砒砂岩区不同退耕还林措施土壤颗粒及交换性能分布特征

为研究砒砂岩区退耕还林还草措施下林地和草地的土壤结构及土壤交换性能对其措施的响应,选取柠条林、油松林、小叶杨林和本氏针茅草地为研究对象,并以荞麦坡耕地为对照,通过野外取样与室内试验相结合的方式,采用分形理论探究土壤粒径分布(PSD)、阳离子交换量(CEC)和交换性盐基总量(ECEC)及其组成(Na~+、K~+、Ca~(2+)、Mg~(2+))的分布特征,并分析其相关性关系。结果表明:(1)实施退耕还林措施后,草地和林地的PSD分布范围、非均一性、离散程度均高于坡耕地,且柠条林的土壤粉粒含量、PSD分布范围的增幅效果最显著(P0.05);土壤剖面垂直层次上,草地有利于增加表层土壤的细粒组分和粒径的分布范围,而林地更有利于对深层土壤粒径的改良与细化;(2)研究区交换性盐基组成主要以碱土金属为主(Ca~(2+)、Mg~(2+)),不同措施的土壤ECEC和CEC值由大到小依次为柠条林油松林小叶杨林草地坡耕地。草地表层土壤交换性能优于底层土壤,而林地与之相反;(3)黏、粉粒和细砂是决定研究区土壤交换性能的细粒土壤和粗粒土壤,粉粒是CEC、ECEC的主要贡献因子,多重分形维数可较好地描述土壤交换性能与土壤颗粒间的关系。不同措施以柠条林对土壤颗粒组成和土壤交换性能的改良效果最优。     

鄂尔多斯砒砂岩区生态恢复研究进展

鄂尔多斯砒砂岩区生态退化严重,土壤侵蚀剧烈,为黄河粗泥沙来源的主要区域。从砒砂岩地区生态恢复建设出发,综述了砒砂岩侵蚀类型,砒砂岩地区采用油松、沙棘、淤地坝、植物柔性坝及抗蚀促生材料等常规治理措施的研究成果,并对砒砂岩的研究、治理、利用进行了探讨。以期为进一步加强鄂尔多斯砒砂岩地区的生态恢复治理提供理论与技术支撑。     

砒砂岩区主要造林树种枯落物及林下土壤持水特性

为了探究砒砂岩区不同造林树种水文特征,以该地区油松、侧柏、青杨、山杏、沙棘、柠条为研究对象,通过浸泡法和环刀法,对比分析了不同树种枯落物层和土壤层的持水特性。结果表明:砒砂岩区主要造林树种枯落物蓄积量变动范围为1.55~7.89t/hm~2,青杨林下枯落物最大持水率最高为281.26%,其他树种枯落物最大持水率依次为油松(217.14%)、侧柏(201.05%)、山杏(202.79%)、沙棘(170.96%)、柠条(158.08%)撂荒地(143.88%)。油松林下土壤层容重最小为1.46g/cm3,总孔隙度和毛管孔隙度最大分别为43.55%和36.99%,毛管持水量最大为14.50mm;山杏林下土壤非毛管孔隙度最大为13.12%,非毛管持水量最大为6.86mm。油松枯落物及其林下土壤层持水能力良好,更适宜作为砒砂岩地区植被建设树种。     

砒砂岩区不同灌木根系构型及根系抗拉对比

对砒砂岩区各主要灌木树种根系形态进行定量研究,探究哪种水土保持植物可以有效地抵抗砒砂岩区的复合型侵蚀,以该区分布较广的灌木树种沙棘(Hippophae rhamnoides L.)、酸枣(Ziziphusjujuba M.)、连翘(Forsythia suspensa V.)、文冠果(Xanthoceras sorbifolium B.)、黄刺玫(Rosaxanthina L.)和蒙古扁桃(Amygdalus mongolica R.)单株个体为研究对象,对其根系分布范围、几何形态,拓扑指数、单根力学特性,降维进行综合分析,筛选出在砒砂岩地区固土效果较好的灌木植物。结果表明:(1)文冠果和连翘以倾斜根为主,沙棘、酸枣、黄刺玫和蒙古扁桃以水平根为主;细根长文冠果(2 368.54 cm)＞沙棘(1 746.12 cm)＞黄刺玫(1 463.15 cm)＞蒙古扁桃(1 162.81 cm)＞酸枣(928.69 cm)＞连翘(817.45 cm);文冠果拓扑指数0.54且根系呈叉状分支结构;连翘拓扑指数0.71且呈鱼尾型分支结构。(2)根系平均抗拉强度文冠果(30.45 MPa)＞黄刺玫(18.21 MPa)＞连翘(17.03 MPa)＞蒙古扁桃(16.62 MPa)＞酸枣(16.34 MPa)＞沙棘(15.35 MPa)。基于主成分分析法对不同灌木树种根系固土效应进行对比,其中,文冠果的综合主成分指标最高达到2.28,则综合固土效果最好。研究结果可为砂岩地区选出适宜的土保持灌木,同时为灌木林的可持续发展提供理论参考。     

