CN110231339A - 一种阻控及评价土壤优先流程度的方法及系统 - Google Patents

一种阻控及评价土壤优先流程度的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开提出了一种阻控及评价土壤优先流程度的方法及系统，包括：大田染色示踪试验步骤：待染色示踪试验完成后，采集染色剖面图像；图片处理及像元素提取步骤：对染色剖面图像进行处理将图像处理为一个由黑色和白色组成的二元信息矩阵，然后将图片转化为位图格式；参数计算与优先流程度评价步骤：选取具有代表性的优先流最大入渗深度、土壤剖面染色面积比、基质流区深度和优先流分数；优先流程度响应分析步骤：分析灌溉量水平与优先流指标的线性相关关系；对相同灌溉量下，不同量生物炭处理下的指标进行检验分析。

Description

一种阻控及评价土壤优先流程度的方法及系统
技术领域
本公开涉及土壤耕作技术领域，特别是涉及一种阻控及评价土壤优先流程度的方法及系统。
背景技术
所谓优先流，即水分和溶质沿着土壤中的优先路径(土壤的干缩裂隙、根系生长产生的根孔和动物活动的通道等)快速迁移到土壤深部和地下水中的现象。优先流发生的先决条件是土壤中存在着其运移的通道，即优先路径的存在，其次需要水动力条件的驱动。
研究表明，优先流现象在土壤中普遍存在绝非特例，土壤中约有70％-85％的水分运动与优先流有关，被公认为是土壤中潜在的重要渗透机制。农田土壤中的优先流路径可引起水肥输送过程中养分的加速运动，进而造成肥料利用效率低、污染地下水等问题。
发明内容
本说明书实施方式的目的是提供一种阻控及评价土壤优先流程度的方法，来提高水肥利用效率。
本说明书实施方式提供一种阻控及评价土壤优先流程度的方法，具体采用以下技术方案：
包括：
大田染色示踪试验步骤：在大田中取若干个一定规模样方，在样方深耕土层中加入设定水平的生物炭，将生物炭与土壤混合均匀，在样方上方以一定流速，将预制的不同量的能够染色且不易被土壤颗粒所吸收的溶液自土壤表层均匀的灌入，待染色示踪试验完成后，采集染色剖面图像；
图片处理及像元素提取步骤：对染色剖面图像进行处理将图像处理为一个由黑色和白色组成的二元信息矩阵，然后将图片转化为位图格式；
参数计算与优先流程度评价步骤：选取具有代表性的优先流最大入渗深度、土壤剖面染色面积比、基质流区深度和优先流分数；
优先流程度响应分析步骤：分析灌溉量水平与优先流指标的线性相关关系；对相同灌溉量下，不同量生物炭处理下的指标进行检验分析。
进一步的技术方案，样方的长宽为50cm×50cm。
进一步的技术方案，在不同样方深耕土层中加入0t/hm2、20t/hm2和40t/hm2的生物炭。
进一步的技术方案，若干个一定规模样方均匀地分布在大田，每个样方之间有一定距离的间隔，每个样方上方较四周挖低。
进一步的技术方案，能够染色且不易被土壤颗粒所吸收的溶液亮蓝溶液，亮蓝为常用的食品添加剂，易溶水呈蓝色。
进一步的技术方案，灌溉时定期检查土壤表面，以确保积水不溢出，灌溉完成后用篷布遮盖上层，防止试验过程中其它外部因素对试验产生影响。
进一步的技术方案，对染色剖面图像进行处理时，依次进行染色剖面图像几何校正、光照校正、色彩校正，后通过颜色替换、反相、阈值功能对染色剖面进行处理，选择灰度模式，最终将图像处理为一个由黑色和白色组成的二元信息矩阵。
进一步的技术方案，优先流最大入渗深度为土壤水分入渗的深度，即优先流达到的最大深度；
土壤剖面染色面积比，为优先流区染色面积占总面积的百分比；
基质流区深度，染色面积达到80％以上区域所对应的深度为基质流区深度；
优先流分数，该参数表示通过优先路径下渗的水分分数。
本说明书实施方式提供一种阻控及评价土壤优先流程度的系统，通过以下技术方案实现，包括：
图像采集单元，用于采集经过染色示踪试验后的样方的多个染色剖面图像；
图片处理及像元素提取单元，用于对每个染色剖面图像处理为一个由黑色和白色组成的二元信息矩阵，然后将图片转化为位图格式；
参数计算与优先流程度评价单元，评价参数选取具有代表性的优先流最大入渗深度、土壤剖面染色面积比基质流区深度和优先流分数，指标值取每个样方的处理多个剖面的平均值。
优先流程度响应分析单元，分析灌溉量水平与优先流指标的线性相关关系；对相同灌溉量下，不同量生物炭处理下的指标进行检验分析。
