喀斯特高原石漠化区露石岩-土界面与非岩-土界面土壤入渗特性差异

为揭示喀斯特石漠化区露石岩—土界面与非岩—土界面土壤渗透特性差异,通过环刀法探究岩—土界面与非岩—土界面土壤入渗特征及入渗模型适应性。结果表明：(1)岩—土界面0—10 cm土层和10—20 cm土层土壤容重大于非岩—土界面,土壤总孔隙度小于非岩—土界面。岩—土界面含水率和毛管孔隙度总体上大于非岩—土界面,非毛管孔隙度、黏粒和排水能力总体上小于非岩—土界面。(2)岩—土界面土壤的入渗能力总体上小于非岩—土界面,其初始入渗速率、平均入渗率、稳定入渗率小于非岩—土界面(平直形除外)。(3)3种形状岩—土界面0—10 cm土层和10—20 cm土层土壤的初始入渗速率、平均入渗率和稳定入渗率均表现为平直形>外凸形>内凹形。非岩—土界面土壤入渗与岩—土界面具有相似性,主要由土壤容重和总孔隙度共同决定。(4)Horton模型对岩—土界面与非岩—土界面土壤入渗的拟合效果优于Kostiakov模型和Philip模型,能更好地模拟喀斯特地区复杂情况下土壤的入渗特征。研究以期为深入认识喀斯特地区水分入渗及水土流失提供新的研究思路与科学理论支撑。     

石漠化区露石岩-土界面流形成过程模拟试验

岩-土界面是石漠化区露石岩面流和地表径流下渗转化为地下裂隙流的主要路径。作为地下裂隙流的重要组成部分,岩-土界面流对坡面降雨径流转化、水分地下快速渗漏以及土壤侵蚀/漏失具有重要影响。为探究喀斯特石漠化区露石岩-土界面流形成过程与转化机制,通过模拟典型露石岩-土界面,采用人工模拟降雨试验研究露石面-土壤组成的岩-土结构单元下地表径流及地表下壤中流、岩-土界面流及非岩-土界面流的形成过程及输出特征,探究其对岩周径流形成转化的影响。结果表明：岩-土界面流产流量在降雨过程中呈先增加后稳定的变化趋势;相同条件下,有出露岩面流形成的岩-土界面流（岩面倾角45°、60°、75°）产流量远大于仅有土壤水分下渗形成的岩-土界面流（岩面倾角90°）,前者是后者的4.78～16.58倍。岩面倾角是影响岩周径流形成、转化的主要因素,岩面倾角越大则岩-土界面流对水分漏失总量贡献越小,而非岩-土界面流则相反;雨强次之。然而,雨强是影响初始产流时间、稳定产流时间的主要因素,二者均随雨强增大显著减小（P<0.01）;岩面倾角次之。岩-土界面的存在不仅直接形成岩-土界面流,同时对非岩-土界面流表现出较强的补给效应,约有一半的岩-土界面流最终以非岩-土界面流的形式流失。研究结果可为石漠化区产流过程及机制的深度揭示提供理论依据。     

石漠化区岩-土与非岩-土界面土壤孔隙变异及入渗对干湿变化的响应

全球气候变化下土壤水分暴涨骤减愈加频繁和强烈,这使生态系统脆弱的喀斯特区石漠化适应性治理面临严峻挑战。因此,探究干湿变化下土壤孔隙变异及入渗响应对石漠化区土壤水分补给及降雨径流调节具有重要意义。该研究采用原位圆盘入渗法研究了干湿条件下不同露石岩面形状岩-土界面和非岩-土界面土壤孔隙结构变异及水分入渗的响应。结果表明： 1）干旱条件下土壤孔隙大小及数量均大于湿润条件;干湿条件下岩-土界面土壤小（＜0.2 mm）、中孔隙（0.2～1.0 mm）数及体积比均大于非岩-土界面,大孔隙（＞1.0 mm）数及体积比则小于非岩-土界面;干湿变化下土壤孔隙数及体积比的平均变化幅度从高到低为小孔隙、中孔隙、大孔隙,土壤孔隙各参数平均变化幅度从高到低为非毛管孔隙度、毛管孔隙度、通气度、总孔隙度。2）干旱条件下土壤稳定入渗率和饱和导水率均大于湿润条件;随着水头压力的增加,岩-土界面和非岩-土界面土壤导水率逐渐增加,土壤稳定入渗率则呈现先减小后增大的趋势。3）干湿条件下各级土壤孔隙对入渗水流的贡献率均随孔隙减小而降低;非毛管孔隙度和大孔隙数对土壤入渗能力的影响最大。4）岩-土界面土壤孔隙及水分入渗等参数在干湿变化下的平均变化幅度均大于非岩-土界面。研究结果可为干湿变化下土壤孔隙变异引起的土壤水分补给及降雨径流调节能力变化的认识及石漠化的适应性治理提供科学依据。     

