鄂东南花岗岩崩岗崩壁土壤水分特征研究

针对鄂东南地区崩岗崩壁不同层次的土壤水分特征进行研究,旨在区分各层次土壤水分与崩岗侵蚀的联系。结果表明,崩壁不同层次的土壤性质存在差异,同时土壤水分特征曲线有一定的变化规律,表土层和红土层持水能力强于斑纹层和碎屑层,土壤水分特征曲线用Gardner模型拟合有较好效果。利用TDR对崩壁水分含量进行测定发现,表土层的含水量从上到下呈现逐渐增大的趋势,红土层至碎屑层含水量逐渐变小。崩壁纵剖面由里到外逐渐减小,且表层土壤水平方向上的土壤含水量变化量要大于剖面底层。     

古尔班通古特沙漠南缘丘间地土壤水分特征曲线及模拟

为研究干旱荒漠地区土壤水分特征的变化规律并探讨土壤水分特征曲线拟合模型的适宜性,以古尔班通古特沙漠南缘丘间地为研究对象,应用压力膜仪测定了丘间地剖面各土层(0—150cm)的土壤水分特征曲线,结合土壤容重、颗粒分布及饱和含水率等性质,分析了丘间地不同土层水分特征和孔隙大小的分布状况,明确了Gardner模型和van Genuchten模型拟合的适用性。结果表明:(1)丘间地剖面砂质土壤释水量伴随吸力呈规律性变化,低吸力段(0~100kPa)各土层水分特征曲线走势陡直,释水性强;中高吸力段(100~1 500kPa)曲线趋于平缓,持水性强。水分曲线特征与其物理性质一致,各土层物理性质差异较小,曲线的差异也较小。(2)丘间地剖面各土层大孔隙由上到下不断增加且20—40cm土层的小孔隙最多,有助于春季积雪融化迅速入渗到土壤里贮存,对植物吸收利用水分有重大意义。(3)两模型都能很好地拟合丘间地的土壤水分特征曲线,VG模型的拟合效果优于G模型,但G模型形式简单、参数少且易于求解,更便于实际应用。     

基于分形理论模拟花岗岩崩岗剖面土壤水分特征曲线

崩岗是我国南方花岗岩地区特殊的土壤侵蚀现象,给山区经济造成了严重的影响.为了探索南方花岗岩地区崩岗侵蚀剖面的水分特性,明确水分与崩岗发育的关系,本研究采用野外调查采样与室内分析的方法,运用土壤粒径分形理论,并结合Brooks and Corey模型,模拟花岗岩崩岗剖面土壤水分特征曲线.选择通城县花岗岩崩岗剖面5个层次(表土层、红土层、过渡层、砂土层和碎屑层)采集土样,通过对土壤粒径分布和土壤含水量的测定,分析分形维数与土壤粒径之间的关系.同时,应用土壤粒径分形理论,模拟土壤水分特征曲线,基于估算结果与实测结果的比较,探讨分形方法估算土壤水分特征曲线的可行性.结果表明:崩岗剖面土壤黏粒质量分数越大,土壤粒径分维值越大;土壤粒径分维值越大,土壤水分特征曲线的分维值则越大,两者之间线性关系较好;运用分形理论,模拟土壤水分特征曲线的预测值与实测值具有良好的一致性,模拟结果的精度随土层的深度增加而增加,模拟效果以土壤黏粒和粉粒质量分数较少、砂粒质量分数较多的土壤效果较好.研究结果为花岗岩崩岗机理的探索奠定了基础,对崩岗水分的研究具有指导意义.     

