温度对崩壁红土层土壤干缩裂隙形态影响的定量研究

  目的  探究干燥温度对土壤水分的蒸发速率及其崩壁土壤干缩裂隙的发育过程的影响,为准确认识崩壁土壤裂隙的形态及其对揭示崩岗的发展过程提供理论依据。  方法  研究选取典型崩岗区崩壁的红土层土壤,模拟干缩裂隙发育过程,通过图像处理技术,定量分析裂隙表面参数,探讨温度对崩壁红土层土壤裂隙发育的影响。  结果  温度降低,土壤水分蒸发速率下降,裂隙面积和裂隙总长度增大,裂隙率提高,同时块区面积降低,块区个数以及裂隙条数、节点数显著增加,整个土体呈现出越发破碎的状态。由于裂隙条数的显著增加,低温状态下（40 ℃）裂隙的平均长度小于高温条件（80 ℃）的试样,即低温条件较高温条件土壤裂隙发育数量更多,平均长度更小;土壤裂隙的平均宽度随温度升高呈现增大的趋势;分形维数随着温度的降低呈现增大的趋势。黏粒含量显著影响土壤干缩裂隙发育的温度效应。  结论  在较低温度条件下,崩壁红土层表层土壤水分蒸发时间长,裂隙发育过程更缓慢,但发育程度高,裂隙结构更复杂。     

土壤干缩开裂三维模型构建及其参数敏感性分析

为揭示农田土壤干缩裂隙沿深度方向的发展规律及形成机理,该研究改进了Vogel提出的Hookean弹簧模型,通过构建由节点组成的三棱柱状网格结构,并考虑重力的影响,建立了可以模拟裂隙深度的三维农田土壤干缩开裂模型,分析了纵向弹性系数（与土壤沿深度的弹性有关）对模拟裂隙深度的影响,通过Minkowski密度（即面积密度、长度密度和欧拉数密度）量化分析裂隙形态。结果表明：试验与模拟裂隙图像的面积、长度、欧拉数密度及裂隙深度频率的决定系数在0.849～0.959之间,一致性指标在0.965～0.988之间,偏差在0.103～0.189之间,均方根误差在0.005～0.083之间,说明改进后的三维模型达到率定要求,该三维物理模型可以模拟出裂隙沿深度的拓展情况,模拟的表层裂隙形态特征符合自然裂隙的发育规律。敏感性分析中,纵向弹性系数越小,裂隙沿深度方向发育的趋势越明显,深裂缝（土深5～10 cm）的占比越大。研究可为模拟农田土壤裂隙沿纵向的发育和形成提供算法参考。     

根系及盐分含量对农田土壤干缩裂缝发育规律的影响

为研究不同根系含量和盐分含量土壤表面干缩裂缝的发育规律,该文提出了一套基于数字图像处理的裂缝几何参数提取方法,分析裂缝形态随含水率的变化规律。结果表明:随着含水率的降低,不同根系含量条件下裂缝面积密度和长度密度的差异显著(P0.05),裂缝发育稳定时根系含量越大,面积密度越小,长度密度越大。盐分质量分数为2.0%的土壤试样在整个干燥过程中裂缝面积密度明显比其他低盐分含量的试样高。当含水率27%时,盐分含量对土壤裂缝面积密度的影响差异明显,不同盐分含量的土壤裂缝面积密度和长度密度均差异显著(P0.05),说明盐分含量越大,稳定时土壤裂缝面积密度越大,长度密度越小。该成果对指导开裂土壤的农田灌溉具有重要的实践意义。     

