CN110672604A - 一种土壤水分分布格局的染色分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤水分分布格局的染色分析方法。本发明采用亮蓝染料进行染色，每个测试样点用PVC制成的取样框包围，PVC取样框的底部边缘插入土壤0.05 m，侧壁和边缘具有防水性；配制浓度为3.0g L‑1的亮蓝染色溶液；PVC取样框中约注入染色溶液，采样区域用塑料地膜进行覆盖，防止土壤蒸发和降雨稀释；入渗结束24h后，小心移除塑料薄膜和PVC取样框，在日光条件下，使用数码相机拍摄所有染色土壤剖面；将得到的图像分成染色区域和非染色区域，最后根据染色图像所占的比例和连通状况，分析土壤水分的分布格局。本发明通过分析拍摄的染色图像可以更好更直观的揭示土壤水分在土壤剖面的入渗深度宽度以及分布的格局。
Description
技术领域
本发明涉及一种土壤水分分布格局的染色分析方法，属于染料示踪技术领域。
背景技术
土地的不合理利用和开垦造成不可用耕地面积的不断扩大，这种现象导致了我国耕地面积减少和生态环境破坏。在高强度降水时节，强降雨和土壤的易蚀性导致土壤侵蚀和地表径流可能性增大，导致溶质（例如残留的农药和硝态氮）迁移以及在土壤剖面的渗漏，因此，水流和溶质迁移影响了农业资源的利用效率。为确保农业可持续发展，确保生态环境安全，采取不同的管理手段利用和开发未开垦的土地。
而采取不同的管理手段利用和开发未开垦的土地的前提是了解土壤的水分的入渗过程及分布格局。
研究土壤水分分布格局最常用的方法是染色示踪法，目前常用的染料为亮蓝，不仅因为它的廉价性，还因为它具有无毒，显像性强的特点，能够很直观地显示整个土壤剖面中水分分布格局。在农业栽培管理中，免耕和翻耕的管理方法，翻耕是指把土地进行铲起、打散、疏通等把土地变得平整松散；而免耕是一种不翻动表土，并全年在土壤表面留下足以保护土壤的作物残茬的耕作方式，这两种耕作方式对土壤的水分分布格局有着不同的影响，因此，探索一种土壤水分分布格局的染色分析方法，为了解土壤结构，指导农耕方式，提高土壤利用率，实现合理的区域农田管理措施具有重要意义。
虽然已有作者指出，入渗率受到免耕管理的影响，不同管理方式下的土壤水分入渗类型仍不清楚。但可以通过不同的管理方式开发和利用荒地。因此，更好地了解在不同管理方式开发和利用荒地下土壤的水流行为成为使土壤利用率增大的关键一步。
发明内容
本发明旨在提供一种土壤水分分布格局的染色分析方法，解决了在土地管理过程中，了解不同管理方式下土壤中的水分分布格局及路径，以提高对不同管理方式下土壤中水流行为认识的问题。
本发明提供了一种土壤水分分布格局的染色分析方法，首先采用亮蓝染料进行染色，每个测试样点用PVC制成的取样框包围，PVC取样框的底部边缘插入土壤0.05 m，侧壁和边缘具有防水性；配制浓度为3.0g L -1的亮蓝染色溶液；PVC取样框中约注入染色溶液，采样区域用塑料地膜进行覆盖，防止土壤蒸发和降雨稀释；入渗结束24h后，小心移除塑料薄膜和PVC取样框，在日光条件下，使用数码相机拍摄所有染色土壤剖面；将得到的图像分成染色区域和非染色区域，最后根据染色三种染色图像所占的比例和连通状况，分析土壤水分的分布格局。
上述的土壤水分分布格局的染色分析方法，具体包括以下步骤：
（1）制备染色的测试点（原位染色）：为了确保土壤表面水平，小心地去除土壤表面小于2cm的薄土层来制备染色的测试位点，在每个样地中，随机选择三个样点作为试验重复，样点之间的距离为3m；；每个重复样点被由PVC制成的0.3m高的取样框包围； PVC取样框的底部边缘插入土壤0.05 m，侧壁和边缘具有防水性；用自来水配制浓度为2.0～5.0g L -1的亮蓝染色溶液；每个地块的PVC取样框中共注入5.0～10.0 L亮蓝染色溶液，采样区域用塑料地膜立即覆盖，防止土壤蒸发和降雨稀释；
