有机质浸染砂水泥土的力学特性及本构关系

为研究海南省海湾地区分布的有机质浸染砂水泥土的力学特性,该文首先对有机质浸染砂水泥土和标准砂水泥土进行无侧限抗压强度对比试验(采用配合比均为熟石灰掺入比7.5%、水泥掺入比20%、水灰比0.45),定量分析养护龄期对其无侧限抗压强度及试样破坏形式的影响。然后对有机质浸染砂水泥土进行单轴抗压试验,获得了水泥土材料的应力-应变全过程曲线、刚度变化规律以及改进邓肯-张本构模型。结果表明:1)有机质浸染砂水泥土试样的破坏类型为塑性剪切破坏和脆性剪切破坏;2)有机质浸染砂水泥土抗压强度随着养护龄期的增加基本呈指数形式增长,但在养护龄期14 d后,增长速度逐渐降低并趋于稳定;3)随着养护龄期增长,水泥土刚度增加。在加载初期,水泥土切线模量随着轴向应变增加而增大,呈现刚度硬化现象;4)基于单轴抗压试验得到应力-应变全过程曲线,可分为2个阶段:塑性阶段、软化阶段;5)通过对应力-应变全曲线的描述,得到了修正的邓肯-张模型,确定模型参数后,与实测数据对比发现,该修正模型可以模拟有机质浸染砂水泥土的应力-应变关系。     

炭肥比和膨润土粘结剂对炭基肥颗粒理化及缓释特性的影响

为探究炭肥比和膨润土粘结剂对生物炭基肥理化及缓释特性的影响,以生物炭为基底,分别制备了炭肥比1:4,膨润土粘结剂质量分数为20%、15%、10%、5%和粘结剂质量分数10%,炭肥比为1:6、1:5、1:4、1:3的柱状尿素和氯化钾生物炭基肥颗粒,分析了生物炭基肥颗粒的理化及缓释特性。结果表明,在炭肥比为1:4条件下,膨润土粘结剂质量分数越高,生物炭基肥微观结构越紧密,力学和缓释特性越好,质量分数为20%时,氯化钾和尿素生物炭基肥平均抗压强度分别为286.78和281.27 N,前3天养分淋出率分别为45.53%和36.87%。在膨润土粘结剂质量分数为10%条件下,炭肥比越高,生物炭基肥缓释性能越好,炭肥比为1:3时,氯化钾和尿素生物炭基肥前3天养分淋出率分别为42.06%和40.32%。同时,氯化钾生物炭基肥表面孔隙先增后减,炭肥比为1:6和1:3的平均抗压强度分别为271.25和282.42 N。尿素生物炭基肥内部结构中孔隙变多,炭肥比为1:6时,平均抗压强度为最大值267.84 N。综合考虑,满足中等肥料浓度要求时,膨润土粘结剂质量分数为20%、炭肥比为1:4或膨润土粘结剂质量分数为10%、炭肥比为1:3的生物炭基肥成型配方较优。     

生物炭对不同酸化水平稻田土壤性质和重金属Cu、Cd有效性影响

针对南方稻田土壤酸化严重,导致养分流失有毒重金属活化,严重影响稻米质量安全的重大现实问题。以水稻秸秆和谷壳等农业废弃物为原料制备生物炭(分别记为RSC和RHC),研究不同原料生物炭对酸化土壤改良及其对重金属有效性的影响。设置3个生物炭用量(0,20,50 g/kg,分别记为CK、C1、C2),4种土壤酸化水平(pH 4.01,4.25,4.33,4.58,分别记为L1、L2、L3、L4),生物炭与重金属污染土壤共同培养60天后测定土壤pH、全氮、有机质、有效磷、速效钾和有效态Cu、Cd含量。结果表明:RSC对酸化土壤pH的改良效果明显优于RHC,且施炭量越高提高幅度越大,RSC的C2处理使4种酸度水平的土壤pH分别提高了0.68,0.97,1.29,1.71个单位。2种生物炭均能提高土壤的全氮、有效磷、速效钾和有机质含量,其中各施炭处理有机质显著提高,尤以速效钾的增幅最为显著,RSC对4种养分的提高均优于RHC。RHC对土壤有效态Cu含量无显著影响;RSC的C2较C1处理更能降低土壤中有效态Cu含量,使4种酸度水平的土壤分别降低了13.62%,6.57%,4.36%,7.88%。RHC处理的L3、L4土壤中有效态Cd含量显著降低,最大分别降低了13.79%,19.23%。RSC使4种酸度土壤有效态Cd含量最大分别降低了20.00%,25.81%,20.69%,19.23%。相关分析表明,土壤pH与有效态重金属含量呈显著负相关关系。水稻秸秆炭用于改良酸化土壤、降低重金属Cu和Cd有效性的效果更佳,且降低污染土壤中Cd的有效性较Cu好;生物炭对酸化程度越低的土壤pH和有效磷含量的提高以及有效态Cd含量的降低效果较好,而有效态Cu含量的降低效果则在酸化程度越高的土壤中表现更佳;土壤pH是生物炭调控重金属Cu、Cd有效性的主要影响因素。     

