模拟径流条件下工程堆积体陡坡土壤侵蚀过程

工程建设过程中形成的堆积体具有独特的土壤组成及复杂的下垫面条件,堆积体表面土壤结构体缺失、土质松散、植物根系及有机质缺乏等,导致其土壤抗冲性极差,径流条件下堆积体陡坡坡面的土壤侵蚀过程亦表现出不同的特点,该文通过野外放水试验,对高速公路沿线典型堆积体陡坡（36°）在模拟径流冲刷条件下的土壤侵蚀过程进行了研究,结果表明,次径流过程中径流强度变化与放水强度及径流含沙量密切相关,三者之间呈多元线性相关;重力侵蚀对径流含沙量的变化具有重要影响,试验条件下重力作用的临界放水条件在20～25 L/min之间;坡面产沙过程存在产沙量的突变、波动变化和稳定发展3个阶段;不同坡段产沙量的空间分布存在持续稳定减小和震荡式波动衰减2种变化形式;土壤剥蚀率与单宽流量呈线性关系,与时段产沙量及流宽呈幂函数关系;最后,时段产沙量与时段径流量呈幂函数关系,累积产沙量与累积径流量呈线性关系。     

黄土坡面径流剥离土壤的水动力过程研究

坡面土壤侵蚀是径流冲刷和坡面抗蚀作用以及地面物质补充能力之间相互作用的复杂过程。本研究采用野外实地放水冲刷实验,研究了20°裸地(CK)及鱼鳞坑(YLK)、苜蓿草地(MXCD)、秸秆覆盖(JGFG)径流调控措施坡面薄层水流剥离土壤颗粒的水动力学过程,并运用水流切应力、单位水流功率、径流动能三种理论进行了详细分析。结果表明:(1)对于裸地和调控措施坡面,输沙率与径流剪切力、径流功率之间均呈现良好线性关系,与水流动能之间呈现良好对数关系;土壤侵蚀发生时均存在临界切应力和临界功率。(2)随放水流量增加,坡面流速迅速增大,导致水流切应力、单位水流功率、径流动能增大,进而水流对土壤颗粒的剥离能力增强,最终土壤侵蚀加剧。总之,三种理论在描述土壤侵蚀过程时各具特点,径流切应力更能详细地揭示土壤颗粒分离过程,而径流动能及功率理论更能简便、准确地描述坡面土壤侵蚀过程。     

坡沟侵蚀产沙关系的模拟试验研究

黄土高原坡面从分水岭到坡脚,径流侵蚀产沙方式和产沙强度等特征表现出明显的垂直分带性。为了揭示造成这种垂直分带性特点的形成机理,本文设计了4m长坡面(坡度为20°)和3m长沟坡(坡度为50°)组成的坡沟系统试验土槽,采用四个不同流量(2.1Lmin-1、3.2Lmin-1、5.2Lmin-1、7.2Lmin-1)的放水冲刷试验,研究了坡面不同来水量、来水含沙量及来水动能对沟坡侵蚀产沙的影响,并建立了坡沟系统侵蚀产沙过程的数学模型。结果表明:坡面放水径流强度、坡面来水含沙量以及坡面来水单位水流功率均影响着沟坡部分侵蚀产沙量的大小。坡面放水径流强度与沟坡侵蚀产沙量之间呈幂函数关系;坡面来水含沙量和坡面来水单位水流功率与沟坡部分的侵蚀产沙量之间呈线性关系。根据单位水流功率的概念,计算得出试验条件下沟坡侵蚀产沙的临界单位水流功率值为0.632。最后,根据改进的Yalin公式及沟坡侵蚀产沙的影响因素,分别建立了坡面和沟坡侵蚀产沙的数学模型,经计算后与实测值进行对比发现结果基本令人满意。     

