砂姜黑土区采煤塌陷坡耕地水蚀输沙过程研究

选择淮北平原砂姜黑土区某煤矿2种不同开采方式(充填开采和非充填开采)工作面地表塌陷坡耕地,通过现场调查和采样分析,动态监测表层(0-10cm)土壤黏粒含量,研究黏粒含量在采煤塌陷坡耕地形成过程中的时空变化。同时在实验室应用人工模拟降雨试验,测定不同降雨强度(强降雨0.309mm/min,弱降雨0.147mm/min)和坡度(3°,5°和10°)处理下的坡面径流含沙量与土壤剥蚀率,探讨坡耕地水蚀输沙过程特征。结果表明:(1)研究区砂姜黑土黏粒含量为37%~46%,塌陷坡耕地坡面表土黏粒含量随时间推进呈缓慢下降。(2)雨强和坡度为影响砂姜黑土区坡耕地径流含沙量变化的主要驱动力。相同坡度,强降雨条件下水流含沙量为弱降雨时的10倍左右;坡度为3°和5°时的水流含沙量变化趋势一致,而坡度为10°时,试验不同时段的水流含沙量不稳定,尤其是强降雨条件下,在试验4min后水流含沙量急剧增加,至7min已达28.9g/L,为径流初期的15倍以上。(3)砂姜黑土与高原黄土、川中紫色土和南方红壤坡地土壤雨水侵蚀特征一致。但在耕作因素影响下,充填或非充填开采工作面地表塌陷坡耕地土壤流失量均较轻微。     

华北土石山区坡面溅蚀和片蚀泥沙颗粒特征研究

基于野外人工模拟降雨试验,研究3种降雨强度(35,65,100mm/h)、2种坡度(5°,15°)和3种植被盖度(0%,30%,80%)条件下,溅蚀和片蚀泥沙颗粒的粒径动态分布特征,及其与降雨强度、坡度和植被覆盖度的关系,揭示表层土壤团聚体在侵蚀过程中的破碎机制。结果表明,2种侵蚀方式下的泥沙颗粒主要集中在0.1~0.002mm粒级范围内,显著高于其它粒级颗粒含量。在溅蚀泥沙颗粒中0.1~0.05mm粒级颗粒含量较高,而片蚀泥沙颗粒中0.02mm粒级颗粒含量较高,溅蚀泥沙颗粒的平均重量直径均大于片蚀泥沙颗粒。对比泥沙颗粒粒径的变化特征,溅蚀泥沙颗粒中粗砂粒(2~0.25mm)和细砂粒(0.25~0.05mm)含量逐渐减少,粉粒(0.05~0.02mm)和粘粒(0.002mm)含量逐渐增加,而片蚀泥沙颗粒中砂粒(2~0.05mm)含量呈增加趋势,粘粒(0.002mm)含量呈减小趋势。2种侵蚀方式下不同粒径泥沙颗粒与坡面径流深和径流量的相关性分析表明,泥沙颗粒粒径分布与地表产流过程密切相关。同时,雨滴击溅侵蚀泥沙颗粒的分形特征与侵蚀土壤的相对机械破碎指数有关,能够有效预测侵蚀过程中降雨和径流对坡面土壤团聚体的分选特征。     

中国5种典型土壤的侵蚀泥沙粒径分布特征

通过天然降雨试验,研究我国5种典型土壤的侵蚀泥沙团粒和单粒粒径分布以及泥沙各级团粒的机械组成特征。2013—2014年汛期(6—9月),监测红壤、紫色土、黄绵土、褐土和黑土径流小区的降雨产流事件,收集侵蚀泥沙样品,利用湿筛法和吸管法测定其团粒和单粒粒径分布;同时,筛选出泥沙各级团粒样品,进一步测定其单粒粒径组成。结果表明:(1)侵蚀泥沙粒径分布是土壤质地和降雨强度综合作用的结果,团粒粒径分布更适合作为表征泥沙输移的指标;(2)5种土壤的侵蚀泥沙皆表现出粉团(0.002~0.05mm)和黏团(0.002mm)的明显富集;(3)在泥沙单粒粒径分布方面,除红壤的粉粒(0.002~0.05mm)和黏粒(0.002mm)有轻微富集外,其余4种土壤的各级单粒均无明显富集;(4)红壤侵蚀泥沙粉团(0.002~0.05mm)中的黏粒含量最多,其余4种土壤侵蚀泥沙机械组成和各级团粒的机械组成均与原土接近。     

