利用冻结滞水恢复西北地区生态环境

依据野外观测和室内模拟实验研究资料 ,分析冻结滞水对西北地区生态环境建设的效应。冻结滞水是指冬季冻结作用在包气带冻土层内形成的固态地下水 ,具有形成机制独特、富水性倒置和独立的水盐动态特征 ,对生态环境建设产生双重效应。冻结滞水量比冻结前土壤含水量一般增加 8%～     

中国三北地区冻结滞水资源对生态环境建设的效应研究

依据野外观测和室内模拟实验研究资料分析冻结滞水对西北地区生态环境建设的效应,冻结滞水是指冬季冻结作用在包气带冻土层内形成的固态地下水,具有形成机制独特、富水性倒置和独立的水盐动态特征,对生态环境建设产生双重效应.冻结滞水量比冻结前土壤含水量一般增加8%～25%,最高可达39.51%,冻胀区可达300%.在三北地区冻结滞水是天然和人工树木等植被越冬、春季繁衍期间水分代谢均衡的主要水资源,甚至是唯一水资源,是三北地区生态环境建设成败的主导因素之一.当冻结滞水量平均＜5%时,天然林和人工林等植被衰亡,可加速荒漠化,当冻结滞水量达过饱和状态时,则易形成沼泽化、盐渍化等不良地质现象,导致生态环境恶化.控制冻结滞水量对西北地区建设林业工程、优化生态环境和可持续发展至关重要.     

采煤沉陷区冻结滞水消融过程中土壤水分变化规律

冻结滞水的倒置富水性和双向融化特性,使其消融过程中土壤水分迁移动向发生变化。采用烘干法,对采煤沉陷区不同立地类型冻结滞水消融过程中的土壤含水率进行了测定。结果表明:(1)随着融化时间的延长,采煤沉陷区阴坡土壤含水率峰值沿着垂直方向逐渐向下推移。冻结滞水融化第2天和第5天,土壤含水率峰值出现在0~10 cm土层;融化第8天土壤含水率最大值出现在20~30 cm土层;融化第11、14和17天土壤含水率最大值均出现在50~60 cm土层;(2)采煤沉陷区沟坡地冻结滞水融化第2天和第5天土壤含水率峰值均出现在20~30 cm土层;融化第8、11、14和17天土壤含水率最大值均出现在30~40 cm土层;(3)采煤区和非采煤区的冻结滞水含水率峰值在冻土层之下。     

黄土高原坡面带状植被土壤水分有效性的空间分异特征

对黄土高原柠条和山杏2种带状格局植物篱20cm土层处土壤水分有效性的空间分异及动态变化进行了分析。结果表明:(1)2种带状植物篱带内、带前、带间、带后土壤水分有效性均差异显著(P0.05)。柠条植物篱土壤水分有效性随距植被带距离的增加而提高,而山杏植物篱土壤水分有效性随距植被带距离的增加而降低。(2)土壤水分有效性分级比较表明,柠条植物篱带间土壤水分为中效水,带后、带前、带内均为难效水,而山杏植物篱带内土壤水分为易效水,带后和带间均为中效水。(3)在土壤持水性能方面,柠条植物篱最大持水量表现为带间(69.91%)、带内(62.54%)高于带后(60.31%)、带前(56.52%),而最小持水量为带间(53.20%)最高、带内(33.05%)最低。山杏植物篱带间土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量分别是带内的1.05,0.96,1.35倍。(4)在20—100cm土层内,柠条植物篱各部位土壤体积含水量除在40cm土层处差异不显著外,其他各土层均差异显著(P0.05)。在表层(20cm)表现为带内带后带前带间,随着土层深度的增加带内土壤体积含水量逐渐降低,带间土壤含水量逐渐增加。山杏植物篱各部位土壤体积含水量基本相同,且增减变化一致,土壤含水量不受植被带距离的影响。(5)在降水条件下,柠条植物篱各部位土壤水分有效性空间动态变化表现为带间带后带前带内,山杏植物篱各部位土壤水分有效性动态变化表现为带内带后带间。(6)柠条植物篱系统带内和带间在20—200cm土层内为干层;梯田在60—200cm土层内为干层;植被严重影响着土壤干层的厚度及分布;干层化程度表现为柠条植物篱带内带间梯田。在进行植被恢复重建时应考虑当地的降水变化、土壤理化性质、植被类型,选择适宜的植被类型,并合理设置种植密度,才能减少因土壤干层化引起的土壤水分亏缺对植被恢复重建的影响。     

