不同压实水平下铁尾矿砂和土壤的水力学特征比较

由于尾矿砂的不良结构和严重压实,水土流失严重,水分已成为其生态恢复的重要限制因素。因此以水分运移为主线,通过室内土柱模拟,研究铁尾矿砂和土壤在自然状态到最大压实状态间5个压实水平(铁尾矿砂1.50~1.70 g/cm^3,土壤1.30~1.50 g/cm^3)的水力学特征差异,为尾矿砂的合理改良提供依据。结果表明:铁尾矿砂自然容重1.50 g/cm^3的水分入渗能力低于土壤自然容重1.30 g/cm^3的水分入渗能力。随容重的增大,尾矿砂和土壤的水分运移特征均呈幂函数减小的趋势,但分别在1.60,1.40 g/cm^3处入渗能力明显降低。从水分参数入渗率、湿润锋距离、累计入渗量、饱和导水率、剖面水分分布整体来看,在较低容重范围内,土壤水分运移能力高于铁尾矿砂,但由于容重对土壤水分运移的影响大于铁尾矿砂,在较高容重范围内,土壤的水分运移能力则不如铁尾矿砂。铁尾矿砂和土壤的水分特征曲线形状也完全不同,铁尾矿砂呈现"上凸"形,表现为高吸力段缓低吸力段陡,土壤水分特征曲线均为"下凹"形,表现为高吸力段陡低吸力段缓。因此,尾矿砂中可以添加土壤或者类似土壤结构的基质来增强其不良的持水性和导水性,促进生态恢复。     

砒砂岩改良风沙土对磷的吸附特性影响研究

【目的】适量砒砂岩能有效改良风沙土的吸水和保水特性,但对于砒砂岩改良风沙土的养分有效性尚不清楚。本文研究了不同用量的砒砂岩改良风沙土对磷吸附特性的影响,以期为评价改良土壤对磷的吸附特性,揭示改良土壤对磷的吸附机理和指导磷肥合理施用提供依据。【方法】本试验设计了砒砂岩和风沙土0∶100(L)、10∶90(LS1)、25∶75(LS2)、50∶50(LS3)、75∶25(LS4)、90∶10(LS5)和100∶0(S)(烘干质量比)7个不同比例的改良模式。研究了在25℃下砒砂岩不同添加量改良风沙土的磷吸附动力学和等温吸附特征,并应用吸附动力学模型和等温吸附模型进行参数拟合,以揭示改良土壤对磷的吸附机理,同时分析了砒砂岩添加比例与改良土壤中磷的最大吸附量的关系。【结果】1)同一初始浓度下,随着吸附时间的延长,改良土壤对磷的吸附量呈增大趋势,24 h后逐渐达到平衡。2)吸附时间一定的情况下,随着磷初始浓度的增大,改良土壤对磷的吸附量逐渐增大,直到接近或达到吸附最大值。3)风沙土对磷的吸附量大于砒砂岩的吸附量,改良土壤中随着砒砂岩添加比例的增加,土壤对磷的吸附量呈减小趋势。4)风沙土、砒砂岩和改良土壤对磷的吸附动力学曲线符合准二级动力学模型。等温吸附曲线以Langmuir模型的拟合效果最优。5)风沙土、砒砂岩和改良土壤对磷的吸附属于均质的单层吸附,由膜扩散和颗粒内扩散共同控制吸附反应速率,吸附机理主要是化学吸附和离子交换。6)改良土壤对磷的最大吸附量随砒砂岩添加比例的增加呈线性减小关系。在生产实践中,可通过测定砒砂岩和风沙土对磷的最大吸附量及风沙土中砒砂岩的添加比例来对改良土壤中磷的最大吸附量进行预测。【结论】砒砂岩可显著减小风沙土对磷的吸附固定,增加施入磷肥的有效性。所以当改良土壤恢复植被以后,磷肥施用初期,砒砂岩添加比例较大的改良土壤中,磷素的肥效较好。但随着植物的生长利用,各改良土壤中吸附磷素的释放效果以及磷肥肥效的持续性有待进一步研究。     

