金沙江干热河谷活跃和稳定冲沟集水区土壤优先流特征

为揭示金沙江干热河谷冲沟集水区土壤优先流特征,以金沙江元谋干热河谷地区不同发育程度冲沟(活跃期、稳定期)集水区为研究对象,采用野外染色示踪和统计分析相结合的方法,通过图像处理技术,从野外染色图像中整合出相关5个优先流特征指标,并结合根系特征,对比分析土壤优先流差异规律。结果表明:(1)稳定期冲沟集水区在0—15 cm土层深度范围出现大面积的团块状染色,随后呈小枝状分布,染色区分布相对更加集中,活跃期染色呈整体状—团块状—枝状分布,表明活跃期冲沟集水区染色形态特征更加分化。(2)活跃期冲沟集水区的平均基质流深度、平均染色面积比、平均土壤染色斑块形状系数和优先流平均长度指数(20.53 cm,54.25%,24.94,592.46%)分别是稳定期冲沟集水区的1.79,1.62,2.20,1.16倍,表现为活跃期冲沟系统集水区优先流发生时间相对滞后,优先流发育程度更大,优先流空间异质性相对较强。(3)随土层深度增加,根重密度和根长密度均呈减小趋势,且二者与染色面积比均呈显著正相关关系(p＜0.05)。活跃期冲沟集水区各土层根重密度和根长密度均大于稳定期冲沟集水区。研究结果为揭示金沙江干热河谷冲沟集水区土壤优先流特征提供理论依据,同时为该地区生态恢复与水土保持工作提供参考和借鉴。     

土壤重金属在优先流区和基质流区迁移能力研究

以Richards原始数据为研究对象,分析优先流区和基质流区土壤重金属浓度分布特征及含量变化,并利用土壤重金属迁移能力揭示可动区-不可动区模型所需参数条件。结果表明:(1)重金属主要分布在土壤表层,土壤表层以下,重金属分布受优先流影响显著,90%以上重金属被土壤表层滞留;(2)重金属浓度随土壤深度的增加呈现降低趋势,土壤表层重金属浓度明显高于深层土壤;(3)优先流区和基质流区内重金属(Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn)浓度变化差异不显著,总体讲,优先流区重金属浓度大于基质流区,土壤层面上重金属迁移能力表现为Zn>Cu>Cr>Pb>Ni>Cd;(4)利用可动区-不可动区模型模拟优先流区和基质流区重金属浓度,根据重金属浓度分布特征及实验数据,推出Richards等实验数据相关参数必须满足D/vm>289.6。     

元江干热河谷典型林草地优先流区和基质流区土壤团聚体特征

[目的]明晰干热河谷区土壤优先流对红壤团聚体特征及其稳定性的影响,为该区植被恢复和水土流失防治提供理论依据。[方法]以元江干热河谷典型地段龙潭箐流域内的银合欢林地、扭黄茅荒草地为研究对象,基于染色示踪试验区分样地土壤优先流区和基质流区,利用干湿筛法结合分形理论分析两区内0—50 cm土层团聚体特征差异,并借助通径分析法表征各土壤理化因子对团聚体稳定性的影响。[结果]干湿筛后R_0.25团聚体含量从大到小顺序为林地优先流区>林地基质流区>荒草地优先流区>荒草地基质流区,平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)与R_0.25排序相同且呈现出随土层深度增加而减小的趋势,分形维数(D)与团聚体破坏率(PAD)则为相反规律并随土层加深D和PAD的值逐渐增大。对两区土壤团聚体稳定性影响较大的理化因子是土壤容重和黏粒含量,其决策系数分别为0.474和-0.644。[结论]荒草地土壤团聚体破坏率更高,土壤优先流区团聚体稳定性优于基质流区;土壤团聚体稳定性主要受黏粒含量、容重、有机质等因子影响。     

