aes 应用和环境土壤学 1687 - 7675 1687 - 7667 Hindawi出版公司 679467年 10.1155 / 2013/679467 679467年 研究文章 岭栽培可持续吗?从Haean流域一个案例研究,韩国 Ruidisch 玛丽安 1 这些后 塞巴斯蒂安。 1 Huwe 贝恩德• 1 Bogner 克里斯蒂娜 2 克劳福德 约翰 1 土壤物理学集团 BayCEER 拜罗伊特大学 95440年拜罗伊特 德国 uni-bayreuth.de 2 生态模型 BayCEER 拜罗伊特大学 Dr.-Hans-Frisch-Straße 1 - 3 95448年拜罗伊特 德国 uni-bayreuth.de 2013年 10 11 2013年 2013年 11 05年 2013年 11 09年 2013年 2013年 版权©2013玛丽安Ruidisch et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

不可持续的农业实践可以改变土壤和水的质量。一个可持续发展的土壤耕作管理需要详细了解如何影响土壤质量、侵蚀和浸出过程。农业土壤Haean流域(韩国)季风期间容易被水侵蚀。多年来,erosion-induced损失补偿了移置砂材料领域蔓延。这些anthropogenically改良土壤用于蔬菜生产,与作物栽培在山脊使用塑料薄膜。评估当前岭栽培实践是否可持续对土壤质量和水土保持,我们(我)分析了土壤表层土的性质和(2)染料示踪剂进行实验。我们的结果表明,砂质土壤有一个非常低的土壤有机质含量和土壤结构和缺乏挖掘工很差。人工分层扩散引起的材料支持横向下坡水流。岭耕作和塑料覆盖强烈增加地表径流和土壤侵蚀。我们得出结论,该地区综合管理计划,旨在长期可持续农业的保护土壤,增加土壤有机质,并减少径流和土壤侵蚀,对未来是强制性的。

 1。介绍

生态系统服务和农业密切相关,相互影响。一方面,生态系统用于农业生产粮食,减少饥饿,提高公共卫生服务变得越来越重要的世界人口的增长。另一方面,农业管理不善可以减少生态系统的能力来提供这些商品和服务 1, 2]。

土壤中发挥关键作用提供支持和管理服务,如土壤肥力、土壤保持、养分循环和碳封存 3]。适当地管理农业生态系统土壤可以促进水土保持( 4),而管理不善的系统可能恶化生态系统服务由高营养和沉积物农田的损失。可能的后果是土壤退化,水质下降,水污染,水净化和增加成本 5, 6]。因此农业可持续管理的主要目标,最大限度地减少土壤和环境恶化的风险 7),同时确保产量和改善生态系统服务( 2]。

在韩国农业生产面临着巨大的压力由于其有限的耕地总面积的22% ( 8]。增加产量,森林的山坡已经转化为农业用地和化肥的应用增加了从230公斤公顷−1一年−1到1980年的450公斤公顷−1一年−11994年( 9]。这些高化肥结合暴雨事件在东亚夏季风与水的污染和富营养化至关重要。实际上,水库的富营养化已经成为一个公认的问题在韩国。尤其是交通应用与沉积物磷的地表径流在季风事件大大影响水资源( 9- - - - - - 11]。季风区域,因此,在一个适当的农业管理,减少土壤和环境退化是特别重要的。

确定农业污染物和沉积物的途径,我们必须确定农业实践对水流的影响以及土壤表面土壤。一般来说,土壤有截然不同的流动现象。水可以通过土壤慢慢渗透矩阵(均匀流)或它可以通过首选途径和快速移动绕过多孔土壤基质的一小部分。这个优先流可以发生在根频道,蚯蚓洞,裂缝或裂缝(大孔隙流),或沿结构边界(漏斗流) 12]。优惠负责快速水流运动和溶质传输更大的土壤深处或地下水 13- - - - - - 15]。在土壤的发生取决于土壤质地、土壤结构、地形、表面微地貌,和管理以及初始土壤含水量和降雨的强度和持续时间 16, 17]。

在韩国,移置在旱地土壤物质的分布领域已成为一个普遍的方法来补偿erosion-induced土壤流失。虽然这种方法最近被政府禁止,人工分层引起的这种做法仍然存在土壤中的配置文件。据我们所知,这对水流管理实践的影响土壤中从未被调查。在大多数这些anthropogenically改良旱地字段中,作物栽培在山脊耕作系统中使用塑料覆盖物。岭耕作和塑料覆盖有积极作用对作物产量和除草 18]。然而,其对水流的影响,溶质和沉积物运移很少研究。

