川西北高寒区冻融交替作用后土壤水热运移模拟研究

川西北高寒区在黄河和长江上游的水源涵养与补给、生态平衡中发挥着重要作用,该区土壤长期受到昼夜及季节性冻融作用影响,但土壤水分和热量在受到冻融交替作用后的变化规律,及其在草地退化及沙化过程中的作用还不明确。通过野外采集土样进行室内土柱模拟水热运移实验,利用有限元软件HYDRUS建立了一维土柱模型,开展基于冻融循环作用后的非饱和沙化草地和天然草地土壤水热迁移过程的数值计算研究,揭示不同冻融界面条件下沙化草地和天然草地土壤的水热分布特征、空间运移特性。结果表明：HYDRUS软件模拟沙化草地和天然草地土壤体积含水率的模拟结果R²>0.98,其平均值分别为0.997,0.996,模拟效果较理想;在土壤温度特性方面,模拟结果R²>0.98,平均值0.999,HYDRUS软件较好地模拟了川西北高寒区冻融交替作用后天然草地和沙化草地土壤温度和体积含水量的变化特征。通过模拟预测发现,反复冻融作用后,天然草地和沙化草地土壤体积含水率随时间变化均呈现上下波动的趋势,天然草地各土层体积含水率总体均高于沙化草地含水率;土壤温度模拟值呈现先波动上升后波动下降...     

冻融条件下藻结皮对土壤分离能力的影响

为探明生物结皮存在时,冻融条件下结皮盖度、坡度和流量对土壤分离能力的影响,以黄土高原北部东柳沟小流域的藻结皮为研究对象,采用室内模拟冻融和放水冲刷相结合的试验方法,利用正交设计和田口方法分析藻结皮盖度、坡度、流量和冻融对土壤分离能力的影响。结果表明：土壤分离能力最大时盖度、坡度和流量分别为10%、20 7)和24 L/min,而冻融次数正交设计和田口方法中分别为10,1次。冻融条件下,随藻结皮盖度的增大土壤分离能力逐渐减小;随坡度和流量的增加土壤分离能力增大;正交设计中土壤分离能力随冻融次数的增减呈先减小后增大的趋势,而田口方法中则在试验条件下无明显变化规律。正交设计中坡度是影响土壤分离能力的主要因子,各因子对土壤分离能力的贡献率为坡度(15.08%)>盖度(14.38%)>流量(13.69%)>冻融(-13.23%);田口方法中藻结皮盖度是土壤分离能力的主要影响因子,且各因子对土壤分离能力的贡献率为盖度(30.41%)>坡度(25.32%)>流量(1.59%)>冻融(0.85%)。田口方法预测的土壤分离能力相对误差变化幅度小(CV=0.49),决定...     

Effects of successive soil freeze-thaw cycles on nitrification potential of soils

Abstract

In our previous report (Yanai et al. 2004: Soil Sci. Plant Nutr., 50, 821–829), we demonstrated that soil freeze-thaw cycles caused a partial sterilization of the soil microbial communities and exerted limited effects on the potential of organic matter decomposition of soils. In the present study, the effects of soil freeze-thaw cycles on the nitrification potential of soils were examined and the impacts of the freeze-thaw cycles on the nitrifying communities were analyzed. Samples of surface soils (0 to 10 cm depth) were collected, from tropical arable land sites, temperate forest, and arable land sites~ Nitrification potential was assayed by the incubation of soils with or without the addition of 200 fig N of ammonium sulfate per g soil to reach a moisture content adjusted to 60% of maximum water-holding capacity at 27~wC following four successive soil freeze-thaw cycles (-13 and 4°C at 12 h-intervals). Nitrification potential of the soils, in which the decrease in the microbial biomass following the freeze-thaw cycles was less appreciable, was not inhibited by the soil freeze-thaw cycles. On the other hand, the nitrification potential of the soils, in which the decrease in the microbial biomass following the soil freeze-thaw cycles was relatively more appreciable, was clearly inhibited by the freeze-thaw cycles or was undetectable even in the unfrozen control. Surprisingly, nitrate production in the samples of an arable soil collected from Vietnam was inhibited by the addition of ammonium sulfate, and thus the effects of counter-anions of ammonium salts on the nitrification potential of the soils were examined. Since a much larger amount of nitrate was produced in the Vietnam soil with the addition of ammonium acetate and ammonium hydrogen carbonate than that in the soil with the addition of ammonium sulfate, it was considered that ammonium sulfate inhibited nitrification in the soil. These results indicated that ammonium sulfate may not always be a suitable substrate for estimating the nitrification potential of soils. Relationship between soil physicochemical properties and the effect of the soil freeze-thaw cycles on the nitrification potential was evaluated and it was considered that the soil pH(KCI) was likely to be responsible for the difference in the responses among soils, assuming that the pH values changed in unfrozen water under the frozen conditions of soils.     