植物根系对土壤团聚体形成作用机制研究回顾

土壤团聚体是土壤结构的基本单元,土壤水力侵蚀的微观描述即为土壤团聚体的破裂过程。研究表明:植物根系可以改变土壤的力学以及水文特征,促进土壤团聚体的形成和稳定。因此,对近20年国内外的相关研究成果进行较为系统的回顾,从根系对土壤团聚体的物理、生物、电化学作用3个研究视角,分析了植物根系对土壤团聚体形成的作用机制,提出了现有研究中存在的问题及研究趋势,这对深入认识植物根系对土壤团聚体的影响及其作用机制、发展根-土相互作用的土壤侵蚀过程模型具有重要的意义。     

滴灌灌水均匀系数与灌水量对土壤水分分布及温室番茄产量的影响

为探索灌水均匀系数与灌水量对温室番茄产量和土壤水分变化的影响,确定合理的滴灌灌水均匀系数,本研究设置65%、75%和85%3个灌水均匀度水平, 190 mm、220 mm和250 mm 3个灌水量水平,测量番茄生育期内土壤含水率及番茄产量,计算土壤含水率均匀系数和番茄灌溉水利用效率。结果表明,当灌水均匀系数为65%～85%时,土壤水分均匀系数均值(82.57%～93.76%)接近或高于设置的滴灌灌水均匀系数的最大值(85%)。滴灌灌水均匀系数对土壤含水率均匀系数影响权重最大,灌水量、灌水均匀系数、土壤初始含水率均值3个影响因素与土壤含水率均匀系数均值之间呈线性关系(P0.05),决定系数为0.918。当土壤初始含水率占田间持水量比重60%,灌水量低于15mm时,灌水均匀系数与灌水量二者的交互作用与土壤含水率均匀系数为显著线性关系(P0.05),其他情况下均无显著性关系。灌水量对产量为显著影响(P0.05),灌水均匀系数及二者的交互作用对番茄产量无显著影响,考虑产量及灌溉水分利用效率,灌水量220 mm、灌水均匀系数75%组合为最优组合。因此在西北地区,综合考虑经济性和系统的可靠性,建议下调现行滴灌灌水均匀系数标准。     

有机培肥与耕作方式对稻麦轮作土壤团聚体和有机碳组分的影响

为了明确不同外源有机物和耕作方式对土壤地力培育的影响,以水稻-小麦轮作系统为对象,通过2个年度(2016—2018年)大田试验研究了外源有机物(秸秆和有机肥)和耕作方式及其交互作用[稻麦秸秆还田配合旋耕(SR),稻麦秸秆还田配合翻耕(SP),秸秆不还田、增施有机肥配合旋耕(MR),秸秆不还田、增施有机肥配合翻耕(MP),秸秆不还田、不施用有机肥、旋耕深度15 cm(CKR)]对土壤团聚体和有机碳组成的短期影响。结果表明:SR处理能够降低水稻季土壤容重并增加总孔隙度。相比CKR,小麦季SR处理显著增加0.05mm水稳性团聚体含量,增加量为7.2%。此外,外源有机物和耕作对土壤有机碳活性组分具有显著影响。其中,易氧化有机碳(EOC)主要受耕作与有机物交互作用影响,酸水解有机碳(LPIc和LPII_c)主要受耕作措施的影响, SR处理的土壤EOC和LPI_c含量比CKR提高0.3～2.6 g·kg~(-1)。颗粒有机碳(POC)主要受外源有机物的影响,并且秸秆还田处理POC平均含量高于增施有机肥处理,增加量为0.75g·kg~(-1)。短期内,外源有机物和耕作及其交互作用对稳定性有机碳(黑碳和矿物结合态有机碳)的影响较小。综上,秸秆还田配合旋耕有助于提高土壤水稳性团聚体和活性有机碳的含量(EOC、LPI_c和POC)。     

