mg/L急速下降至99.7 mg/L;第7次到第9次降雨过程中硝氮浓度由平均值69.7 mg/L缓慢减少至52.0 mg/L,在最后的降雨中趋于稳定不变。随着降雨发生,硝氮在土壤中主要向下迁移,且坡顶处硝氮的迁移幅度最小,壤中流携带流失的硝氮浓度值约为土壤中硝氮浓度值的1/3。整体上壤中硝氮流失呈现出初期3次降雨后快速下降的趋势。研究结果从间歇性降雨的全新视角为紫色土坡地硝氮迁移流失特征研究提供依据和参考。

关键词：单次降雨间歇性降雨土壤水运移壤中流硝氮迁移硝氮流失量

降雨入渗和再分布对边坡土壤水分运移的数值模拟研究

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系统仿真学报 2009年第1期21卷 43-45,49页

作者：梁冰王永波赵颖刘磊孙维吉辽宁工程技术大学力学与工程学院阜新123000

根据饱和-非饱和土壤水分运移的混合型Darcy-Richards方程,建立了降雨入渗和再分布条件下非饱和边坡土壤水分运移模型,并采用有限差分方法对模型进行数值求解,选取广州西二环高速公路C10标的路堑边坡进行降雨入渗和再分布下坡面土壤水... 详细信息

根据饱和-非饱和土壤水分运移的混合型Darcy-Richards方程,建立了降雨入渗和再分布条件下非饱和边坡土壤水分运移模型,并采用有限差分方法对模型进行数值求解,选取广州西二环高速公路C10标的路堑边坡进行降雨入渗和再分布下坡面土壤水分分布的动态规律研究。模拟结果表明:随着降雨历时的增加,湿润锋面逐渐向下推进,当入渗时间达到8小时后,土壤中体积含水量达到饱和含水量。降雨5小时后停止降雨,分析边坡表层土壤再分布下含水量的递减随时间的变化关系为y=0.25262+0.1742exp(-t/8.70805)。数值模拟及分析结果可为边坡排水加固设计提供定量依据,并对边坡稳定性评价具有理论意义和现实意义。

关键词：体积含水量降雨入渗湿润锋面土壤水运移

滇东南喀斯特小生境土壤水来源与运移的稳定同位素分析

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福建农林大学学报（自然科学版） 2020年第4期49卷 540-549页

作者：牟洋范弢户红红云南师范大学旅游与地理科学学院/云南省高原地理过程与环境变化重点实验室云南昆明650500

选择滇东南普者黑峰林湖盆区内菜花箐上坡位石沟、中坡位土面和下坡位土坡3个喀斯特小生境,通过对降水、表层岩溶水、土壤水及优势树种木质部水进行氢氧稳定同位素测定,探讨喀斯特小生境土壤水运移机制及影响因素.结果显示:(1)土壤水分... 详细信息

选择滇东南普者黑峰林湖盆区内菜花箐上坡位石沟、中坡位土面和下坡位土坡3个喀斯特小生境,通过对降水、表层岩溶水、土壤水及优势树种木质部水进行氢氧稳定同位素测定,探讨喀斯特小生境土壤水运移机制及影响因素.结果显示:(1)土壤水分主要来源于大气降水和表层岩溶水,石沟土壤容重小,孔隙度大,水分状况良好,雨季表层土壤水δ18O变异程度大,旱季时表层和深层土壤水δ18O变异程度较小,土壤水活塞流和优先流并存,以优先流补给为主;(2)土面上层土壤非毛管孔隙度大,降水快速下渗,雨季各层土壤水δ18O变异程度高,旱季较低,深层出现最低值.运移模式多为活塞流,植被优势种清香木旱季利用浅层土壤水较多,雨季利用表层岩溶水较多;(3)土坡蒸发作用弱,深层土壤水δ18O变化范围缩小,雨季表层变异大于深层,旱季时深层变异程度大.基质流混合作用强,以活塞流运移为主,上层存在优先流.随着植被恢复,清香木和云南松相比于灌丛更趋向于利用表层岩溶水等稳定的水源.

关键词：喀斯特小生境土壤水运移 δ18O示踪滇东南普者黑峰林湖盆区

不同雨型条件下杨树人工林对降雨再分配和土壤水分运移的影响

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不同雨型条件下杨树人工林对降雨再分配和土壤水分运移的影响

作者：赵家辰北京林业大学

学位级别：硕士

杨树作为北方地区生态修复的常见树种,其促进降雨蓄渗、水源涵养的生态服务功能对于生态水文循环有重要的意义。因此,该研究以欧美杨(Populus×euramericana)人工林生态系统为研究对象,对冠层水文过程、大气环境因子和土壤水分等因子开... 详细信息