干热河谷冲沟系统土壤团聚体对优先路径的影响

[目的]为探究金沙江干热河谷冲沟系统土壤团聚体结构对优先路径形成的影响,深化对冲沟系统土壤水分和溶质运移的认识。[方法]选取金沙江干热河谷活跃和稳定冲沟不同部位(集水区、沟头、沟床和沟底)为研究对象,基于染色示踪和形态学图像解析技术,提取土壤水平剖面优先路径。采用RDA、灰色关联和耦合协调度等分析方法探究土壤团聚体结构与优先路径的关系。[结果](1)稳定冲沟土壤团聚体稳定性高于活跃冲沟。除个别土层外,活跃冲沟>0.25 mm机械稳定性团聚体(DR_0.25)、水稳定性团聚体(WR_0.25)、平均质量直径(MWD)含量均显著小于稳定冲沟(p<0.05),团聚体破坏率(PAD)和不稳定团粒指数(E_LT)则呈相反趋势。冲沟系统由集水区向沟底延伸,土壤大团聚体占比减少,团聚体稳定性下降。(2)活跃冲沟优先路径数量和连通性优于稳定冲沟,冲沟系统由集水区向沟底延伸优先路径连通性变差。各部位以>10 mm优先路径为主要通道。活跃冲沟Simpson指数较稳定冲沟增加3.12%,不同径级的优先路径丰富度高于稳定冲沟。(3)...     

冻融循环和土壤性质对东北黑土抗剪强度的影响

为了揭示东北黑土区季节性冻融循环作用和土壤性质对土壤可蚀性的影响,采集黑龙江省宾县典型薄层黑土区(BX)和克山县典型厚层黑土区(KS)0—20cm的耕层土壤,通过室内冻融循环模拟和土壤直剪试验,分析了冻融作用和土壤性质对土壤抗剪强度的影响。结果表明:(1)经历1次冻融作用后BX和KS 2种供试土壤抗剪强度分别减小3.9%和9.2%,二者黏聚力分别减小15.2%和29.4%,内摩擦角分别减小1.4%和3.6%。经历7次冻融作用后,BX和KS2种供试土壤抗剪强度分别减小9.1%和15.1%,土壤黏聚力分别减小40.7%和74.5%,土壤容重分别减小6.7%和9.2%。受土壤有机质、水稳性团聚体、黏粒含量等的影响,KS土壤抗剪强度、黏聚力、内摩擦角和土壤容重的减小幅度皆大于BX供试土壤。(2)2种供试土壤抗剪强度皆随冻融循环次数的增加呈先逐渐减小后趋于稳定的变化趋势;第1次冻融循环对土壤抗剪强度破坏最大,经历1次冻融循环后2种土壤抗剪强度和黏聚力的减小量分别占7次冻融循环土壤抗剪强度和黏聚力总减小量的43.4%和61.0%,37.3%和39.4%。(3)土壤抗剪强度与土壤容重和团聚体平均重量直径(MWD)呈极显著的正相关,而与冻融循环次数呈极显著的负相关。     

紫色土坡耕地埂坎土壤裂隙发育及其对抗剪强度的影响

【目的】探究失水过程中埂坎的裂隙发育规律及其对抗剪强度的影响，为揭示埂坎失稳机制提供科学依据。【方法】以典型紫色土坡耕地埂坎为研究对象，模拟试验埂坎土壤水分耗散和裂隙发育过程，测试土壤抗剪强度，分析土壤抗剪强度与裂隙发育的关系。【结果】埂坎裂隙发育具有明显的阶段性特征，裂隙面积率、面积-周长比、形状指数和分形维数总体表现为先快后慢再趋于稳定。裂隙发育的阶段性对土壤抗剪强度及其参数的影响存在差异，快速发育阶段（31%≥w> 22%），裂隙发育和无裂隙发育试样的土壤抗剪强度、黏聚力和内摩擦角无明显差异；缓慢扩展和基本稳定阶段（22%≥w> 10%），裂隙发育通过影响土壤黏聚力对抗剪强度影响较大。试验条件下，裂隙发育试样的土壤抗剪强度总体小于无裂隙发育试样，土壤抗剪强度随含水率衰减而逐渐增大。裂隙发育和无裂隙发育试样抗剪强度的差异主要取决于土壤黏聚力，试验范围内的最小黏聚力（10.97 kPa）出现在质量含水率20%左右。裂隙发育试样的黏聚力随水分耗散的变化幅度不大，而内摩擦角则随水分耗散呈近似线性增大，裂隙发育试样的土壤抗剪强度主要受内摩擦角影响。【结论】紫色土坡耕地埂坎土壤裂...     

