北方风沙区砾石对堆积体坡面径流及侵蚀特征的影响

为了研究砾石对工程堆积体降雨侵蚀规律的影响,采用室内人工模拟试验,以土质堆积体(砾石质量分数为0)为对照,研究了10%、20%和30%砾石质量分数堆积体边坡在模拟降雨条件下的径流水力特征、产沙过程及侵蚀动力机制。结果表明:1)产流0~6 min,砾石促进堆积体坡面细沟间径流流动;产流12~30 min后,砾石阻碍堆积体坡面细沟径流流动;2)含砾石堆积体坡面粗糙度增大,水流流态变缓,水流速度降低,且均以层流为主。较土质堆积体而言,30%砾石质量分数堆积体坡面阻力系数增大88.8%~288.4%,弗汝德数降低28.9%~41.8%,水流速度降低0~45.8%;3)径流含沙量随产流历时经历快速降低-平稳过渡-波动上升3个阶段,土质及10%砾石质量分数堆积体高含沙水流现象频发,且随雨强增大,重力坍塌次数增加,重力侵蚀程度增强。20%、30%砾石质量分数堆积体发生高含沙水流的几率约为0。相对土壤流失比与砾石质量分数呈极显著负指数函数关系;4)土壤剥蚀率与各侵蚀动力参数均可用简单线性函数关系描述,单位径流功率是描述风沙区土质和10%砾石质量分数工程堆积体侵蚀产沙的最优因子,径流功率是刻画20%、30%砾石质量分数工程堆积体土壤侵蚀参数更为合理的因子。结果可为全国范围工程堆积体土壤侵蚀模型的建立提供科学依据。     

辽西低山丘陵区坡地砾石量及粒径对土壤水分蒸发影响的模拟试验研究

【目的】分析砾石量及粒径对土壤蒸发的定量影响。【方法】以辽西低山丘陵区坡地非砾石土壤为对照(CK),通过设置4种粒径和6种砾石量的含砾石土壤,采用室内恒温蒸发模拟研究砾石量和粒径对土壤水分蒸发的影响。【结果】2～5 mm粒级砾石量在30%范围内均能减少蒸发,当粒径大于2～5 mm时,较低的砾石量并不能减少土壤累积蒸发量,甚至增大土壤累积蒸发量,当砾石量大于15%时土壤累积蒸发量随砾石量的增大显著减小;当砾石量较小时,小粒径的土壤累积蒸发量较小,随土壤中砾石量的增加,土壤累积蒸发量随着砾石粒径的增大而减小;含砾石土壤平均蒸发速率均小于非砾石土壤,初始蒸发速率表现为含砾石土壤大于非砾石土壤,且随砾石量的增大表现为增大趋势。【结论】砾石能够显著的降低土壤蒸发量。     

压砂砾石水-岩作用下元素释放规律

为了解压砂砾石在干湿交替和冻融循环这两种水-岩作用过程中的元素释放规律,以宁夏中卫地区一种主要压砂砾石为研究对象,对该种压砂砾石本身元素组成及其干湿交替和冻融循环模拟试验条件下元素累积过程做了检测分析.发现绿色板岩压砂砾石共由O,Si,Fe等25种元素组成,其中包含了多种植物生长所需要且能溶于水的矿质元素.这种压砂砾石在干湿交替和冻融循环处理过程中能够释放N,Ca,K等多种植物生长所需要的大量元素、微量元素和有益元素,50次干湿交替和冻融循环处理条件下,各类元素累积释放量分别为786.90,958.18 mg.明确了宁夏中卫地区一种主要压砂砾石的元素组成,摸清了干湿交替和冻融循环过程中压砂砾石成矿元素的释放规律,对维护当地土壤健康、提高农作物品质具有重要意义.     