黄土坡面土壤侵蚀动力过程试验研究

通过玻璃水槽试验和径流冲刷试验 ,初步研究了陡坡坡面水流的流速分布和坡面薄层水流冲刷剥离土壤的过程。研究表明 :陡坡薄层水流流速在坡面上并非是呈直线分布 ,而是呈波浪式分布的 ;坡面水流的剥蚀率(Dr)与坡面径流通过坡面的能量损耗 (ΔE)的关系比其与坡面水流的平均切应力 (τ) 的关系密切 ,建立了黄土坡面土壤剥蚀率估算模型 ,利用这个关系可以直接得到土壤抗蚀性参数和细沟发生的临界能耗条件     

放水冲刷对红壤坡面侵蚀过程及溶质迁移特征的影响研究

坡面薄层水流侵蚀不仅造成土壤养分流失,土壤质量恶化,同时对水体污染等环境问题造成一定影响。为了分析上方来水流量对红壤坡面径流侵蚀过程中泥沙的迁移规律及土壤溶质运移特征的影响,本试验利用室内放水冲刷试验,采用3个不同上方来水流量（10 L min-1、15 L min-1、20 L min-1）对第四纪黏土发育红壤坡面径流侵蚀过程中坡面径流泥沙和径流中非吸附性离子（Br-）迁移过程进行了研究。结果表明：不同上方来水条件下,放水初期产流量迅速增大,后期趋于稳定,累积径流量与产流时间成显著的线性关系,10 L min-1、15 L min-1、20 L min-1三种上方来水流量下累积径流量分别为263.2 L、295.1 L、291.04 L;上方来水流量越大,薄层径流冲刷作用越强烈,径流含沙量随时间变化波动越剧烈,累积泥沙量随产流时间呈幂函数变化,15 L min-1、20 L min-1流量下累积泥沙量分别为10 L min-1流量下累积泥沙量的1.42倍、4.25倍;径流Br-浓度随产流时间呈幂函数衰减,反映了土壤溶质随径流迁移量变化主要受水流与土壤接触时间和作用程度的影响。研究表明放水冲刷对土壤侵蚀及溶质运移有重要作用,试验结果对有效预测与控制红壤坡面侵蚀及养分流失具有重要实际意义。     

坡面径流调控薄层水流水力学特性试验

为澄清复杂地表的水流运动过程、水流水力学参数受流量及地表状况的影响,该研究采用野外标准径流小区实地放水冲刷试验,研究了鱼鳞坑、苜蓿草地、秸秆覆盖不同径流调控措施的坡面薄层水流水动力学特性的变化规律,包括水流流速、水深、流态、阻力系数。研究结果表明：坡面薄层水流的平均流速与水深主要受流量控制,其二者之间呈现幂函数关系;地表状况与流量大小直接影响着坡面流态,对于裸地与鱼鳞坑坡面,流量较小时属于层流与缓流,在流量达到3.0 m3/h时,属于过渡流、紊流和急流;而苜蓿草地、秸秆覆盖坡面均属于层流和缓流;并提出复杂坡面的阻力系数由颗粒阻力、形态阻力、波阻力叠加而成,其大小主要受地表状况影响;阻力系数与土壤侵蚀率呈现良好对数关系。总之,坡面采取径流调控措施后,其地表抗侵蚀力和泥沙搬运的能力明显强于裸地,径流流速明显降低,水流流态明显平缓,水流受阻力显著增加。研究结果对于揭示不同径流调控措施对坡面拦泥蓄水、减流减沙及侵蚀动力学机制有着重要的理论基础和实践指导意义。     