赣南崩岗侵蚀区不同部位土壤抗剪强度及影响因素研究

为明确南方崩岗侵蚀区不同部位土壤抗剪强度的分布规律,探索在崩岗发育过程中土壤基本性质对抗剪强度指标的影响,以不同发育阶段崩岗各部位表层土(0～20cm)为研究对象,对土壤基本性质和抗剪强度的差异进行对比研究。结果表明:(1)随着崩岗的发育,表层土壤基本性质逐渐恶化,容重逐渐减小,颗粒组成粗骨质化现象明显,土壤有机质的含量与根系密度的变化,均随崩岗的发育呈现出典型的退化特征;(2)崩岗各部位黏聚力和内摩擦角的变化规律相似,集水区部位达到峰值,沟道部位达到最小值,随崩岗的发育呈明显下降趋势;(3)根系密度与黏聚力有良好的线性相关关系,砾石含量、粉粒含量和黏粒含量对崩岗土体内摩擦角有显著影响,可以用幂函数表示它们之间的关系;(4)试验以根系密度、砾石含量、粉粒含量和黏粒含量来表征土壤饱和状态下的抗剪强度,建立了在崩岗发育过程中饱和抗剪强度的预测方程(R2=0.891,P0.01),结果显示方程可信程度较高,预测效果较好。研究结果揭示了南方花岗岩崩岗区不同发育阶段抗剪强度的控制因素,为进一步防治水土流失提供理论依据。     

紫色土埂坎根-土复合体土水特性与抗剪强度

研究根-土复合体土-水特征曲线与抗剪强度的关系,可为紫色土埂坎根-土复合体强化机理的揭示与埂坎稳定性的维持提供科学依据。选取三峡库区典型紫色土坡耕地埂坎草本植物根—土复合体为研究对象,结合Hyprop2土壤水分特征曲线测量仪、滤纸法与直剪试验,拟合土-水特征曲线,揭示基质吸力对根-土复合体抗剪强度的影响。结果表明:(1)根-土复合体土-水特征曲线明显分为边界效应区、过渡区与非饱和残余区,3种常用模型(B-C、VG、F-X)中F-X模型拟合该曲线效果最好,根-土复合体饱和含水率、进气吸力、残余区含水率以及相同体积含水率下的基质吸力均高于素土。(2)随着体积含水率降低,根-土复合体黏聚力先增大后减小,试验范围内黏聚力最大值51.25 kPa出现在体积含水率约23%时,内摩擦角则线性增大。相同体积含水率下,根-土复合体黏聚力较素土最大增加50%,内摩擦角提升不大。(3)基质吸力对根-土复合体抗剪强度的增强作用具有阶段性特征,各阶段临界吸力值与土-水特征曲线一致,过渡区(基质吸力为3~500 kPa)土体抗剪强度提高明显,进入非饱和残余区后(基质吸力>500 kPa)由于黏聚力下降,土体抗剪强度增速减慢,根-土复合体抗剪强度随基质吸力增大而提升的幅度大于素土。通过建立埂坎根-土复合体土-水特征曲线和抗剪强度的关系,可估测实际工况下的埂坎土体抗剪强度,进而为坡耕地埂坎的建设、维护管理以及坡耕地侵蚀阻控提供理论依据。     

黄河源区4种植物根系力学特性及根-土复合体抗剪强度研究

为研究黄河源区高寒草地植物根系力学特性及其增强土体抗剪强度效应,选取黄河源区不同退化类型区的4种优势种草本植物(小蒿草、紫花针茅、矮火绒草、细叶亚菊)开展单根拉伸、剪切试验和根-土复合体直剪试验,结果表明:区内4种草本植物的单根抗拉强度和抗剪强度与根径之间呈幂函数关系,其中紫花针茅的平均单根抗拉强度(46.81 MPa)和平均单根抗剪强度(39.34 MPa)均为最大;4种植物根-土复合体重塑试样及素土试样按黏聚力大小排序为小嵩草(14.16 kPa)紫花针茅(13.25 kPa)矮火绒草(10.89 kPa)细叶亚菊(9.32 kPa)素土(6.07 kPa)。此外,进一步研究表明,区内4种草本植物的平均单根抗拉、抗剪强度与其相对应的根-土复合体黏聚力间存在一定程度的关联性。     