广西岩溶区不同植被类型土壤水分特征及影响因素

[目的]了解岩溶区不同植被覆盖下的土壤水分特征曲线及其影响因素,为岩溶山区土壤水分运动的定量分析提供理论依据。[方法]通过野外调查与室内分析,研究广西平果果化典型岩溶峰丛洼地荒地、草地、灌丛、林灌4种不同植被覆盖下的土壤水分特征曲线。[结果]van Genuchten模型、Brooks—Corey模型和Gardner 3种模型对土壤水分特征曲线的拟合效果都很好,相关系数均在0.93以上,且残差平方和都小于0.000 5,但van Genuchten模型的拟合效果最好;土壤持水能力与植被的正向演替、饱和含水量、非毛管孔隙度、粉粒含量显著负相关,与土壤容重、黏粒含量、毛管孔隙度、初始含水量和毛管含水量极显著正相关;不同植被类型,相同吸力下,表层和底层土壤的持水能力最强,中间土层的持水能力较差;不同土层深度,相同吸力下,荒地的持水能力最强,林灌的持水能力最差。[结论]同一吸力下的土壤持水能力呈现出随植被的正向演替而不断降低的趋势;研究区影响土壤水分特征曲线的主导因素是非毛管孔隙度。     

基于van Genuchten模型的渭北苹果园土壤水分能量特征分析

针对渭北地区干旱缺水,果树生长发育受限的客观实际,开展了苹果树生育期0～150 cm土壤水吸力动态变化规律研究。依据渭北果园土壤剖面构型,将离心机法与水汽平衡法相结合,按照发生学土层,逐层测定了供试土壤水分特征曲线,并用van Genuchten模型拟合。基于该模型,将在幼龄果园、老龄果园以及农田定期逐层监测的土壤水分含量转化为土壤水吸力,以农田为对照,评价植果条件下土壤水分的胁迫状况。结果表明,van Genuchten模型能很好地拟合渭北果园耕层、农田耕层、黑垆土层及黄土母质层的水分特征曲线,拟合精度均达0.96以上。渭北地区农田受干旱胁迫较严重,3月中旬－7月初,0～100 cm土层均处于水吸力高于3.98的重度胁迫状态;受植被冠层覆盖及果树生育期的影响,干旱对果树的胁迫程度较农田小,对老龄果园胁迫程度比对幼龄果园的大,幼龄果园在3月中旬－5月初、5月底－7月初仅0～20 cm土层为高水吸力区,直至6月中旬－7月中旬高水吸力区才延伸到40～70 cm土层;老龄果园在3月中旬－4月底的0～40 cm土层、5月底－7月中旬的30～100 cm土层和7月中旬－8月底的0～20 cm土层为高水吸力区。可得出,渭北不同园龄苹果园在不同生育期的不同深度土层会间歇性地出现高水吸力的土壤水分胁迫区,但相对于农田而言,果园受到的干旱胁迫相对较轻,渭北地区植果有助于缓解干旱胁迫。     

花岗岩崩岗区不同土层的侵蚀水动力学特征

土壤剥蚀率是单位时间单位面积水流剥蚀土壤的质量,定量研究崩岗不同土层土壤剥蚀率对预测土壤剥蚀过程及建立崩岗侵蚀物理模型具有重要的理论和实践意义。针对湖北通城花岗岩崩岗区发育的表土层、红土层、砂土层、碎屑层,采用不同坡度(8.8%、17.6%、26.8%、36.4%、46.6%)和不同流量(0.2 Ls~(-1)、0.4 Ls~(-1)、0.6 Ls~(-1)、0.8 Ls~(-1)、1.0 Ls~(-1))相结合的室内放水冲刷试验,分析表土层、红土层、砂土层、碎屑层土体土壤剥蚀率与水动力学参数之间的关系,初步探讨花岗岩崩岗侵蚀的水动力学机制。结果表明:在一定坡度条件下,土壤剥蚀率随径流流量的增大而增大,且各土层土壤剥蚀率存在很大差异,碎屑层土壤剥蚀率最大,砂土层次之,表土层最小;在相同流量条件下,各土层土壤剥蚀率均随冲刷时间的延长逐渐降低并趋于稳定;径流剪切力、水流功率对崩岗各土层土壤剥蚀率的影响均可采用线性方程很好地描述(R~20.926),相比用单位水流功率拟合的多项式方程的相关性(R0.830)要高,径流剪切力和水流功率均可作为描述崩岗各土层土壤侵蚀的水动力学参数。表土层、红土层、砂土层、碎屑层的临界径流剪切力依次减小,分别为0.28Pa、0.13Pa、0.10Pa、0.07Pa,各土层土壤细沟可蚀性参数差异明显,碎屑层的最大,砂土层次之,表土层最小。因此,在崩岗垂直结构上,随着土层深度的增加,土体抵抗径流剥蚀的能力逐渐减弱。     