我们研究的目的是评估当前的做法是否岭Haean流域的种植面积在韩国是可持续的。我们专注于土壤质量和水土保持。因此,我们(我)分析了从各种旱地anthropogenically修改表层土的土壤属性字段Haean流域分布式。此外,(2)定性描述耕作的影响流模式和(iii)量化地表径流和土壤侵蚀,我们进行了四种染料示踪实验在平坦的传统耕作制,脊耕作,与塑料地膜岭耕作,脊耕作与塑料地膜剪裁马铃薯植物。

 2。材料和方法 2.1。研究网站 2.1.1。一般的描述

Haean-myun流域(128°1′33.101′′E, 38°28 6.231′′′N),也称为“酒碗,”位于东北部山区韩国和总面积约64公里2。碗状地形特点将流域分为三个主要的土地利用区。陡峭的山坡大多是森林(58%),中度斜坡在森林边缘由旱地农业主导(22%),和稻田(8%)是平面的中心区域的流域特征。其余的居民区,草原,利润率,和农场道路。

Haean流域的年降水量等于1599毫米(13年平均从1999年到2011年),超过60%的年降雨量发生在雨季从6月到8月。每年平均温度8.5°,从−6.8°7月1月到21.5°(13年平均每月从1999年到2011年)。

的基岩排水主要是由强烈风化的花岗岩由于降水率高。它构成了母质Cambisols-the最广泛传播研究区域的土壤类型。

 2.1.2。在旱地农业实践领域

占主导地位的农业实践对韩国旱地作物行字段脊与聚乙烯覆盖耕作(塑料薄膜)(图SF4在网上补充材料 http://dx.doi.org/10.1155/2013/679467)。黑色塑料盖有助于控制杂草和诱导早期植物出现由于温度较高。此外,种植在山脊促进收获。

在生长季节的开始,4月和5月之间(根据作物类型),一种粒状矿物肥料,字段被耕过,表层土壤肥料混合。随后,山脊(约15厘米,宽30厘米高)创建主要是垂直于主斜坡方向大约70厘米的间距。山脊是覆盖着黑色聚乙烯薄膜穿孔与25 - 30厘米间隔种植孔(5厘米直径),而皱纹脊之间保持了。创建山脊和沟后,根据作物类型、种子播种或少年植物种植到种植孔。几次在生长季节,除草剂和杀虫剂应用,第二次和矿物肥料分布领域,根据不同作物的类型。最后,开始收割通常在8月和9月之间。

行对旱地作物栽培领域主要有卷心菜、萝卜、土豆、豆类( 19, 20.]。由于其较低的地面覆盖,特别是在早期发展阶段,字段行作物更容易被水土壤侵蚀比其他领域( 21]。因此,由于极端降雨事件在夏季季风期间,许多旱地字段Haean流域的土壤已经高度退化。为了弥补这些损失,侵蚀农民用于分发桑迪材料从附近的山坡上他们的领域 22)(图SF5在线补充材料)。外来物质的分布在过去反复耕作产生不规则的人工分层在许多旱地农田土壤的概要文件。因此,经常,表土和底土具有不同的物理和化学性质。

 2.2。现场工作 2.2.1。采样的土壤对农业和森林的网站

在2009年,我们带的表层土壤样品32旱地农田和森林网站16日Haean排水。旱地字段包括四个主要作物栽培的流域,即卷心菜、萝卜、土豆、和bean字段。在每个农业网站,五个样品(从四个角和中心的字段)和混合在一起。取样后,土壤质地、C、N和土壤有机质(SOM)在实验室进行分析。

 2.2.2。染料示踪实验

在2010年,我们进行了四个灌溉实验在两个土豆字段( 茄属植物tuberosuml .)的山坡。字段网站1 (128°6′32.625′′E, 38°18 4.148′′′N)是位于距离大约830 m从领域网站2 (128°6′54.803′′E, 38°17′43.254′′N)。两种土壤可以与侵蚀表土层anthropogenically修改始成土特点。移置砂土材料多次传播的领域。土壤被归类为Terric始成土和Terric Anthrosol超过普通始成土( 23)的斜率8°和6°领域网站1和2,分别。我们选择这些领域,因为他们的斜坡度和土壤物理性质比较(表 1)。