超声波辅助在羊肉多次冻融中保持理化特性及减少蛋白损失的作用

【目的】探索不同功率超声辅助解冻在减少羊肉多次冻融过程中品质损失的有利作用,为实际生产提供理论参考。【方法】以陕北白绒山羊的背最长肌作为试验材料,以常用冷藏解冻（LT）和静水解冻（WT）为对照,在180 W（UT180）、320 W（UT320）和400 W（UT400）超声辅助下,分析冻融羊肉理化特性（pH、汁液流失、物性、色泽、脂肪氧化）的变化,同时结合羊肉微观结构和氨基酸变化分析冻融过程中由肌纤维破坏造成的蛋白损失。【结果】超声组比对照组增加羊肉汁液流失并降低pH,但UT180组处理能减缓羊肉汁液流失（P<0.05）。关于色泽,超声组的羊肉L*值低于对照组,尤其是UT320组的L*值最低（P<0.05）,而其在3—7次冻融时a*值最高,同时UT320组的b*值增加速率最低,在冻融期间其b*值均显著低于对照组（P<0.05）;LT组和UT180组的h°值最高（P<0.05）,UT320组的h°值最低（P<0.05）;此外,超声辅助解冻能显著影响冻融羊肉色泽,UT320组的ΔE值最高（P<0.05）,其次是UT180和UT400组。物性显示,超声组降低羊肉硬度和弹性,尤其是UT400组在冻融期间硬度及弹性最低（P<0.05）;相比对照组,UT320和UT180组超声处理有利于羊肉回复性的稳定,且这两组之间无显著差异（P>0.05）。脂肪氧化显示,UT320和UT180组在冻融7次时羊肉TBARS值均低于对照组,且在冻融期间UT320和UT180组的PUFA含量高于LT对照组（P<0.05）。羊肉理化特性指标主成分分析显示,相同冻融次数的UT320组主成分均分布在最上方,而LT组分布在最下方。此外,相比对照组,UT320组超声处理有利于维持羊肉肌纤维结构的完整性,同时对羊肉样品氨基酸指标进行聚类分析,初始样品和冻融3次的超声辅助解冻处理组为第1类,氨基酸营养品质最高,且其中初始样品与UT320组更接近;相比羊肉冻融3次,冻融7次的UT320和UT180组羊肉必需氨基酸组成和比例基本保持稳定。【结论】羊肉在320 W功率的超声辅助解冻处理具有优异的理化品质保持能力,其能减缓肉品脂肪氧化、提高嫩度,并维持肉色泽和回复性的稳定,同时320 W超声波解冻有利于维持羊肉肌纤维结构的完整性,可以减少羊肉蛋白损失以保持羊肉氨基酸品质。     

冻融处理对甘薯热风干燥产品品质影响

为探究冻融处理对甘薯热风干燥产品品质的影响,本试验比较了不同冻融处理对甘薯糊化特性、电导率、花青素及干燥产品表观密度、复水性、色泽和硬度的影响。结果表明：不同冻融处理甘薯的糊化特性曲线、电导率和花青素含量有差异;冻融1次甘薯电导率最小,花青素含量最高;随着冻融次数的增加,干制品复水性增加,表观密度减小,呈现出较好的色泽;冻融2次甘薯的产品硬度最小。该研究为阐明冻融处理对甘薯热风干燥品质的变化机理提供了理论依据。     