进一步的技术方案，染色示踪试验具体为：在大田中取若干个一定规模样方，在样方深耕土层中加入设定水平的生物炭，将生物炭与土壤混合均匀，在样方上方以一定流速，将预制的不同量的能够染色且不易被土壤颗粒所吸收的溶液自土壤表层均匀的灌入。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本公开利用灌溉量与生物炭来阻控农田土壤优先流，旨在解决土壤中优先流存在而造成土壤水肥利用效率低的技术问题。本发明是通过借助亮蓝染色剖面来表征土壤优先流水分运移特征，利用Photoshop和Image-Pro Plus对优先流参数进行提取，评价优先流程度。基于上述原理，本发明为在作物种植前，将生物炭均匀撒于地表，翻地同时将40t/hm2生物炭与土壤充分混合，土地翻耕深度大约20cm，灌溉定额根据作物在合理范围内采用适量少次灌溉方式。本公开可阻控优先流程度，以缓解优先流向下快速地移动带走养分，进一步提高水肥利用效率，增加作物产量。
本公开是通过改变优先流发生的路径与驱动力来阻控优先流程度。降水条件直接影响土壤水动力条件的改变，生物炭是通过改善土壤内部质地，使土壤结构越稳定，不易失水产生裂隙，进而减少优先路径形成的可能性。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例子的染色剂染色试验效果图；
图2为本公开实施例子的染色照片二元信息矩阵处理图；
图3(a)本公开实施例子的54mm灌溉0t/hm2剖面土壤染色指数示意图
图3(b)为本公开实施例子的54mm灌溉20t/hm2剖面土壤染色指数示意图；
图3(c)为本公开实施例子的54mm灌溉40t/hm2剖面土壤染色指数示意图；
图4(a)-图4(d)为本公开实施例子的不同灌溉量与优先流指数关系图；
图5(a)-图5(d)为本公开实施例子的54mm灌溉下不同生物炭量下土壤染色图像指数箱体图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例子一
该实施例公开了一种阻控及评价土壤优先流程度的方法，针对土壤中优先流普遍存在的现象，提供一种可以降低土壤优先流程度的方法，来提高水肥利用效率。具体步骤：
(1)大田染色示踪试验。在大田上用卷尺量取一定规模样方，各处理样方均匀地分布其中，每个样方中间间隔30cm，避免相互间的影响。每个样方上方较四周挖低3cm，避免灌水时水向四周流走。在不同样方20cm深土层中加入不同水平的生物炭(以秸秆为原材料在500℃下缺氧条件下热解制备)，将生物炭与土壤混合均匀。在样方上方使用水泵(恒流)以一定流速，将预制的不同量的4g/L亮蓝溶液(常用的食品添加剂亮蓝，易溶水呈蓝色，不易被土壤颗粒所吸收)，自土壤表层均匀的灌入，灌溉时定期检查地检查土壤表面，以确保积水不溢出，灌溉完成后用篷布遮盖上层，防止试验过程中其它外部因素对试验产生影响。待染色示踪试验完成24h后收好覆盖的篷布，在剖面旁放置好用以图片几何校正的标尺，方可使用高像素数码相机采集每个处理的1～4号染色剖面图像，参见附图1所示，具体的为样方中等距离间隔开挖的染色垂直剖面图，共四个剖面图，标号为1-4。
(2)图片处理及像元素提取。首先利用Photoshop CS 6软件依次进行染色剖面图像几何校正、光照校正、色彩校正，后通过颜色替换、反相、阈值功能对染色剖面进行处理，选择灰度模式，最终将图像处理为一个由黑色(像素值0)和白色(像素值255)组成的二元信息矩阵。然后将图片转化为位图格式，利用Image-Pro Plus 6.0的Bitmap分析功能将图像转化为位图数值矩阵，并输出用于Excel软件。
(3)参数计算与优先流程度评价。评价参数选取具有代表性的优先流最大入渗深度(Dmax)、土壤剖面染色面积比(Dc)、基质流区深度(Unif)和优先流分数(PF-fr)，指标值取于每个处理4个剖面的平均值，含义及计算方法如下：
①Dmax为土壤水分入渗的深度，即优先流达到的最大深度，说明了优先流的发育程度。
②Dc为优先流区染色面积占总面积的百分比，公式如下。水通过优先流路径时，其土壤基质的厚度就会减小，因此，当有较高的优先流程度时，染色面积比会更低。
式中Dc——土壤剖面染色面积比，％
D——土壤剖面总染色面积，mm2
ND——土壤剖面未染色区域总面积，mm2
