土壤表面干缩裂隙形态定量分析及其数值模拟

为揭示农田土壤表面干缩裂隙发展规律以及形成机理,该文对农田土壤裂隙演化试验图像进行二值化、去除噪点、提取裂隙边缘等处理,应用闵科夫斯基函数定量分析裂隙形态变化,并基于胡克定律模拟由于水分蒸发而引起的土壤收缩开裂过程。结果表明:闵科夫斯基函数可以有效地描述裂隙形态;形态学分析结果显示裂隙的闵科夫斯基面积、长度、欧拉数密度函数具有不同的变化规律;应用数值方法模拟由于水分蒸发而引起土壤收缩开裂的二维裂隙,试验图像裂隙面积、长度、欧拉数密度基本分布在100组模拟图像裂隙密度均值与标准差之间,裂隙试验图像与模拟图像面积、长度、欧拉数密度决定系数在0.893~0.928之间,均方根误差在0.002~0.039之间,偏差在0.064~0.144之间,一致性指标大于0.888,表明模拟结果较好。应用数值方法模拟土壤表面裂隙,有助于研究农田土壤裂隙的形成机理以及土壤裂隙随时间变化过程中动态演化规律。     

基于高密度电阻率法的农田土壤表面干缩裂隙成像

为探测土壤表面干缩裂隙的发育情况,该研究以农田土壤表面干缩裂隙作为研究对象,以高密度电阻率法为测量手段,采用耦合层次聚类分析的同步连续线性估计算法(Simultaneous successive linear estimation,SimSLE)反演土壤表面干缩裂隙的形态,结合试验裂隙图像和反演得到的模拟图像,对比分析...     

湖南邵阳地区高液限红黏土干缩裂隙演化过程的量化分析

红黏土对环境湿度变化非常敏感,在干燥环境中极易开裂,纵横交错的裂缝网络损害了土壤结构的完整性,很容易诱发红黏土边坡失稳和崩塌,导致农田水利设施的破坏,甚至加剧整个生态环境的水旱灾害。为探究红黏土裂隙的演化规律,该研究采用自制试验装置和三维应变测量系统开展了自然湿热条件下的红黏土泥浆样干燥试验,通过采集土体水分和土表位移、应变和裂隙的变化,定量分析脱湿过程中土体表面裂隙形态和应变场的演变特征,并进一步探讨水分变化对裂隙形态和应变场的影响。结果表明：1）土样表面干缩裂隙的演化一共经历了6个阶段,后阶段裂隙分割前阶段裂隙围成的区域,且不同阶段裂隙的交叉角接近90o;2）裂隙产生初始,裂隙尖端处拉应变约为0.5%,土表面大部分区域处于受拉状态;随着裂隙进一步发展,裂隙周边土体逐渐由拉应变状态向压应变状态转变;当所有裂隙发育完成,裂隙周边土体处于压应变状态;3）裂隙演化阶段与界限含水率有关,当泥浆土样的含水率接近液限时（67.7%）,土体表面裂隙开始发育,裂隙迅速张开和延伸;当土的含水率达到塑限时（28.3%）,裂隙发展的速率逐渐变缓;当含水率小于缩限时（18.8%）,裂隙变化已经很小,裂隙发育接近完成;4）在裂隙演化过程中,早期裂隙的发展持续时间和裂隙宽度均超过后期裂隙;土表不同位置的位移和应变均不相同,土块中心竖向收缩大于边缘竖向收缩,而土块中心位移及应变均小于土块边缘,研究可为红黏土开裂引发的工程地质灾害的预防及治理提供参考。     