砒砂岩风化物对土壤水分特征曲线及蒸发的影响

运用高速离心机法和室内模拟蒸发的方法,对比研究了红色(RS)、灰色(GS)和白色(WS)三种颜色砒砂岩风化物在不同添加比例条件下对沙黄土和风沙土水分特征曲线、供水能力和干旱过程中失水过程的影响。研究表明:砒砂岩风化物的添加对沙黄土和风沙土水分特征曲线有较明显的影响。砒砂岩风化物的持水能力均高于沙黄土和风沙土,砒砂岩风化物添加提高了风沙土和沙黄土的持水能力,降低了沙黄土和风沙土失水速率;较低比例的砒砂岩风化物提高了沙黄土和风沙土的比水容量,但对风沙土和沙黄土低吸力段供水能力的提高作用并不明显。整个蒸发期间,砒砂岩风化物降低了沙黄土的标准蒸发量,而对于风沙土,其作用是蒸发前期降低,中后期增加。红色、灰色、白色三种砒砂岩风化物分别使风沙土的蒸发失水比提高了11.59%、10.14%和0.01%,添加三种砒砂岩风化物后的处理的最终平均含水量分别是风沙土的4倍、2.33倍、1.33倍,使沙黄土的蒸发失水比降低了13.33%、13.33%、29.52%,最终含水量降低了45.83%、54.17%、66.67%。因此,从提高土壤持水能力方面考虑,砒砂岩可以用于当地矿区和排土场区土壤改良,以促进生态修复。     

砒砂岩区原状和扰动土壤水分入渗过程

基于内蒙古准格尔旗砒砂岩区为研究对象,通过野外原状土的采集和室内模拟土柱试验,采用一维垂直入渗试验,分析了砒砂岩区黄土、砒砂岩、风沙土的原状土和填装土的水分入渗过程。结果表明:原状情况下入渗率、累积入渗量的变化趋势为风沙土黄土砒砂岩;扰动情况下入渗率、累积入渗量的变化趋势为风沙土砒砂岩黄土;两种土壤中湿润锋的变化趋势与累积入渗量变化趋势一致。利用Philip模型、Kostiakov经验公式和Green-Ampt模型对原状土和扰动土累积入渗量和入渗历时的关系拟合方程均可较好地描述原状土扰动土的入渗过程,其中Kostiakov经验公式拟合值更接近于实测值,拟合精度更高。     

片沙覆盖黄土坡面沙土二元结构剖面土壤物理性质变化研究

通过在陕北神木县六道沟小流域调查和采样,对比分析了典型沙土二元结构剖面沙层和黄土层的容重、颗粒组成、孔隙度、饱和导水率及水分特征曲线等物理特性。结果表明:片沙覆盖黄土坡面沙土二元结构剖面沙层和黄土层土壤物理特性变化剧烈,差异明显,尤其是颗粒组成、饱和导水率和水分特征曲线。沙土二元结构剖面土壤物理特性的显著差异导致了该类型坡面发生不同于一元结构坡面的特殊入渗、产汇流和侵蚀过程。     