③Unif为基质流区深度。研究定义染色面积达到80％以上区域所对应的深度为基质流区深度，该深度由均匀流所支配，因此，当有较高的优先流程度时，该值会比较低。
④PF-fr为优先流分，该参数表示通过优先路径下渗的水分分数，因此，该值越大说明优先流程度越高。
式中PF-fr——土壤剖面优先流分数，％
Unifr——土壤剖面基质流区对应的土壤剖面深度，mm
W——土壤剖面水平宽度，mm
TotStAr——土壤剖面染色区总面积，mm2
(4)优先流程度响应分析。分析3个灌溉量水平与4个优先流指标的线性相关关系；对相同灌溉量下，不同量生物炭处理下的4个指标进行Friedman检验，分析是否具有统计学意义(p＝0.01～0.05)，由箱体图直观表现。
得到2种灌溉下的3种生物炭施用量下优先流表征指标之间均呈现明显差异(p＝0.01～0.05)，说明不同生物炭量下的优先流程度不同，具有统计分析意义，指标变化由箱体图直观表现。
下面将通过借助以下实施例来更详细地说明本发明。
优先流染色示踪试验实施于山东省灌溉试验中心站附近的大田(北纬36°34′，东经116°50′)。区域地形为平原，地势平整，多年小麦玉米轮作，研究选择刚种植完玉米的地块，其土质为沙壤土，土壤性质均匀，详见表1。
表1试验区土壤基本物理性质
设置灌溉和生物炭2个因素。灌溉设置3水平，分别为40mm、54mm和68mm；生物炭设置3个水平即0t/hm2、20t/hm2和40t/hm2。设计7个处理(表2)。
表2优先流阻控设计方案
在大田上用卷尺量取50cm×50cm的样方7个，各处理样方均匀地分布其中，每个样方中间间隔30cm，避免相互间的影响。每个样方上方较四周挖低3cm，避免灌水时水向四周流走。在不同样方20cm深土层中加入0t/hm2、20t/hm2和40t/hm2的生物炭，将生物炭与土壤混合均匀。在样方上方使用自制的水泵(恒流)以260mL/min的流量，将预制的10.00L(40mm)、13.50L(54mm)与17.00L(68mm)浓度为4g/L亮蓝溶液，自土壤表层均匀的灌入，灌溉时定期检查地检查土壤表面，以确保积水不溢出，灌溉完成后用篷布遮盖上层，防止试验过程中其它外部因素对试验产生影响。待染色示踪试验完成24h后收好覆盖的篷布，在剖面旁放置好用以图片几何校正的标尺，方可使用高像素数码相机采集每个处理的1～4号染色剖面图像。在染色剖面开挖图像采集后，对图像进行二值化处理后，参见附图2所示，提取计算参数，参见附图3(a)至图3(c)所示，进而分析各处理下灌溉量(参见附图4(a)-图4(d))与生物炭(图5(a)-图5(d))对优先流程度的影响。
由4(a)-图4(d)分析得Dmax、Dc与Unif随着灌溉量的增加而变大，呈正相关性相关系数依次为0.9983，0.8032和0.9811；而PF-fr随着灌溉量的增加而减小，呈负相关性相关系数为0.8457。通过以上比较，可分析得灌溉水量大时，优先流相对不明显，水分均匀下渗；当灌水量小时，优先流明显，水分主要沿着优先路径运动。同时从研究结果中也可以看出优先流程度变小的趋势随着灌溉量的增加而有所变缓，因此，在实际灌溉中应采取适量少次灌溉，以最大程度的减少优先流程度。
由图5(a)-图5(d)分析得，在相同灌溉条件下，添加生物炭处理的指标反映出的优先流程度对表面活性剂的响应一致，研究结果可靠。分析在54mm的灌溉量下，添加生物炭对Dmax的影响不是很明显，在68mm的灌溉量下，生物炭明显降低处理的Dmax。灌溉与生物炭量对Dc和Unif影响一致，均表现随着灌溉量的增加而增加，同样相同灌溉下也随着生物炭含量的增加而增加，但在高灌溉下其值变化的更加明显。而PF-fr的变化与前两个指标正好相反，呈现随着灌溉量和生物炭量的增加而降低。在54mm的灌溉下，20t/hm2的生物炭相对于空白试验PF-fr降低了6％而40t/hm2的生物炭降低了8.5％；在68mm的灌溉量下，20t/hm2的生物炭相对于空白试验PF-fr降低了8.5％而40t/hm2的生物炭降低了17.5％。
综上，本发明验证了增加灌溉与添加两种浓度的生物炭均可以减小优先流的发育程度，且在设计的灌溉量与生物炭量范围内，随着二者施用量的增加阻控优先流的程度更加明显。
实施例子二
本说明书实施方式提供一种阻控及评价土壤优先流程度的系统，通过以下技术方案实现，包括：
图像采集单元，用于采集经过染色示踪试验后的样方的多个染色剖面图像；