杨树作为北方地区生态修复的常见树种,其促进降雨蓄渗、水源涵养的生态服务功能对于生态水文循环有重要的意义。因此,该研究以欧美杨(Populus×euramericana)人工林生态系统为研究对象,对冠层水文过程、大气环境因子和土壤水分等因子开展实地长期观测,采用聚类分析对降雨进行雨型分析,建立GASH模型量化分析冠层降雨再分配过程,利用Hydrus-1D多孔溶质运移模型模拟了同期土壤水分运移过程,并结合实测数据对模拟结果进行率定和验证。旨在科学评价欧美杨人工林在不同降雨类型条件下的降雨再分配过程及其对土壤水分运移的影响。结果表明:(1)实验期内,观测到降雨77场,总量为665.9mm,降雨天数达89天。夏季达到降雨峰值。根据雨量、历时、平均雨强以及前30min雨强,依据聚类分析原理,可将降雨类型分为四类。I类降雨为低雨量(均值2.18mm),短历时(均值197.94min),小雨强(均值1.41mm/h),划分为小雨;II类降雨为极高雨量(116.80mm),长历时(2649.60min),高雨强(2.64mm/h),划分为暴雨;III类降雨为中雨量(均值11.44mm),中历时(均值527.38min),中雨强(均值1.76mm/h);IV类为较高雨量(均值23.55mm),中历时(均值518.15min),高雨强(均值7.10mm/h),III类和IV类划分为中雨。(2)穿透雨量占同期降雨总量的67%,与林外降雨呈显著相关。其中,II型和IV型降雨对穿透雨雨量贡献较高,分别占穿透雨量的40%与37%。II型降雨与III型降雨穿透雨率达到70%。不同雨型条件下,林内穿透雨相对于林外降雨延滞的特征不同。II型降雨条件下,穿透雨在开始阶段延滞时间较其他类型最短(6.52 min),并提前于林外降雨结束,相对于林外降雨历时缩短。而其他雨型条件下,穿透雨在开始和结束时间均滞后于林外降雨。在所有雨型条件下,穿透雨开始时间较林外的延滞时间与平均雨强、前30min雨强均呈极显著负相关,结束时间的延滞与降雨历时呈显著负相关,与平均雨强呈极显著正相关。穿透雨历时与林外降雨历时呈极显著负相关,与平均雨强呈极显著正相关。(3)树干茎流量占同期降雨总量的7%,与林外降雨量和降雨强度呈显著正相关。其中,IV型降雨对树干茎流量的贡献较高,占树干径流量的48.1%。IV型降雨条件下,树干茎流率最高,达到9%。树干茎流相对于林外降雨的开始和结束时间相对滞后。其中,开始时间和结束时间的滞后以及树干茎流历时的延长受降雨特征影响显著。开始时间延滞与降雨强度呈显著负相关,与前30min降雨强度呈极显著负相关。结束阶段延滞仅与林外降雨量显著正相关。树干茎流历时的延长与林外降雨强度呈显著正相关。在树体形态因子中,胸径与树干茎流量显著正相关。(4)冠层截留量占同期降雨总量的36%,与林外降雨特征均显著相关。截留率在不同雨型下存在差异,I型降雨截留率达到52%,而IV型降雨截留率仅为27%。实测冠层截留量为245.6mm。Gash模型模拟结果较实测值低6.1%,Nash-sutcliffe效率系数达到0.74,能够较好地对欧美杨人工林冠层截留过程进行模拟。(5)林内枯落物平均厚度为56.5mm,平均实际持水量为14.18 t·hm,在吸湿过程的前5min吸水能力最佳,干燥过程强度随时间延长而递减。降雨发生后,林内土壤水增加至其补给最大值的平均历时为628.3min,而林外只有516min。林内土壤水补充时间与前30min降雨强度呈极显著正相关。土壤水补给量与降雨量、前30min降雨强度均呈显著正相关。Hydrus-1D对林内与林外各层土壤模拟的RMSE达到1～2%之间,RMAE范围在2%～13%之间,NSE均大于0,且部分土壤层达到95%以上,表明其对沙质土壤条件下欧美杨人工林土壤水变化情况模拟较好。通过Hydrus模拟不同雨型条件下土壤水分运移情况,发现在林内土壤湿润锋运移较林外缓慢,表明林内土壤对降雨的缓冲能力优于林外土壤。研究表明,欧美杨人工林对降雨再分配过程能够延长林内降雨历时,削弱林内雨强,同时延长了土壤水分入渗过程的持续时间,提升了土壤持续接收水分补给的能力与缓冲降雨的土壤侵蚀能力。对科学评估欧美杨人工林生态水文功能具一定意义。

关键词：冠层降雨再分配 Gash模型土壤水运移 Hydrus-1D 欧美杨人工林

峰林湖盆区土壤水分运移变化过程的稳定同位素研究

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峰林湖盆区土壤水分运移变化过程的稳定同位素研究

作者：布亚召云南师范大学

学位级别：硕士

土壤水是水分循环过程中的重要环节,土壤水分组成及运移的研究对实现土壤水和地下水的有效利用具有理论和现实意义,本文以峰林湖盆区云南松林、清香木天然次生林、小叶羊蹄甲石灰岩灌丛三种不同植被覆盖样地为研究对象,对样品测定的数... 详细信息