施肥措施对复垦土壤团聚体碳氮含量和作物产量的影响

研究复垦后不同施肥措施下有机碳(OC)和全氮(TN)在水稳性团聚体及粉黏粒组分中的分布特征,以期深入理解不同施肥措施下土壤有机碳的固持机制。以生土和连续6年不同施肥措施的复垦土壤为研究对象,采集0～20 cm耕层土壤样品,利用湿筛法进行土壤粒径分组,分析大粒径大团聚体(> 2 mm)、小粒径大团聚体(>0.25～2 mm)、微团聚体(0.053～0.25 mm)和粉黏粒组分(<0.053 mm)中OC和TN含量,判断各粒径团聚体及粉黏粒组分中有机碳储量的驱动因素,探究团聚体及粉黏粒组分中有机碳含量与作物产量之间的关系。试验设不施肥(CK)、施氮磷钾化肥(NPK)、单施有机肥(M)和有机无机肥配施(MNPK)4个处理。结果表明:1)整个试验周期(2008—2013年),同CK相比,NPK、M以及MNPK处理均显著提高了玉米籽粒产量,且以MNPK处理的效果最显著,分别提高了79.49%、116.07%和113.85%。2)大团聚体和微团聚体中OC和TN含量相近,总体高于粉黏粒组分。同生土相比,CK、NPK和M处理均显著提高了>0.25～2、0.053～0.25 mm...     

雅砻江-安宁河并流段水沙及养分空间差异分析

为了解人类活动影响下的流域泥沙及养分分布情况,以雅砻江及其一级支流安宁河为研究对象,选择雅砻江—安宁河并流段为研究区,沿河流纵向选取6个断面,并对断面垂向与横向进行含沙量及氮磷浓度的监测,分析不同流域水沙沿程变化及养分空间分布特征。结果表明:(1)安宁河含沙量整体大于雅砻江并流段,2条河流中下游的含沙量均大于上游,总体沿程增加。在泥沙断面垂向分布上,雅砻江无明显分层现象;安宁河分层现象明显,表现出底层＞表层＞中层的规律。在泥沙断面横向分布上,除安宁河中下游为左侧分布外,安宁河上游及雅砻江并流段均表现为右侧分布。雅砻江并流段泥沙断面均匀性总体优于安宁河。(2)雅砻江TN、TP整体均显著小于安宁河流域,且雅砻江—安宁河并流段氮磷空间分布在断面垂向和断面横向上均存在显著差异。(3)雅砻江并流段TN、TP浓度与含沙量呈线性正相关,其中断面横向拟合度优于断面垂向,且TN与含沙量的相关性高于TP;而安宁河则是断面垂向拟合度大于断面横向,TP与含沙量的相关性高于TN。     