图片处理及像元素提取单元，用于对每个染色剖面图像处理为一个由黑色和白色组成的二元信息矩阵，然后将图片转化为位图格式；
参数计算与优先流程度评价单元，评价参数选取具有代表性的优先流最大入渗深度、土壤剖面染色面积比基质流区深度和优先流分数，指标值取每个样方的处理多个剖面的平均值。
优先流程度响应分析单元，分析灌溉量水平与优先流指标的线性相关关系；对相同灌溉量下，不同量生物炭处理下的指标进行检验分析。
进一步的技术方案，染色示踪试验具体为：在大田中取若干个一定规模样方，在样方深耕土层中加入设定水平的生物炭，将生物炭与土壤混合均匀，在样方上方以一定流速，将预制的不同量的能够染色且不易被土壤颗粒所吸收的溶液自土壤表层均匀的灌入。
该实施例子具体实施时相关的技术手段参见实施例子一中的具体步骤，此处不再进行详细的描述。
可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种阻控及评价土壤优先流程度的方法，其特征是，包括：
大田染色示踪试验步骤：在大田中取若干个一定规模样方，在样方深耕土层中加入设定水平的生物炭，将生物炭与土壤混合均匀，在样方上方以一定流速，将预制的不同量的能够染色且不易被土壤颗粒所吸收的溶液自土壤表层均匀的灌入，待染色示踪试验完成后，采集染色剖面图像；
图片处理及像元素提取步骤：对染色剖面图像进行处理将图像处理为一个由黑色和白色组成的二元信息矩阵，然后将图片转化为位图格式；
参数计算与优先流程度评价步骤：选取具有代表性的优先流最大入渗深度、土壤剖面染色面积比、基质流区深度和优先流分数；
优先流程度响应分析步骤：分析灌溉量水平与优先流指标的线性相关关系；对相同灌溉量下，不同量生物炭处理下的指标进行检验分析。
2.如权利要求1所述的一种阻控及评价土壤优先流程度的方法，其特征是，样方的长宽为50cm×50cm。
3.如权利要求1所述的一种阻控及评价土壤优先流程度的方法，其特征是，在不同样方深耕土层中加入0t/hm2、20t/hm2和40t/hm2的生物炭。
4.如权利要求1所述的一种阻控及评价土壤优先流程度的方法，其特征是，若干个一定规模样方均匀地分布在大田，每个样方之间有一定距离的间隔，每个样方上方较四周挖低。
5.如权利要求1所述的一种阻控及评价土壤优先流程度的方法，其特征是，能够染色且不易被土壤颗粒所吸收的溶液亮蓝溶液，亮蓝为常用的食品添加剂，易溶水呈蓝色。
6.如权利要求1所述的一种阻控及评价土壤优先流程度的方法，其特征是，灌溉时定期检查土壤表面，以确保积水不溢出，灌溉完成后用篷布遮盖上层，防止试验过程中其它外部因素对试验产生影响。
7.如权利要求1所述的一种阻控及评价土壤优先流程度的方法，其特征是，对染色剖面图像进行处理时，依次进行染色剖面图像几何校正、光照校正、色彩校正，后通过颜色替换、反相、阈值功能对染色剖面进行处理，选择灰度模式，最终将图像处理为一个由黑色和白色组成的二元信息矩阵。
8.如权利要求1所述的一种阻控及评价土壤优先流程度的方法，其特征是，优先流最大入渗深度为土壤水分入渗的深度，即优先流达到的最大深度；
土壤剖面染色面积比，为优先流区染色面积占总面积的百分比；
基质流区深度，染色面积达到80％以上区域所对应的深度为基质流区深度；
优先流分数，该参数表示通过优先路径下渗的水分分数。
9.一种阻控及评价土壤优先流程度的系统，其特征是，包括：
图像采集单元，用于采集经过染色示踪试验后的样方的多个染色剖面图像；
图片处理及像元素提取单元，用于对每个染色剖面图像处理为一个由黑色和白色组成的二元信息矩阵，然后将图片转化为位图格式；
参数计算与优先流程度评价单元，评价参数选取具有代表性的优先流最大入渗深度、土壤剖面染色面积比基质流区深度和优先流分数，指标值取每个样方的处理多个剖面的平均值。
优先流程度响应分析单元，分析灌溉量水平与优先流指标的线性相关关系；对相同灌溉量下，不同量生物炭处理下的指标进行检验分析。
10.如权利要求9所述的一种阻控及评价土壤优先流程度的系统，其特征是，染色示踪试验具体为：在大田中取若干个一定规模样方，在样方深耕土层中加入设定水平的生物炭，将生物炭与土壤混合均匀，在样方上方以一定流速，将预制的不同量的能够染色且不易被土壤颗粒所吸收的溶液自土壤表层均匀的灌入。
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