Research on Mechanical Characteristics of the Cemented Sandstone Based on 3Dimensional PFC Numerical Model

Sandstone is sediment rock composed of many cemented sand particles, and corresponding particle constraint and force bearing capacity are greatly controlled by the cemented property. In order to better reflect the cemented property influencing on the mechanical characteristics of the sandstone, take the oil sandstone reservoir for instance, a numerical model based on 3Dimensional Particle Flow Code (PFC3D) considering the parallel bond model was brought forward to simulate the failure mechanism during shearing process. The sandstone cemented property is modeled based on random mathematics and advanced development of Particle Flow Code (PFC), and the relation of the stress ratio, volume strain, coordination number and bond-broken number and the axial strain is analyzed in detail, especially the contact network evolution indicated the force chain is important to transfer the external force, which verifies the feasibility of the numerical model. Based on the above PFC3D model, a series of researches on changing the cemented radius ratio, parallel bond stiffness and cemented volume of the particles have been done to clearly illuminate the importance of cemented property for the bearing capacity of the sandstone structure, which provides a scientific base for research on the failure mechanism of the sandstone under special conditions. Therefore, the above numerical method is more efficient and applicable for comparatively large scale and complex experiments, and the obtained research results can bring a new thought for the real cemented sandstone to research on its macro-micromechanical response and the structure failure mechanism, and also is significant for the sand production mechanism, sand volume prediction and sand control measures for the sandstone reservoir.     

自然降雨条件下砒砂岩坡面细沟微形态及其侵蚀特征

[目的] 研究自然降雨条件下砒砂岩坡面细沟微形态及其侵蚀特征,为区域土壤侵蚀机制研究提供理论参考。[方法] 选择裸露砒砂岩坡面为研究对象,采用野外径流小区原位监测与三维激光扫描技术结合的方法,分析砒砂岩坡区13次降雨过程中坡面细沟数量、形态以及几何特征的动态变化特征,揭示细沟微形态变化过程对坡面产流产沙的影响机制。[结果] 观测期研究区总降雨量为267.40 mm,总降雨历时为5 893 min,总径流量为294.05 L,总泥沙量为111.34 kg。降雨对径流和泥沙的贡献率表现为：中雨（10.0～24.9 mm）>大雨（25.0～49.9 mm）>小雨（<10.0 mm）。中雨对坡面侵蚀影响程度最高。水力侵蚀导致坡面细沟形态上趋于复杂化,其总长达为40.52 m,平均宽度为4.31 cm,平均深度为1.22 cm。次降雨坡面细沟的发育过程表现为：溅蚀—片蚀—宽浅型细沟—连续细沟网—沟壁坍塌—沟道稳定;细沟趋于向窄深型发育。[结论] 细沟各形态指标均呈现明显的二次多项式相关关系,细沟宽深比与沟壑密度对坡面产沙量存在显著影响。     

砒砂岩区沙棘液流及细根变化对土壤水分变化的响应

[目的] 研究砒砂岩区土壤含水量对沙棘液流速率及细根变化的响应,为沙棘在砒砂岩等干旱缺水地区的合理栽培和经营提供参考。[方法] 利用Granier茎干液流测定系统,对砒砂岩地区鄂尔多斯市准格尔旗暖水乡沙棘（Hippophae rhamnoides）人工林的茎干液流进行长期监测,并同时对植物的细根及细根周围的土壤水分进行测定,运用相关性分析法分析沙棘人工林在生长季（6—10月）的茎干液流日变化规律及植物细根对土壤水分变化的响应。[结果] ①土壤含水量与沙棘液流速率呈现出在前期（6—7月）较低,中后期（7—9月）不断升高,后期（9—10月）有迅速下降的变化趋势。而沙棘细根的生长速率也呈现出中后期较高,前期和后期较低的变化趋势。②比较生长季各月份土壤含水量和沙棘液流速率的变化趋势趋于一致,从大到小排列依次为：8月>7月>9月>6月>10月。③土壤含水量变化与沙棘液流速率变化呈极显著正相关关系（p<0.01）,随着土壤含水量增大,沙棘液流速率逐渐升高;沙棘细根生长速率与沙棘液流速率呈显著正相关关系（p<0.05）,沙棘细根生长速度越快,沙棘液流速率越大;反之,沙棘细根生长速度越慢,沙棘液流速率越低。土壤含水量变化与细根生长速率呈极显著正相关关系（p<0.01）,随着土壤含水量升高,沙棘细根生长速率逐渐增大。[结论] 砒砂岩地区沙棘液流变化是影响土壤水分变化的主要因素,而沙棘细根变化同样影响土壤水分的变化,相对而言,沙棘液流变化比沙棘细根变化影响土壤水分变化大。说明植物蒸腾是砒砂岩区影响土壤水分变化的主要因素。     