放水冲刷对红壤坡面侵蚀过程及溶质迁移特征的影响

坡面薄层水流侵蚀不仅造成土壤养分流失,土壤质量恶化,同时对水体污染等环境问题造成一定影响。为了分析上方来水流量对红壤坡面径流侵蚀过程中泥沙的迁移规律及土壤溶质运移特征的影响,本试验利用室内放水冲刷试验,采用3个不同上方来水流量(10 L min-1、15 L min-1、20 L min-1)对第四纪黏土发育红壤坡面径流侵蚀过程中坡面径流泥沙和径流中非吸附性离子(Br-)迁移过程进行了研究。结果表明:不同上方来水条件下,放水初期产流量迅速增大,后期趋于稳定,累积径流量与产流时间成显著的线性关系,10 L min-1、15 L min-1、20 L min-1三种上方来水流量下累积径流量分别为263.2 L、295.1 L、291.04 L;上方来水流量越大,薄层径流冲刷作用越强烈,径流含沙量随时间变化波动越剧烈,累积泥沙量随产流时间呈幂函数变化,15 L min-1、20 L min-1流量下累积泥沙量分别为10 L min-1流量下累积泥沙量的1.42倍、4.25倍;径流Br-浓度随产流时间呈幂函数衰减,反映了土壤溶质随径流迁移量变化主要受水流与土壤接触时间和作用程度的影响。研究表明放水冲刷对土壤侵蚀及溶质运移有重要作用,试验结果对有效预测与控制红壤坡面侵蚀及养分流失具有重要实际意义。     

工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系

工程堆积体具有独特的土壤组成及复杂的下垫面条件,其土壤抗冲性极差,径流条件下堆积体陡坡坡面关键的水动力学参数及其相互关系亦表现出不同的特点,为探明工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系,该文采用30、40、50、60 L/min 4个流量,对24°、28°、32°共3个坡度的堆积体边坡(20 m×5 m标准监测小区)进行模拟放水冲刷试验,选取径流流速、水深、雷诺数、弗汝德数、径流阻力系数、水流剪切应力、径流功率等参数进行分析。结果表明:工程堆积体坡面侵蚀位置主要集中在坡面上部(0~10 m),侵蚀时段主要集中在产流后期(12~30 min);流速随坡度和流量的增大而增大,坡度对流速的影响大于流量;随着坡面流由层流向紊流、急流向缓流的过渡,坡面径流阻力系数随之增大;基于水流剪切应力和径流功率分别计算获得的工程堆积体坡面细沟侵蚀土壤可蚀性参数分别为2.63×10-2 s/m和0.1 s2/m2,对应的临界侵蚀径流功率为0.8 N/(m·s)。研究结果可为坡面措施的配置提供一定的理论支撑,也能为工程堆积体土壤侵蚀预报模型的建立提供部分基础参数。     

黄土坡面细沟侵蚀试验研究及土壤抗冲性评价

通过室内放水冲刷试验,分析了坡面侵蚀过程中跌坑产生与发育的机理,阐明了朔源侵蚀、边壁崩塌和细沟下切侵蚀之间的相互关系。研究了各放水流量下坡面产沙及细沟径流的变化规律,建立了坡面产沙量与细沟面积比例和流量关系。本通过对冲刷过程中各侵蚀营力的分析,得到了径流剪切作用产沙方程。研究表明,径流剪切产沙率和单位面积径流剪切力呈显的正相关关系,土壤颗粒被分离的临界剪切力为0．258N／m^2。     

草被减流减沙效应及其力学机制分析

 利用人工模拟降雨试验,定量研究不同降雨强度下20°坡面草地的减流减沙效应,探讨草被坡面固土作用的力学机制。结果表明:在45、87和127mm/h降雨强度下,草地坡面土壤的平均入渗率是裸地坡面入渗率的2.1～4.2倍;与裸地相比,草地径流流速减少77.3%～79.8%,径流量减少51.9%～99.1%,产沙量减少93.6%～99.2%;从力学角度分析坡面土壤颗粒的受力情况,建立的坡面产沙量与径流切应力的关系模型可用于草被坡面土壤流失量预测;试验条件下,草地临界径流切应力值为2.857N/m2,裸地临界径流切应力值为0.861N/m2,坡面产沙量随径流切应力的增大而增大。研究结果对定量评价草被减流减沙作用和深化土壤侵蚀力学过程有一定的参考意义。     