雨强和坡度对嵌套砾石红壤坡面产流产沙的影响

采用人工模拟降雨的方法研究了嵌套砾石红壤坡面的产流产沙特征,分析了雨强(60,120mm/h)和坡度(10°,15°,20°,25°)条件下嵌套砾石和无砾石红壤坡面的产流和产沙过程差异。结果表明:(1)产流开始时间T_(嵌套砾石)T_(无砾石),60mm/h雨强条件下嵌套砾石较无砾石坡面在10°,15°,20°,25°坡度分别延迟4.20,2.95,2.23,1.03min;(2)坡度相同时,嵌套砾石坡面较无砾石坡面产流率明显减少,但雨强的增大会掩盖嵌套砾石对坡面产流率减小的影响;(3)嵌套砾石红壤坡面在60mm/h雨强、坡度10°条件下平均产流率最小,在120mm/h雨强、25°坡面下平均产流率是前者的4.5倍;无砾石红壤坡面在120mm/h雨强、坡度25°条件下平均产流率最大,为最小平均产流率的4.8倍;(4)各坡面产沙强度、次降雨产沙量随雨强和坡度增大而增大,60mm/h雨强、坡度10°和25°时,嵌套砾石坡面平均产沙强度为无砾石坡面的6.0%和28.4%;120mm/h雨强时,此两个坡度的嵌套砾石坡面为无砾石坡面平均产沙强度的33.9%和25.3%。     

排土场不同复垦方式下砾石对饱和导水率和贮水能力的影响

露天煤矿排土场是由矿井下采出的煤矸石,露天矿剥离的表土、岩石及覆土共同组成的松散土石混合堆积体,其内部含有的砾石对土体导水性能和贮水能力有重要影响,以往关于砾石对土壤水分的影响多集中于自然土壤,缺乏对排土场、弃渣场等土石混合工程堆积体的水文-侵蚀过程研究.以海州露天煤矿排土场为研究对象,基于野外调查采样和室内定水头入渗试验,研究了排土场不同复垦方式下土体砾石分布特征及其对饱和导水率和贮水能力的影响,以期为提高矿区水土资源利用效率提供理论依据.结果表明,不同复垦方式下排土场砾石总量随土层深度呈现增加的趋势,并且土体剖面砾石总量的平均值表现为农用地最小,这可能是由频繁耕作导致,不同土层之间砾石总量无显著差异;排土场土体不同粒径砾石相对含量平均值的大小顺序为(2~10 mm)>(>20 mm)>(10~20 mm),表现为大粒径砾石在各种因素的综合作用下正逐渐变为细粒径;排土场土体饱和导水率均表现为灌木林地最高,农用地和荒草地较低;饱和导水率与各粒径砾石含量之间呈极显著线性正相关,且随着砾石粒径的增大其相关性越强;排土场土体贮水能力各指标均以灌木林地和荒草地最强,乔木林地和农用地最差,并且饱和贮水量与各粒径的砾石含量之间均存在显著或极显著的相关关系,最大滞留贮水量与各粒径的砾石含量之间均呈现显著的幂函数相关关系,最大吸持贮水量与粒径2~10 mm砾石含量之间存在显著抛物线相关关系;对于>20 mm的粒径而言,影响土壤贮水能力的砾石含量阈值为14%.     

砾石覆盖对小麦玉米轮作农田碳排放强度的影响

为研究砾石覆盖对农田土壤水热条件及温室气体排放的影响,探讨小麦-玉米轮作农田碳排放强度对砾石覆盖的响应,开展了基于静态暗箱-气象色谱法的小麦-玉米轮作田间试验,测定了土壤CO2、CH4和N2O3种温室气体的排放,结合产量、全球增温潜势和碳排放强度等指标评估砾石覆盖的农田生态效应及固碳减排作用.试验在作物关键需水期设置0和50mm2个灌溉水平,土壤表面设置无覆盖和100%覆盖2个砾石覆盖度水平,形成无覆盖对照(W0M0)、灌溉对照(W1M0)、砾石覆盖(W0M1)和灌溉砾石覆盖(W1M1)4个处理.结果表明:1)砾石覆盖能有效改善土壤水热状况,显著增加作物产量.与对照处理W0M0相比,W1M0,W0M1和W1M13个处理的作物年际总产量分别增加了18.1%、32.6%和51.8%;2)各处理对3种温室气体排放的影响具体表现为,相比W0M0处理,W1M0,W0M1和W1M13个处理的CO2年际排放总量分别降低了7.8%、12.1%和18.0%,CH4年际吸收总量分别增加了32.5%、80.2%和124.3%,而各处理N2O年际排放总量差异不显著;3)砾石覆盖显著降低了农田温室气体碳排放强度,W1M0,W0M1和W1M13个处理的碳排放强度相比W0M0处理分别降低了14.9%、20.7%和33.6%.比较产量和碳排放强度,经济产量越高,固碳潜力越大,碳排放强度越小.双因素方差分析表明砾石覆盖结合农田灌溉使得作物产量达到最高,碳排放强度最小.综合考虑,砾石覆盖结合农田灌溉能有效改善土壤水热状况,有利于增加作物产量和降低农田温室气体碳排放强度,该研究为干旱半干旱地区实现稳定增产和固碳减排提供一种可行途径.     