砒砂岩改良风沙土对2种引进植物生长和氮磷营养的影响

通过室内盆栽模拟试验,设计风沙土、砒砂岩、黄绵土、覆土砒砂岩、覆沙砒砂岩和砒砂岩改良风沙土6个土壤处理,种植鲁冰花和墨西哥玉米草2种引进植物,研究2种植物在砒砂岩改良风沙土和晋陕蒙接壤区原有土壤类型中的生长和氮磷营养差异,为该区域植被恢复提供理论依据。结果表明:(1)植物在砒砂岩改良风沙土中根系生长好,总体生物量大,鲁冰花地上生物量相较于黄绵土增幅达到242%,地下生物量相较于风沙土增幅达到186%,根长和根体积相较于风沙土增幅达到388%和290%;(2)2种引进植物根系在不同的土壤环境中表现出不同的适应特征,鲁冰花比根长在砒砂岩改良风沙土中最大,风沙土中最小,墨西哥玉米草比根长在黄绵土中最大,砒砂岩改良风沙土中最小;鲁冰花和墨西哥玉米草根系中直径d≤0.45 mm的细根体积占总根体积的百分比在砒砂岩改良风沙土中均较小,分别为9.99%和13.94%;(3)所有处理中植物的氮和磷含量均低于植物在正常生长条件下的氮和磷含量,植物生长受到氮和磷养分限制,并且植物氮磷比小于14,植物生长受氮素限制更严重。与几种原有土壤类型相比,砒砂岩改良风沙土土壤理化性质更好,土壤生产力高,更适宜植物生长,可以应用于晋陕蒙接壤区的植被恢复,但在种植过程中应考虑适当施用氮肥和磷肥,以加快植被恢复进程。     

气化渣改良风沙土对土壤水分物理性质的影响

为了探讨气化渣对毛乌素沙漠风沙土的改良效果,利用气化渣作为一种风沙土改良材料,与风沙土按不同掺入量混合,通过对土壤粒径组成、保水性能以及土壤水分特征曲线的变化情况分析,探讨了气化渣对风沙土土壤水分物理性质的影响。结果表明:添加气化渣使风沙土的粒径组成得到明显改善,砂粒含量降低5.89%～35.8%,黏粒、粉粒含量分别提高0.89%～2.92%,7.94%～32.88%,风沙土土壤容重显著降低(p<0.05),降低幅度为7.75%～55.5%; 风沙土土壤质地也由砂土转向砂质壤土,保水性能也随之呈现上升的趋势,显著影响了土壤饱和含水量、毛管持水量和田间持水量(p<0.05),增长幅度分别为13.53%～158.93%,7.12%～126.95%,23.19%～252.47%; Van Genuchten模型可以很好地拟合气化渣添加后风沙土的土壤水分特征曲线,表明气化渣的添加明显提高了土壤保水性,并且风沙土土壤保水性能的主成分分析结果表明气化渣添加量越高土壤保水性提高越明显。由此可以得出,水煤浆气化渣能够有效地改善风沙土的水分物理性质,显著提高风沙土的保水性能,对风沙土改良效果明显。     

EN-1固化剂对4种土壤饱和导水率的影响研究

为了研究EN-1土壤固化剂的固化性能,通过室内模拟实验对杨凌、安康、安塞和靖边4种土壤在不同固化剂掺量、养护龄期的固化进行了土壤饱和导水率影响的研究,结果表明,微量掺加EN-1固化剂就可以明显减小黄棕壤和土的饱和导水率,饱和导水率随着培养龄期的增加而下降,当培养期大于14d时土样的饱和导水率近似为0;黄绵土与风沙土的饱和导水率随着固化剂掺量增加而减小,培养龄期增大,饱和导水率随之下降,固化剂掺量为1%,培养期为28d时黄绵土和风沙土的饱和导水率最低。     

保水剂对风沙土水分垂直入渗和含水量的影响

使用保水剂是有效利用和改良风沙土的重要途径。通过研究垂直入渗率、累积入渗量、渗吸持续时间、渗透系数4项入渗特征量以说明在5-7cm深度处层施保水剂对于风沙土水分垂直入渗的影响,测定入渗结束后土壤各层含水量以研究受试体系的水分垂直分布。结果表明,试验处理可使垂直入渗率在各时间点有不同程度减小,有3种保水剂处理累积入渗量均增加了42%左右(1%处理),渗吸持续时间增长了134%~390%,渗透系数减小了65%~85%,且4种变化趋势均随保水剂用量的增加而加剧。入渗结束后土壤水分垂直分布也发生明显变化：保水剂-土壤混合层含水量上升52%~178%,上层土壤含水量明显增加但下层土壤略微降低。研究表明,保水剂对风沙土水分垂直入渗和含水量影响十分明显。     