复合侵蚀作用下砒砂岩坡面侵蚀泥沙颗粒特征

明晰砒砂岩坡面侵蚀泥沙颗粒输移特征是研究黄河泥沙淤积问题的关键。采用水力、风力、冻融复合侵蚀实体模拟技术,研究在35°坡度和110 mm/h雨强条件下单一水蚀、冻融+水蚀、冻融+风蚀+水蚀3组不同侵蚀动力复合作用下,砒砂岩坡面侵蚀泥沙颗粒变化特征。结果表明:砒砂岩坡面在单一水蚀作用下以整体侵蚀为主,侵蚀泥沙颗粒变化稳定;冻融+水蚀作用下粗颗粒产出明显,冻融作用对粗颗粒的影响凸显;冻融+风蚀+水蚀作用下坡面稳定性最差,侵蚀泥沙颗粒变化最剧烈。复合侵蚀作用下坡面侵蚀过程以搬运粒径较大的泥沙颗粒为主;各粒级侵蚀泥沙颗粒随侵蚀动力的增加起伏变化剧烈。     

梅江盆地叶塘组紫色岩上发育土壤的物理性质研究

采用野外调查、取样和室内实验分析相结合的方法,研究了梅江盆地白垩系上统叶塘组（Kyt^2）紫色岩上土壤物理性质特征扣差异,结果表明：叶塘组紫色岩母质发育的土壤粘粒含量低而砂粒含量高,具有容重较大,比重相对偏小,孔隙度不高,自然含水量偏低的特点。从丘顶、丘腰到丘脚,土层逐渐增厚,土壤粘粒含量逐渐增加,砂粒含量逐渐减少,容重递增而比重减小。孔隙度表现出丘顶〉丘腰〉丘脚的趋势,含水量则表现出丘顶〈丘腰〈丘脚的趋势。针对情况,提出相应建议以维护紫色土利用的可持续发展。     

砒砂岩与沙复配土壤的物理性状和相关光谱特性

为研究砒砂岩与沙以不同比例混合复配成土0~30cm土层土壤质地、贮水量及相关光谱特性的差异,于2010-2013年在陕西富平设置了砒砂岩与沙混合比例分别为1∶1(C1)、1∶2(C2)、1∶5(C3)和黄土与沙混合比例为1∶2(CK)的4种复配土模式,测定和分析了复配"土壤"的质地、贮水量、土壤光谱和在其上栽培的冬小麦光谱差异。结果表明,(1)随着种植年限的增加,C1、C2和C3复配土壤0~30cm土层均呈现砂粒含量减少、粉粒含量增加趋势;CK处理则粘粒减少、砂粒增加。三个种植季后,C2复配土0~30cm土层中的砂粒、粉粒和粘粒平均含量分别为76.69%、18.72%和4.70%。(2)各处理在三个种植季间,0~60cm土层贮水量差异明显,随着混合沙比例的增加呈先增加后减少趋势,C2复配土0~60cm土层中,3年平均贮水量较CK、C1和C3复配土分别高21.34%、11.59%和3.91%。(3)2013年,各处理冬小麦在拔节期和灌浆期的全波段(350~2 500)反射光谱曲线特征相似,且拔节期冠层反射率明显高于灌浆期;在绿光波段550nm左右形成反射峰;在冬小麦拔节期,C2处理下小麦叶片冠层反射率最高。(4)2013年小麦收获后各复配土光谱曲线特征一致,在350~1 750nm波段土壤相对反射率呈增加趋势,且随混合沙的比例增加而增加;CK、C1、C2和C3的光谱反射率(y)与波长(x)呈现良好的对数关系,其方程分别为:y=0.187ln(x)-0.979,y=0.159ln(x)-0.801,y=0.177ln(x)-0.911,y=0.185ln(x)-0.945。综合考虑各复配土的物理性状及其相关光谱指标,C2处理是砒砂岩与沙复配成土的最佳比例。