Sediment denitrification in waterways in a rice-paddy-dominated watershed in eastern China

Purpose

Rice-paddy-dominated watersheds in eastern China are intensively cultivated, and lands with two crops receive as much as 550–600 kg?ha^–1?year^–1 of nitrogen (N), mainly through the addition of N-based fertilizers. However, stream N concentrations have been found to be relatively low. Waterways in the watersheds are assumed to be effective “sinks” for N, minimizing its downstream movement. We directly measured net sediment denitrification rates in three types of waterways (ponds, streams/rivers, and a reservoir) and determined the key factors that control net sediment denitrification. Such information is essential for evaluating the impact of the agricultural N cycle on the quality of surface water.

Materials and methods

The pond–stream–reservoir continuum was sampled every 2 months at nine sites in an agricultural watershed between November 2010 and December 2011. Net sediment N₂ fluxes/net sediment denitrification rates were determined by membrane inlet mass spectrometry and the N₂/Ar technique. A suite of parameters known to influence denitrification were also measured.

Results and discussion

Net denitrification rates ranged between 28.2?±?18.2 and 674.3?±?314.5 μmol N₂–N?m^–2?h^–1 for the streams, 23.7?±?23.9 and 121.2?±?38.7 μmol N₂–N?m^–2?h^–1 for the ponds, and 41.8?±?17.7 and 239.3?±?49.8 μmol N₂–N?m^–2?h^–1 for the reservoir. The mean net denitrification rate of the stream sites (173.2?±?248.4 μmol N₂–N?m^–2?h^–1) was significantly higher (p?<?0.001) than that of the pond sites (48.3?±?44.5 μmol N₂–N?m^–2?h^–1), and the three types of waterways all had significantly higher (p?<?0.01) mean net denitrification rates in summer than in other seasons. Linear regression and linear mixed effect model analysis showed that nitrate (NO₃ ^?–N) concentration in surface water was the primary controlling factor for net sediment denitrification, followed by water temperature. Using monitoring data on NO₃ ^?–N concentrations and temperature of the surface water of waterways and an established linear mixed effect model, total N removed through net sediment denitrification in the pond–stream–reservoir continuum was estimated at 46.8?±?24.0 t?year^–1 from July 2007 to June 2009, which was comparable with earlier estimates based on the mass balance method (34.3?±?12.7 t?year^–1), and accounted for 83.4 % of the total aquatic N. However, the total aquatic N was only 4.4 % of the total N input to the watershed, and thus most of the surplus N in the watershed was likely to be either denitrified or stored in soil.

Conclusions

High doses of N in a rice-paddy-dominated watershed did not lead to high stream N concentrations due to limited input of N into waterways and the high efficiency of waterways in removing N through denitrification.     

Trends in soil science in Switzerland

Phytoremediation is an emerging technology based on the use of green plants to remove, contain, inactivate or destroy harmful environmental pollutants. Recent developments in Europe and the USA show that the approach is somewhat different on both sides of the Atlantic. In Europe, phytoremediation has more basically been research driven and, based on the outcomes, applications have been envisaged. By contrast, the approach in the USA is more application and experience driven. In spite of a growing track record of commercial success, more demonstration projects are needed to prove that phytoremediation is effective in order to rigorously measure its underlying economics, and to expand its applications. More fundamental research is also required to better understand the complex interactions between pollutants, soil, plant roots and micro-organisms at the rhizosphere level, to increase the bioavailability of pollutants, to fully exploit the metabolic diversity of plants and, thus, to successfully implement this new green technology.     

Patterns in trace elements in lichens

Water, Air, & Soil Pollution - Epiphytic lichens were sampled in a Dutch national monitoring survey, which was carried out twice within 5 yr. The samples were analyzed by neutron activation...     