崩岗不同土层土壤水力学特性差异性分析

为研究崩岗不同土层土壤水力学特性的差异性,采用离心法测定不同土层土壤水分特征曲线,筛选出适合的土壤水分特征曲线拟合模型,结合统计模型,推求土壤的当量孔径分布、比水容量、非饱和导水率和扩散率,分析崩岗不同土层土壤水力学参数的变化规律。结果表明,崩岗土层从红土层到砂土层的变化过程中,土壤质地由黏土向砂土变化;Fredlund&Xing模型对崩岗土壤土水特征曲线拟合效果最好;参数θs、α、n随着质地变黏重逐渐减小;随着土层深度的增加,土壤的持水性能降低;土壤比水容量、非饱和导水率和扩散率受土壤质地和基质吸力的共同影响。在低吸力阶段,3个指标随基质吸力变化比较平缓,砂土层土壤比水容量和非饱和导水率最大,扩散率最小;而在高吸力阶段,砂土层土壤的这些指标降低较快,且低于其他土层,各层土壤间导水率和扩散率差异随着基质吸力的增加而增大。     

崩岗侵蚀区崩壁土体湿化机理及影响因素分析

以广东五华县莲塘岗崩岗崩壁土体为研究对象,结合土体物理特性,采用野外湿化试验测定土体浸水后的完全崩解时间,初步阐明其湿化机理,并分析其影响因素。结果表明:(1)崩壁不同层位土体的成份、结构、粒度等存在差异,使其物理性质受水力作用影响显著,抗冲抗蚀能力从强到弱分别为表土层、红土层、砂土层。(2)崩壁不同层位土体浸水后,水呈非均衡态进入土体孔隙,粒间斥力超过吸力,产生应力集中现象,使土体结构受到破坏,导致崩解现象发生;砂土层崩解速度明显高于表土层和红土层,遇水软化性极强。(3)土体结构的粒度成分及孔隙性影响崩壁土体的崩解性。相比红土层和表土层,砂土层粗颗粒含量较高,湿化崩解时间较短。孔隙发育程度较低的红土层,其湿化崩解所需时间比砂土层长;从红土层到砂土层,随着初始含水率增大,崩解速度不断加快,意味着红土层受到水力侵蚀后,下部砂土层受到的侵蚀将更加严重。一旦水分下渗至砂土层,将导致崩岗侵蚀进一步快速发展。     

干湿循环对崩岗不同层次土体无侧限抗压强度的影响

针对发育于花岗岩出露区的崩岗土体易受干湿循环影响导致大量崩壁失稳等问题,通过开展一系列室内无侧限抗压强度试验,研究崩岗不同层次土体在干湿循环作用下无侧限抗压强度的变化规律,并且建立了在崩岗不同层次土体深度比和干湿循环次数共同影响下的无侧限抗压强度模型。结果表明:表土层、红土层、斑纹层、碎屑层在第1次干湿循环后无侧限抗压强度衰减幅度最大,分别为26%,15%,40%和49%;在第2~4次干湿循环后无侧限抗压强度衰减幅度逐渐减小;在第5次干湿循环后无侧限抗压强度基本保持不变;随着干湿循环次数的增加,崩岗不同层次土体无侧限抗压强度总体表现为表土层红土层斑纹层碎屑层;在不同干湿循环次数下,崩岗不同层次土体的应力—应变曲线总体上呈应变软化型且应变为2%时达到峰值,但红土层在3次干湿循环时的应力—应变关系曲线局部波动性较强;无侧限抗压强度模型中预测值与实测值之间具有显著(R2=0.91)的相关关系,该模型在预测干湿循环对通城地区崩岗不同层次土体无侧限抗压强度影响中具有较高的应用价值。     