基于土-水特征曲线的植物边坡抗剪强度研究

土-水特征曲线通常用于估计非饱和土壤的抗剪强度,但是由于植物根系的吸水作用和加筋效应,使得植物边坡的抗剪强度不能直接利用基于基质吸力的非饱和土抗剪强度计算公式进行计算。以裸露边坡和植被边坡为研究对象,采用张力计现场测试和室内剪切试验相结合的方法,拟合水土特征曲线关系。结果表明:(1)植物根系的植入有效地提高了边坡土体的进气值,较素土进气吸力值增幅41.10%。在同等含水率条件下,植物边坡基质吸力明显大于素土边坡,提高了边坡土体的持水能力。(2)边坡红黏土基质吸力与含水率的关系符合V-G模型,利用最小二乘法得到模型参数。(3)随着体积含水率的增大,带根土与素土的抗剪强度参数值变化趋势大致相同,均呈现先增大后减小的趋势,但带根土的变化参数大,当含水率21.29%时,带根土黏聚力相较于素土增加了4.86 kPa,增幅18.55%,而内摩擦角对根系存在的敏感程度不如黏聚力。(4)随着土壤基质吸力不断增大,植被边坡与素土边坡的抗剪强度力学参数变化趋势大体相同,当土基质吸力为60～90 kPa土体的黏聚力提高最为明显,但植被边坡由于植物根系的存在,土体内基质吸力对边坡土体的抗剪强度提高幅度更大,黏聚力与内摩擦角最大增长幅度分别为37.34%和40.30%。通过建立土-水特征曲线参数与植物边坡抗剪强度的关系,可计算不同含水率或基质吸力条件下植物边坡的抗剪强度,为进一步分析工程实际中植物边坡的稳定性提供理论依据。     

鄂东南崩岗区花岗岩风化岩土体抗剪强度的异向性

旨在从岩土力学性质的角度为崩岗侵蚀提供理论依据,采用直接剪切实验,对鄂东南崩岗区典型花岗岩风化岩土体剖面不同方向上原状土的抗剪强度进行测定,并分析了花岗岩风化岩土体抗剪强度在剖面尺度上的异向性及其影响因素。结果表明,饱和条件下,花岗岩风化岩土体黏聚力和内摩擦角的变化范围分别为3.19～19.26 kPa和26.50°～32.42°,其中B_2层黏聚力最大,而各层次间内摩擦角的差异并不明显(p0.05);黏聚力和内摩擦角均存在明显的异向性,其中水平方向总体大于垂直方向,且黏聚力的异向性较内摩擦角更明显。不同方向上抗剪强度的影响机理不同,其中,垂直于剖面方向上,黏聚力主要受毛管孔隙度(r=-0.97,p0.01)和粉粒含量(r=0.94,p0.05)的影响,而水平方向上仅与粉粒含量(r=0.91,p0.05)显著相关;而液限对水平方向上的内摩擦角影响显著(r=-0.99,p0.05)。对于花岗岩风化岩土体抗剪强度的异向性而言,其主要受自然含水率(r=-0.98,p0.01)、有机质(r=-0.93,p0.05)和塑限(r=-0.97,p0.05)影响。研究结果对于从力学稳定性角度揭示崩岗的发生机理具有重要意义。     