典型旱地红壤水力学特性及其影响因素研究

为了更系统地了解旱地红壤供水与贮水能力、有效水含量及其变化范围,按自然发生层采集旱地红壤原状土样,对其进行了水力学特性和影响因素研究.结果表明,旱地红壤原状土饱和导水率变化范围为1.44×10-3～3.45×10 3 cm/s,并呈现自上而下减小的趋势.从旱地红壤水分特征曲线得出剖面各层土壤的饱和含水量、田间持水量、萎蔫含水量和有效水含量,其中有效水含量变化区间为0.083～0.124cm3/cm3,耕作层最高.在旱地红壤水力学特性的影响因素研究中,容重、质地、有机质含量和结构系数均与水力学特性呈一定的相关性,其中容重和孔隙度为旱地红壤水力学特性的主要影响因素.     

Effects of Bentonite, Hydrogel and Biochar Amendments on Soil Hydraulic Properties from Saturation to Oven Dryness

Effects of hydrogel, bentonite, and biochar as soil amendments on soil hydraulic properties and improving water availability from saturation to oven dryness were investigated. Soils were mixed with hydrogel (0.10%, 0.25%, and 0.50%), bentonite (0.5%, 1.0%, and 2.5%), and biochar (1.0%, 2.5%, and 5.0%) as soil amendments (weight:weight). Three methods (extended multistep outflow (XMSO), evaporation (EVA), and WP4 dewpoint potentiometer) were used to measure soil hydraulic properties from saturation to oven dryness. The cumulative XMSO results were more uniform across all the applied pressure steps for the amended soils. The EVA exhibited a shorter linear decrease during the first evaporation stage and a lower evaporation rate during the second evaporation stage. The WP4 results also exhibited that soil amendments increased the soil water content of the amended soils at low matric potentials. The results of soil water retention curves revealed that the unamended soil retained less water at any matric potential compared to the amended soils. Soil hydraulic conductivity decreased with increasing amount of soil amendments. The saturated hydraulic conductivity was higher for the unamended soil than the soils amended with 2.5% bentonite, 0.50% hydrogel, and 5.0% biochar by 11, 3, and 18 times, respectively. These results suggested that soil amendments improved soil water retentivity, which confirmed the appropriateness of these soil amendments for potential use in sandy soil improvements. However, field experiments and economical perception studies should be considered for further investigation.     

生物炭对东北黑土持水特性的影响

为探究生物炭对东北黑土持水特性的影响,系统研究3种添加比例(2%、5%、10%)、3种粒径(0.25、0.5、1 mm)的杨木炭和竹炭对3种质地东北黑土(壤土、砂壤土、砂土)田间持水量和含水率的影响规律,构建添加生物炭黑土的水分特征曲线,并采用Van-Genuchten和Broods-Corey模型进行拟合。结果表明:生物炭能显著提高不同质地东北黑土的持水能力,黑土的田间持水量与生物炭的添加比例呈显著正相关,而与生物炭的粒径呈负相关,0.5 mm和1 mm粒径的生物炭对黑土田间持水量的影响差异不显著,杨木炭显著优于竹炭,0.25 mm、10%添加比例的杨木炭对东北黑土持水能力的提高效果最优,壤土、砂壤土、砂土3种质地黑土的田间持水量和饱和含水率分别可提高64.97%、66.42%、69.39%和47.60%、38.93%、31.18%;Van-Genuchten模型能更精确的模拟添加生物炭黑土的水分特征曲线,最佳离心时间为100 min,三次函数曲线能够较好的拟合添加生物炭黑土的体积含水率与离心吸力之间的多元动态关系,为生物炭对各种质地东北黑土水分运动规律的深入研究提供理论依据。     