上述样地包括免耕地或翻耕地；
（2）取样拍照（图像采集）：入渗结束24h后，小心移除塑料薄膜和PVC取样框，使用铲刀小心挖掘位于取样框中心部分的40cm（长）×40cm（宽）的染色土壤竖直方向切面；注意染色土壤垂直剖面的大小应能够容纳垂直剖面中所有染色的土壤。在垂直染色区域，在60cm（长）× 40cm（宽）土壤水平方向上，从表面到深层间隔5cm进行一次采样，直到没有染色土壤为止；用于土壤垂直和水平截面的校准框架放置在土壤剖面中以辅助随后的图像校正；为了提供柔和的光线条件，坑内的所有区域都用黑色的篷布进行覆盖。在日光条件下，使用数码相机拍摄所有染色土壤剖面。从摄像机到垂直和水平剖面中心的距离为40cm。
（3）处理图像：依次进行几何校正，背景扣除，颜色调整，直方图拉伸，染色分类以及视觉核对；将得到的图像分成染色区域和非染色区域，染色区域根据染色强度进一步分为三个相对类别：深蓝色、浅蓝色和绿色，染色土壤使用校准斑块来确定三种染色图案所属的浓度类别，最后根据染色三种染色图像所占的比例和连通状况，分析土壤水分的分布格局。
本发明的有益效果：
（1）本发明通过分析拍摄的染色图像可以更好更直观的揭示土壤水分在土壤剖面的入渗深度宽度以及分布的格局；
（2）通过使用分类技术对染色图进行进一步的解释和计算，分类技术可以识别土壤基质中水流的类型，促进水分在大孔隙-基质转移过程的认识。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
本发明提供的一种染色法分析土壤水分分布格局的方法，探究黄土高原不同管理方式对垂直土壤水分流动模式的影响。具体操作步骤如下：以未开垦的土地作为试验对照，免耕和翻耕两种不同耕作方式被选为管理方式。在这3块样地上采用传统的染料示踪方法。研究分为两部分：第一，分析3块样地的失水能力和相关土壤物理性状；第二，利用染色分类图阐明土壤水流行为。样地1为未开垦地，样地2为经过免耕方式处理过的玉米地，样地3为经过翻耕方式处理过的玉米地。根据常规方法测量表层50cm的土壤物理性状（例如，质量含水量，土壤容重，总孔隙度和饱和含水量），将染色失踪法应用于3个样地中，并且通过染色分类的方法可对不同类型的水分流动进行直观化。
具体的实验步骤如下：
（a）原位染色：在玉米地里确定地表较完整，人为干扰小的地块作为试验点，每种林地各选取3个样点，在选定的试验点剔除表层未分解的枯枝落叶、碎石等，同时减少清楚过程中人为扰动对表层土壤结构的破坏，以免影响试验结果。然后将直径为20cm高为50cm的塑料桶埋入土中0.05m，为了防止亮蓝溶液沿塑料桶下漏，用木锤捣实桶内壁5cm范围内的松动土壤。每个地块的PVC取样框中共注入6.3 L亮蓝染色溶液，采样区域用塑料地膜立即覆盖，防止土壤蒸发和降雨稀释。
（b）图像采集：入渗结束24h后，小心移除塑料薄膜和PVC取样框，使用铲刀小心挖掘位于取样框中心部分的40cm（长）×40cm（宽）的染色土壤垂直剖面。注意染色土壤垂直剖面的大小应能够容纳垂直剖面中所有染色的土壤。在垂直染色区域，在60cm（长）× 40cm（宽）土壤水平方向上，从表面到深层间隔5cm进行一次采样，直到没有染色土壤为止。用于土壤垂直和水平截面的校准框架放置在土壤剖面中以辅助随后的图像校正。为了提供柔和的光线条件，坑内的所有区域都用黑色的篷布进行覆盖。在日光条件下，使用数码相机拍摄所有染色土壤剖面。从摄像机到垂直和水平剖面中心的距离为40cm。注意每个剖面开挖的最大深度都超过染色区域10cm,以保证垂直剖面完整。