典型喀斯特洼地植被恢复过程中土壤碳氮储量动态及其对极端内涝灾害的响应

西南喀斯特地区是我国主要的生态脆弱区之一,石漠化严重,旱涝灾害频发。植被恢复是提升脆弱生态系统土壤碳氮固持的有效方式,但该区不同植被恢复方式土壤碳氮动态监测的研究还很缺乏。本研究以典型喀斯特峰丛洼地为对象,选取人工林、牧草地、人工林+牧草地、撂荒地自然恢复4种最主要的植被恢复方式为研究对象,以耕地作为对照,对比分析退耕前(2004年)、退耕10年(2014年)和13年后(2017年)土壤碳氮储量动态变化特征。其中2004—2014年研究区未发生极端内涝灾害, 2014—2017年连续发生2次极端内涝灾害事件。研究结果表明,退耕10年后, 4种恢复方式下土壤有机碳(SOC)储量均显著增加,但退耕13年后,除撂荒地SOC持续增加外,其他3种恢复方式下SOC表现出下降趋势。植被恢复后土壤全氮(TN)储量提升相对缓慢,退耕10年仅牧草地显著增加,退耕13年后人工林+牧草和撂荒地TN增加,且撂荒地在退耕后呈持续增加趋势。相关性分析结果表明,土壤交换性Ca~(2+)与SOC、TN均呈显著正相关关系,且与2014年相比, 2017年不同植物恢复方式下土壤交换性Ca~(2+)均显著下降,这可能与研究区2015年和2016年连续内涝灾害有关。以上结果说明,不同恢复方式均能显著提升喀斯特地区土壤碳氮固持,并以自然恢复最佳,其生态系统能有效抵御极端气候灾害带来的负面影响。     

马铃薯与玉米复合种植对土壤化感物质及土壤细菌群落结构的影响

为探究马铃薯与玉米复合种植对化感物质积累与细菌群落结构的影响,分析轮作、间作缓解连作障碍的机制,本研究以马铃薯连作、玉米连作、马铃薯||玉米间作、马铃薯-玉米轮作第8年的土壤为对象,利用GC-MS测定土壤中化感物质含量,并采用Illumina Miseq高通量测序技术对土壤细菌16Sr DNA V4-V5区域进行测序,分析土壤中细菌多样性和群落结构的变化,并对化感物质和优势菌属进行相关性分析。结果表明:玉米连作和马铃薯连作会导致化感物质的积累,玉米连作土壤积累了更多的油酸、亚油酸、花生酸、木焦油酸等脂肪酸,马铃薯连作土壤积累了更多的硬脂醇、二十烷醇等脂肪醇类物质。轮作降低了大部分化感物质的积累,间作降低的化感物质种类相对轮作较少。不同种植方式下土壤细菌群落结构发生了显著变化,相对于连作,间作和轮作Ace指数和Chao指数显著升高。在门水平上,轮作土壤放线菌丰度显著高于马铃薯连作土壤,间作土壤拟杆菌门丰度显著低于玉米连作土壤,两种连作土壤中酸杆菌门丰度都较轮作显著升高。在属水平上,一些有益细菌如节杆菌属、溶杆菌属等在复合种植土壤中相对丰度更高。通过相关性分析发现土微菌属、小梨形菌属与脂肪醇类物质呈显著正相关,黄杆菌属、溶杆菌属、微杆菌属等与脂肪酸类物质呈显著负相关。马铃薯与玉米复合种植降低了化感物质在土壤中的积累,从而抑制了土壤细菌丰度的降低,提高了有益菌属丰度,消减了连作障碍。     