砒砂岩原状坡面不同季节复合侵蚀动力的贡献研究

为揭示黄河中游砒砂岩区多动力复合侵蚀的季节变化特征,该研究融合野外原位观测、三维激光扫描仪技术和GIS等多研究手段,基于2018年3月—2019年4月砒砂岩裸坡上3个试验小区的各4期地形点云数据、坡面实测侵蚀量以及研究区气候数据,分析了砒砂岩水蚀、冻融侵蚀、风蚀的季节交互特征,并分离了各侵蚀动力对原状坡面的侵蚀贡献。3个试验小区为水力+冻融+风力复合侵蚀原状小区、水力+冻融复合侵蚀小区和冻融小区,尺寸均为12.5 m×2.5 m。结果表明,3月—6月、11月—翌年4月砒砂岩坡面侵蚀动力以冻融+风力为主,7—10月坡面侵蚀动力以水力为主。在3月—6月、7月—10月、11月—翌年4月3个时段中,水力+冻融+风力原状小区内侵蚀量比例分别为10.58%、76.61%和12.81%,水力+冻融复合侵蚀小区内侵蚀量比例分别为10.43%、78.57%和11%,冻融小区内侵蚀量比例分别为31.90%、28.65%和39.45%。3个时段中,对原状坡面而言,水力侵蚀的贡献率分别为21.85%、71.42%和11.12%,冻融侵蚀的贡献率分别为53.09%、6.58%和54.20%,风力侵蚀的贡献率分别为25.06%、21.99%和34.69%。在3月—6月、11月—翌年4月,冻融侵蚀量最大,水力侵蚀量最小;7月—10月,水力侵蚀量最大,冻融侵蚀量最小。在整个研究期,原状坡面侵蚀量中水蚀占58.45%、冻融和风蚀共占41.55%。2018年各侵蚀动力对坡面的影响程度由大到小依次为水力侵蚀、冻融侵蚀、风力侵蚀。研究结果可为砒砂岩区复合侵蚀综合治理提供理论依据。     

黄原胶添加对碱法诱导魔芋胶凝胶特性及凝胶机制的影响

【目的】探究黄原胶添加量对魔芋胶凝胶特性及凝胶机制的影响,为相关凝胶食品的开发利用提供理论依据和技术参考。【方法】以2%的魔芋胶溶胶为基质,通过添加不同浓度的黄原胶,制备混合多糖体系,并在2%的碱浓度（Na₂CO₃）及90℃的高温下加热混合体系2 h,冷却后制得不同黄原胶含量（0-1.5%,w/v）的混合凝胶。通过测定混合凝胶强度,研究去离子水浸泡、2%柠檬酸溶液浸泡和冻融处理对凝胶样品的影响。同时,采用扫描电镜观察不同处理凝胶的微观形貌,探究不同处理及黄原胶添加量对魔芋胶凝胶结构的影响。另外,基于流变学、X-射线衍射以及热重分析等手段,探究魔芋胶-黄原胶混合体系在热碱处理过程中凝胶网络的形成过程,揭示凝胶化机制。【结果】90℃恒温加热2 h后,随黄原胶含量增加,混合凝胶强度反而降低,表明90℃加热过程中,黄原胶的存在影响了魔芋胶凝胶网络的形成。但室温条件下,黄原胶含量越高,混合凝胶强度也越高,表明冷却过程中黄原胶可能加强了凝胶网络。经去离子水、2%柠檬酸溶液浸泡后,各处理凝胶强度均呈下降趋势,以2%柠檬酸溶液浸泡处理后的凝胶强度降低最明显。此外,冻融处理后,魔芋胶凝胶出现明显的析水现象,析水率可达50%,但加入黄原胶后,混合凝胶的析水作用显著降低,黄原胶含量越高,析水作用越弱。流变学测试结果表明,在90℃恒温加热2 h的过程中,随黄原胶添加量增加,体系凝胶化速率减小,表明加入黄原胶降低了魔芋胶凝胶网络的形成。随后对该混合体系进行降温扫描,发现当温度从90℃降低至60℃时,凝胶弹性模量呈明显降低趋势,当温度继续降低至室温时,凝胶弹性模量呈明显增加趋势,转折点所对应的温度为60℃,温度越低,弹性模量越高,表明黄原胶分子在60℃时开始与魔芋胶网络发生协同结合作用。【结论】黄原胶添加可显著提高碱法诱导的魔芋胶凝胶在室温下的凝胶强度,同时可改善该凝胶的冻融稳定性,该结论可为魔芋胶凝胶相关食品的开发提供有益参考。     