多露石石漠化区岩面流对岩—土界面土壤的冲蚀效应

岩面流在基岩出露的喀斯特石漠化区普遍存在,其容易受岩面形状影响以汇聚或分散的方式对岩—土界面处土壤进行冲刷侵蚀,这是喀斯特石漠化区土壤侵蚀/漏失发生的重要物理过程。为分析不同岩面形状下岩面流对岩—土界面土壤颗粒分布的影响,揭示岩面流对岩—土界面土壤的冲蚀效应,选择具有典型石漠化特征的休耕地(1年岩面流冲刷作用),在其中选取3种典型岩面形状(平直型、外凸型和内凹型岩面)为研究对象,采用激光粒度仪分析法,分析距岩—土界面不同水平距离(0～2,2～4,4～6,6～8,8～10,20 cm)及不同土层(0—10,10—20 cm)处土壤的颗粒分布特征。结果表明：(1)不同岩面形状下岩面流对岩—土界面处土壤的冲蚀影响依次为内凹型>平直型>外凸型;内凹型岩—土界面处土壤中黏粒含量最低,外凸型岩—土界面处土壤中黏粒含量最高;(2)岩面流对岩—土界面土壤冲蚀作用主要集中在距岩—土界面水平距离0～2 cm范围内,在其范围内内凹型岩—土界面土壤的砂粒含量均显著高于外凸型和平直型,而在距岩—土界面其他水平距离处土壤颗粒分布情况无显著性差异;(3)在岩面流影响下岩—土界面土壤颗粒分形维数均值排序依...     

土壤粒径对灌木植物根-土摩阻特性影响

为了系统性研究灌木植物根系的固土力学效应,探讨土体对根系的摩阻特性,以4种不同土壤粒径（原级配,1.0~2.0,0.5~1.0,<0.5 mm）和3年生的典型护坡植物种火棘及紫穗槐为研究对象,采用室内直剪的方式对根系进行根—土界面直剪摩擦试验。结果表明：（1）根—土及土—土界面的摩阻强度与垂直荷载呈明显的正线性关系;随土体粒径的增加,根—土及土—土界面的摩阻强度、摩擦系数、黏聚力和摩擦角均呈现下降趋势,且在相同粒径范围内,火棘根—土界面摩阻特性显著优于紫穗槐和素土;（2）根—土界面与素土界面的剪应力随位移的增长速率呈现先增大后减小的趋势;根—土界面剪应力与位移关系曲线呈现曲折蜿蜒式上升,而素土曲线表现为平缓式上升;（3）土体粒径越小,根土间接触面的比表面积越大,细小的土壤颗粒与根表面发生镶嵌,加大接触面的咬合力,使摩阻能力加大。研究结果对进一步探讨灌木植物根—土相互作用力学机制,以及利用灌木植物提高试验区边坡土体稳定性、防治坡面浅层滑落具有一定的理论指导意义。     

石漠化山区露石岩面流对岩-土界面土壤氮磷淋溶与输入作用的研究

基岩出露的石漠化区露石岩面在承接降水（含穿透雨）后易形成岩面流,并携带岩面有机或无机物质输送至岩周土壤中,对岩-土界面土壤养分变化具有重要影响。为探明岩面流对岩-土界面土壤氮磷的淋溶与输入影响,选取基岩明显出露的休耕地（1年岩面流作用）、退耕灌草地（5年岩面流作用）和坡耕地（无/少岩面流作用）3种样地,并分别选择外凸、平直和内凹3种特殊的岩面形状,研究了距岩面不同水平距离及土层的岩-土界面及非岩-土界面土壤的全氮和全磷变化特征。结果表明：岩面流对0～10 cm表层岩-土界面土壤氮磷产生输入或淋溶作用,对10～20 cm层岩-土界面土壤氮磷作用不明显。不同岩面形状形成的岩面流对岩-土界面土壤氮磷的淋溶与输入作用强度依次为：内凹型>平直型>外凸型。其中,在1年岩面流作用的休耕地中,内凹型岩面形成的岩面流对岩-土界面土壤氮素的影响主要表现为淋溶,而平直型和外凸型岩面表现为输入作用;不同形状岩面流对岩-土界面土壤磷素的影响均表现为淋溶。然而,在植被生长较好的退耕灌草地中,5年岩面流作用下不同形状岩面流对岩-土界面土壤氮磷的影响主要表现为输入。研究结果可为深入认识出露岩石对喀斯特生态系统土壤特性的影响提供科学依据。     