砾石对丘陵紫色砾质土持水性的影响

通过红棕紫泥、灰棕紫泥、棕紫泥原状土和扰动土的持水性实验,研究了砾石对丘陵紫色砾质土持水性的影响.结果表明,在考虑砾石的情况下,原状土饱和含水量减少0.70%～10.70%,田间持水量减少2.07%～4.33%;砾石含量＜10%,饱和含水量和田间持水量与砾石含量关系不明显;砾石含量＞10%,饱和含水量和田间持水量随砾石含量减少而增加;在0～30 kPa吸力段,原状土和扰动土的持水能力、幂函数拟合式的α值、原状土物理性黏粒含量、扰动土比水容量都随砾石含量减少而增大;原状土的比水容量随砾石含量减少而减小.     

水分胁迫对巴西香蕉幼苗水分状况、质膜透性和根系活力的影响

在盆栽试验条件下,以巴西香蕉幼苗为试材,设置7个水平土壤含水量处理,分别为100％～91％、90％～81％、80％～71％、70％～61％、60％～51％、50％～41％和40％～0,测定叶片相对含水量、组织含水量、自由水、束缚水含量、质膜透性和根系活力。研究结果表明,随着水分胁迫的加剧,叶片相对含水量、组织含水量、自由水含量和根系活力均随土壤相对含水量的下降而减少;而水分饱和亏缺、束缚水含量和质膜透性则随土壤相对含水量的下降而升高。综合不同处理下巴西香蕉幼苗水分状况、质膜透性和根系活力可知,香蕉幼苗生长最适宜的土壤水分含量是田间持水量的71％～80％。     

脱硫石膏施用下宁夏龟裂碱土水盐运移特征

通过室内土柱淋洗试验,开展了脱硫石膏施用下不同淋洗水量对宁夏龟裂碱土水盐运移影响的研究,结果表明：脱硫石膏施用下龟裂碱土随着入渗时间的增加,湿润锋深度和累积入渗水量呈先急剧增加再缓慢增加的趋势;0~20 cm土层土壤pH值、碱化度和全盐量均有较大幅度的降低;连续淋洗条件下,最大脱盐深度位于40~60 cm土层;0~40 cm土层,随入渗水量的增加土壤脱盐率缓慢增加,其中0~20 cm土层处理1到处理4土壤脱盐率分别为79.72％、89.88％、91.93％和92.22％;随淋洗水量的增加,0~20 cm土层主要盐分离子易于溶脱的顺序为Mg2＋>Cl－>SO2－4>Na＋> HCO3－, Mg2＋溶脱率最大,可达到100％,20~40 cm土层主要盐分离子易于溶脱的顺序为Na＋>Cl－>Mg2＋, Na＋溶脱率最大,可达到91.42％, HCO3－和SO2－4含量则先增加后降低,0~40 cm土层Na＋、 Cl－、 Mg2＋随淋洗水量的增加淋洗效果更为明显。     

三川河流域重点治理减沙效益分析

三川河流域自1983年列入全国八大重点治理区后,至1992年底止,10年新增治理面积1129km~2,流域累计治理程度达到57.6％。采用水文法与水保法分析该流域重点治理以来的减沙效益,前者的分析结果是,重点治理期间的年均输沙量较重点治理前减少59.03％,每毫米汛期降雨所产生的输沙量分别比1957～1972年、1957～1982年减少61.30％和52.23％;后者的分析结果是年均输沙量分别比1957～1972年、1957～1982年减少44.26％和55.18％。考虑到降雨变化对水文法分析产沙的影响,故10年重点治理期间较重点治理前多年平均输沙量年均减少约为50.0％。     