土壤物理性质的实验场所。

地平线(方面) 深度一个(厘米) 粘土(%) 淤泥(%) 砂(%) 土壤质地类 体积密度(g厘米−3)
网站1 美联社 0-25 3所示。2 16.4 80.3 壤质砂土 1.43
2 apbb 25 - 50 20.2 53.4 26.4 粉砂壤土 1.45
采办 50 - 100 24.8 46.6 28.6 壤土 1.38
网站2 Ap1 0-35 1。9 14.5 83.6 壤质砂土 1.41
Ap2 35 - 45 8.1 28.9 63.0 砂壤土 1.66
Ap3 45 - 55 7.6 27.9 64.5 砂壤土 1.61
2 apb 55 - 70 20.9 58.2 20.9 粉砂壤土 1.28
2采办 70 - 100 13.6 38.9 47.5 壤土 1.56

一个 近似的深度,b地平线连续在第二个实验中(RT)。

我们进行了前两个实验场站点1和最后两场网站2。耕作后的第一个实验(CT)发生在山脊创建之前,所以土壤表面是平的,代表传统耕作制。第二个(RT)进行后脊的创建。现场站点2、马铃薯作物种植在山脊黑色塑料地膜覆盖,我们进行了第三次实验(RT点在赛季初当土豆播种。最后一个灌溉实验( RT 点 + 作物 )在同一领域的网站进行了实验RT点但后来在生长季节,当土豆作物和他们的根系已经发育良好。在下面我们使用CT, RT, RT点, RT 点 + 作物 参考相应的实验、情节或耕作。

灌溉之前,我们安装了罗斯福土壤水分传感器(十边形设备有限公司、铂尔曼、佤邦99163年美国)监控体积含水量 θ V 。在CT,他们被安置在5 - 20厘米的深度土壤表面。在实验中RT和RT点,两个传感器位于沟在5和20厘米深度皱纹的表面,另两个在山脊在5和20厘米深度从脊表面。由于技术问题,进行了第四次实验没有土壤水分传感器。我们记录的值土壤水分在两分钟时间间隔数据记录器(十边形设备有限公司、铂尔曼、佤邦99163年,美国)。

我们灌溉2 m的表面2示踪剂的解决方案包含5 g L−1亮蓝色的自由现金流量使用自动喷水灭火系统。因为这示踪剂可以推迟相比,渗透水( 24),我们添加了5 g L−1碘化钾在情节CT和RT点示踪剂作为一个参考。测量地表径流和输沙量的数量,灌溉面积是配备了一个渗透框架。它将通过地表径流和沉积物内部管到桶外的框架。实验结束后我们测量桶的水位。我们均质样品的水和沉积物,在干燥箱烘干,称重的沉积物。的总时间和灌溉量不同的实验由于技术封锁喷水灭火飞机的问题。然而,实验还比较(表 3)。

一天后我们发掘的灌溉土壤的8 - 10 1 × 2 米间隔10厘米在每个情节。碘化可视化的示踪剂的溶液和硝酸铁(III)指标和淀粉制备( 25)和喷洒在挖掘土壤概要文件。所有资料都配备了2 m的金属框架2柯达的颜色范围和拍摄数字单镜头反射式照相机(佳能EOS 1000 d)。只有部分的概要文件被框架进行分析。

土壤剖面采样来确定土壤物理性质。我们仔细刮土材料从不同的资料,分析了结构在激光粒度分析仪(Mastersizer年代“老妈5044”莫尔文仪器GmbH是一家,Herrenberg,德国)。此外,我们带着小土原状样核心环(直径2.8厘米,高为1厘米)在不同的视野。他们重,干24小时烘箱在105°C,并再次重来计算体积密度。

 2.3。数据分析 2.3.1。图像处理

我们修正的等角度和径向畸变图像与理想的相机拍的照片看垂直地到配置文件。转换计算 (1) v → = 1 1 + κ · 〈 u → , u → 〉 · u → , 的参数 κ 径向畸变的大小, u → 在原始图像的一个点的坐标, v → 在纠正一个坐标,括号 〈 〉 表明内积。如果 κ 是负的,桶形失真,而对于积极吗 κ 它是针垫形( 26]。的参数 κ 摄像机标定过程中获得特殊的校准板。

随后,我们改变了图像从RGB、HSI(色相、饱和度、强度)颜色空间和像素分类成艳蓝染色(黑色)和nonstained(白色)的获取二进制图像。转换是必要的,因为HSI颜色空间是基于颜色更适合不同光照下的图像分割。更多细节图像变换和分类给出了Bogner et al。 13]。

实验RT, RT点, RT 点 + 作物 我们另外产生一个二进制的背景图像,土壤编码黑脊之间的背景白色(图 1)。畸变的校正和颜色分割Halcon版本中完成。10.0 (MVTec软件GmbH,慕尼黑,德国)。