工程堆积体坡面侵蚀泥沙分选特性与运移机制研究

为揭示工程堆积体陡坡坡面在径流驱动下侵蚀泥沙颗粒分选特征及搬运机制,设计了3种上方来水流量(10,20,30 L/min)下的野外模拟径流冲刷试验,对杨凌弃土工程堆积体陡坡坡面(32°)侵蚀泥沙的颗粒分布特征进行分析。结果表明:侵蚀泥沙(分散前)中黏粒、细粉粒较原始土壤明显增加,易产生侵蚀;径流对团粒破碎作用影响侵蚀泥沙黏粒含量,当径流功率＜1.71 N/(m·s)时,黏粒含量与径流功率呈负相关,＞3.89 N/(m·s)时则呈正相关;侵蚀泥沙中细粉粒、粗粉粒主要以单粒的形式搬运,而黏粒以及砂粒多以团粒的形式搬运;侵蚀泥沙中黏粒表现为富集,砂粒表现为贫化;泥沙颗粒粒径决定其主要搬运形式,＜0.11 mm的泥沙颗粒以悬移/跃移搬运为主,＞0.11 mm的泥沙颗粒以滚动搬运为主;滚动搬运的贡献率随径流搬运能力的增强呈先增大后减小。研究结果将有助于揭示工程堆积体坡面水蚀过程机理,为提高工程堆积体陡坡坡面水蚀模型预测精度提供科学依据。     

雨型和坡长对侵蚀泥沙粒径特征的影响

为揭示降雨和坡长对侵蚀泥沙粒径特征的影响,以不同坡长野外观测试验小区为对象,结合82场降雨资料,以降雨量(P,mm)、最大30 min雨强(I₃₀,mm/h)和降雨侵蚀力[R,MJ·mm/(hm²·h)]为降雨特征指标,利用系统聚类法进行雨型划分(A雨型：大雨量、高雨强、高侵蚀力;B雨型：中雨量、小雨强、中等侵蚀力;C雨型：低雨量、中雨强、中低等侵蚀力),分析了11场降雨事件中侵蚀泥沙的粒径分布特征。结果表明：(1)研究区侵蚀泥沙粒径特征受不同雨型影响,有效黏粒和最终黏粒含量在C雨型下最高,有效砂粒和最终砂粒含量在B雨型下最高,而有效粉粒和最终粉粒含量分别在A和C雨型下最高。(2)坡长对侵蚀泥沙粒径特征的影响存在临界坡长效应(14 m),小于临界坡长时,黏粒级和粉粒级颗粒含量随坡长增加而降低;超过临界坡长后,黏粒级和粉粒级颗粒含量随坡长增加而增加,该效应在最终粒径下更为显著。(3)有效砂粒输移形式受雨型和坡长影响较大,在B雨型下主要以团粒形式输移,在A,C雨型下达临界坡长时以单粒形式输移。侵蚀泥沙的有效粒径颗粒比原坡面土壤细,而最终粒径颗粒则...     

植物–微生物联合对土壤不同粒径组分中 PAHs 的修复作用

采用温室盆栽试验,在种植紫花苜蓿的同时,分别施加木霉菌剂、根瘤菌菌剂以及木霉与根瘤菌复合菌剂,并采用离心分级法将处理后土壤分为4个粒径团聚体,即细黏粒(0.1~1μm)、粗黏粒(1~5μm)、粉粒(5~50μm)以及细砂粒(50~250μm),分析了植物–微生物联合作用对不同粒径土壤中PAHs的去除效应。研究结果表明:紫花苜蓿–根瘤菌联合作用对PAHs污染土壤的修复效果最优,其降解率达60%以上。不同粒径组分中PAHs含量的分布表现为细砂粒粉粒粗黏粒细黏粒,且PAHs在不同粒径团聚体中去除率差异性较大。低环(2、3环)PAHs在各粒径组分中去除率较低(20%以下),并在不同粒径组分间呈非均衡分配状态;4环PAHs的去除主要集中在粉粒和细砂粒中,而5环PAHs的去除主要发生在细黏粒上。可见,PAHs在土壤不同粒径组分中分布特征及降解效应为进一步阐明PAHs污染土壤的生物修复机制提供了科学依据。     