不同干湿条件下中等膨胀土裂隙发展及作用机理分析

为深入研究膨胀土在干湿循环作用下的裂隙发展规律，该研究以宿连航道工程中富含的中等膨胀土为研究对象，按照不同温度、干燥方式、干湿范围进行干湿循环试验，基于图像处理技术并结合SEM扫描电镜微观形貌，定量分析了膨胀土裂隙发展的温度与干湿效应。结果表明：裂隙发展受温度影响显著，从自然风干条件到烘箱干燥50 ℃，随着温度增加，裂隙指标逐渐增长；高温条件下裂隙的发育模式为先增长后拓宽，裂隙长度更早趋于稳定，而裂隙平均宽度仍会继续增长，并在含水率低于15%后出现0.08～0.17 mm的下降趋势；干湿循环是土体内部结构逐渐劣化，微观损伤不断累积的过程。虽然干湿前期试样的裂隙平均宽度受体缩效应影响，随干湿范围扩大出现部分下降趋势，而裂隙长度彼此接近，但随着干湿次数增加，裂隙指标极大值对应的干湿范围将逐渐由22%～33%向9%～33%转移；各温度、干湿范围作用下，试样裂隙指标的增加主要集中在前5次干湿循环，裂隙率、裂隙长度与平均宽度相较于未经过干湿循环的土体，分别增加了2.63%～11.56%，210.32 mm～445.34 mm，0.39 mm～0.83 mm；单位宽度分形维数相较于整体分形维数简化了干湿范围对于整体裂隙发育的影响，高温及大的干湿范围作用下的试样干湿后期形成的裂隙几何形态与网络分布更加复杂繁琐。研究成果基于非饱和土土力学相关理论，分析了中等膨胀土在不同干湿循环条件下裂隙发展的潜在机理，可为极端天气条件下膨胀土胀缩裂隙研究与地质灾害预防提供参考依据。     

考虑相关长度的土壤开裂模型改进及其参数对裂隙形态的影响

为探索蒸发作用下农田土壤表面干缩裂隙发育规律及机理,文章改进了基于胡克定律的土壤开裂模型,在模型构造临界应变随机场时引入反映土壤空间连续性的相关长度概念,用以模拟土体的动态开裂。研究结果表明,模型体现了裂隙在自然界发展的动力学特征,模型中的参数代表了土壤的物理性质。经计算,试验与模拟图像的裂隙面积、长度、欧拉数密度决定系数均大于0.5,均方根误差、偏差很小,一致性指标接近1,说明改进后的模型达到率定要求。采用Minkowski面积、长度密度和欧拉数密度比较两模型优劣程度,其中,决定系数R2在0.889～0.968之间,一致性指数IA在0.964～0.993之间,更接近1,这表明改进后的模型模拟结果整体优于原模型模拟结果,很好地体现了裂隙的动态开裂过程。文章最后分析了改变随机场内空间相关长度、以及异质性对模型模拟开裂的影响,结果表明:相关长度越长、异质性越低,其开裂越均匀。     

再生水灌溉对亚热带典型土壤干缩裂缝演变特征的影响

为揭示再生水灌溉对亚热带土壤干缩裂缝及其发育过程的影响,该研究选取红壤、潮土、紫色土、水稻土作为供试土壤,采用再生水原液(RW)及稀释2倍(RW-2)、4倍(RW-4)、6倍(RW-6)4种不同浓度再生水进行持续模拟灌溉,并进行脱湿开裂试验,提取干缩裂缝参数。结果表明:1)再生水灌溉抑制红壤及促进其余3种土壤干缩裂缝形成与发育,除RW-4处理促进作用存在异常外,其余处理呈再生水浓度增高,抑制或促进作用增大;2)再生水灌溉下,红壤干缩开裂过程更为平缓,其余3种土壤干缩裂缝面积发育更集中于前期,低浓度再生水集中作用更大;3)土壤类型与再生水浓度对干缩裂缝具有交互作用,土壤类型对面积密度及其发育过程减缓段变化速率影响较大,再生水浓度对面积发育过程初始段变化速率、减缓段长度、加速段变化速率、长度发育过程变化速率峰值影响较大;4)土壤裂缝面积密度发育程度与含水率的关系可用三直线模型拟合,长度密度及连通性系数发育程度与含水率的关系可用log-logistic模型拟合。研究结果可为亚热带地区再生水水质标准制定及其灌溉制度设计提供参考。     