处理土壤极化的图象资料:(a)纠正染料示踪形象,(b)与土壤背景图像编码的黑色和山脊之间的背景白色,和(c)最终二进制图像用于计算图像与极化指数像素编码黑白nonstained编码的白色。

 2.3.2。图像索引功能

我们使用的二进制图像来评估不同耕作管理系统。前两个实验(CT和RT)在流模式显示土壤表面形貌的影响。通过对比实验RT和RT点,我们可以推断出塑料覆盖物的影响。最后,我们可以提取信息的影响马铃薯树冠和根系流模式通过比较RT的图像点与 RT 点 + 作物 。

有效地分析流动模式在二进制图像,计算图像指数函数或简单的指数。索引是一个实值函数的一个二进制向量 r → 的大小 米 (即。,一个row in a binary image of width 米 )[ 27]。这些函数构造,它们独立于图像的大小和局限于区间 ( 0 1 ] 。他们提取不同特征的一个二进制图像行,行。实际上,由于垂直方向的主要方向在包气带水运动,这些函数总结的水平,强调垂直配置模式。详细的数学描述看到Trancon y Widemann Bogner [ 27]我们紧跟在图像索引功能的描述如下。在下面,我们识别彩色像素与整数1和nonstained 0。在线补充材料包含一个示例计算图像指标(1.1节)。

的 染料覆盖是一个著名的指数在染料示踪研究。它显示了彩色像素的比例: (2) 我 D ( r → ) = 1 米 ∑ 我 r 我 , 与 r 我 是 我 像素的行 r → 。我们称之为(最大)连续subvectors平等的价值观”。“1 s代表着彩色的经营对象和它们的数量被称为 欧拉数。正常化可能运行的最大数量(例如, 米 / 2 )为: (3) 我 E ( r → ) = | ℛ 1 ( r → ) | ⌈ 米 / 2 ⌉ , 在哪里 ℛ 1 是一个函数,计算的顺序运行长度和括号 ⌈ ⌉ 的上限函数围捕到最近的整数。 我 E ( r → ) 很小如果只包含几个彩色的模式对象和达到其最大的常规序列交替染色和nonstained像素。

运行长度的分布可以概括在一个健壮的方式在他们的5%,50%,和95%分位数。然而,在我们的实验中,我们只使用95%分位数,我们所说的 最大运行长度,因为它是比另一个更合适的分位数来区分不同的耕作管理: (4) 我 问 0.95 = 1 米 问 0.95 ( ℛ 1 ( r → ) ) , 的函数 问 p 计算 p 分位数。此外,我们可以衡量 支离破碎的通过定义运行 (5) 我 F ( r → ) = 1 - - - - - - 〈 ℛ 1 ( r → ) , ℛ 1 ( r → ) 〉 ( ∑ 我 r 我 ) 2 。

不确定的情况下,没有行和彩色像素 我 F = 1 - - - - - - 0 / 0 被设置为 0 。 我 F = 0完全染色和nonstained图像行。此外,鉴于两行相同数量的染色(即。、平等 我 D ) 我 F 将与较大的最大运行长度较小的模式吗 我 问 0.95 。在线补充材料显示了分裂的变化 我 F 对不同染料保险 我 D 彩色对象和最大宽度 我 问 0.95 在补充材料(见1.2节)。

最后但并非最不重要,我们要评估一个图像行中包含的信息 r → 通过度量熵,香农熵的一个版本。香农( 28)定义了信息内容的一个结果 x 离散随机变量的 h ( x ) = - - - - - - 日志 2 p ( x ) , p ( x ) 结果的发生概率 x 。以比特。平均信息内容(即。,香农熵)被定义为 (6) H ( X ) = - - - - - - ∑ x ∈ X p ( x ) · 日志 2 p ( x ) 一系列的事件 X 发生的概率 p ( x 1 ) , p ( x 2 ) , … , p ( x n ) 。在所有分布与 n 可能的事件, H 达到它的最大的 日志 2 n 均匀分布。这是直观清楚的平均信息内容相当于我们的不确定性事件会发生。换句话说,香农熵措施多少信息是“生产”的随机变量。肯定会发生的一个事件 H 等于0。

应用( 6)二进制向量,我们考虑个人位二进制随机变量(即实现。。,可能的结果是“彩色”或“nonstained”)。在这种情况下 H 称为二进制熵函数和达到其最大 p ( 1 ) = p ( 0 ) = 0.5 。我们通过经验频率代替理论概率, p ( 0 ) 和 p ( 1 ) 和香农熵的计算 (7) H ( r → ) = - - - - - - ( p ( 0 ) · 日志 2 p ( 0 ) + p ( 1 ) · 日志 2 p ( 1 ) ) 。

