草地土壤分离能力季节变化特征及其影响因素

土壤分离能力是土壤侵蚀机理模型的重要参数.受土壤性质、植被根系等因素影响,土壤分离能力呈现显著的季节变化.为研究草地土壤分离能力季节变化特征及其影响机制,以建植一年的柳枝稷、无芒雀麦草地及对照裸地为研究对象,以20 d为周期,测定土壤密度、黏结力和根系密度,并采集原状土样进行水槽实验(τ=6.5-23.4Pa),测量土壤分离能力,并运用相关分析、回归分析等方法,研究土壤性质及植被根系对土壤分离能力季节变化的影响.结果显示:柳枝稷和无芒雀麦草地具有类似的季节变化特征,而裸地与二者差异明显.4月中旬至6月下旬,草地土壤分离能力较大,此后土壤分离能力迅速下降;7月中旬直至10月上旬,草地土壤分离能力较低;10月下旬,土壤分离能力小幅回升;裸地土壤分离能力7、8月份较低,其余时间较高.裸地土壤分离能力试验期均值为柳枝稷草地的10.6倍,无芒雀麦草地的23.7倍.草地土壤分离能力的季节变化受根系密度和土壤黏结力的影响,随着根系密度与土壤黏结力增大,土壤分离能力呈指数形式降低,而土壤密度对土壤分离能力季节变化的影响并不显著.试验区内草地土壤分离能力可用水流剪切力、根系密度、根径和土壤黏结力等参数进行模拟(R2=0.636).研究结果可为土壤侵蚀机理模型的推广应用,以及小流域水土保持措施配置等工作提供科学依据.     

黄土高原典型生物结皮对坡面产流产沙过程的影响

[目的] 明确不同类型生物结皮坡面产流产沙过程及其影响因素，为评价生物结皮的水土保持功能提供理论依据。[方法] 选取黄土高原常见藻结皮和苔藓结皮为研究对象，系统研究降雨条件下结皮类型及破坏前后对坡面产流产沙的影响。[结果] ①生物结皮可显著增强土壤黏结力，藻结皮和苔藓结皮土壤黏结力是裸地（4.53 kPa）的1.52倍和1.25倍，结皮破坏后其土壤黏结力仍高于裸地，分别是裸地的1.22，1.10倍；②生物结皮可以增加坡面产流，抑制坡面产沙。藻结皮和苔藓结皮产流量分别增加了21.64%和55.75%，产沙量分别减少了94.06%和89.24%。结皮破坏后，产流量分别增加了58.76%和59.66%，产沙量分别减少了16.18%和29.45%，仍可促进产流，抑制产沙；③随累积径流量的增加，累积产沙量增长速度由大到小依次为：裸地 > 藻结皮去除 > 苔藓结皮去除 > 苔藓结皮覆盖 > 藻结皮覆盖。黏结力是表征生物结皮抑制土壤侵蚀的有效指标。随黏结力的增大，产沙量呈线性降低（R²=0.66）。[结论] 增加生物结皮覆盖并有效防止生物结皮被破坏，可最大程度发挥其水土保持功能。     

草地土壤细沟可蚀性季节变化研究

[目的]为土壤侵蚀预报模型的校验及中国土壤侵蚀预报机理模型的开发等工作提供科学依据和数据支持.[方法]采用水槽试验方法,研究柳枝稷草地土壤细沟可蚀性的季节变化,在取样同时测量土壤黏结力和根系密度.[结果]草地土壤细沟可蚀性具有明显的季节变化.4月中旬至6月中旬细沟可蚀性较大.此后,土壤细沟可蚀性迅速下降.在7月上旬至9月中旬,细沟可蚀性较低.之后直至生长季末期,细沟可蚀性小幅回升.试验期内草地土壤细沟可蚀性最大值出现在5月下旬,为0.012 s/m,最小值出现在9月中旬,为0.001 4 s/m,试验期均值为0.005 s/m.[结论]草地土壤细沟可蚀性的季节变化受根系密度和土壤黏结力的影响,随着根系密度与土壤黏结力增大,细沟可蚀性呈指数形式降低.试验区内草地土壤细沟可蚀性可用根系密度和土壤黏结力模拟(R2=0.604).     

基于离散元模拟的土石混合体剪切与变形特性研究

土石混合体是一种颗粒大小不一，物质成分复杂，结构分布不规则的非连续介质，其力学性质受多种因素的影响，运用离散元模拟程序PFC2D建立土石混合体直剪试验离散元模型，对不同含石量、不同块石—土颗粒粒径比、不同黏结强度的混合体进行直剪试验模拟，研究其对土石混合体抗剪强度以及破坏特征的影响。研究结果表明：离散元模拟试验与室内直剪试验结果基本吻合，证明了离散元剪切模型的可靠性；随着含石量的增高，土石混合体抗剪强度与其对应的剪切位移增加，剪胀与应变硬化现象更明显；10倍平均粒径比的土石混合体具有最高的抗剪强度；土石混合体的抗剪强度随着黏结力的增加而增加，而残余强度受黏结力的影响较小。     

考虑颗粒间黏结力的黏性土壤离散元模型参数标定

【目的】实现黏性土壤离散元模型的接触参数与接触模型参数标定。【方法】基于土壤堆积角物理试验结果,采用考虑颗粒间黏结力的"Hertz-Mindlin with JKR"接触模型进行土壤堆积角仿真试验,借助GEMM(Generic EDEM material model database)数据库获得离散元模型关键参数(包括JKR表面能、恢复系数、静摩擦系数与动摩擦系数),进一步运用Box-Behnken试验方法进行堆积角仿真试验。【结果】通过对试验结果进行多元回归拟合分析获得了堆积角回归模型,回归模型的方差分析表明该模型极显著,试验因素对堆积角的影响为二次多项式,且存在复杂的一次与二次交互作用。以堆积角40.45°为目标对回归模型进行寻优,得到了优化解:JKR表面能7.91J·m-2;恢复系数0.66;静摩擦系数0.83;动摩擦系数0.25。以此优化解进行仿真试验获得的堆积角为39.73°。堆积角仿真试验与物理试验在堆积角度和形状上具有较高的相似性。【结论】可利用该优化参数对样品土壤进行进一步的黏性土壤与触土部件间的离散元仿真,从而揭示黏性土壤在触土部件作用下的运动规律。