有机肥施用量对残塬沟壑区苹果园土壤优先流特征的影响

为了研究有机肥施用量对残塬沟壑区苹果园土壤优先流特征的影响,以残塬沟壑区苹果园为研究对象,采用室外染色示踪法结合形态学和统计学方法,对永寿县苹果园土壤垂直染色剖面进行定量分析,使用均方差决策法综合各优先流特征指标对0 kg/hm²(CK)、6000 kg/hm²(T1)、9000 kg/hm²(T2)、1 2000 kg/hm²(T3)四种不同有机肥施用量苹果园土壤优先流特征进行研究。结果表明：(1)不同有机肥施用量样地土壤染色面积比随土壤深度的变化状况均与Logistic曲线拟合程度较好,决定系数R²均大于0.986。(2)选用的优先流特征指标中基质流入渗深度、优先流分数、变异系数和分形维数与均方差决策法计算出的优先流发育程度结果一致,优先流发展程度表现为T3>T2>T1>CK。但有平均最大入渗深度、优先流区染色面积比和长度指数在评价优先流程度中结果有些偏差,表现为T3>T2>CK>T1。(3)利用均方差决策法得到的优先流指数由大到小为：T3(0.75)、T2(0.59)、T1(0.27)、CK(0.25)。随着施肥量的增加,优先流程度也随之增加。研究可以为土壤优先流特征综合评价提供参考,并为残塬沟壑区果园制定合理的施肥措施提供依据。     

花棒沙柳根与土及土与土界面直剪摩擦试验与数值模拟

花棒和沙柳是毛乌素沙地中分布最广泛的优良防风固沙树种,在固定流动沙丘和半流动沙丘上效果明显。为了探索花棒和沙柳根-土界面的摩擦特性,该文选取毛乌素沙地5 a生人工种植花棒、沙柳的根系为研究对象,通过直剪摩擦试验研究界面类型、土壤含水率和垂直荷载对花棒、沙柳根-土界面以及素土-素土界面摩擦特性的影响,并采用有限元软件对直剪摩擦试验进行数值模拟。结果表明:花棒和沙柳根系对土壤抗剪强度的提高作用与根-土界面的黏聚力无关,与摩擦角有关。花棒根-界面的摩擦角显著高于素土-素土和沙柳根-土界面(P0.05)。土壤含水率的变化对根-土界面的黏聚力与摩擦角的影响规律相似,旱季和雨季对根系提高土壤抗剪强度的作用有显著影响(P0.05)。根-土界面的抗剪强度与垂直荷载的关系同样满足莫尔-库伦准则,本构关系为双曲线。花棒根-土界面抗剪强度极显著高于素土-素土界面和沙柳根-土界面(P0.01),从抵抗根-土位移的角度,花棒的固沙效果优于沙柳。该文所采用的应力、位移边界条件和Coulomb摩擦模型,模拟计算的根-土界面和素土-素土界面的抗剪强度与试验结果基本一致(最大相对误差10%),因此根-土界面的直剪摩擦试验可以通过本文所建立的有限元数值模型来模拟。研究结果可为根系固土作用的理论研究和防风固沙树种的筛选提供参考。     

模拟干湿交替对夯实土壤抗剪强度的影响

为了探究农业生产实践中经过人工夯实的田坎在自然营力作用下的垮塌变形机理,通过采集黄土区梯田土壤,对其进行室内击实、模拟干湿交替处理和剪切试验,探究了干湿交替过程对夯实土壤抗剪强度的影响。结果表明:在试验条件下,随着干湿交替次数的增加,土壤的粘聚力呈现逐渐增加的趋势。土壤的内摩擦角逐渐降低,并在第7次干湿交替时达到最小值。在100 kPa垂直压力作用下,土壤的抗剪强度受影响不明显;在200 kPa垂直压力作用下,土壤抗剪强度先增加然后趋于稳定;而在300,400 kPa垂直压力作用下,土壤的抗剪强度先增加然后逐渐降低,并趋于稳定,并在第2次干湿交替时达到最大值。此外,在相同干湿交替次数的情况下,随着垂直压力的增大,土壤的抗剪强度逐渐增大,说明垂直压力与土壤的抗剪强度呈正相关。经过显著性分析,干湿交替过程对土壤内摩擦角的影响大于相同条件下对粘聚力的影响。干湿交替过程对夯实土壤的抗剪强度有显著影响,随着干湿交替次数的增加,土壤的抗剪强度降低,其中土壤粘聚力增加,而内摩擦角下降。     

