多因素影响下砒砂岩的融沉特性试验研究

[目的]探究融沉作用对砒砂岩结构改变,揭示砒砂岩冻融侵蚀机理。[方法]使用高低温交变湿热试验箱H/GDWJS-100L对砒砂岩进行不同含水率、不同冻结温度、不同干密度下的冻融试验。[结果]含水率低于11%的砒砂岩,冻胀量随着含水率的变化较小,含水率大于11%后冻胀量随着含水率的增加变化显著;在融化的过程中,砒砂岩存在起始融沉含水率在13%附近,当含水率大于起始融沉含水率发生融沉,否则发生融胀;砒砂岩融化时最大位移变化量与干密度有关,干密度1.80g/cm3对应试件的最大位移变化量最小;相同含水率、干密度条件下的砒砂岩融化时的最大位移变化量,随着冻结温度的降低而增大。[结论]冻融过程中砒砂岩的位移变化引起颗粒间的重新排列,使其孔隙特征发生变化,从而导致砒砂岩结构的改变。     

冻融交替对砒砂岩与沙复配土壤氮素的影响

[目的]探讨冻融作用对毛乌素沙地陕北榆林地区砒砂岩与沙复配土壤氮素的影响,对于提升毛乌素沙地土壤肥力具有重要作用。[方法]通过室内培养试验,探讨不同比例砒砂岩与沙复配土壤氮矿化过程对冻融的响应特征。[结果]冻融交替作用对土壤氮的矿化有显著影响,在冻融1周期时,3种比例复配土壤中硝态氮、铵态氮含量增加较快。在冻融2周期后,复配土壤中硝态氮、铵态氮含量均出现下降趋势。冻融5周期,复配土壤中硝态氮、铵态氮含量均开始呈现稳定增加趋势。冻融10周期后,1∶1,1∶2及1∶5复配土壤铵态氮含量分别增加了10%,49%与11%,硝态氮含量分别增加了14%,39%与34%,其中1∶2复配土硝态氮、铵态氮含量较1∶1,1∶5增加显著,对氮素的保持性能较好。[结论]冻融循环促进了土壤有机氮的矿化,有利于土壤中硝态氮、铵态氮的累积,为早春农作物的生长提供足够的氮素。     

毛乌素沙地砒砂岩固沙机理研究

为探索毛乌素沙地砒砂岩与沙混合后的固沙机理,采用实验、模拟与野外观测相结合的方法,对砒砂岩与沙混合后的质地、持水保水性、土壤结皮方面进行了分析。结果表明:(1)砒砂岩与沙粒度分布范围分别为0.317~709.0μm和0.564~2 000.0μm,二者混合可扩大沙的粒径组成,有效改善了沙土的质地,提高地表粗糙度;(2)从含水量下降随时间变化来看,沙的含水量快速降低,54h内可从15.90%降低到3.26%,而砒砂岩、砒砂岩与沙的混合物含水量分别为21.39%和15.87%,水分下降速率慢,且砒砂岩的毛管孔隙度高于沙,混合后提高了沙的孔隙度,降低了饱和导水率,提高了沙的保水性能;(3)在水的作用下,砒砂岩与沙混合后能够快速形成表层物理结皮,而无水状态下则极难形成。不同比例的混合方式对结皮形成的厚度有显著的影响,沙地结皮的形成有效防止了沙丘流动和扬沙的发生,达到了固沙的效果。     

沙障对不同林龄雨养梭梭林冠下浅层土壤含水量的影响

[目的]分析不同林龄雨养梭梭林冠下浅层土壤含水量在布设沙障后的变化,为沙障生态功能的评价及梭梭生长发育状况的预测提供理论依据。[方法]对5年生幼年林和25年生中年林在布设沙障后冠下0—50cm的土壤含水量、表层结皮厚度、近地表风速等因子进行测定分析。[结果]沙障通过降低近地表气流流速,加速结皮形成等方式提高了梭梭冠下0—50cm的浅层土壤含水量。沙障对5年生梭梭冠下土壤含水量的空间分布格局影响不大,但使25年生梭梭冠下土壤含水量随着与主干距离的增加而单调增加,表现为"干岛效应"。在垂直分布上,25年生梭梭冠下土壤含水量在塑料网沙障区与对照区间呈显著相关(p0.05),而在麦草沙障区与对照区间相关性不显著,其最大土壤含水量的出现深度下降至30—40cm处。[结论]布设机械沙障对退化梭梭林的恢复将起到一定的促进作用,且对中年林梭梭土壤水分的影响大于对幼年林。     