花岗岩红壤丘陵区崩岗土体界限含水量的温度效应研究

水分和温度会显著影响花岗岩红壤的力学状态,是崩岗发生和发展的两大驱动因素.以崩壁三个土层土壤:红土层、砂土层和碎屑层为研究对象,在15、25、40和60℃温度条件下对三个土层土壤的液塑限和结合水含量开展研究.结果表明:红土层的液限、塑限和塑性指数均高于砂土层和碎屑层,碎屑层土壤的液塑限最小.崩岗土壤的液塑限与细黏粒、有...     

求van Genuchten模型参数的AM-MCMC方法

采用基于自适应采样算法的马尔科夫链蒙特卡罗方法(简称AM-MCMC)来估算描述土壤水分特征曲线的van Genuchten模型的参数,并推求出模型参数的后验分布,从而为模型参数的不确定性分析提供依据。结果表明,对于van Genuchten模型而言,采用AM-MCMC算法能得到模型参数后验均值和方差的分布,并且能推求出模型参数的置信区间,所以用这种算法来求解van Genuchten方程的参数是行之有效的,为求解van Genuchten模型参数提供了一种新的思路。     

土壤持水曲线van Genuchten模型求参的Matlab实现

土壤持水曲线是研究土壤水力学性质必不可少的 ,在已经建立的众多数学模型中 ,vanGenuchten模型是目前运用最广泛的模型 ,而运用该模型的关键是其 4个参数的求解。为此 ,本文对同一组东北褐土的土壤水吸力和对应的土壤含水量数据较详细地介绍了Matlab软件的非线性拟合和非线性回归函数的运用 ,得出了该土壤vanGenuchten模型的 4个参数值 ,分别建立了该土壤的vanGenuchten模型 ,并利用Mat lab强大的绘图功能对它们进行了直观比较。最后运用方差分析和残差分析对该模型的计算值与实测数据进行了分析 ,结果表明 :非线性拟合和非线性回归函数求参结果的显著水平均达到p<0 0 0 0 1,残差平方和均小于 0 0 0 0 5 ,其中非线性回归函数的求参结果较非线性拟合好。因此 ,运用Matlab软件的非线性拟合和非线性回归函数对土壤持水曲线的vanGenuchten模型进行求参是切实可行的 ,从而为土壤学工作者寻求出了一条运用数值计算方法的新途径。     

几种常用绿地改良材料对土壤水分特征的影响

分析了几种常用绿地土壤改良材料及其不同配比对土壤水分特征曲线和水分常数的影响,结果表明:利用RETC软件对各配比土壤水分特征曲线van Genuchten方程的参数拟合效果较好,R2均大于0.99;随着砂粒含量的增加,土壤田间持水量降低,土壤中水分有效性比例增加,但砂粒粒径对土壤水分常数影响不显著;绿化植物废弃物能提高土壤田间持水量和有效水含量,降低土壤凋萎含水量;绿化植物废弃物还能提高有效水占田间持水量的比例,以20%绿化植物废弃物的用量为最大,为49.59%;聚丙烯酰胺(PAM)虽然能提高土壤田间持水量,但阻碍土壤水分的释放,降低土壤水分的有效性;脱硫石膏可以增加土壤田间持水量和水分的有效性。综合而言,以70%土、10%砂、20%绿化植物废弃物和0.5 kg/m~3脱硫石膏的配比相对最佳。     