土壤水是水分循环过程中的重要环节,土壤水分组成及运移的研究对实现土壤水和地下水的有效利用具有理论和现实意义,本文以峰林湖盆区云南松林、清香木天然次生林、小叶羊蹄甲石灰岩灌丛三种不同植被覆盖样地为研究对象,对样品测定的数据运用Excel进行预处理,相关图表用Grapher进行绘制。不同水体水样δD和δO的关系采用相关性分析法和回归分析法,植物水分利用情况运用Iso Source模型进行分析,通过对研究区2014-2015年采集到的200个不同水体样品分析后,得到如下结论:(1)研究区当地大气降水线δD=7.68δO+11.29(R=0.99,n=12)研究区大气降水中δO值波动范围-14.4‰.5‰,平均值-7.1‰;δD波动范围-103.2‰6.1‰。氘盈余d值表现出明显的季节变化,雨季较低,旱季较高。温度效应极弱,降水量效应存在但较弱。(2)三种样地土壤含水率特征均表现为雨季高于旱季,深层高于表层,清香木天然次生林>云南松林>小叶羊蹄甲石灰岩灌丛。研究区土壤水δO和δD线性相关性极其显著,其拟合曲线方程为δD=7.23δO-6.81,R=0.96,n=140。大气降水、雨前土壤水、浅层地下水是土壤水分主要潜在来源。(3)云南松雨季土壤水δO表层变异系数大于深层,旱季深层土壤水δO变异程度为各生境最大,其它各层均较小,基质流混合作用强,以活塞流运移为主,上层存在优先流;清香木天然次生林雨季各层土壤水变异程度高,基质流混合作用较弱,旱季变异程度较低,深层出现最低值,运移模式多以活塞流;小叶羊蹄甲石灰岩灌丛雨季表层土壤水δO变异程度大,旱季表层和深层土壤水δO变异程度较低,混合作用较强,土壤水活塞流和优先流并存,以优先流补给为主。(4)不同植物的水分利用对土壤水再分配也会产生影响。植物根系的水力提升作用能使植物顺利度过旱季。随着植被群落的恢复,处于生态恢复更高阶段的云南松林和清香木天然次生林相比于小叶羊蹄甲石灰岩灌丛更趋向于利用表层岩溶水等稳定的水源,对岩溶环境的适应性更强,受到的水分胁迫更小,土壤水异质性逐渐降低。

关键词：峰林湖盆区氢氧稳定同位素土壤水运移

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石家庄市土壤水分运移的稳定同位素特征分析

石家庄市土壤水分运移的稳定同位素特征分析

作者：陈同同河北师范大学

学位级别：硕士

华北平原的水资源问题日益严峻,尤其以石家庄市区为代表的城市,人口多、经济较发达,降水量减少,水资源紧缺,生态系统变脆弱。由于地下水位逐年下降,土壤水在水资源合理利用和生态系统水循环中的作用更为重要。根据2013年4月到2014年5月... 详细信息

华北平原的水资源问题日益严峻,尤其以石家庄市区为代表的城市,人口多、经济较发达,降水量减少,水资源紧缺,生态系统变脆弱。由于地下水位逐年下降,土壤水在水资源合理利用和生态系统水循环中的作用更为重要。根据2013年4月到2014年5月测得的石家庄市区降水和2013年石家庄市雨季土壤水、灌溉水的稳定氢氧同位素,通过稳定同位素示踪的方法,结合对土壤机械组成的测定分析,从时间和空间的角度分析了不同土壤层水稳定同位素的变化规律,进而推断土壤水分迁移过程。研究结果表明:石家庄2013年全年的降水量为596.55mm,样地降水的大气降水线为y=6.547x-1.667(R2=0.941,p土壤水的来源主要是降水,灌溉水则主要在雨季前期有缓解干旱的辅助作用,且雨季的降水量足以对土壤进行适当补给。石家庄市土壤机械组成的测定结果表明,石家庄市0—100cm土壤质地都属于壤土层,0—70cm为较粗的沙粉壤土,80—100cm为较细的粉土壤土。70—80cm是比较明显的土层交接层,容易出现土壤水积聚。从不同的时间尺度上对土壤进行取样,分析土壤水分运移过程,研究结果表明:(1)4月份的一次较大降水之后,降水在土壤中的入渗速度并不均匀,40-70cm处为100mm/d,70-80cm入渗速度为33mm/d。由于土壤质地和降水时间、降水量的影响,土壤水的垂直入渗呈由快到慢的过程,70cm常为阻隔层。(2)从5月开始对土壤水每半个月一次的观测得知,10cm到100cm土壤水的δ18O值随深度增大而减小;雨季最大蒸发深度在40cm左右,5月和9月由于降水量较少,土壤水的蒸发作用最为明显,都达到了40cm的蒸发深度;5月到9月取样期间基本上形成了一个土壤水δ18O峰值沿剖面徘徊中不断向下推进的情况,0—70cm受土壤水入渗的影响较80—100cm明显,此过程反映了降水的入渗和新旧水混合的相互作用。

关键词：石家庄市稳定氢氧同位素降水土壤水土壤水运移