秸秆-膨润土-PAM改良材料对砂质土壤饱和导水率的影响

为改善砂质土壤持水状况,设计了由作物秸秆、膨润土和聚丙烯酰胺（PAM）配制的改良材料,以重庆市分布面积较大的冷沙黄泥为研究对象,采用恒定水头入渗双环法,研究了秸秆改良材料对砂质土壤饱和导水率的影响。结果表明,施用秸秆改良材料能增加砂质土壤的饱和导水率,并且随着施用剂量的增大,土壤饱和导水率逐渐增加;随土培时间的延长土样饱和导水率均出现了先增大后减小的趋势,当土培时间为60 d时土样饱和导水率达到最大值;添加麦秆改良材料（质量分数为10 g/kg,配方中PAM质量分数为2%）的土样,在培养60 d后其饱和导水率是对照组的4.97倍,对砂质土壤改良效果最明显。可见,秸秆改良材料可以改善砂质土壤持水状况,对砂质土壤具有改良作用。     

亚热带土壤导水特征对钠盐溶液浓度的响应

再生水中高浓度钠盐溶液入渗对土壤水力特性的影响是长期低质水灌溉引起土壤生态环境退化的关键问题之一。该文采用定水头渗透法、一维水平土柱吸渗法测定不同浓度钠盐溶液条件下亚热带地区黏性潮土、沙性潮土、红壤、水稻土、紫色土共5种土壤的水动力学参数,分析了土壤理化性质和钠盐溶液浓度对土壤导水特征的影响及其作用机制。结果表明:土壤粉粒、交换性钙及交换性镁含量具有促进土壤水分运动的作用,而土壤黏粒、交换性铁及交换性铝含量则表现出抑制作用。与蒸馏水处理相比较,钠盐加快了土壤水分黏性潮土、沙性潮土及水稻土中的土壤水分运动速率,分别可最高提升其土壤水分扩散率为22.0%、37.3%、39.7%;钠盐减缓了红壤和紫色土的水分扩散速率,溶液钠盐浓度越高,其抑制作用越明显。土壤饱和导水率随溶液盐浓度升高呈先降后升的趋势,1~10 g/L钠盐浓度范围内土壤饱和导水率与钠盐浓度具有良好的抛物线关系(R^2>0.807),各土壤导水率最小极值点的钠盐浓度在5 g/L左右。因此,再生水灌溉利用时其盐浓度适度控制低于其极值点浓度。     

推求土壤水分运动参数的简单入渗法──Ⅱ.实验验证

预报土壤中水分流动需要的土壤导水特性可通过观察水平土柱的入渗过程来确定,这一观测过程的分析是基于对Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程求积分解。土壤水分特征曲线中的参数由观测的水平土柱和特征湿润长度和吸力为确定,非饱和土壤导水率由已确定的特征曲线中的参数和测定的饱和导水率导出。供试土壤有三种,它们的质地从砂壤到粘壤。由这种方法所确定的这三种土壤的水分特征曲线与实测的特征曲线符合良好,所确定的砂壤的非饱和导水率与实     

微咸水入渗下施加PAM土壤水盐运移特性研究

土壤改良剂与微咸水灌溉相结合,对于合理开发利用微咸水、改善盐碱土结构及促进作物生长有着重要意义。基于一维垂直土柱积水入渗和水平土柱吸渗试验,研究了微咸水入渗条件下,不同聚丙烯酰胺(polyacrylamide,PAM)施量(0、0.02%、0.04%和0.06%)对盐碱土水盐运移特性的影响。结果表明:(1)微咸水入渗条件下,施加PAM能够降低土壤入渗速率,增加土壤保水性能。(2)施加PAM对Philip及Kostiakov入渗模型参数有显著影响,在PAM施量0.04%时,吸渗率S和经验系数K最小,而经验指数β最大。(3)在PAM施量为0.04%时,土壤饱和体积含水量最大,BrooksCorey模型进气吸力hd增加了15.30%,土壤持水性能显著提高;土壤水分扩散率最小,水分分布最均匀。(4)施加PAM能够显著提高土层的持水效率和微咸水的淋洗效果,在PAM施量为0.04%时,土层持水效率最高,盐分淋洗量最大。     