村镇水源地土壤中砾石对水分运动的影响

对重庆水库水源地坡地土壤中砾石对土壤水分运动的影响进行研究.结果表明:随砾石含量增加,扰动土水分特征曲线的幂函数拟合式的a值逐渐减小,b值逐渐增大.在垂直入渗和水平扩散中,随砾石含量增加,累计入渗(扩散)量逐渐减少,总入渗(扩散)时间先减后增,总入渗(扩散)率则相反;垂直入渗的饱和含水重量、沥水后含水重量、开始下漏时间、下漏稳定时间逐渐减少;任意时刻的入渗(扩散)率按Kostiakov入渗模型进行拟合,系数k随砾石含量的增加而增大,指数a则相反.在土壤蒸发中,砾石覆盖土样的初始含水量和累计蒸发量最小;61 h前,混合土样平均含水量随砾石含量的增加而减小;61 h后,砾石含量为30%土样的累计蒸发量增加相对缓慢,砾石覆盖土样的含水量下降相对减弱;蒸发结束时,累计蒸发量随砾石含量的增加呈减少趋势;砾石覆盖土样的含水量小于无砾石土样,约等于砾石含量为10%的土样.     

含砾石风沙土堆积体坡面径流产沙特征

为明确砾石含量对风沙土工程堆积体坡面径流产沙特征的影响,以土质坡面为对照,采用室内模拟降雨试验方法,研究了不同降雨强度(1.0、1.5、2.0和2.5 mm·min~(-1))条件下不同砾石质量含量(10%、20%、30%)的风沙土堆积体坡面径流特性及侵蚀产沙规律。结果表明:(1)1.0、1.5、2.5mm·min~(-1)雨强下,10%砾石含量坡面径流率较土质坡面减少5.03%～39.99%,而20%、30%砾石含量坡面径流率则分别增加7.48%～74.56%、19.51%～84.31%;各砾石含量坡面径流率均与雨强呈显著递增的指数函数关系;(2)土质和含砾石坡面径流型态基本以层流为主;土质坡面径流流态多为急流,而含砾石坡面径流则以缓流为主;各雨强条件下,10%、20%、30%砾石含量坡面径流阻力系数较对照分别增加24.07%～114.10%、51.84%～141.57%、89.04%～288.16%;(3)1.0、1.5 mm·min~(-1)雨强下土质和10%砾石含量坡面侵蚀速率随降雨历时呈减小—稳定—增大趋势,2.0、2.5 mm·min~(-1)雨强下,则呈波动式逐渐增大趋势;4种雨强下,20%、30%砾石含量坡面侵蚀速率呈缓慢、平稳增加趋势;(4)雨强为1.0 mm·min~(-1)时土质坡面侵蚀量最小,雨强≥1.5 mm·min~(-1)时,含砾石坡面侵蚀量较土质分别减少41.08%～63.27%、22.80%～67.80%、28.89%～68.50%;(5)侵蚀量与径流率、雷诺数、弗汝德数均呈显著正相关关系,与阻力系数则呈显著负相关关系;结果可为陕北风沙土区生产建设项目工程堆积体水土流失量估算模型的建立提供科学参考。     

岩石风化及成壤过程中元素行为研究进展

为了解压砂地砾石风化及成壤过程中的元素行为,在查阅文献的基础上,从岩石风化及其影响因素、土壤中微量元素的特征及演化、土壤中微量元素活动性三个方面进行了归纳。通过总结发现,目前国内外对岩石风化的研究多集中在岩石物理特性等方面,对风化过程中元素行为的研究较少;而对土壤元素的研究也多是集中在土壤层面,并没有将风化和成壤有机的结合起来;对土壤微量元素活动性影响因素的研究大多是关于土壤环境和人为开垦的,而针对风化过程对微量元素活动性影响的研究很少,分析各种影响下岩石风化产物对土壤元素迁移和富集的影响方面研究更不多见。因此,如果能深入的探索风化过程中元素的迁移和富集规律,与宁夏当地压砂地结合,进一步探索各种风化产物对微量元素的影响,将风化与成壤系统地结合起来,探索风化作用对土壤中微量元素分布及影响,对土壤发育以及植株生长都有重要的意义。