Trace metals in precipitation in Sweden

Trace metals (Cd, Cu, Fe, Mn, Pb, and Zn) concentrations in atmospheric precipitation have been routinely monitored in Sweden since the autumn of 1983. Concentrations are highest in southern Sweden and decrease northward. It is postulated that the long range transport of anthropogenic pollutants from the rest of Europe is the major source of Cd, Pb, and Zn in precipitation. Evidence for this hypothesis is that enrichment factors indicate anthropogenic origin, and Swedish atmospheric emissions of Zn and Cd are 2 to 3 times smaller than deposition fluxes. Also, Cd, Pb, and Zn concentrations are correlated in both space and time and are also well correlated with exSO₄ ⁺, a substance known to be of anthropogenic origin transported long distances.     

中国华北地区近40年物候春季变化

根据华北地区7个观测站物候资料,分析了华北地区1963-1996年及北京1963-2005年物候春季的变化特征及其与气温的关系。结果表明:华北地区的物候春季有明显提早来临的趋势,而造成这一变化的主要因素是本地区近40 a来冬春季气温的明显上升。其中1963-1996年间华北地区1-3月及4月的平均气温分别上升了2.3℃与1.7℃,物候春季起止日期分别提前了9d和4d,因而使得春季长度也延长了5d;北京1963-2003年间1-3月及4月的平均气温分别上升了3.5℃与2.6℃,物候春季的起止日期分别提前了11d和10d,但春季长度没有明显变化。     

天津半干旱地区不同种植年限菜田土壤微生物变化特征的研究

对天津周边半干旱地区不同种植年限的菜田土壤微生物状况调查研究表明 ,该地区土壤微生物以细菌为主 ,夏季微生物总量大大高于冬季 ;随着种菜年限的增加 ,耕层和亚耕层微生物总量都有增加趋势 ,其中细菌和放线菌增加明显 ,真菌有下降趋势 ;真菌类群分析表明 ,少数纤维素分解菌 ,如青霉 (Penicillium)、木霉 (Trichoderma)等为优势菌 ,而糖和木质素分解菌仅占少数。用尖孢镰刀霉 (Fusariumuoxysporum)、大肠杆菌 (Escherichia coli)接种不同种菜年限土壤 ,检测土壤拮抗菌状况发现 ,拮抗菌仅在种植年限长的老菜田的放线菌中发现。表明北方半干旱地区菜田土壤细菌为优势菌 ,主要存在于土壤微孔隙中 ;而适于生活在土壤疏松大孔隙中的真菌数量极少。应注意土壤结构的改良 ,为丰富土壤微生物提供良好的生态环境     

天津半干旱地区不同种植年限菜田土壤微生物变化特征的研究

对天津周边半干旱地区不同种植年限的菜田土壤微生物状况调查研究表明 ,该地区土壤微生物以细菌为主 ,夏季微生物总量大大高于冬季 ;随着种菜年限的增加 ,耕层和亚耕层微生物总量都有增加趋势 ,其中细菌和放线菌增加明显 ,真菌有下降趋势 ;真菌类群分析表明 ,少数纤维素分解菌 ,如青霉 (Penicillium)、木霉 (Trichoderma)等为优势菌 ,而糖和木质素分解菌仅占少数。用尖孢镰刀霉 (Fusariumuoxysporum)、大肠杆菌 (Escherichia coli)接种不同种菜年限土壤 ,检测土壤拮抗菌状况发现 ,拮抗菌仅在种植年限长的老菜田的放线菌中发现。表明北方半干旱地区菜田土壤细菌为优势菌 ,主要存在于土壤微孔隙中 ;而适于生活在土壤疏松大孔隙中的真菌数量极少。应注意土壤结构的改良 ,为丰富土壤微生物提供良好的生态环境     