更详细的结构可以被考虑单词的长度 l 一个二进制向量。然后,香农熵的计算基于这些词的频率。归一化的 l 收益率指标熵 (8) 我 我 l ( r → ) = 1 l · H ( l ( r → ) ) , 在哪里 H 是概括的香农熵( 7)的长度 l 。特别是,随机变量 X 从( 6)定义任意单词的长度 l 从 r → 。 l 是一个滑动窗口函数,穿过图片行吗 r → 生产不同的单词。只有在度量熵给出有用的值 米 ≫ l 。我们选择为我们的图像 l = 8 。相对于香农熵的( 6),度量熵允许评估相关结构内的单词。事实上,度量熵达到最大时单像素的单词是不相关的,减少相关的像素。对二进制序列 我 我 l 是局限于区间 ( 0 1 ] 。

应特别注意在计算图像索引功能的土壤不均匀土壤表面。实际上,像素不属于土壤应该排除在分析之外。因此,为了区分成脊状表面的土壤和nonsoil RT, RT点, RT 点 + 作物 背景,我们使用二进制图像(图 1(b))。地区确定为nonsoil都被省略了。此外,我们丢弃的第一个和最后一个概要文件完全由于边缘效应和8 CT图像,使用RT和RT点和5图片 RT 点 + 作物 。图像指标计算R ( 29日]。图SF3在线补充材料显示了从RT概要文件点与三个不同的图像索引。

 3所示。结果 3.1。表层土的属性

土壤表层土的分析显示大的差异(表在旱地森林和字段 2)。的确,我们发现大内容的C, N, SOM(10倍)在森林里比在农业土壤。此外,粘土分数更丰富和粘土和淤泥组成超过50%的土壤细分数在森林里和不到30%的旱地字段。我们认为森林土壤anthropogenically未受影响。因此,这些差异支撑强劲的人为改造前森林流域的农业土壤。

32旱地的平均表层土属性字段和16 Haean流域的森林站点。

参数 旱地网站 森林的网站
均值(%) Std. dev。(%) 均值(%) Std. dev。(%)
N 0.06 0.02 0.41 0.17
C 0.53 0.30 5.77 2.47
耶鲁大学管理学院一个 0.98 0.53 9.92 4.25
粘土 5.43 2.98 12.27 4.87
淤泥 22.32 7.10 38.81 9.79
沙子 72.26 9.97 48.91 14.01

一个 土壤有机质;注意,SOM的森林站点被C乘以1.72估计。

总额灌溉、渗透、地表径流、输沙量,侵蚀在染料示踪实验。

实验 灌溉用水总量(左) 渗透 径流 输沙量(g) 侵蚀(g m−2)
(左) (%) (左) (%)
CT一个 87年 69年 79年 18 21 151.41 75.71
RTb 74年 46 62年 28 38 66.59 33.30
RT 点 c 81年 41 50 41 50 322.45 161.23
RT 点 + 作物 d 91年 63年 69年 28 31日 54.02 27.01

一个 传统耕作,b岭耕作,c脊与塑料地膜耕作,d脊与塑料地膜和马铃薯作物耕作。

当比较这些变化也明显表土和底土实验网站(表的属性 1)。这些表层土的移置自然反映在卓越的质感。事实上,粘土含量增加从2 - 8%到大约21%的表层土壤(美联社和Ap1-Ap3)地下2 (apb)。

 3.2。染料示踪实验 3.2.1之上。表面处理对土壤和土壤含水量

我们观察到最大的渗透和最小的CT(表径流 3)。然而,在径流输沙量测量和整体侵蚀相对较高。下的表面形貌RT渗透水的数量减少和增加了地表径流。同时,侵蚀降低CT相比,由于山脊的屏障作用。在RT点表面形貌和塑料覆盖的山脊导致最大的地表径流和土壤侵蚀。事实上,大约50%的灌溉的水导致了径流,并侵蚀率CT相比增加了一倍多。虽然塑料覆盖保护土壤在山脊,沟是更容易受到侵蚀的土壤由于径流能量较高。相比之下,在 RT 点 + 作物 再次渗透增加,地表径流可能下降到31%由于作物树冠。事实上,拦截和灌溉用水的净降水量可能减少地表径流的形成以及侵蚀潜力。