粒度组成对红黏土干缩裂隙影响

为了探讨粒度组成对红黏土干缩裂隙发育的影响,从而给红黏土地区的工程建设及减灾防灾提供理论依据。通过室内干燥试验,研究了粒度组成对昆明呈贡红黏土饱和泥浆样的水分蒸发、干缩裂隙的形成和演化、表面干缩裂隙结构形态的影响。结果表明:(1)蒸发曲线分为4个阶段,常速率阶段是最重要阶段;(2)常速率阶段历时随粒径减小而增长,随粒径分布范围变大而减短;(3)蒸发速率与粒径、粒径分布范围的关系不明显;(4)干缩裂隙形成与演化过程分为5个阶段,受粒度组成影响最显著的是裂隙形成阶段;(5)粒度组成影响裂隙形成阶段历时、不同等级裂隙先后衍生关系、开裂曲线的分段性、裂隙网络结构和土块分布;(6)天然粒组样的干缩裂隙产生向上卷曲现象;(7)粒径分布范围越大,分布非均匀性越强,表面裂隙率越大,而粒径的影响不明显;(8)表面裂隙的分形维数随粒径减小而减小。综上,粒径分布范围和分布非均匀性显著影响红黏土的水分蒸发过程,干缩裂隙的形成和演化,表面干缩裂隙结构形态。     

干湿交替条件下稻田土壤裂隙开闭规律

为研究江汉平原稻田土壤在干湿交替过程下的裂隙发育规律,利用室内试验和数字图像处理方法对典型稻田耕作层和犁底层土壤裂隙特征进行了定量研究。结果表明:在干燥过程中,土壤裂隙形成初期裂隙长而窄,随着土壤含水量的降低,裂隙面积率和当量宽度逐渐增大;在增湿过程中,随着土壤含水量的增加,裂隙面积率和当量宽度逐渐减小,但裂隙长度密度降幅较小。干湿交替条件下的裂隙形成和闭合过程不可逆,且干燥形成的土壤裂隙并不能通过增湿完全闭合。土壤有机质含量和容重差异影响了耕作层和犁底层裂隙开闭特征。在干燥过程中,耕作层土壤裂隙面积率、长度密度和当量宽度分别为16.1%,0.076 mm/mm~2,2.13 mm,约为犁底层的1.63倍、1.09倍和1.54倍。而增湿结束后,犁底层裂隙闭合程度高于耕作层。耕作层和犁底层的裂隙面积闭合率为39.8%,61.6%,裂隙长度密度降幅为7.9%,20.0%,当量宽度降幅为35.7%,53.6%。为减少裂隙发育造成的稻田水肥渗漏,需合理控制土壤水分含量,特别应避免冬春季节长期干旱造成犁底层裂隙无法闭合的现象。     

华北平原农田裂缝对硝态氮淋溶的影响

土壤干缩开裂是常见的自然现象。目前关于土壤干缩开裂的研究主要集中于裂缝的最终形态特征,并且以室内试验为主。本研究通过室外大田试验,结合动态计算机图像分析及水氮运移模拟软件WHCNS,研究土壤干缩开裂的动力学过程、特征及其对农田水氮运移的影响。利用原位熔化石蜡浇筑得到了裂缝三维结构形态,借助三维激光扫描仪量化裂缝的几何特征,发现每平米裂缝平均长度为4.58m,裂缝上表面平均宽度为5.72 mm,平均深度为9.06 cm。基于三维扫描仪提取得到的裂缝几何参数,通过WHCNS仿真模拟,发现相较于无裂隙情况,裂隙的存在分别增加了传统施肥和优化施肥情况下97.40%和256.43%的硝态氮淋失量;与优化施肥模式相比,传统施肥模式更容易造成硝态氮的淋失风险。在模拟灌溉模式对硝态氮淋洗情况的影响时,其差异不明显;强降雨的设置同样增加了硝态氮的淋失风险,导致硝态氮的年均淋洗量增加83.61%。裂缝的存在严重影响农田作物对肥料的吸收和利用,通过优化施肥量、更改灌溉模式以及避免强降雨前施肥都可以减少肥料的损失。     