沈阳市城市表土中微生物区系变化的初步研究

在沈阳市远郊-近郊-市区等不同城市化水平区内选取林地、草地和路边土几种不同利用方式下的表层土壤,对土壤中的微生物状况进行了初步分析。结果表明,随着城市化水平的提高,土壤中微生物的数量表现为明显的减少趋势。其中变化较大的是细菌,而真菌和放线菌的变化不明显。     

闽北不同土地利用方式径流量动态变化特征

采用定位研究方法和小集水区试验技术方法,通过两年的降雨量数据观测,对闽北地区木荷林地、杉木林地、封山育林地和对照等不同土地利用方式的小集水区进行坡面径流动态规律研究。研究结果表明:试验小区地表径流的产生主要是受降雨量的影响,而与降雨强度的关系不大,地表径流量与降雨量之间呈现出极显著的非线性二次抛物线关系(P<0.01)。4种不同土地利用方式的月平均径流量一般随月降雨量的增大而增大,并且在同1月份间其平均地表径流量的大小趋势为:对照>封山育林>杉木>木荷,均是在6月份达到最大值,9月份出现最小值。对照比木荷林地、杉木林地、封山育林地更容易产生地表径流,林地具有较好的涵养水源和保持水土作用。     

2013年我国种植业化肥施用状况分析

【目的】我国农用化肥消费量大,数据来源不同,统计口径各异,行业内大多引用国家统计局公布的数据,但该数据无法推算出氮肥、磷肥、钾肥分类消费量。我国区域间、季节间、作物间化肥消费情况的报道很少,在调节化肥供需、指导化肥行业健康发展时显得依据不足。调查种植业化肥施用状况可以为指导肥料生产、供应提供重要依据。【方法】以农业部339个国家级基层肥料信息网点为依托,根据我国农业生产习惯和我国政府部门统计习惯,将一年分为三个用肥季,1 5月份为春耕季,6 8月份为夏播季,9 12月份为秋冬种季。在三个季节,每个网点随机调查30个农户的主要种植作物施用氮肥、磷肥、钾肥、复合(混)肥(包括配合式)量,经两级土壤肥料部门审核后,采用省份、相似种植区域、全国三级逐级加权平均的方法,推算了不同区域、不同季节、不同作物单位面积施肥量;再用作物单位面积施肥量、该作物全国种植总面积、样本中施肥面积占该作物种植面积的比例推算了作物全年、不同季节化肥施用量。同时,分析了主要作物、不同季节化肥施用状况以及供需平衡情况,不同季节、不同区域供肥情况和农民的购肥习惯。【结果】2013年我国种植业化肥施用量5498万吨(折纯下同),其中,氮肥(实物量)3382万吨,磷肥1175万吨,钾肥941万吨。粮食作物化肥总用量为2782万吨,占种植业化肥总用量的50.6%;其次是果树和蔬菜,三类作物占种植业化肥施用总量的82.8%,经济、园艺作物单位面积化肥施用量大于粮食作物。春耕、夏播、秋冬种化肥施用量分别占全年化肥施用量的34.2%、35.6%、30.2%。复混肥料和尿素是农民最常购买的两种肥料,从全年来看,农民施用复混肥料和尿素的样本数分别占总样本数的72.5%和71.6%,春耕、夏播、秋冬种农民购买尿素和复合(混)肥的样本数分别占该阶段样本数的70.9%和62.9%、84.9%和78.1%、56.6%和83.9%。春耕和夏播时期农民多数选用尿素,秋冬种多数选用复混肥料,东北、西北、华中南地区农民多选用尿素,华北、西南、华东地区农民多选用复混肥料。另外,我国氮肥、磷肥供应分别过剩1080万吨、680万吨,钾肥缺口370万吨,供需矛盾突出。氮、磷、钾养分配合式为15-15-15的复混肥样本数占农民选购复混肥总样本数的33.3%,说明复混肥养分结构不尽合理。【结论】建议国家进一步遏制氮肥、磷肥过剩产能,优化产品结构,大力推广科学施肥技术。