温度对崩壁红土层土壤干缩裂隙形态影响的定量研究

  目的  探究干燥温度对土壤水分的蒸发速率及其崩壁土壤干缩裂隙的发育过程的影响,为准确认识崩壁土壤裂隙的形态及其对揭示崩岗的发展过程提供理论依据。  方法  研究选取典型崩岗区崩壁的红土层土壤,模拟干缩裂隙发育过程,通过图像处理技术,定量分析裂隙表面参数,探讨温度对崩壁红土层土壤裂隙发育的影响。  结果  温度降低,土壤水分蒸发速率下降,裂隙面积和裂隙总长度增大,裂隙率提高,同时块区面积降低,块区个数以及裂隙条数、节点数显著增加,整个土体呈现出越发破碎的状态。由于裂隙条数的显著增加,低温状态下（40 ℃）裂隙的平均长度小于高温条件（80 ℃）的试样,即低温条件较高温条件土壤裂隙发育数量更多,平均长度更小;土壤裂隙的平均宽度随温度升高呈现增大的趋势;分形维数随着温度的降低呈现增大的趋势。黏粒含量显著影响土壤干缩裂隙发育的温度效应。  结论  在较低温度条件下,崩壁红土层表层土壤水分蒸发时间长,裂隙发育过程更缓慢,但发育程度高,裂隙结构更复杂。     

紫色土区不同植物篱模式控制坡耕地氮素流失效应

为优选紫色土区控制农田氮磷等养分流失的复合农林模式,利用野外径流小区试验,结合室内分析与数理统计法研究了植物篱模式控制紫色土区坡耕地氮素流失效应。结果表明,植物篱模式减少了坡耕地总氮及各形态氮流失负荷,就总氮而言,20°坡耕地紫穗槐与香根草模式下年均总氮流失负荷分别比横坡农作模式降低92.4%、90.0%;13°坡耕地紫花苜蓿与蓑草模式的年均总氮流失负荷分别比横坡农作模式降低88.7%、83.9%。径流与泥沙流失量的减少与径流氮浓度的降低是植物篱控制坡耕地氮素流失的主要机制。紫穗槐、香根草、紫花苜蓿与蓑草植物篱模式可作为西南紫色丘陵区农业非点源氮素污染的源头控制技术,特别是20°以上坡耕地推广与实施灌木类植物篱模式,能长期有效地控制农田盈余氮素流失。     

概念性土壤侵蚀模型的建立及在紫色土小流域的应用

概念性土壤侵蚀模型在描述流域基本过程的同时对参数要求较低,现有概念性模型中计算产沙所需参数主要靠律定或借鉴经验值。该文介绍了1个无需流域出口产沙量长序列观测资料来律定且能适用于研究流域的概念性土壤侵蚀模型。模型中引入了分布式水文模型WetSpa Extension作为水文模块,结合流域内试验小区上建立的流量—产沙量经验关系计算侵蚀量,再结合泥沙输移比构建起产沙模块。通过在紫色土地区小流域的应用表明,模型能够得到较合理的流域出口产流量、产沙量以及侵蚀率的空间分布等模拟结果,在没有试验小区的邻近流域地区也具有推广性,且能作为评价水保措施效益的有力工具。该概念性模型对于流域出口泥沙资料稀少的地区具有很高的应用价值和协助流域管理的 潜力。     

砂质黏性紫色土粒组缺失对降低持水特性的影响

紫色土结构松散、具高生产性,但具有较弱的抗侵蚀能力,侵蚀后表现出土壤干密度减小、细颗粒流失严重等现象,影响其持水特性。为探讨紫色土降雨侵蚀后土壤持水特性的变化,该研究选取砂质黏性紫色土在降雨条件下最易变化的3组粒组（>0.250～0.500、>0.075～0.250、0～0.075 mm）,开展广义吸力范围内粒组缺失的土-水特征曲线（soil-water characteristic curve,SWCC）试验,分析粒组缺失对砂质黏性紫色土持水特性的影响。结果表明： 1）粒组缺失会降低土体持水特性,在边界效应区和过渡区最为明显,残余区影响较小。缺失粒组质量分数与进气值和残余含水率呈反比;2）使用粒径参数（限制粒径、平均粒径、中值粒径、有效粒径）表征土体级配状况,建立土体级配曲线与SWCC特征值的关系,发现除有效粒径,其余参数均与进气值和残余值呈线性反比关系;3）使用Fredlund-Xing模型对不同方法所得数据进行拟合,发现使用单一试验方法所得数据结果拟合优度较高,但SWCC明显偏离其余试验数据点。提出获得准确的紫色土全吸力SWCC仅需确定吸力最大值,并引入3种评价指标进行验证,拟合结果表明,此方法可有效缩短SWCC试验周期,为SWCC在三峡库区紫色土地区的工程运用提供了可靠的思路。     