初的染料示踪实验CT 5厘米深的水含量低于20厘米深度(图 2)。大约15分钟后开始的灌溉,传感器放置在5厘米深度增加含水量注册,在20厘米深度的增加延迟。虽然土壤表面甚至,整个情节都倾向于这解释了较大的土壤水分测量的值罗斯福坐落下坡的(罗斯福2和罗斯福4)。

含水量的动态变化在不同深度染料示踪实验CT, RT和RT点。灰色区域表示时间的灌溉。

情节RT和RT点我们发现较大的含水量在沟灌溉的开始。这可能是由于之前优先渗透水由于地形的影响。在5厘米深度RT含水量上升首先在沟,因为山脊的径流在山脊,然后堆积。它在20厘米深度仅略有增加。

在RT的灌溉点水的动态内容与RT除了塑料地膜覆盖的山脊。,只略微增加20厘米深度可能由于水主要渗透在犁沟和随后汇集横向山脊。

 3.2.2。流模式的分析

染料示踪实验显示,首先,耕作生产区域优先渗透,即沟和种植孔,不渗透区域,即塑料农地膜隆起(图 3)。因此,模式的云斑和优先流的发生是由于土壤表面形貌。

示例图像挖掘土壤概要文件和二进制图像。从上到下:CT、RT、RT点, RT 点 + 作物 。注意方向的斜率不同领域网站1 (CT和RT,坡面向左)和现场站点2 (RT点和 RT 点 + 作物 坡面向正确的)。在色彩的形象 RT 点 + 作物 ,白色的物体在右手岭是一个土豆切成两半。

其次,传播之间的层边界表土和底土是最重要的功能在这些农业土壤水运动。这是明显的减少所示所有指标在大约25 - 35厘米深度(即零。,between the horizons Ap and Bwb on site 1 and between the horizons Ap1 and Ap2 on site 2, resp.) (Figure 4)。

图像索引功能及其25%和75%分位数(彩色区域):染料覆盖 我 D ,碎片 我 F 、欧拉数 我 E ,度量熵 我 我 和最大运行长度 我 问 0.95 。欧拉数 我 E 比例提高细节。大的值 我 E 在土壤表面附近的RT是图像处理的一个产物。

第三,曲线的形状指数显示,在我们的实验中水流发生在表层土,并汇集优先以上层边界。实际上,深层土壤的垂直传播视野通过大孔隙、裂缝,裂缝是缺席。这也证实了通过比较艳蓝染色模式对碘化模式。碘离子示踪的传播解决方案是亮蓝色的类似于自由现金流量。

的影响 山脊地形最好可以看到当比较指标 我 F 和 我 问 0.95 CT和RT, CT上的表层土均匀染色的时候,RT由彩色沟交替的模式,清白的部分的山脊,彩色内部分由于种植孔渗透(图 3)。这是反映在一个更大的 我 F ( 马克斯 = 0.87 在RT和 马克斯 = 0.73 在CT)和一个更小的 我 问 0.95 ( 马克斯 = 0.72 在RT和 马克斯 = 1.00 CT)表明更多分数较小的模式彩色物体沿染料覆盖 我 D 其最大的大型两块被土壤剖面的顶部。由于脊的高度, 我 D 减少慢RT比CT。此外,我们计算熵度量的最小值 我 我 8 附近的土壤表面因为这部分的概要文件是均匀染色和像素之间的相关性在不同的单词。最后,在所有四个实验 我 E 大约是0.1,这是非常小的,反映了一些彩色的对象。

的影响 塑料薄膜最好可以通过比较提取 我 D 和 我 问 0.95 在RT和RT点。在RT, 我 D 是最大的 ( 马克斯 = 1.00 ) 在土壤表面的均匀渗透。相比之下, 我 D 在RT点0.53增加到最多20厘米深度指示塑料的大型地表径流农地膜脊进沟的灌溉用水优先渗透。另外,因为示踪剂不能渗透到塑料覆盖的山脊,在RT的彩色对象点更小的减少 我 问 0.95 。事实上,齐次矩阵流在RT土壤表面被一个大的反映 我 问 0.95 ( 马克斯 = 0.72 ) ,而最大的 我 问 0.95 ( 马克斯 = 0.21 ) 在RT点标志着外侧沟的深度和汇集的层上面的水边界。