砒砂岩区排土场新构土体保水效应研究

以晋陕蒙露天煤矿区排土场为研究对象,利用土壤水分定位试验观测数据,研究了不同复配方式人工新构土体水分时空变化规律。结果表明:(1)排土场土体年内变化周期可分为雨季丰水期(7月—10月)和旱季贫水期(11月—翌年6月),土壤水分主要受自然降雨、蒸散、底层渗漏的影响;(2)与无防渗层土体相比,7月—10月雨量丰沛期防渗层的水分蓄积作用明显,较对照高9.65%~13%,防渗层处理的土体底层体积含水量增加了21.6%,砒砂岩防渗层、工程防渗布在蓄积水分上并没有显著差异;(3)风化煤增加了表层土体蒸发损失,不利于土体的持水性的提高;砒砂岩增加了土体剖面持水能力,相对于沙黄土,复配土体0~30 cm层次土壤体积含水量增加约3.36%~9.57%,30~40 cm底层约增加11.16%~13.65%。综合来看,砒砂岩掺混显著增强了土体的持水蓄水能力,防渗层有效截留渗漏水分并持续供给土体,对涵养土壤水库有积极作用。     

毛乌素沙地玉米不同种植年限砒砂岩与沙复配土壤有机质与全氮的关系

[目的]研究毛乌素沙地不同种植年限下不同比例砒砂岩与沙复配土壤碳氮变化特征,分析新造复配成土结构能否持续稳定发育。[方法]根据2013—2016年田间小区试验数据,对不同种植年限下3种比例砒砂岩与沙复配土壤有机质和全氮时空变化特征及两者间的关系进行研究。[结果]①不同比例复配土壤有机质和全氮含量均随着作物种植年限的增加而呈现稳定上升趋势;②4 a间3种复配土壤有机质和全氮含量均表现为:1∶11∶21∶5,各自相对于2013年变化差异极显著(p0.01);③不同种植年限下3种比例复配土壤有机质与全氮均呈现显著正相关,相关系数分别为0.860,0.891 7,0.737 6。[结论]复配比例和种植年限是影响新造土壤有机质和全氮含量的重要因子。     

毛乌素沙地生态治理的复合土保水特性研究

为促进砒砂岩与沙复合成土高效节水技术在毛乌素沙地治理中的合理应用,开展了砂岩与沙不同配比、不同颗粒级配下的理化特性以及砒砂岩、沙及砒砂岩与沙复合土壤持水保水性能效果的实验研究。结果表明：1)砒砂岩与沙不同配比混合后,随砒砂岩比例增加,砂粒含量降低,粉粒含量增加,黏粒含量增加幅度较小,且黏粒在配比1∶1时达到最大值。从土壤质地变化角度,砒砂岩与沙混合的适宜比例为1∶5≤砒砂岩与沙混合比例≤1∶1;2)砒砂岩与沙配比为1∶2时是有效含水量与重力水大小关系的转折点,随着砒砂岩混合比例的增大,有效水含量开始增大,混合土壤的持水性能逐渐增强;3)砒砂岩与沙混合后,同时具有水分吸收和保水的作用,且沙中混合粒径2～4 cm砒砂岩岩块为最佳粒径范围;4)砒砂岩持水能力最强,砒砂岩与沙混合(1∶2比例)次之,沙最差,砒砂岩与沙混合后砒砂岩自身保持的水分向环境中释放,提高土壤保水能力,延长持水时间。总之,砒砂岩与沙混合后弥补了各自不利特性,防止了土壤水分的流失和无效蒸发,提高了土壤持水保水能力,为毛乌素沙地的治理和农业发展提供了有利条件。     

砒砂岩-黄土沟谷土壤含水量的时空变化

以晋、陕、蒙交界地区常见的砒砂岩-黄土丘陵沟谷为研究对象,分别于2005年7月和lO月对沟谷不同部位土壤含水量进行了测定.结果表明,其时空变化特征明显.(1)沟谷不同部位土壤平均含水量大小为7月份:沟谷底部14.44%,阳坡顶部9.29%,阴坡顶部9.01%,阴坡中部8.25%,阳坡中部6.36%;10月份:沟谷底部9.96%,阴坡顶部9.81%,阳坡中部9.48%,阴坡中部9.09%,阳坡顶部8.06%.(2)砒砂岩平均含水量季节变幅小,属稳定型;黄土及有冲积层的黄土平均含水量季节变化较大,属波动型.(3)在砒砂岩剖面上,泥岩含水量显著大于砂岩,砒砂岩坡面平缓的地段贮水能力比陡的地段大.(4)在黄土剖面上,明显出现土壤干层现象,在夏季、秋季降雨较少的情况下,土壤水分会严重降低,土壤水分处于负补偿状态,土壤干层距地表更深.在半干旱地区的砒砂岩-黄土丘陵沟壑区,黄土剖面土壤干层的发生是一个自然现象,随降雨量的多寡,呈消长状态.     