紫色土丘陵区典型水土保持措施的适宜性评价

为科学合理选择适宜的水土保持措施,利用特尔斐(Delphi)法和模糊数学原理,对紫色土丘陵区典型水土保持措施进行区域适宜性评价。以问卷调查为基础进行评价指标的筛选,从求-供和产-望2个角度建立2套评价指标体系。根据评价指标与水土保持措施适宜性之间的关系选择单项指标评价模型,采用特尔斐法确定各评价指标的权重,最后结合加权求和与几何平均方法对水土保持措施适宜性进行综合评价,并以四川省遂宁市群力村为例进行实证研究。结果表明:研究专家注重措施的水土保持效益和自然环境效益,当地农民则看重措施实施后的社会经济效益;在群力村较为普遍的4种水土保持措施中,退耕还草最为适宜,其次为退耕还林,等高耕作和梯田的适宜性相对较小,与实际推广情况一致;梯田和等高耕作的适宜性较低主要受到农村劳动力数量、农民投资能力和措施社会经济效益的限制。     

香根草植物篱对三峡库区坡地紫色土侵蚀的影响

紫色土坡地是三峡库区水土流失的主要来源,严重影响着三峡工程的运行安全。植物篱是三峡库区坡地的重要水土保持措施之一,具有明显的减流减沙效益,然而植物篱地上及地下部分对坡面侵蚀的影响尚不明确。为此,该研究通过设置2个坡度（15°和25°）、2个降雨强度（60和120 mm/h）和3个坡面条件（裸坡对照、植物篱和仅有植物篱根系）,开展人工降雨试验,分析各试验条件下初始产流时间、径流量和侵蚀量的变化特征。结果表明：植物篱、地下部分和地上部分的平均减沙效益分别为75.59%、29.45%、46.13%,是对应的平均减流效益的4.79、4.60、4.92倍;地上部分和地下部分延缓初始产流时间、减流和减沙平均贡献率分别为48.28%和51.72%、62.25%和37.75%、60.44%和39.56%,表明植物篱对减沙作用更明显,且地上部分对产流产沙的影响大于其地下部分。以上结果加深了香根草植物篱对坡地侵蚀过程影响的理解,可为三峡库区紫色土坡地水土流失防治提供科学依据。     

三峡库区紫色土坡耕地吸附态磷可迁移污染负荷空间分布

为研究三峡库区紫色土坡耕地吸附态磷负荷的空间分布特性、预测坡耕地改造技术在整个库区应用的减污效果,基于地形指数,提出了吸附态污染物入河系数的空间分布式。以修正的通用土壤流失方程为基础,结合所提出的入河系数分布式,构建了吸附态污染负荷模型,并对模型的模拟效果进行了检验。应用所构建的模型,对三峡库区紫色土坡耕地改造技术-"大横坡+小顺坡"和"地埂+植物篱"的减污效果进行了预测与定量分析。结果表明:采用"大横坡+小顺坡"和"地埂+植物篱"的紫色土坡耕地耕作模式可分别减少吸附态磷负荷41%和64%。     

垄作稻田生态系统对三峡库区坡面径流中氮、磷的消纳以及降雨强度的影响

通过田间试验测定坡面径流进入稻田生态系统后,面积约200m2的垄作稻田对径流中氮、磷的消纳效果。径流灌入水田后24h,径流中TN和颗粒态氮浓度分别下降了60.1%～88.0%和91.2%～98.7%,且各处理之间没有显著差异。大雨产生的径流中TN浓度显著高于中雨和小雨,径流进入水田后田面水中TN浓度高于小雨和中雨径流进入水田后田面水中TN浓度,但是这种差异仅仅体现在前3h。径流样品刚刚加入后,水田田面水中颗粒态氮占较高的比例,颗粒态氮占TN的43.5%～87.7%。随着时间的推移,颗粒态氮占TN的比例逐渐下降,其他形态氮素所占的比例逐渐上升,径流样品加入后24h,颗粒态氮占TN的比例下降至10.2%～22.7%,其他形态氮素所占比例升至77.3%～89.8%;可溶态的无机氮和有机氮成为TN的主要组成部分。水田生态系统对坡面径流中磷的控制同样表现出较高的效率,径流灌入水田后24h,6次降雨过程产生的径流中TP和颗粒态磷浓度分别下降了60.6%～86.0%和82.9%～93.0%,且各处理之间没有显著差异。径流样品刚刚加入水田后,水田田面水中颗粒态磷占较高的比例,颗粒态磷占TP的89.7%～97.7%。随着时间的推移,颗粒态磷占TP的比例逐渐下降,径流加入后24h,颗粒态磷占TP的比例下降至37.4%～45.7%。水田生态系统对坡面径流中氮、磷消纳体现出较高的效率,主要得益于其能够较快地消纳颗粒态的氮、磷。     