不同农业措施对土壤持水特征的影响及其保水作用

本试验讨沧了容重及粒径大小对土壤持水性的影响,并对各种物料处理(或措施)的保水效果及其对土壤持水特征的影响进行了探讨。结果表明:随着容重的增大,土壤的透气和饱和导水率迅速下降;水分饱和时的土壤重量含水量(W％)因容重的增大而减少,但随着土壤水势的降低,W％不受容重所影响。0.3mm和1～0.3mm的较小粒径土粒的持水量在高土壤水势范围内往往较大颗粒持水量为高;然而,随着土壤水势的下降(-30kPa),较小土粒失水较快,较大土粒的持水量相对较高。保水剂和粪对土壤水的保持具有良好作用,当水势-200kPa,重量含水量W％16％,保水剂和牛粪分别可使W％提高1.4％～9.9％和0.8％～2.5％。化肥在-50kPa,W％19％时同样可提高土壤的持水能力(W％提高0.8％～3.0％)。土壤结构剂、秸秆时土壤持水特征曲线的影响范围较窄,在土壤水势较高的情况下才显示其保水效果。     

有关美国地面漫灌径流中养分流失的研究

在美国,50％的灌溉农田采用漫灌形式,为了提高灌区入渗均匀度,有20％～50％的水会流失到田外,因此导致水、土、肥的大量流失。大量的研究表明:在农业管理中,改沟灌为喷灌或波涌式灌溉,是减少田间水、土、肥的有效措施;采用保护耕作、施用聚丙烯酰胺(PAM),可减少田间泥沙和养分流失;田间低端设置过滤带和沉沙池等水土保持工程,可使灌溉排出水中泥沙和养分含量下降。将以上几种水土保持措施配套使用,减水、减沙、保肥效益将更为明显。     

大兴安岭林区湿地生态水环境失调机理探析

阐述了大兴安岭林区湿地特征和生态水环境失调机理,指出该区大气转暖期的温室效应增加,原始森林被砍伐,湿地排水造林,三者相互制约,促使降水径流加速,冻结滞水层融深和融水量加大,地面蒸发作用增强,并人为加大湿地及其流域内地表积水和地下径流向山地河谷排泄,导致湿地生态水环境失调,由此造成大兴安岭针叶森林、冻结滞水层分布区向北和高海拔退缩,森林生态水环境随之失调恶化。     

Synergetic variations of active layer soil water and salt in a permafrost-affected meadow in the headwater area of the Yellow River,northeastern Qinghai–Tibet plateau

The coupling effects and mechanisms of water, heat, and salt in frozen soils are considered to be one of the core scientific issues in frozen soil studies. This study was based on in situ observation data of active layer soil volumetric water content (VWC), temperature, and bulk electrical conductivity (EC) obtained at an alpine meadow site from October 2016 to November 2019. The site is located in the headwater area of the Yellow River (HAYR). We analyzed the synergetic variations of active layer soil VWC, temperature, and bulk EC during the freeze and thaw processes and discussed the underlying mechanisms. When the thaw process occurred from 10 to 80 cm depths, the VWC and bulk EC at a 10 cm depth showed synchronous high-frequency fluctuations and both increased linearly. The linear decreasing rate of the VWC (bulk EC) at an 80 cm depth in the freeze depths between 0 and 40 cm was 2 (1.6–2.3) times that of the VWC (bulk EC) at an 80 cm depth in the freeze depths occurring 0–10 cm. As soil temperature decreased in the frozen layer, unfrozen water content (bulk EC) decreased nonlinearly along with the absolute value of soil temperature (|T|), following a power (logarithmic) function. This study provided data that partly elucidate the interactions among permafrost, meadow, and ecohydrological processes in the HAYR. Also, our results can be used as a scientific basis for decision making on the protection and restoration of alpine grasslands, as well as for soil salinization studies.     