斥水剂作用下非饱和土壤抗剪强度测定及其变化规律

为获得斥水性土壤抗剪强度的变化规律,采用二甲基二氯硅烷(dimethyldichlorosilane,DMDCS)作为斥水剂,获得了不同斥水程度的改性砂土。在此基础上配制了不同斥水剂体质比和不同含水率的改性砂土及不同亲水黏土质量分数的改性混合土,并采用非饱和土直剪仪开展了不固结不排水剪强度试验。结果表明:1)不同DMDCS体质比下的5种改性砂土斥水等级均为极度。改性混合土的斥水等级受DMDCS和黏土含量的共同影响。相同DMDCS体质比下,随着黏土含量的增加,改性混合土的斥水性能不断减弱;相同黏土含量下,随着DMDCS体质比的增加,改性混合土的斥水性能不断增大。2)不同DMDCS体质比、含水率及黏土含量下的改性土壤抗剪强度均可用摩尔-库仑强度准则描述。DMDCS体质比从0增至1%时,黏聚力从19.6陡降至10.4 kPa,随后缓慢降低,最终趋于稳定。内摩擦角则随着DMDCS体质比的增加缓慢减小,从0时的16.2o降至3%时的11.8o;随着含水率的增加,改性砂土黏聚力逐渐减小,而内摩擦角呈先升后降形态;随着黏土含量的增加,改性混合土黏聚力显著增大,内摩擦角表现为先升后降,变幅不大。纯改性砂土的黏聚力仅为9.3 kPa,而掺入5%的黏土时,其黏聚力骤升至27.2 kPa;当黏土质量分数为50%时,混合土黏聚力为55.1 kPa;内摩擦角最大值为16.2°(黏土质量分数15%),最小值为9.7°(黏土质量分数50%)。该成果可为深入研究斥水性土壤力学性能及工程应用提供参考。     

北京地区2种类型土壤优先流染色形态特征及其影响因素

通过野外染色示踪试验结合室内图像解析技术,对北京地区2种类型土壤(淋溶褐土和潮土)进行了优先流染色形态特征及其影响因素研究。结果表明:(1)样地土壤用浓度为4g/L的亮蓝溶液27.3L染色后,淋溶褐土基质流深度均值为7.72cm,潮土为8.56cm,潮土优先流发生相对滞后;(2)淋溶褐土的优先流比、染色面积比、最大染色深度和长度指数均大于潮土,优先流现象更明显;(3)淋溶褐土优先路径集中区较多,侧向流较发达,且染色面积比和土壤深度相关性大于潮土,两者关系更密切;(4)2种类型土壤的土壤质地和土壤有机质与染色面积比显著相关(P0.01),直径为1~3mm的根长密度也和染色面积比呈显著相关(P0.05)。淋溶褐土优先流现象比潮土更明显,2种类型土壤对优先流染色特征影响较大的为土壤质地、土壤有机质和直径为1~3mm的根长密度。     

冻融作用对原状棕壤抗剪强度的影响

为揭示冻融循环作用对棕壤抗剪强度的影响,采集沈阳地区5 cm和25 cm 2个深度原状棕壤(分别为H 5和H 25)为研究对象,通过室内冻融循环模拟和土壤直剪试验,研究冻融循环次数和土壤含水率对土壤抗剪强度的影响。结果表明:(1)土样含水率越高,初次冻融作用的破坏效果越强,1次冻融循环后,含水率为25%的H 5和H 25土样黏聚力分别下降50.00%和25.87%;含水率35%的H 5和H 25土样黏聚力分别下降75.61%和50.77%。15次冻融循环后,含水率10%的H 5和H 25土样黏聚力分别增加74.36%和60.08%;含水率35%的H 5和H 25土样黏聚力分别增加14.63%和26.15%。但在2个不同含水率条件下,黏聚力的增大机制不同。(2)含水率为15%,20%,25%条件下,H 5和H 25土样内摩擦角在多次冻融循环中始终在一定范围内波动,说明这3个含水率下冻融作用对土壤内摩擦角影响具有不确定性。35%含水率的H 5和H 25土样内摩擦角受冻融作用的影响较小,分别在(18.57°±0.88°)和(12.86°±1.14°)变化。(3)平均抗剪强度主要受土壤含水率影响,随着含水率的增加呈指数函数减小。受黏粒含量影响,含水率低于25%时,H 25土样平均抗剪强度高于H 5土样;含水率高于25%时,H 25土样平均抗剪强度偏低。