基于灰色关联分析的砒砂岩区不同林龄沙棘的改土效应

[目的]探究不同林龄沙棘对其下土壤的改良效果,为砒砂岩区人工沙棘林生态建设、恢复和重建提供理论依据。[方法]以内蒙古达拉特旗典型砒砂岩区不同林龄沙棘林为研究对象,利用灰色度关联分析法,对沟坡阳坡1～7 a沙棘林0—40 cm土层土壤物理性质(土壤含水量、土壤容重、土壤总孔隙度、土壤比重、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤饱和持水量、土壤最大毛管持水量)进行测定,并以周边荒坡作为对照(CK),对不同林龄沙棘林对砒砂岩土壤的改土效应进行分析。[结果]土壤含水量、土壤总孔隙度随沙棘林龄增加而增大,随土壤深度增加而减少,土壤容重与之相反;不同林龄沙棘能增强土壤持水能力,并且4～7 a沙棘持水能力大于1～3 a沙棘持水能力。[结论]在砒砂岩区营建人工沙棘林有利于土壤改良,不同林龄沙棘对土壤改良作用主要作用于0—10 cm和10—20 cm土层。     

砒砂岩对毛乌素沙地风沙土储水能力影响的研究

为探析砒砂岩对于风沙土储水能力的影响,在毛乌素沙地设置不同比例砒砂岩与沙复配成土试验小区(砒砂岩与沙的体积比分别为1∶1,1∶2,1∶5),进行单季玉米种植,并分别于2013—2015年连续3年对0—120cm深度内土壤水分进行动态监测。结果表明:从2013—2015年,适量砒砂岩的加入将风沙土储水量从100mm左右提升至200mm以上,并可逐步调节土壤水分至不亏缺状态,显著提升土壤的保水蓄水能力,有利于作物生长需求;土壤储水以40cm以下中深层土壤储水能力改善作用最为明显,且经多年种植,0—40cm和80—120cm土层逐步成为土壤水分较为稳定的土层,利于作物根系对水分的吸收利用;砒砂岩与沙1∶1~1∶5范围内,随砒砂岩所占比例提高,复配土储水特征的改善作用有增强趋势,但趋势不显著。     

冻融作用对坡面侵蚀及泥沙颗粒分选的影响

为了探究冻土和解冻土对水力侵蚀的影响,利用室内模拟降雨试验对冻土和解冻土两种坡面的坡面侵蚀过程及泥沙颗粒分选特征进行了研究。结果表明:在降雨条件下,相对于解冻坡面(TS),冻土坡面(FS)的产流时间提前了173s,而产流量、产沙量分别增加了9%和105%;两种坡面侵蚀过程中的土壤颗粒平均重量直径(MWD)大小次序均为溅蚀颗粒径流冲刷泥沙颗粒,且冻土坡面溅蚀颗粒及冲刷泥沙颗粒MWD均显著大于解冻土坡面(p0.05);随着降雨进行,解冻土坡面侵蚀泥沙中的黏粒、细粉粒含量呈先迅速增大后减少的趋势;粗粉粒和砂粒含量则呈先减小后增大的趋势,侵蚀泥沙逐渐向粗颗粒发展;而冻土坡面各粒级颗粒随时间变化相对稳定。研究成果可为进一步揭示冻融作用下坡面水力侵蚀机理提供一定的参考依据。     

积雪与地表联合覆盖条件下冻融土壤水盐运移规律

为探索石河子灌区冻融季节积雪与地表联合覆盖条件下土壤水盐运移的变化规律,2015—2016年通过田间小区试验,进行了秸秆、地膜、活性炭3种地表覆盖和裸地对照在整个季节性冻融期土壤水盐时空动态变化规律研究。结果表明;地表覆盖比裸地具有更好的保墒、降盐效果。冻结土壤完全融通后,秸秆、活性炭覆盖出现含水量增幅的最大土层范围分别是0—30,0—40cm,反映出这2种覆盖经历冻融过程后更有利于土壤水分的保持和融雪水的高效利用;活性炭、秸秆、地膜覆盖和裸地在0—30cm土层含盐量相比初始值的增幅分别为18.08%,20.30%,30.91%,32.81%,可见活性炭覆盖下抑制盐分向上运移效果最为显著,秸秆覆盖次之;经历冻融过程,土壤水分和盐分变异性随土壤深度的增加而呈现递减趋势。     