（c）图像处理：利用photoshop-cs5将采集的剖面图像依据图片上的刻度截取40cm*40cm的区域，通过几何校正，背景扣除，颜色调整，直方图拉伸，染色分类以及视觉核对校正因拍摄所造成的拍摄角度、距离、受光不均匀所造成的缺陷。将得到的图像分成染色区域和非染色区域，染色区域根据染色强度进一步分为三个相对类别（深蓝色、浅蓝色和绿色）。染色土壤使用校准斑块来确定三种染色图案所属（0.05-0.5g L -1，0.5-2.0g L -1和>2.0g L -1）的浓度类别。
上述实施例对本发明的技术方案进行了完整、详细的描述，所述的实施例仅是本发明的部分实施例，本发明的技术方案不局限于上述实施例，在本发明的基础上，本领域内的科技人员所做出的各种相应的改变都可归于本发明保护范围。
Claims (9)
1.一种土壤水分分布格局的染色分析方法，其特征在于：选择测试位点，用自来水配制浓度为3.0g L -1的亮蓝染色溶液进行染色；入渗结束24小时后，取样拍照；对比分析照片，处理图像，绘出染色图像进行土壤中水流行为的分析。
2.根据权利要求1所述的土壤水分分布格局的染色分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）制备染色的测试点：首先采用亮蓝染料进行染色，每个测试样点用PVC制成的取样框包围，配制浓度为3.0g L -1的亮蓝染色溶液；PVC取样框中注入染色溶液，采样区域用塑料地膜进行覆盖，防止土壤蒸发和降雨稀释；
在每个样地中，随机选择三个样点作为试验重复，样点之间的距离为3m；每个重复样点被由PVC制成的0.3m高的取样框包围；
（2）取样拍照：入渗结束24h后，小心移除塑料薄膜和PVC取样框，在日光条件下，使用数码相机拍摄所有染色土壤剖面；
（3）处理图像：依次进行几何校正、背景扣除、颜色调整、直方图拉伸、染色分类以及视觉核对；将得到的图像分成染色区域和非染色区域，染色区域根据染色强度进一步分为几个相对类别，染色土壤使用校准斑块来确定几种染色图案所属的浓度类别，最后根据三种染色图案所占的比例和连通状况，分析土壤水分的分布格局。
3.根据权利要求2所述的土壤水分分布格局的染色分析方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述样地包括免耕地或翻耕地。
4.根据权利要求2所述的土壤水分分布格局的染色分析方法，其特征在于：步骤（1）中，PVC取样框的底部边缘插入土壤0.05 m，侧壁和边缘具有防水性。
5.根据权利要求2所述的土壤水分分布格局的染色分析方法，其特征在于：为了确保土壤表面水平，小心地去除土壤表面小于2cm的薄土层来制备染色的测试位点。
6.根据权利要求2所述的土壤水分分布格局的染色分析方法，其特征在于：用自来水配制浓度为2.0～5.0g L -1的亮蓝染色溶液；每个地块的PVC取样框中共注入5.0～10.0 L亮蓝染色溶液。
7.根据权利要求2所述的土壤水分分布格局的染色分析方法，其特征在于：取样拍照时，使用铲刀小心挖掘位于取样框中心部分的长×宽为40cm×40cm的染色土壤竖直方向切面；注意染色土壤垂直剖面的大小应能够容纳垂直剖面中所有染色的土壤；在垂直染色区域，在长×宽为60cm× 40cm土壤水平方向上，从表面到深层间隔5cm进行一次采样，直到没有染色土壤为止；用于土壤垂直和水平截面的校准框架放置在土壤剖面中以辅助随后的图像校正。
8.根据权利要求2所述的土壤水分分布格局的染色分析方法，其特征在于：步骤（2）中，坑内的所有区域都用黑色的篷布进行覆盖；在日光条件下，使用数码相机拍摄所有染色土壤剖面；从摄像机到垂直和水平剖面中心的距离为40cm。
9.根据权利要求2所述的土壤水分分布格局的染色分析方法，其特征在于：步骤（3）中，染色区域根据染色强度进一步分为深蓝色、浅蓝色和绿色三个类别。
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