土壤表面干缩裂隙形态定量分析及其数值模拟

为揭示农田土壤表面干缩裂隙发展规律以及形成机理,该文对农田土壤裂隙演化试验图像进行二值化、去除噪点、提取裂隙边缘等处理,应用闵科夫斯基函数定量分析裂隙形态变化,并基于胡克定律模拟由于水分蒸发而引起的土壤收缩开裂过程。结果表明:闵科夫斯基函数可以有效地描述裂隙形态;形态学分析结果显示裂隙的闵科夫斯基面积、长度、欧拉数密度函数具有不同的变化规律;应用数值方法模拟由于水分蒸发而引起土壤收缩开裂的二维裂隙,试验图像裂隙面积、长度、欧拉数密度基本分布在100组模拟图像裂隙密度均值与标准差之间,裂隙试验图像与模拟图像面积、长度、欧拉数密度决定系数在0.893~0.928之间,均方根误差在0.002~0.039之间,偏差在0.064~0.144之间,一致性指标大于0.888,表明模拟结果较好。应用数值方法模拟土壤表面裂隙,有助于研究农田土壤裂隙的形成机理以及土壤裂隙随时间变化过程中动态演化规律。     

中国华北地区近40年物候春季变化

根据华北地区7个观测站物候资料,分析了华北地区1963-1996年及北京1963-2005年物候春季的变化特征及其与气温的关系。结果表明:华北地区的物候春季有明显提早来临的趋势,而造成这一变化的主要因素是本地区近40 a来冬春季气温的明显上升。其中1963-1996年间华北地区1-3月及4月的平均气温分别上升了2.3℃与1.7℃,物候春季起止日期分别提前了9d和4d,因而使得春季长度也延长了5d;北京1963-2003年间1-3月及4月的平均气温分别上升了3.5℃与2.6℃,物候春季的起止日期分别提前了11d和10d,但春季长度没有明显变化。     

沈阳市城市表土中微生物区系变化的初步研究

在沈阳市远郊-近郊-市区等不同城市化水平区内选取林地、草地和路边土几种不同利用方式下的表层土壤,对土壤中的微生物状况进行了初步分析。结果表明,随着城市化水平的提高,土壤中微生物的数量表现为明显的减少趋势。其中变化较大的是细菌,而真菌和放线菌的变化不明显。     

不同种植模式下菜地土壤腐殖质组分特性的动态变化

通过在南京普朗克有机农场开展的9年长期定位监测,研究了有机(露地和大棚)和常规种植模式下蔬菜地耕层土壤有机碳和土壤腐殖质组分特性的动态变化。结果表明,有机露地、有机大棚和常规露地种植土壤有机碳含量分别从11.41、9.29、9.00 g k g-1提高至15.35、20.90、10.00 g kg-1;胡敏酸碳(CHA)分别从1.79、1.23、1.14 g kg-1提高至2.11、3.11、1.31 g kg-1;富里酸碳(CFA)分别从2.19、1.88、1.73 g kg-1提高至2.44、2.68、1.91 g kg-1。两种有机种植模式的土壤有机碳及腐殖质组分含量增加达到显著水平,而常规种植模式下的变化不显著。两种有机种植模式下表征土壤腐殖质品质的胡/富比(CHA/CFA)、胡敏酸占总腐殖物质的比例(PQ值)均高于常规种植模式,土壤富里酸的E4/E6值、色调系数(ΔlogK)值随着种植时间增加的幅度较常规种植模式更大,土壤胡敏酸芳化度呈现先降低后增高的趋势,但在常规种植下变化不明显。说明土壤在长期有机种植模式下不仅更有利于土壤有机碳的积累,而且能促进土壤腐殖化进程。     