基于潜热效应的活立木冻融检测传感器设计与实验

针对植物冻融过程中植物水分生理信息(植物水冰含量)难以实时、在线、连续监测及冻融难以准确判断的问题,设计了一种基于潜热效应的活立木冻融检测传感器。通过检测植物冻融过程中潜热释放引起的温度变化对茎干是否冻融进行有效判断,在准确检测冻融点的基础上,根据茎干体积含水率变化计算冻融过程中的茎干体积含冰量及径向冻融深度,同时设计环式弹片探头消除固定式探头对茎干压迫形成的凹槽。标定结果表明,传感器测量结果与真值拟合决定系数超过0. 99。静动态特性分析表明,传感器体积含水率和温度测量范围分别为0～68. 67%、-30～80℃,动态响应时间小于2 s。室内冻融模拟实验及室外长期冻融监测表明,传感器能够有效检测植物冻融过程中茎干水分生理参数的变化,可以作为植物冻融的有效监测手段。     

冻融坡面土壤剥蚀率与侵蚀因子关系分析

为确定影响冻融坡面土壤剥蚀率的主要土壤侵蚀因子,采用2个(10°、15°)坡度、2个(3、9 L/min)流量和4个(2、5、8、11 cm)起始解冻深度组合进行野外冲刷试验,分析土壤剥蚀率随坡度、流量和解冻深度变化规律,研究土壤剥蚀率与水蚀动力参数(径流水深、水流剪切力、水流功率、单位水流功率)间的相关关系,运用逐步回归分析方法,建立冻融坡面土壤侵蚀预测模型。结果表明:相同起始解冻深度条件下土壤剥蚀率随着坡度和流量的增加有增大的趋势,相同坡度条件下,流量为3 L/min时,起始解冻深度5 cm时土壤剥蚀率最大;流量为9 L/min时,随着起始解冻深度的增加土壤剥蚀率增加;土壤剥蚀率与水流剪切力、水流功率、单位水流功率分别呈显著线性正相关关系(P0.01);建立了基于水流功率和起始解冻深度的土壤剥蚀率预测方程(R~2=0.967)。     

Effects of freeze-thaw on soil erosion processes and sediment selectivity under simulated rainfall

The freeze-thaw(FT) processes affect an area of 46.3% in China. It is essential for soil and water conservation and ecological construction to elucidate the mechanisms of the FT processes and its associated soil erosion processes. In this research, we designed the control simulation experiments to promote the understanding of FT-water combined erosion processes. The results showed that the runoff of freeze-thaw slope(FTS) decreased by 8% compared to the control slope(CS), and the total sediment yield of the FTS was 1.10 times that of the CS. The sediment yield rate from the FTS was significantly greater than that from the CS after 9 min of runoff(P0.01). Both in FTS and CS treatments, the relationships between cumulative runoff and sediment yield can be fitted well with power functions(R20.98, P0.01). Significant differences in the mean weight diameter(MWD) values of particles were observed for washed particles and splashed particles between the CS and the FTS treatments in the erosion process(P0.05). The mean MWD values under CS were smaller than those under FTS for both washed and splashed particles. The ratio of the absolute value of a regression coefficient between the CS and the FTS was 1.15, being roughly correspondent with the ratio of K between the two treatments. Therefore, the parameter a of the power function between cumulative runoff and sediment yield could be an acceptable indicator for expressing the soil erodibility. In conclusion, the FTS exhibited an increase in soil erosion compared to the CS.