土体冻结过程中基质势与水分迁移及冻胀的关系

土体冻结过程中不同位置液态水的能量差引起了水分迁移与重分布,进而引发冻胀,关于势能差驱动下的冻土水分迁移问题一直由于技术手段的匮乏而没有完全解决。利用新近推出的可用于冻土水热研究的p F meter基质势传感器与5TM水分传感器,实时监测研究饱和青藏红黏土单向冻结过程中基质势-液态含水率-温度-含冰量-水分迁移量-冻胀变形之间在时间、空间上的耦合变化关系。结果表明:土体温度场变化引起内部液态水相变,打破了原有的能量平衡,试验结束后12~14 cm土样高处含水率最高达到55%,靠近冻融交界面处(10 cm)的未冻区含水率减小至25.8%,水分整体向冷端发生迁移;土体冻胀的快慢及冻胀量大小与水分迁移速率及数量具有线性关系;试验后土体内总含水率的分布与分凝冰透镜体的分布一致,已冻区液态含水率的分布与温度梯度近似成线性关系,未冻区液态含水率的分布与水分的迁移量有关,与温度梯度无关。此外,温度场对水分场的变化具有诱导作用但二者并不同步,当冻结速率减小到一定程度时水分才开始迁移,第10小时后温度场趋于稳定而水分迁移并未停止。研究成果揭示了土体单向冻结过程中液态水、基质势、温度等物理参数的动态变化过程及内在联系,为冻胀机制的研究以及冻胀模型的建立提供了试验基础。     

草甸土近地表解冻深度对坡面降雨侵蚀影响研究

采用室外人工模拟降雨实验,研究了春季解冻期近地表草甸土解冻深度对该时期坡面降雨侵蚀过程的影响。结果表明:土壤解冻深度对入渗、产流以及侵蚀量有较大影响。由于降雨过程中冻土层逐渐向下移动,解冻土层厚度增加,坡面产流和入渗也随之经历着此消彼长的过程。对同一降雨强度,解冻深度愈小,坡面初始产流时间愈早,前期侵蚀率愈大,土壤侵蚀总量也愈大,但降雨后期侵蚀率增幅减小。随着降雨时间的延长,坡面随解冻深度不同发生不同程度的细沟侵蚀。降雨前期解冻深度越小,降雨过程中发展为细沟侵蚀的时间越早,侵蚀强度也越严重,降雨过程中侵蚀率大小的变化也受到细沟发育程度的影响。     

蒙古高原中部草地土壤冻融过程及土壤含水量分布

利用土壤剖面的温度、湿度观测数据,结合气象资料初步分析了蒙古高原中部典型针茅草原在季节转变过程中(2003～2004年)的土壤冻融过程和土壤含水量分布动态。研究表明,0～150cm深度范围的土壤完全冻结天数为154～160d。冻融日循环主要发生在表层0～5cm。0～30cm土层的土壤含水量变化剧烈,与地温有较好的一致性。0～10cm深度土壤含水量高于其他土层。随着深度的增加,土壤含水量季节波动性变小。冻结过程有利于保持土壤水分,有利于春季草地植被返青。     

季节性冻土区包气带水汽热耦合运移研究进展

季节性冻土区占据中国超过一半的国土面积,冻融作用会显著改变土壤性质与包气带水、热传输过程,并且由于季节性冻土广泛分布在干旱半干旱地区,温度与气态水对于土壤水分运移影响显著,开展水汽热耦合研究不仅更符合季节性冻土区实际情况,同时对于揭示土壤水循环机制十分关键。本文综述了包气带水汽热耦合运移理论的提出与发展历程,阐述了季节性冻融作用对水汽热耦合运移研究中水力参数及水分相态转化过程的影响,探讨了水汽热耦合模型适用性,并归纳总结了温度梯度驱动下气态水运移规律及其重要性。最后,对该领域尚需加强研究的方向提出看法与建议,以期为深化包气带水汽热耦合运移理论以及解决季节性冻土区相关实际问题提供科学依据。     

Corn stubble height and residue placement in the northern US Corn Belt Part I. Soil physical environment during winter