Changes in proteolytic bacteria in paddy soils in response to organic management

Proteolytic bacterial communities, which mineralize organic nitrogen, play a key role in agricultural systems. In this study, alkaline metalloprotease (apr) gene fragments from proteolytic bacteria were investigated in bulk and rhizosphere paddy soil from four fields under organic management (for 2, 3, 5, and 9 years), and from one field under conventional management (for 2 years). We analyzed the abundance and structure of the proteolytic bacterial communities using real-time quantitative PCR and denaturing gradient gel electrophoresis. Our results showed that the abundance of proteolytic bacteria ranged from 1.57?×?10⁸ to 8.02?×?10⁸?copies/g of soil. In addition, the abundance of the proteolytic bacteria in the paddy soils under organic management was significantly higher than those in the paddy soil under conventional management. Moreover, the gene copy numbers in the rhizosphere soils were significantly higher than those in the bulk soils. The abundance of proteolytic bacteria tended to increase with the duration of organic management, with the highest abundance being found in the soil that had been under organic management for 5 years. However, the proteolytic bacteria communities in the paddy soils were not significantly affected by management practices. Phylogeny analysis showed that all gel bands obtained represented genes from Pseudomonas. Additionally, correlation analysis and canonical correspondence analysis showed that C/N, C, and N were important factors that influenced the abundance and community structure of the proteolytic bacteria. These results suggest that proteolytic bacteria are indicators in organic management systems, depolymerize organic N and hence maintain soil sustainability.

Abbreviations: CM: conventional management; OM: organic management; DGGE: denaturing gradient gel electrophoresis; qPCR: real-time quantitative PCR detecting system; COFCC: China organic food certification center; CCA: canonical correspondence analysis     

我国主要梨园施肥现状分析

以国家梨产业技术体系为平台,对全国18个梨综合试验站744个主要梨园施肥种类、施肥时期、施用量和施用方式等进行调查。结果表明,全国范围内梨树施用的有机肥以猪牛羊杂粪为主,商品有机肥施用很少或几乎不施;施用的化肥以尿素和三元素复混肥为主,有的地区偏施尿素或三元素复混肥,复混肥中氮磷钾的比例较混乱,高磷高钾肥多。从施用时期看,以化肥作为部分基肥、果实膨大期追肥的现象较为普遍,而萌芽前追肥和花芽分化期追肥状况各地区差异较大。有机肥单位面积施用量和单株施用量差异较大,大多数梨园有机肥施用量不足,其中有4个试验站30% 左右的梨园不施有机肥;化肥的用量差异较大,盲目施肥或经验施肥现象严重。施肥方式以穴施和条施为主,施肥的深度差异较大。通过分析,指出各地梨树施肥存在的问题,以期为梨优质高产提供科学的施肥依据。     

Bacteria-grazing amoebae in situ in the rhizosphere

Summary An ultrastructural investigation of amoebae in situ in the rhizosphere showed that the protozoa are closely associated with soil aggregates and produce long pseudopodia that penetrate micropores. This could partly explain why bacteria are generally confined to the interiors of microaggregates. The presence of cytologically intact and partly digested bacteria in the food vacuoles indicates that rhizosphere bacteria are both ingested and digested by the amoebae. This digestion could lead to the recycling of P and N immobilized in rhizosphere microorganisms.     

闽北不同土地利用方式径流量动态变化特征

采用定位研究方法和小集水区试验技术方法,通过两年的降雨量数据观测,对闽北地区木荷林地、杉木林地、封山育林地和对照等不同土地利用方式的小集水区进行坡面径流动态规律研究。研究结果表明:试验小区地表径流的产生主要是受降雨量的影响,而与降雨强度的关系不大,地表径流量与降雨量之间呈现出极显著的非线性二次抛物线关系(P<0.01)。4种不同土地利用方式的月平均径流量一般随月降雨量的增大而增大,并且在同1月份间其平均地表径流量的大小趋势为:对照>封山育林>杉木>木荷,均是在6月份达到最大值,9月份出现最小值。对照比木荷林地、杉木林地、封山育林地更容易产生地表径流,林地具有较好的涵养水源和保持水土作用。     