干湿交替下三峡支流消落带沉积物粒径组成及氮分布特征

以三峡支流澎溪河消落带为研究区域,采集澎溪河消落带上、中、下游3个水文断面,2个水位高程,5个深度的沉积物样品,结合沉积物颗粒分形理论探讨沉积物粒径组成与总氮(TN)、总可转化态氮(TF-N)、铵态氮(NH_4~+-N)、硝态氮(NO_3~--N)含量和分布特征的关系。结果表明:澎溪河消落带沉积物粒径组成为砂粒(49.75%)粉粒(36.16%)黏粒(14.09%),粒径分布具有分形特征,分形维数(Dm)在2.612~2.781之间,均值为2.727。随消落带水位高程下降、流域断面自上至下、深度由表至底,黏粒、粉粒比例、Dm降低,砂粒比例升高。TN、TF-N、NO_3~--N含量分布与黏粒、粉粒、Dm正相关,与砂粒呈极显著负相关。Dm可作为判断沉积物粒径组成与氮含量关系的潜在指标。沉积物总体质地结构良好,但频繁的干湿交替使澎溪河下游和低水位高程沉积物保水保肥能力下降和砂质化,并通过改变粒径组成影响氮分布。落干期上游和高水位高程沉积物TF-N增加,提高了淹水期氮素进入水体并导致水体富营养化的风险。     

黄土丘陵区两种典型灌木群落坡面侵蚀泥沙颗粒组成及养分流失的比较

在野外模拟降雨条件下,比较研究了黄土丘陵区柠条(Cnragana korshinkii)和狼牙刺(Sophoraviciifolia)径流小区产流产沙、侵蚀泥沙颗粒组成、比表面积(SSA)及养分流失特征.结果表明,两种灌木群落均能显著减小坡面径流泥沙的流失.产流后流失泥沙黏粒、SSA与养分含量随降雨时间总体呈现降低趋势,其中有机质变化显著,全磷变化不显著.受植被盖度影响,泥沙中黏粒与养分含量均表现为柠条群落>狼牙刺群落>对照裸地.侵蚀泥沙具有富集黏粒和富集养分的特征,富集率随群落盖度增大而增大(柠条>狼牙刺>裸地).不同形态养分富集率不同,其中有机质均在2.5以上,全氮平均富集率为2.13,全磷为1.23.富集率随产流时间呈线性递减.流失泥沙养分含量与黏粒(粒径<0.002 mm)含量及SSA达到极显著的正相关.坡面土壤养分主要以黏粒为载体流失.SSA的变化不仅能体现土壤颗粒组成的变化,而且能够反映土壤养分的变化.     

黏土夹层位置对黄河泥沙充填复垦土壤水分入渗的影响

在中国东部地区,土地复垦的一项重要任务是将采煤沉陷地复垦为耕地,复垦后的耕地生产力水平应接近损毁前的水平。然而,采用传统的黄河泥沙一次性充填后覆盖一定厚度土壤层的复垦方式,复垦后土壤持水性差,生产力水平低。夹层式充填复垦能够有效改善传统充填复垦土壤的水分特性,该文研究夹层位置对黄河泥沙填复垦土壤水分入渗过程的影响,共设计当地普通农田土壤剖面(CK1),传统"上土下沙"土壤剖面构型(CK2)及5个夹层式土壤剖面构型处理T1～T5:在60 cm厚的黄河泥沙充填层中的不同位置夹20 cm厚心土层(黏土层),夹层距离表土距离分别为50 cm(T1),55 cm(T2),60 cm(T3),65 cm(T4)及70 cm(T5)。通过室内入渗试验,分析不同位置设置夹层后土壤水分入渗特性及含水率分布情况,优选适应于该地区的夹层式土壤剖面构型。结果表明:入渗率随着夹层深度的增加呈先增加后减小的趋势,即夹层位置距离土表55cm为一临界深度,此时重构土壤的入渗率最低、湿润锋的运移速度最慢、阻水效果最强,但考虑到研究区强降雨天气,易形成地表径流。当心土夹层位置距离土表60cm时,更接近普通农田土壤水分入渗特性,是黄河泥沙夹层式充填复垦的理想选择。该研究对深入探讨黄河泥沙夹层式充填复垦内部作用机理和指导滨黄河地区采煤沉陷地的土地复垦具有重要意义。     