不同浓度粉末活性炭及其施用方式对土壤入渗的影响

以喀斯特地区典型的石灰土为研究对象,采用室内一维定水头法土柱模拟试验手段,以4种活性炭浓度(0,0.005,0.01,0.02 g/g)及2种混合施用方式(0—10,10—20 cm)、3种成层施用方式(6—8,10—12,16—18 cm)为变量,观测土壤湿润锋推移及累积入渗量的动态变化过程,利用线性关系式和van Genuchten经验公式分别模拟湿润锋推移情况及水分特征曲线经验公式,测量不同土层的质量含水量来研究活性碳粉对土壤入渗过程的影响。结果表明:(1)相同入渗时间内,较高浓度(0.02 g/g)和较浅层的施用方式(0—10 cm混施和6—8 cm层施)对比其他试验组,在土柱湿润锋推移速度的减缓方面表现最优;(2)在前期(t=80 min),入渗受活性炭粉末抑制的程度与其浓度呈正相关,但高浓度的碳粉同时会减缓湿润锋推移速度,故最终入渗量(t=340 min)受其浓度影响较小,同时土壤入渗受活性炭粉末理化性质的影响,层状铺设入渗后期呈现斜率增大的趋势;(3)van Genuchten经验公式及RETC软件对土壤入渗过程的模拟皆表明活性炭粉末施入土壤后,其浓度与土壤吸收水分的能力呈正相关,与土壤释水能力呈负相关;(4)活性炭粉末使得土壤田间持水量与凋萎系数均有所提升,活性炭粉末施用浓度越高,田间持水量越大。(5)层施状态下的活性炭粉末能增加所在土层的质量含水量,为对于其他深度土层的含水量则影响不大。     

花岗岩风化土物理特征曲线间的相关性研究

花岗岩风化壳水分及收缩特性的研究是花岗岩土体稳定性评价及侵蚀机理研究的基础。通过Van Genuchten(VG)模型对不同风化程度的花岗岩土壤的颗粒累积分布、土水特征曲线和收缩特征曲线进行拟合,分析曲线拟合参数间以及这些参数与基本物理性质间的线性及非线性相关关系。结果表明:VG模型可以很好地用于不同风化程度花岗岩风化土的颗粒组成、土水特征与收缩特征的拟合与预测;曲线拟合参数间具有一定的线性相关关系;曲线拟合参数与基本物理性质间具有一定的线性相关关系,其中土水特征曲线参数与土壤质地以及容重线性相关性较高,收缩特征曲线物理参数与基本物理性质间的线性相关性较收缩特征曲线其他参数高。此外,曲线拟合参数间以及这些参数与基本物理性质间具有一定的非线性相关关系,而关系多为二次、三次非线性相关。根据花岗岩风化土颗粒组成状况及其基本物理性质对其水分特征曲线及收缩特征曲线进行预测具有一定的可行性。     

Methods for predicting the optimum and the range of soil water contents for tillage based on the water retention curve

Information is needed on the range of soil water contents for tillage. The objective of the work was to develop methods for the prediction of the soil water contents at which tillage may be done satisfactorily. Three water contents are considered: the lower (dry) limit, the optimum water content, and the upper (wet) limit. This paper makes a synthesis of published results from tillage and soil physics experiments and also includes some new experimental results. The effects of tillage are considered in relation to some “fixed points” including the lower plastic limit, field capacity and a new fixed point “the inflection point”. These considerations lead to methods for prediction of the lower (dry) tillage limit, the optimum water content, and the upper (wet) tillage limit in terms of the parameters of the van Genuchten equation for soil water retention. Predictions can be made in terms of soil composition through the use of pedotransfer functions for the parameters of the van Genuchten equation. The new methods will enable the effects of soil degradation and climate change on tillage work days to be estimated. The results are potentially mappable using geographic information systems.