2013年我国种植业化肥施用状况分析

【目的】我国农用化肥消费量大,数据来源不同,统计口径各异,行业内大多引用国家统计局公布的数据,但该数据无法推算出氮肥、磷肥、钾肥分类消费量。我国区域间、季节间、作物间化肥消费情况的报道很少,在调节化肥供需、指导化肥行业健康发展时显得依据不足。调查种植业化肥施用状况可以为指导肥料生产、供应提供重要依据。【方法】以农业部339个国家级基层肥料信息网点为依托,根据我国农业生产习惯和我国政府部门统计习惯,将一年分为三个用肥季,1 5月份为春耕季,6 8月份为夏播季,9 12月份为秋冬种季。在三个季节,每个网点随机调查30个农户的主要种植作物施用氮肥、磷肥、钾肥、复合(混)肥(包括配合式)量,经两级土壤肥料部门审核后,采用省份、相似种植区域、全国三级逐级加权平均的方法,推算了不同区域、不同季节、不同作物单位面积施肥量;再用作物单位面积施肥量、该作物全国种植总面积、样本中施肥面积占该作物种植面积的比例推算了作物全年、不同季节化肥施用量。同时,分析了主要作物、不同季节化肥施用状况以及供需平衡情况,不同季节、不同区域供肥情况和农民的购肥习惯。【结果】2013年我国种植业化肥施用量5498万吨(折纯下同),其中,氮肥(实物量)3382万吨,磷肥1175万吨,钾肥941万吨。粮食作物化肥总用量为2782万吨,占种植业化肥总用量的50.6%;其次是果树和蔬菜,三类作物占种植业化肥施用总量的82.8%,经济、园艺作物单位面积化肥施用量大于粮食作物。春耕、夏播、秋冬种化肥施用量分别占全年化肥施用量的34.2%、35.6%、30.2%。复混肥料和尿素是农民最常购买的两种肥料,从全年来看,农民施用复混肥料和尿素的样本数分别占总样本数的72.5%和71.6%,春耕、夏播、秋冬种农民购买尿素和复合(混)肥的样本数分别占该阶段样本数的70.9%和62.9%、84.9%和78.1%、56.6%和83.9%。春耕和夏播时期农民多数选用尿素,秋冬种多数选用复混肥料,东北、西北、华中南地区农民多选用尿素,华北、西南、华东地区农民多选用复混肥料。另外,我国氮肥、磷肥供应分别过剩1080万吨、680万吨,钾肥缺口370万吨,供需矛盾突出。氮、磷、钾养分配合式为15-15-15的复混肥样本数占农民选购复混肥总样本数的33.3%,说明复混肥养分结构不尽合理。【结论】建议国家进一步遏制氮肥、磷肥过剩产能,优化产品结构,大力推广科学施肥技术。     

红壤区不同肥力水稻土根际硝化作用特征

通过根际培养箱(三室)——速冻切片技术研究了红壤地区高、低两种肥力下水稻苗期根表、根际和土体土壤矿质态氮含量和硝化强度,以及水稻生长、氮素积累的差异。结果表明,肥力水平对水稻根表和根际土壤铵态氮(NH4+-N)含量无显著影响,但高肥力显著提高土体土壤NH4+-N含量,以及根表、根际和土体土壤硝态氮(NO3--N)含量及硝化强度。两种肥力水稻土硝化强度最大值均出现在距根表2 mm处,分别为0.20和0.31μmol kg-1 h-1。土体土壤硝化强度随距根表距离增加而降低,低肥力土壤在距根表10～40mm处时硝化强度接近本底值,而高肥力土壤在距根表20～40 mm处时接近本底值。与不种水稻的CK相比,种植水稻显著提高根际土壤硝化强度。高肥力能显著改善水稻生长,增加植株氮素积累量,尤其显著促进根系生长及通气组织发育。由于红壤稻田肥力水平的差异造成水稻根际硝化强度以及水稻吸收NO3-的差异,导致高肥条件下水稻显示出更强的生长势和氮素吸收利用能力。因此,合理提高红壤稻田肥力水平对改善红壤区水稻根际土壤硝化作用及水稻氮素营养具有重要意义。     

长期施肥条件下土壤磷素的研究进展

施用磷(P)肥是提高农作物生产的重要措施.P肥施入土壤后易与土壤组分反应生成难溶的、对植物有效性低的化合物,因此P是土壤肥力管理中的一个重要方面.本文综述了国内外长期施肥条件下农田土壤P素的利用与积累状况、土壤P素形态转化及生物有效性的研究概况、长期施肥对土壤P素吸附与解吸的影响以及土壤P素流失的研究现状,并提出了目前在长期施肥条件下土壤P素的研究中存在的一些问题以及今后研究的热点.