某铅锌矿开采区土壤镉的污染及有关界面过程

本文根据不同的采样设计 ,定量推算并证实了某铅锌矿区采矿裸露岩矿的加速风化过程、堆置于土壤上的采矿碎石和尾砂的雨水淋洗过程、采矿散发的含镉物质通过大气的回降过程以及有关的界面过程的存在 ,和对该矿区土壤镉污染的重要贡献 ,表明它们对土壤健康质量的损害确实起着十分重要的作用     

喀斯特槽谷区岩层倾向对土壤入渗特性的影响

为了解岩层倾向对喀斯特槽谷区土壤入渗特性的影响,以重庆市青木关岩溶槽谷区顺/逆层坡为研究对象,分析5种典型土地利用方式裸地(AL)、辣椒地(PL)、玉米地(CL)、林地(FL)、草地(GL)在顺/逆层坡的土壤入渗能力差异,并探讨土壤物理性质对土壤入渗能力的影响。结果表明:(1)＞0.25 mm水稳性团聚体含量、毛管持水量、黏粒以及粉粒含量在顺/逆层坡存在显著差异(p<0.05),其中在>0.25 mm水稳性团聚体含量和毛管持水量方面,分别为PL与FL的顺/逆层坡差异最大,在黏粒和粉粒方面,CL的顺/逆层坡差异最大,且均为逆层坡＞顺层坡。(2)除FL顺层坡的土壤渗透能力低于逆层坡外,其余4种土地利用方式下的土壤入渗能力均表现为顺层坡高于逆层坡。(3)土壤渗透特性在顺/逆层坡均与容重呈极显著负相关关系(p<0.01),在顺层坡与总孔隙度、非毛管孔隙度、＞5 mm水稳性团聚体含量和饱和持水量呈极显著正相关关系(p<0.01),在逆层坡与非毛管孔隙度、饱和持水量、粉粒含量呈极显著正相关关系(p<0.01);通过多元逐步回归分析与通径分析发现,顺/逆层坡土壤入渗能力的首要决策因素均为容重,其次分别为>5 mm水稳性团聚体含量和粉粒含量。(4)对比4种土壤入渗过程的拟合模型,Philip模型对顺/逆层坡的土壤入渗过程拟合效果最佳。研究结果可为喀斯特槽谷区不同岩层倾向的水土流失防治以及植被恢复提供数据支撑。     

紫穗槐根-土界面拉拔摩阻特性

[目的]探究不同影响因素下紫穗槐根—土界面拉拔摩阻特性的变化规律,为研究区栽培植物种的选择提供理论依据。[方法]通过室内拉拔试验研究有无须根、根径、拉拔速率对紫穗槐根—土复合体最大拉拔力、拉拔摩阻强度、根土界面摩擦系数的影响。[结果]紫穗槐直根带须根—土复合体和直根—土复合体拉拔过程中的拉拔力—时间曲线以及拉拔力—位移曲线基本一致,但同径级紫穗槐直根带须根—土复合体的最大拉拔力、根土界面摩擦系数、拉拔摩阻强度较直根—土复合体均提高了1.3倍,须根明显提高了根段的固土性能。随根径增大,紫穗槐直根—土复合体的最大拉拔力、拉拔摩阻强度、根土界面摩擦系数呈指数正相关;随拉拔速率增大,紫穗槐直根—土复合体的根土界面摩擦系数、拉拔摩阻强度均呈增大趋势,即500 mm/min(0.74,40.11 kPa)>10 mm/min(0.65,35.58 kPa)。冗余分析表明根径、有无须根、拉拔速率与紫穗槐根—土界面拉拔摩阻特性指标均呈显著相关关系,其中贡献率最高的是根径(55.4%),其次是有无须根(23.7%),第三是拉拔速率(20.9%)。[结论]紫穗槐具有较强的固土性能,在承受大风拉拔、径...     