科尔沁沙坨地-草甸地冻融期地温与最大冻结深度的变化规律

[目的]探究科尔沁沙坨地—草甸地土壤温度与冻结深度的变化规律,为合理指导该区农工生产和建设提供支持。[方法]基于2007—2015年冻融期人工观测数据,对比分析科尔沁沙坨地与草甸地冻融期多年土壤温度与最大冻结深度变化规律。[结果]研究区100cm处沙坨地与草甸地多年土壤温度的标准差变化规律基本一致,草甸地要小于沙坨地,但融解后期由于草甸地融解期历时较长,其标准差大于沙坨地;同时考虑土壤温度和土壤水分对最大冻结深度的影响时,沙坨地在200cm处和草甸地在140cm处的R2分别为0.959和0.788。[结论]研究区内沙坨地先冻结与先融解,沙坨地最大冻结深度较草甸地深,同时考虑土壤温度与土壤水分的最大冻结深度的拟合优度最好,沙坨地与草甸地中最大冻结深度与土壤温度和土壤水分均呈负相关关系。     

黑河上游地表冻融指数与径流关系

[目的]探讨黑河上游地表冻融指数与径流的关系,为该流域的径流预测及水资源合理开发利用提供科学依据。[方法]利用1979—2006年黑河上游西支水文站和气象站的月平均径流、降水和气温资料,对该流域冻融指数变化、融化和冻结阶段径流变化进行分析,并对地表冻融指数与径流的关系做了进一步探讨。[结果]冻结指数和融化指数分别具有明显减少和增加的趋势,且在1990—2005年表现更为突出。径流在融化阶段变化趋势不明显,在冻结阶段呈现减少趋势,其中冬季径流减少趋势较为明显。季节冻融过程对冬季径流减少具有较为重要的影响,主要表现为冻结指数显著减小,表明土壤季节冻结过程中气温升高,这很可能使得冬季地表积雪更多地进行升华,从而削减了对径流的补给,导致了径流量的减少;融化指数显著增大,导致土壤季节融化深度增加了13~14cm,从而增加了土壤的调蓄空间,使得部分地表水储存于活动层,导致地表冬季径流量减少。[结论]季节冻融变化是影响黑河上游径流的一个不可忽视的特殊因子。     

不同放牧条件内蒙古草原土壤冻融期水热动态

内蒙古草原地处季节性冻土区,与放牧强度相关,土壤冻融过程对该地生态和水文过程有着显著影响,但相关研究相对欠缺。该文重点研究了内蒙古锡林郭勒草原3种放牧条件下UG79(1979年以来禁牧)、UG99(1999年以来禁牧)、HG(1979年以来持续放牧)季节性冻融期的土壤水热动态,以期准确理解放牧这一当地主要土地利用模式对土壤生态水文过程的影响。结果表明:与地上覆盖度相关,不同放牧条件下地表积雪厚度有明显差异,其中HG处理积雪厚度远小于其他处理,其土壤温度变化也最为剧烈。与不同处理土壤冻结速率相关,土壤冻结时HG,UG79和UG99的"聚墒区"分别为20—30cm,10—20cm和10—30cm,其中UG99"聚墒区"分布范围最广,且集中在牧草根系发达区域,对来年牧草生长提供了更好的水分条件。换言之,由于冻后聚墒效应,土壤消融期水分含量在土壤表层高于冻融前,其中UG99处理最大,达到了0.19m~3/m~3。该研究结果为内蒙古草原季节性冻土区控制放牧及合理的禁牧措施提供理论依据。     

青藏高原冻融风蚀形成机理的实验研究

青藏高原独特的高寒环境,冻融作用强烈,在干旱多风的气候条件下,容易产生风蚀,导致沙漠化的出现。冻融风蚀作为冻融侵蚀的一种主要形式,在青藏高原表现得尤为突出。为此,对青藏高原采集的土样进行了冻融风蚀模拟实验。结果表明,风蚀强度随着冻融循环次数的增多、冻融过程中含水量以及冻融温差的增大而增强,因此,在水分参与条件下,反复、剧烈的冻融作用所引起的土体结构的破坏是青藏高原冻融风蚀产生的主要原因,而挟沙风又是其主要动力。     