施肥对灌漠土作物产量、土壤肥力与重金属含量的影响

有机物还田是提升土壤肥力的主要措施,但也存在造成土壤金属污染的潜在风险。为查明不同有机物还田对土壤质量及作物产量的影响,本文通过长期定位试验,研究了无肥对照、常规施化肥(氮磷配施)以及70%常规化肥与牛粪、沼渣、污泥、鸡粪、菌渣和猪粪配施对土壤理化性状、有机碳和氮的固存率、氮磷钾活化系数、作物产量及重金属含量的影响。结果表明:牛粪、沼渣、污泥、菌渣、鸡粪和猪粪与70%化肥配施虽作物产量与常规施化肥相似,但6种有机物处理土壤有机质、全氮和碱解氮含量都较常规施化肥处理显著增加,污泥、鸡粪和猪粪处理土壤全磷与速效磷含量较常规施化肥处理显著增加,而且牛粪、沼渣、鸡粪和猪粪处理的速效钾、土壤磷活化系数和土壤钾活化系数较常规施化肥处理也显著提升。牛粪、沼渣、污泥、菌渣、鸡粪和猪粪处理土壤有机碳固存率为36.42%～71.61%,较常规施化肥处理都显著提高;而其氮固存率为6.47%～49.44%,仅有菌渣处理与常规施化肥处理差异不显著,而其他处理较常规施化肥处理显著增加。长期施鸡粪和菌渣处理的土壤铜含量较常规施化肥处理显著增加,增加量分别为4.17mg·kg~(-1)和14.2mg·kg~(-1);而污泥、鸡粪和菌渣处理的土壤锌含量较常规施化肥处理显著增加,增加量分别为13.53 mg·kg~(-1)、22.60 mg·kg~(-1)和49.73mg·kg~(-1)。综上,等有机质(4 500kg×hm~(-2))的牛粪、沼渣、污泥、菌渣、鸡粪和猪粪可替代30%氮磷肥,作物产量不受影响;不同有机物培肥土壤效果为污泥、鸡粪和猪粪优于牛粪和沼渣,而沼渣的培肥效果略差。为保证土壤环境质量稳定不恶化,种植小麦时有机物铜和锌的年携入量应分别低于53.01g×hm~(-2)和221.30 g×hm~(-2),而种植玉米时应分别低于153.40 g×hm~(-2)和347.04 g×hm~(-2)。     

基于电磁感应仪数据的南疆棉田土壤电导率反演模型研究

土壤盐渍化是南疆棉田优质高产的主要障碍因素,定额灌溉可有效改良土壤盐渍化,EM38-MK2可快速、动态获取土壤盐渍化数据,适时监测土壤盐渍化,为棉田定额灌溉提供数字依据。针对电磁感应仪(EM38-MK2)的发射圈和接收圈设计了不同采样方案,在同一条田内采集了6个不同时期的土壤表观电导率数据及相应的剖面土样,分析了不同土壤采集方案及土壤含水量对表观电导率模型精度的影响,对比了以单一时期数据建模的局部模型和6个时期整体数据建模的全局模型的反演精度。结果表明,由单点采集电磁感应仪发射线圈位置土样所构建的模型精度更高,稳定性更好,能有效减少由采样带来的误差。当土壤含水量低于10%时,表观电导率与实测电导率之间的相关性较低,决定系数为0.58,反演模型只具备粗略估计实测电导率的能力;当土壤含水量高于10%时,表观电导率与实测电导率具有很好的相关性,决定系数达到0.80以上,反演模型具有较好的预测能力。EMH+EMV多测定模式下表观电导率与实测电导率之间的模型精度高于EMH或EMV单一测定模式,确立EC_(h0.375)+(EC_(h0.75)+EC_(v0.75))/2+EC_(v1.5)为建模因子,有效提高了反演模型的精度。不同深度土层的局部模型反演精度均高于全局模型精度,局部模型的RPD均大于2.0,具有较好的预测能力。