的影响 根系染料模式仅略明显更大 我 D 在大约20厘米土壤深度 RT 点 + 作物 相比,RT点。茎流的水主要种植孔阻塞。渗透示踪剂解决方案后飞优先沿着根,导致最多 我 D (0.66)在根区深度。相比之下,最大的 我 D 在RT点没有作物根发生在沟的深度(0.53)和增加不明显可见的深度层边界(大约30厘米深度)。同样的,最大的 我 问 0.95 反映了渗透在上面的犁沟和漏斗流层边界RT点(0.22)和高彩色根区 RT 点 + 作物 分别为(0.25)。此外,我们观察到的另一个重要因素是最好的头像照片(图中可见 3)。在 RT 点 + 作物 水运动相比,RT斜坡方向不再明显点。相反,水从皱纹脊主要是重定向上坡。我们认为这个横向流之间的水力梯度山脊和犁沟。类似的情况被Ruidisch et al。 30.)发现的最低压力头内部的塑料农地膜脊由于根水吸收。

 4所示。讨论 4.1。耕作管理流动过程的影响

岭耕作和塑料覆盖典型渗透区(即创建。、皱纹和种植孔)和noninfiltration区(即。,plastic covered ridges) resulting in soil moisture differences between furrows and ridges. Our results agree well with Saffigna et al. [ 31日)研究非均匀渗透模式由培土和土豆树冠。他们观察到一个更高的土壤水分从脊沟由于径流。径流从脊沟也报道了Leistra和Boesten 32]。

此外,我们可以表明脊耕作和塑料覆盖大幅增加地表径流和土壤侵蚀的早期生长季节。在RT最大的地表径流和土壤侵蚀点经这些et al。 33]。他们结合实地测量使用侵蚀与径流收藏家和基于流程的建模研究3 d分析脊耕作和塑料地膜对土壤侵蚀的影响在两个土豆字段Haean排水。这些作者报道,在以后的赛季发达土豆树冠可以减少由于拦截地表径流和净降水量。此外,一个发达的根系有可能中断上述地下漏斗流层之间的边界的表层土,和底土。Ruidisch et al。 30.),例如,在他们的张力计和建模研究中发现的报道隆起和根水吸收诱导的压力水头梯度迫使水从湿润的沟流到干燥的山脊。然而,潜在的中断层上方的地下水流横向边界可能取决于强度和降雨量。在我们的研究中我们可以从沟与流的发生只山脊的灌溉利率与中雨的事件37-45毫米。

我们想强调前练习(偶尔也会发生今天)分发砂土材料之前农田种植和随后的耕作。事实上,沙质土壤物质的分布平衡Haean流域的侵蚀损失强烈影响流动过程。这个管理实践创造了一个人工分层土壤物理性质不同。一个有凝聚力的、密度和细纹理底土noncohesive组成的表面由表层土和粗材料。因此,创建一个重要的结构边界之间的视野。这些结构性差异表土和底土负责上方的漏斗流层边界。这也是由彼得森et al。 34]发现水平流模式由于突然土壤分层土壤结构的变化引起的耕作。

几个作者报道,裂缝、裂缝和蚯蚓洞穴可以作为优先流路径特别是细纹理底土( 16, 35]。尽管耕作活动导致不连续表土和底土(之间的大孔隙 36),大孔隙在更深的地下仍然可以进行水 37]。在我们的实验中,我们无法检测到任何大孔隙流在表土和底土。这可以与事实noncohesive桑迪事务缺乏大孔隙甚至在耕作。此外,我们没有发现任何大孔隙裂缝或裂缝,这可能启动优先流,密度和finer-textured底土。我们观察任何土壤挖掘工也在我们的网站,可以建立一个网络的大孔隙。

 4.2。生态农业实践的影响

我们的研究结果表明,地下水垂直传播的农用化学品的风险是一般相对较低,因为缺乏在沙质土壤大孔隙。然而,外侧下坡水流边界anthropogenically修改以上层表土和底土似乎生态有关。特别是在东亚夏季季风,当降雨可以达到每天100毫米以上 22),通过粗纹理表土下坡侧流可能会扮演一个关键的角色在农用化学品的运输。因此,旁边的现场地点位于河流系统可能代表地点污染物进入水体。

我们已经表明,地表径流、土壤侵蚀和地下水流减少作物发展的成人阶段。这也意味着,浸出和侵蚀的风险尤其高,生长季节的开始,当植物是青少年和化肥最近应用。这是由凯特灵等。 38)发现最高的淋溶量的硝酸盐在塑料农地膜种植萝卜Haean流域在生长季节的开始由于低拦截和根水吸收。