土壤水分对植物根-土界面相互作用特性的影响

为研究不同土壤水分下不同植物根系与土壤界面的摩阻特性,使用直剪仪对内蒙古中西部的5种典型乡土植物(柠条、沙棘、杨柴、紫花苜蓿和沙打旺)的根系在不同土壤含水率下进行根-土界面直剪摩擦试验。结果表明:当土壤含水率在4.5%~24.5%时,5种植物根-土界面摩擦系数均大于素土的土-土界面的值,且随着土壤含水率的增加,根-土界面和土-土界面摩擦系数均呈下降趋势,其中沙棘根-土界面的摩擦系数和黏聚力均大于其他4种植物的值,表明仅从根系与土壤间的相互作用特性来看,沙棘根系固土抗蚀的作用明显优于其他4种植物。根-土界面和土-土界面黏聚力均随着土壤含水率的增加呈先增后减的变化特征,且植物种不同黏聚力峰值出现时对应的土壤含水率亦不同。     

石漠化治理对岩溶作用强度的影响及其碳汇效应

以贵州关岭-贞丰花江岩溶石漠化综合治理区代表石漠化治理的退耕还林地和未进行石漠化治理的耕地及对应的B泉和A泉为研究对象,分析退耕还林地、耕地的土壤CO_2浓度变化、土下溶蚀量及碳汇差异,以及对应泉水Ca~(2+)、HCO_3~-的变化,并计算岩溶碳汇效应,揭示石漠化治理对岩溶作用强度的影响及其碳汇效应。研究结果表明,研究区土壤CO_2浓度变化范围为417~10 000ml/m~3以上,表现为夏秋高、冬春低的季节变化。土壤CO_2浓度表现为土层60cm40cm20cm,在一定深度范围内随土层的增加呈现升高的趋势。相对耕地,退耕还林地能够明显增加土壤CO_2浓度,表明植被恢复有利于土壤CO_2积累。A泉和B泉的Ca~(2+)、HCO_3~-变化范围分别为78~98mg/L,207.4~280.6mg/L和118~133mg/L,323.3~396.5mg/L,B泉的Ca~(2+)和HCO_3~-含量明显高于A泉,其消耗的CO_2量也相对较大,表明植被恢复有利于岩溶作用的进行。在雨季时,泉水中HCO_3~-含量变化相对土壤CO_2滞后大约1~2个月,而在旱季时,其变化趋势一致,表明泉水中HCO_3~-敏感地响应土壤CO_2的变化。退耕还林地土下溶蚀量及碳汇量约为耕地的7倍,受土壤有机质和土壤CO_2浓度及土壤水分等理化性质的影响,退耕还林地土下溶蚀量和碳汇量表现为土下40cm处最高,土下20cm处和60cm处相当。而耕地土下溶蚀量和碳汇量主要受CO_2浓度控制,其变化趋势与土壤CO_2浓度一致。综上表明,岩溶地区石漠化治理能明显增强岩溶作用强度及岩溶碳汇效应。     

典型岩溶石漠化区根系生境及其类型研究

在贵州岩溶石漠化区,根据碳酸盐岩分布、地貌类型及岩石类型分布情况,共计调查152个根系生境剖面,利用岩性、产状、根系分布范围内的岩石斑块数、土层深度、裂缝宽度、垂直剖面土壤分布范围、植物根系分布的长宽幅度等指标,采用RDA排序方法,分析根系生长空间类型及其特征;采用定性和定量分析相结合的方法进行快速聚类,划分植物根系生境类型,并进行生境类型命名及类型特征描述.结果表明:1)石漠化区植物根系生长空间分为表层空间、单层空间、多层空间3种类型,植物根系对多层空间类型利用最多;2)贵州岩溶石漠化区根系生境分为18个类型,各类型特征不同.研究成果加深了对岩溶石漠化区植物根系生境的认识,对植物生态修复与石漠化治理均具有重要的意义.     