三峡库区紫色土坡地柑橘园不同耕作方式的水土流失研究

在重庆忠县坡度为11°的紫色土柑橘园,设中耕、覆盖、生草和清耕4种处理,用自动雨量记录仪记录降雨过程及降雨量,通过径流小区集水池测量不同耕作方式的地表径流量,取水样测定和统计地表径流中泥沙含量和流失量。结果表明：4种处理的地表径流量为清耕〉生草〉覆盖〉中耕,相互处理间差异极显著,清耕年地表径流量分别比生草、覆盖和中耕高8.88%,10.79%和22.51%;处理间的地表径流水中的泥沙含量差异极显著,生草的泥沙含量分别比覆盖、清耕和中耕的低11.43%,38.00%和60.00%;不同耕作方式间的年泥沙流失量差异极显著,生草的泥沙流失量分别比覆盖、清耕和中耕的低10.84%,46.40%和58.99%。生草栽培可显著减少三峡库区坡地紫色土柑橘园的水土流失。     

三峡库区紫色土坡地土壤颗粒流失特征

选取20°长期耕作紫色土坡面径流小区进行模拟降雨试验,分析坡面土壤的颗粒组成及其变异,比较侵蚀泥沙颗粒组成的过程变化及其与坡面土壤颗粒组成的差异。结果表明,紫色土具有较宽变幅的颗粒组成,0.002～0.25mm的颗粒含量最高,坡面土壤存在较大的异质性;降雨初期侵蚀泥沙中<0.05mm的单粒和微团聚体含量都在65%以上,富集率分别为1.30,1.44,整个泥沙中的富集率分别为1.12,1.10,是侵蚀泥沙的主体,这其中又主要是0.002～0.05mm的粉粒和微团聚体;泥沙中<0.01mm的物理性粘粒及>0.25mm的水稳性团聚体富集率分别为1.10,1.16;随着降雨时间延长,单个泥沙样的颗粒组成逐渐接近雨前表土。     

三峡库区春玉米水肥耦合效应研究

三峡库区春玉米盆栽水肥耦合试验研究结果表明,水分胁迫导致玉米株高和叶面积指数降低,以拔节期受到影响最大;玉米产量与生物量呈显著正相关关系,产量与根重无显著正相关关系;水氮耦合效应显著,适宜水分和中氮处理下玉米的产量最高,玉米生长发育对氮肥的吸收存在一定的阈值,过多施用氮肥会加剧土壤干旱和作物干旱,水和钾耦合效应对玉米产量影响不显著;水分是影响玉米产量的主导因素,其次是氮效应和钾效应。     

三峡库区不同土地利用类型土壤颗粒分形特征

采集三峡库区忠县石宝寨4种不同土地利用类型土壤剖面0-40cm土层3个层次12个土壤样品,通过计算和测定土样颗粒体积分形维数及基本性质,以期说明三峡库区中性紫色土土壤颗粒体积分形特征及其与土壤基本性质间的相关性。结果表明,研究区中性紫色土土壤剖面（0-40cm）土壤颗粒体积分形维数D值介于2.638～2.674之间。随土层深度的增加D值总体呈增加趋势,不同土地利用类型之间的D值存在差异,表现为林地〈果园〈菜地〈水田;D值与土壤粘粒（〈0.002mm）体积百分含量呈极显著正相关关系（P〈0.01）,与土壤粉粒（0.002～0.05mm）体积百分含量的相关性不强,而与砂粒（〉0.05mm）体积百分含量呈极显著负相关关系（P〈0.01）;D值与土壤有机质、全氮、全磷含量不存在显著相关性。