冻融期不同覆盖和气象因子对土壤导热率和热通量的影响

为了研究冻融期不同覆盖和气象因子对土壤导热率和土壤热通量的影响,在2015年11月-2016年4月期间,设置了裸地(BL)、自然积雪覆盖(SC)、6 000 kg/hm~2秸秆+积雪覆盖(SM1)、12 000 kg/hm~2秸秆+积雪覆盖(SM2)和18 000 kg/hm~2秸秆+积雪覆盖(SM3)5种不同的处理,测定了20、40、60和100 cm土壤含水率和温度,并计算出土壤导热率和土壤热通量。研究结果发现:在土壤冻结期,土壤导热率随着土壤的冻结而增大,直至完全冻结后基本保持不变,而在土壤融化期则逐渐减小。冻融阶段,积雪和秸秆覆盖会延缓土壤导热率的变化,减小土壤导热率的变化。冻结期,裸地处理的土壤导热率最大,平均为1.55 W/(m×K);融化期,裸地处理的土壤导热率最小,平均为0.79 W/(m×K)。在冻结期,土壤热量向上传递,传递量先增加后减小;在融化期,土壤热量向下传递,传递量逐渐增加。积雪和秸秆覆盖可以减小土壤热通量及其变化。积雪和秸秆覆盖条件下的土壤热通量比裸地少4.73~8.84 W/m~2。裸地处理的土壤导热率与水汽压的相关性最好,相关系数为-0.84,与风速的相关性最差,相关系数为-0.43。积雪和秸秆覆盖条件下的土壤导热率与环境温度的相关性最好,相关系数为-0.67~-0.73,与风速的相关性最差,相关系数为-0.18~-0.25。土壤热通量与太阳辐射的相关性最好,相关系数为-0.88~-0.91,与风速的相关性最差,相关系数为-0.44~-0.53。整体而言,积雪和秸秆覆盖会减小大气环境对土壤导热率和热通量的影响。     

民勤绿洲不同耕作方式农田表层土壤风蚀规律的风洞模拟研究

[目的]比较分析不同耕作方式下农田表层土壤防风蚀机理和效果,为区域社会经济和生态环境建设提供科学依据。[方法]利用室内风洞及相关配套设备对甘肃民勤绿洲区的免耕、少耕、秋翻和深松农田表层土壤进行风蚀测试,计算风蚀速率及输沙率,研究其风沙运动规律,分析各种耕作农田表层土壤防风蚀情况。[结果]耕作措施对土壤风蚀速率的影响与风速大小相关,风速较小时,不同耕作方式对风速的影响差异不显著,而当风速大于14 m/s后不同耕作农田表层土壤风蚀速率开始出现较明显差异;少耕、秋翻、深松等耕作方式对农田表层土壤风蚀速率和输沙率的影响差异不明显;免耕耕作方式下农田表层土壤风蚀速率和输沙率最低,风速越高,差距越大;风速、耕作以及两者交互作用对农田表层土壤风蚀速率和输沙率有极显著影响。[结论]免耕耕作能有效抵抗农田表层土壤的风蚀,大幅度减少输沙率,表现出极佳的抗风蚀效果。     

流动沙丘不同部位风蚀积沙特征研究

[目的]探究和利用流动沙丘各部位的风蚀积沙规律,为提升固沙技术措施提供依据。[方法]在典型新月型沙丘上设置3台光电子式积雪深度测定仪观测流动沙丘不同部位的风蚀和积沙规律。[结果]在特定风速下落沙坡随着起沙风速变化其积沙深度由1cm逐渐增加到12cm,并在起沙风速下降时形成一个强烈的积沙过程;迎风坡在起沙风速时处于最大的风蚀状态,并随风速变化形成一个由强风蚀到弱风蚀的转变过程;沙丘顶部在临近起沙风速时处于风蚀过程,并随起沙风速的逐渐增加又处于积沙过程。此外,流动沙丘迎风坡在12月至翌年5月间净风蚀深度月均值约为29.85cm;落沙坡在12月至翌6月间积沙深度月均值净增加139.5cm;而沙丘顶部在3—11月为风蚀发生期,平均风蚀深度变化值为27.3cm,12月至翌年3月为积沙发生期,平均积沙深度变化值为29.47cm。[结论]风速对流动沙丘不同部位风蚀积沙特征变化具有重要影响,而且不同部位风蚀积沙程度存在明显差异。     

农田黑土季节性冻融过程及其水分分布特征

秋冬、冬春季节转换过程中0~10 cm农田黑土温度日较差较大,土壤经历着反复的冻融交替过程,大于20 cm的土壤温度日较差逐渐减小,冻融作用对深层土壤的影响逐渐减弱。融冻期土壤融化过程是由地表向下和由季节冻结层底面向上两个方向同时进行;而冻融期土壤冻结过程由土壤表面向下单方向进行。冻融过程中土壤水分发生迁移而重新分布,冻结期上层土壤首先冻结并聚集水分;融化期冻层融化水分向冻结锋面迁移,越靠近冻结层水分含量越大。