Management of crop residue is important for sustaining biological activity in soils during winter and promoting soil water recharge and early spring thaw in cold regions. This study assessed the impact of stubble height and residue placement in a corn (Zea mays L.) production system on the soil microclimate during winter in the northern Corn Belt of the USA. Residue treatments were established in a randomized block design after corn harvest in the autumn of 1993–1995 near Morris, MN. Corn was harvested using a combine that cut stalks at 60, 30 and approximately 0 cm above the soil surface and uniformly spread harvested residue over the soil. Treatments included: (1) 60 cm stubble, (2) 30 cm stubble, (3) 30 cm stubble with alternating bare and residue covered inter-rows, (4) 0 cm stubble, and (5) 0 cm stubble with all residue removed from the soil surface. Snow cover, depth of soil freezing and thawing, soil temperature and water content at various depths in the soil profile, and reflected global and net radiation were monitored during winter from November to March each year. Taller (60 cm) stubble trapped more snow, reduced the depth of frost penetration by at least 0.5 m, and hastened thawing of the soil profile by at least 25 days during winter as compared with short (0 cm) stubble and 0 cm stubble without residue treatments. Near surface, winter soil temperatures were moderated by at least 2 °C in the 60 cm stubble versus 0 cm stubble without residue treatments. Linear regression analysis suggested that 52, 93 and 40% of the variability in soil water recharge caused by residue treatments during successive winters, respectively, could be explained by differences in snow cover, soil water content and thaw depth among treatments. On clear days in autumn and spring, albedo was highest for the 0 cm stubble and lowest for the 0 cm stubble without residue treatments. Net radiation, however, was lowest for the 0 cm stubble and highest for the 0 cm stubble without residue treatments as compared with other residue treatments. Results from this study suggest that corn production systems in the northern Corn Belt which retain tall stubble on the soil surface will promote warmer soils during winter and earlier spring thaw as compared with those which retain short or no stubble on the soil surface.     

砒砂岩与沙复配土壤的冻融特征

[目的]揭示砒砂岩与沙复配土壤冻融特征及其对风蚀的影响,为毛乌素沙地土地整治可持续性提供理论依据。[方法]利用陕西省榆林市榆阳区气象资料和土壤观测数据,结合含水量变化规律,以砒砂岩与沙复配土壤为研究对象,沙土为对照,探究2种土壤冻结层形成差异、冻融过程及积雪消融特点。[结果]由于含水量的差异,复配土壤与沙冻结层形成特点具有差异,沙地表层通常会形成土壤干层,从表层之下冻结,而复配土壤的冻结层在地表形成;复配土壤的最大冻结深度为116.0cm;大于沙地的最大冻结深度96.0cm,且冻结层融解时间晚于沙地一周;积雪覆盖条件下,沙地表层存在1.0~6.4cm的土壤干层,而复配土壤表层不存在干层,复配土壤积雪盖度和厚度均大于原始沙地,阳坡尤为显著。[结论]土壤冻层和积雪在复配土壤地表形成了2层保护层,减少了休闲期的风蚀作用。     

未完全解冻层对黑土坡面降雨侵蚀的影响

春季解冻期土壤侵蚀受未完全解冻层影响较大,以东北黑土为研究对象,通过室内降雨模拟试验,分析未完全解冻层对土壤侵蚀总量及侵蚀速率的影响.结果表明:在所选水平内,低含水率黑土侵蚀总量随着初始解冻深度增加而减少;高含水率黑土在h=10mm水平上侵蚀总量最大;侵蚀速率均呈现先增大后减小的变化趋势,在20min降雨时间内,总会出现一个侵蚀速率峰值,不同初始解冻深度峰值出现时间并不完全相同;当h=5mm和h=10 mm时,未完全解冻层阻水作用都比较明显,侵蚀量差异主要在试验初始阶段,也就是说,土壤含水率只是在试验最初阶段起着一定作用,随着入渗量增多,土壤逐渐达到饱和,二水平之间侵蚀量差异较小,相反这一阶段未完全解冻层隔离作用被充分体现.