丹江口库区库周典型坡面土壤优先流特征研究

论文摘要

丹江口库区经济以农业生产为基础,柑橘等农产品的种植过程中不合理使用的农药和化肥残留在土壤中,这些物质会随着土壤中的优先路径迁移到地下水中,沿着优先路径进行运移的优先流不仅造成化肥和农药的流失,还造成地表及地下水质污染及水土流失。目前针对丹江口库区库周坡面优先流运动规律的研究较少,揭示库周坡面土壤优先流形成与发生机制,保护库区水质安全、控制面源污染和水土流失,是一个亟待解决的问题。本文以丹江口库区习家店镇行陡坡村附近的库周坡面作为研究区域,对该坡面不同土地利用及植被条件下的土壤进行亮蓝染色示踪试验,对得到的染色图像解译来分析研究土壤染色路径数量的垂直变化规律、库周坡面土壤染色路径宽度分布特征及优先流发生的类型,同时通过对土壤基本理化性质及土壤垂直入渗的分析,对比优先流形态变化规律及优先流发生的类型,来分析土壤的理化性质及水分垂直入渗对土壤优先流的影响,主要得出以下结论：（1）从坡底到坡顶土壤优先流现象都较为频繁,消落带生态恢复区基质流运移范围最广,运移范围在0-15cm土层深度,其次为库滨缓冲区基质流运移范围,在0-10cm土层范围内运移,芝麻地的基质流运移范围在0-5cm深度范围,比库滨缓冲区基质流运移范围还要浅,接着水源涵养林基质流运移范围在0-4cm深度,比芝麻地运移范围浅,这5个试验区中基质流运移深度最浅的是橘园,只在土壤表层深度0-2cm范围内运移。整个坡面中,优先流运移路径深度与基质流不同,其表现为：水源涵养区>消落带生态恢复区>库滨缓冲区>橘园>芝麻地,整个坡面优先流运移深度为基质流运移深度的3-15倍。通过坡面的挖掘过程发现优先流和基质流的运移深度与土壤表层植物根系的分布及表层含水率有关系,但受根系影响较大。以染色路径宽度<20mm和>200mm为标准,将坡面壤中流类型划分为：均质基质流、混合作用大孔隙流、高相互作用大孔隙流、非均质指流、和低相互作用大孔隙流这5类,土壤优先流包括指流和大孔隙流两类,整个坡面土壤优先流主要是以非匀质指流的形式产生和发展,一般发生于土壤7-35cm深度。根据染色路径宽度级别分布来判断壤中流类型,这种方法得出的结果较根据半量化的染色面积比或者直观分析染色剖面图像得出的结果更为真实、准确。（2）染色面积比的差异直接反映了不同采样点土壤剖面内优先流的形态变化特征。本试验所研究的库周典型坡面各个不同试验点中,随土壤深度的不断加深相应土层深度的染色面积比也随之变化,两者表现出明显的逻辑斯蒂（logistic）曲线关系,说明坡面土壤优先流常伴随壤中流过程中的水分基质流一同发生,并呈现出一定的相关关系。（3）参考各个采样点有机质含量及不同土层质地分析测试结果,得出不同土层累计入渗量随历时的变化过程与有机质含量和质地有一定的关系,其中随有机质含量增加,累计入渗量基本也都相应增加,而不同采样点粘粒含量的减少,累计入渗量基本也都相应增加。有机质含量和粘粒含量对于累计入渗量有相互抑制的作用；Kostiakov入渗模型及Philip入渗方程可以很好的反映累积入渗量变化随入渗历时的变化过程,Philip垂直入渗方程能较好的解释湿润峰的推移；随着时间的推移,湿润峰向前推移速率随粘粒含量的增加大部分土层都呈现降低的趋势,而随着有机质含量的增加大部分呈现增加的趋势。说明有机质含量和粘粒含量对土壤湿润峰推移速率产生相互抑制的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 优先流的形成机理及其研究方法的进展
• 1.2 优先流影响因素的研究
• 1.2.1 土壤性质
• 1.2.2 降雨分布
• 1.2.3 植被差异
• 1.2.4 其他因素
• 1.3 研究目标、内容及技术路线
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 技术路线
• 2 研究区概况及研究方法
• 2.1 研究区概况
• 2.1.1 研究区地理位置及自然条件
• 2.1.2 研究点概况
• 2.2 研究方法
• 2.2.1 野外染色试验
• 2.2.2 室内土壤样品测定
• 3 结果与分析
• 3.1 库周典型坡面壤中流过程与优先流形态特征
• 3.1.1 消落带生态恢复区壤中流过程与优先流形态特征
• 3.1.2 库滨缓冲区壤中流过程与优先流形态特征
• 3.1.3 芝麻地壤中流过程与优先流形态特征
• 3.1.4 橘园壤中流过程与优先流形态特征
• 3.1.5 水源涵养林壤中流过程与优先流形态特征
• 3.1.6 小结
• 3.2 土壤垂直深度与染色面积的变化规律
• 3.2.1 消落带生态恢复区壤中流染色面积比特征
• 3.2.2 库滨缓冲区壤中流染色面积比特征
• 3.2.3 芝麻地壤中流染色面积比特征
• 3.2.4 橘园壤中流染色面积比特征
• 3.2.5 水源涵养林壤中流染色面积比特征
• 3.2.6 染色面积比与土层深度的回归关系
• 3.2.7 小结
• 3.3 库周典型坡面土壤染色路径宽度分布特征
• 3.3.1 消落带生态恢复区剖面染色路径宽度特征
• 3.3.2 库滨缓冲区剖面染色路径宽度特征
• 3.3.3 芝麻地剖面染色路径宽度特征
• 3.3.4 橘园剖面染色路径宽度特征
• 3.3.5 水源涵养林剖面染色路径宽度特征
• 3.3.6 小结
• 3.4 库周典型坡面土壤优先流类型
• 3.4.1 消落带生态恢复区优先流类型
• 3.4.2 库滨缓冲区优先流类型
• 3.4.3. 芝麻地优先流类型
• 3.4.4 橘园优先流类型
• 3.4.5 水源涵养林地优先流类型
• 3.4.6 小结
• 3.5 库周土壤优先流形成机理的影响
• 3.5.1 土壤基本理化性质
• 3.5.2 土壤水分垂直入渗对优先流的影响
• 3.5.2.1 不同采样点累计入渗量的特征
• 3.5.2.2 不同采样点入渗过程的模拟
• 3.5.3 不同采样地点湿润峰的影响研究
• 3.5.4 不同采样点土壤湿润峰推移过程模拟
• 3.5.5 小结
• 4 结论
• 参考文献
• 致谢