基于SWAT模型的喀斯特流域产流特征对

为探讨适合于西南喀斯特地区石漠化治理的有效生物措施,以典型喀斯特流域——打邦河为研究区,以SWAT模型模拟为基本研究手段,以打邦河流域黄果树水文站、高车水文站连续多年实测水文数据作为基础率定资料,设置6种石漠化治理措施情景,分别模拟各治理措施的产流特征,从产流特征探讨不同措施的生态效益。结果表明：（1）率定期（2008—2013年）黄果树水文站R²=0.86,NSE=0.77,高车水文站R²=0.76,NSE=0.63;验证期（2014—2018年）黄果树水文站R²=0.79,NSE=0.57,高车水文站R²=0.75,NSE=0.54,均符合模型的评价标准,表明SWAT模型在打邦河流域具有较好的适用性;（2）坡度15°以上有林地、经济林和牧草地较坡耕地蓄水截流效果较好。坡度15°~25°,以及25°以上,蓄水截流效果均表现为经济林>牧草地>有林地;（3）经济林+牧草地措施一方面可以有效缓解打邦河流域工程性缺水的问题,另一方面基于潜在的经济效益,优化调整当地坡耕地种植结构,可实现区域农业可持续发展。结果可为西南喀斯特地区石漠化治理、生态恢复和乡村振兴提供理论参考,对促进喀斯特流域社会经济可持续发展具有一定的参考意义。     

贵州省岩溶地区坡度与土地石漠化空间相关分析

喀斯特石漠化从本质上来讲是喀斯特地区的成土速率远小于水土流失的速率而造成的土地生产力的退化过程.坡度起伏决定着地表现代侵蚀作用的强弱,影响着水土流失的强度;坡度越大,地表物质的不稳定性就越强,土壤越容易遭受侵蚀而变薄.在前期工作中,构筑了贵州省岩溶地区1∶500 000坡度分级图和石漠化分布图,对岩溶地区坡度图和石漠化图进行空间叠加分析,研究坡度与石漠化形成的相关关系.贵州省岩溶地区坡度主要集中于10°～25°之间,不同程度石漠化分布最集中的地区是＞25°的坡地区;在坡度＞18°的地区,石漠化的发生率基本随着坡度的增大而增大,强度石漠化的表现尤为明显;＜18°的坡地区石漠化程度主要以轻度和中度为主.     

基于PSR模型的广西石漠化地区土地生态安全动态评价

[目的]对广西壮族自治区轻度及以上石漠化地区进行土地生态安全评价,为该区土地生态安全及其可持续发展提供科学参考。[方法]基于PSR模型构建了广西石漠化地区土地生态安全评价指标体系,采用熵权赋权法确定权重,运用生态安全综合模型,对研究区2005,2015年的土地生态安全综合指数进行计算。[结果]广西石漠化地区土地生态安全主导因素为人口密度、单位GDP综合耗能、土地垦殖率、耕地粮食单产、城市化水平、人口自然增长率等因素;压力指数、状态指数和响应指数共同决定广西石漠化地区土地生态安全评价的综合指数;从时间上看,2005—2015年广西石漠化地区土地生态安全经历了从临界安全等级向较安全等级的变化趋势,土地生态安全的状况主要因响应状态系统的提升,而使得综合土地生态安全指数有所上升。从空间上看,2005年贵港地区的土地生态安全等级处于不安全级,2015年南宁、贵港、来宾等地区的土地生态安全等级处于较不安全级。[结论]广西石漠化地区的土地生态安全略有上升,但受压力和状态子系统承载力水平的限制,研究区的土地生态安全仍处于中等水平,需要进一步加强土地生态安全建设。     

岩溶区典型根系地下生境的土壤质量分析

选择岩溶区三种不同的典型根系地下生境类型土壤为研究对象(类型Ⅵ——白云岩水平产状多层空间类型、类型Ⅸ——白云岩倾斜产状多层空间类型及类型Ⅺ——白云岩直立产状多层空间类型),根据不同类型的土壤物理、化学及生物学指标,计算土壤肥力的综合指标值,对其土壤质量进行综合分析评价。结果表明:(1)不同植物根系地下生境类型和不同空间土壤层次的土壤指标值差异极显著;(2)不同类型的土壤质量存在差异,且具有明显的层次性,土壤质量表现为白云岩倾斜产状多层空间类型最好,且三种类型的土壤质量均呈现出随土壤深度的增加而逐渐降低的趋势。该文揭示了根系地下生境的土壤质量差异,这为岩溶石漠化区的植被恢复技术研究和治理均有积极的作用。