然而,在我们的实验中,径流仍然构成了三分之一的总灌溉甚至在以后的赛季,当作物树冠很发达。我们假设的广泛使用塑料覆盖结合沉重的季风事件部分负责高磷浸出Haean排水因为磷主要通过地表径流。金等。 9),例如,报道称,富营养化和下游水库的水质的恶化在韩国与磷的排放有关农业旱地字段。

有几个选项来减少地表径流和土壤侵蚀的风险。这些et al。 33),例如,建议减少除草剂的应用程序到沟,以便杂草的生长。这将增加表面粗糙度,从而加强沟的渗透。多孔塑料地膜的使用将是另一个可能的选项来减少径流( 30.]。华莱士( 39)推荐的精准农业更喜欢放置化肥和更好的应用时机。此外,一个适应平整,排水,轮廓线,在他看来,导致经济和环境效益。在后续研究中Ruidisch et al。 40)模拟不同场景的最佳管理实践在一个塑料农地膜岭培养系统。他们只能表明,化肥放置在山脊以及一个更好的时机可以大幅降低硝酸浸出的风险。

最后,土壤管理的可持续农业应该提高土壤质量。这包括,例如,提高土壤肥力和土壤结构、土壤固碳和土壤生物和生物扰动作用的支持 5]。我们的土壤分析表明,砂质土壤传播一个贫穷的结构和SOM含量很低。传播的移置土壤物质导致不可持续的农业管理短期仍会影响今天的农业,因为还需要附加的大量投入化肥平衡的SOM含量低的土壤。

因此,农业实践Haean排水应该现在在长期可持续改善退化土壤。这可以通过土壤改良剂,例如,农作物残留物( 5),生物炭( 41),和/或冬季覆盖作物。这些管理实践可以有几个优势。生物炭为例,提出了加强植物生长以及农药结合,从而减少磷酸盐和硝酸盐污染河流和地下水。值得保留的N透水土壤在下雨的情况下被指出为进一步利用生物炭中获益。此外,生物炭的修正案是假定支持集约可持续农业和森林间隙可能会因此进一步降低的必要性( 41]。豆类等冬季覆盖作物可以增加SOM表层土,保护从田间收获后土壤侵蚀,并改善土壤的养分状况下季( 42]。因此,充足的冬季覆盖作物的种植可以有多个好处与土壤和水质。

 5。结论

可持续农业旨在既,增加作物产量,减少对自然资源的影响。因此,为了提高或至少保持水和土壤的质量非常重要。当专注于水土保持、农业管理实践应减少径流,控制水土流失和减少非点源污染( 5]。很难决定是否一个农业实践确实是可持续的,因为它必须完成几个不同的标准。然而,它是很容易的决定,这是nonsustainable如果不能满足其中之一。重复的贫瘠的沙质土壤分布在农业领域为了弥补土壤流失显然是一个短期的不可持续的做法。尽管这管理是现在只是偶尔练习,结果人为土壤应该免受进一步退化。

在我们的研究中我们发现,脊栽培的影响有或没有塑料覆盖物对地下水流与地表径流的增加相比相对较低。因此,减少它,我们建议(i)鼓励在山脊栽培作物生产多孔生物可降解塑料地膜和(2)加强渗透在皱纹减少除草剂输入沟或通过保护作物残留的犁沟。这些做法将降低农用化学品的侵蚀和淋溶的风险,特别是在赛季初当作物少年。多孔塑料覆盖物还可以保持一个积极的影响作物产量增加在根区温度和除草。

此外,特别要注意横向下坡浸出的风险引起的农药和化肥人工分层,尤其是在网站直接位于旁边流网络。因此,我们建议(3)促进建立河岸缓冲区之间的旱地农业农田和河流。

此外,肥沃的表层土的长期可持续发展防止水土流失和恢复有机物质是必要的。因此,我们建议进一步研究(iv)来识别潜在的土壤改良剂等生物炭提高土壤碳股票在沙土季风条件和(v)确定适当的物种冬季覆盖作物可能会增加表层土壤的SOM内容保护裸露的土壤侵蚀和淋溶后收获的秋天和冬天的季节。

 确认

aurhors是感谢教授Baltasar Trancon y Widemann技术援助和密集的讨论。他们要感谢安德烈亚斯•科尔布为他宝贵的技术支持和博拉·李,李Heera翻译和谈判权限的实验。此外作者要感谢所有TERRECO成员,帮助他们与土壤采样和好的教授和他的实验室助理分析土壤样本。本研究进行的国际研究培训组TERRECO (GRK 1565/1)由德意志Forschungsgemeinschaft (DFG)拜罗伊特大学、德国和韩国研究基金会(KRF) Kangwon国立大学,春川,韩国。

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