含岩屑紫色土水力特性及饱和导水率传递函数研究

紫色土中存在的岩石碎屑会对土壤的水力性质如饱和导水率、水分特征曲线产生显著影响。以两种不同母质发育的土壤(紫色页岩和紫色泥岩)为研究对象,设置0.25~2、2~5、5~10 mm三个岩屑粒径水平,0、30%、50%、70%、100%五个岩屑含量水平,采用压力膜仪法和定水头法分别测定水分特征曲线和土壤饱和导水率。利用BP神经网络,选择特定输入变量建立土壤饱和导水率传递函数PTF1和PTF2(PTF1的输入变量为岩屑含量、岩屑粒径、初始土壤容重和机械组成,PTF2的输入变量为岩屑含量、岩屑粒径、初始土壤容重、机械组成、进气压力值和S指数(土壤水分特征曲线拐点处斜率的绝对值))。结果表明:添加岩屑极大提高了土壤饱和导水率和S指数,并且随岩屑含量的增加而增加,相比之下,进气压力值随岩屑含量增加而减小,饱和导水率也随岩屑粒径的增加而增加,岩屑粒径从0.25~2 mm增加至5~10 mm,饱和导水率平均提高了2.3倍。岩屑粒径对进气压力值和S指数影响较小。PTF1和PTF2的几何平均数、几何标准偏差、均方根误差以及AIC指数分别为1.27、5.57、0.16、2.94和1.17、1.70、0.06、–53.28,PTF2的相关值均小于PTF1,表明PTF2模型的预测效果更好。综上所述,岩屑的存在显著影响了紫色土的水力特性,使饱和紫色土导水能力增加而保水能力减弱,利用神经网络所构建的传递函数PTF2可很好地实现含岩屑土壤饱和导水率的预测。     

南方典型土壤水力特征差异性分析

为探究南方地区典型土壤水力性质的差异,采用压力膜法、定水头渗透法和一维水平土柱吸渗法对粘性潮土、沙性潮土、红壤、水稻土和紫色土5种南方典型土壤的水动力学参数进行室内测定,对比分析了各土壤水力特征的差异及其产生的原因。结果表明:土壤质地和粘粒含量是影响土壤水力特征的主要因素;粘性潮土、沙性潮土属于级配良好土,而红壤、紫色土、水稻土属于级配不良土,粘性潮土、沙性潮土、红壤、紫色土、水稻土饱和导水率依次增大,分别为1.75×10~(-3),3.15×10~(-3),4.77×10~(-3),11.02×10~(-3),11.87×10~(-3) cm/min;相对水稻土和沙性潮土而言,其他3种试验土持水性较高。土壤有效水含量为沙性潮土粘性潮土水稻土紫色土红壤,其有效水孔隙体积分别占其总孔隙体积的48%,29%,27%,18%和17%。非饱和条件下,沙性潮土和红壤中的水分运动速率较快,远高于粘性潮土中的水分运动速率,约为其6.8倍。土壤质地、颗粒级配、粘粒和有机质含量不同是造成土壤水力特性差异的因素,其中土壤质地和颗粒级配为南方典型土壤水力特性差异的主要影响因素。     

土壤结构改良剂对土壤水动力学参数的影响

该文研究土壤结构改良剂对土壤水分动力学参数的影响。通过对试验数据进行初步分析后得出：加入土壤结构改良剂后，土壤饱和导水率有所提高；各处理的非饱和扩散率与对照相比，施加土壤结构改良剂的处理，在水平土柱试验中，远水端同一距离处土壤含水率要低于对照处理的含水率；土壤结构改良剂具有良好的吸水和保水性能，使得土壤的持水能力增强。在水势相同的情况下，与对照相比，施加土壤结构改良剂的土壤可保持更多的水分，并增加土壤中有效水含量。施加部位不同，土壤结构改良剂对土壤所持水分的含量也有较大差别，说明在实际应用中土壤结构改良剂的施用方法和施用深度也是影响土壤水分状况的一个较为重要的因素。