基于Hydrus-1D的黄河泥沙充填复垦土壤夹层结构优化

中国东部矿区煤粮复合区面积大,因采煤沉陷积水,导致大面积的耕地破坏,采煤沉陷地复垦成为中国亟待解决的问题,黄河泥沙夹层式充填复垦技术对实现采煤沉陷地复垦具有积极意义.为优化黄河泥沙充填复垦夹层式土壤剖面设计,该研究采用Hydrus-1D模拟分析了在充填复垦土壤总厚度一定的情况下,不同夹层厚度、位置和数量对重构土壤入渗和...     

基于黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地覆土材料的优选

黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地需要覆盖足够厚度的土壤以保证农作物生长,针对济宁市部分采煤沉陷地可取土量不足问题,该文提出利用当地表土、心土和黄河泥沙组配作为覆土材料研究,以达到增加覆盖土壤厚度和改良当地土壤质地的目的。研究表明,覆土材料有利于玉米生长发育,表土、心土和黄河泥沙组配(质量比)为1:1:1.33~1:1:2的覆土材料玉米苗期生物量显著高于对照土壤;组配为1:1:0.86~1:1:2的覆土材料质地为壤土,是较为理想的土壤类型;组配为1:1:0.86~1:1:2的覆土材料容重为1.38~1.41g/cm3,密度为2.64~2.68g/cm3,较为适宜农作物生长。覆土材料可以显著降低当地土壤p H值和电导率,对农作物不产生盐害作用;其入渗性能提升,增加了土壤储水能力,组配为1:1:0.86~1:1:2的覆土材料入渗能力接近多年耕种农田;其水分特征曲线左移,毛管孔隙度、有效水孔隙度和水分常数基本呈现下降趋势,持水和供水能力下降。根据尽量增加黄河泥沙充填层上覆土材料厚度原则,优选出表土、心土和黄河泥沙组配为1:1:2的覆土材料作为黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的覆土材料,可在大田试验中进行进一步的验证。     

从黄河下游淤积物粒径变化谈中游地区沟坡兼治

不少学者指出,黄河下游淤积物中,粒径大于0.05mm的粗颗粒泥沙占69%,这部分泥沙在中游黄土中含量甚少,它们主要来自多沙粗沙区的基岩,因此加强易侵蚀基岩区的治理是关键.据最近的分析,发现黄河下游淤积物已明显细化,粒径≥0.05mm的粗泥沙占总淤积量的40%,0.05～0.025mm之间的泥沙约占30%,这部分泥沙来自黄土中的比例不小,因此在中游严重水土流失区应强调沟坡兼治.     

黄河三角洲暗管排水土工布外包滤料的试验研究

黄河三角洲地区多为近代黄河泥沙淤积形成的粉细砂土,其质地均一、结构松散,在农田排水明沟建设中边坡不稳定的问题突出。近年来该地区大力开展了暗管排水系统建设,但当地砂滤料来源不足,因此,迫切需要筛选出适合当地土壤特点的土工布外包滤料。该文在对研究区土壤特性分析的基础上,利用自制水力渗透仪,通过理论计算和渗透试验观测,研究了所选择土工布的反滤、透水以及防淤堵性能。结果发现,在满足测试条件的2种型号土工布中,Typar 3201G能够满足防淤堵与透水要求,但是有一定的淤堵风险;另一型号土工布(Typar SF20)则能较好的满足研究区暗管排水外包滤料的反滤、透水与防淤堵要求。研究结果表明,满足研究区特殊土壤类型的土工布外包滤料厚度不宜过大,土工布的开孔直径应符合选择标准。研究成果可为黄河三角洲地区暗管排水土工布外包滤料的选择提供技术支撑。     

引黄畦灌田间水沙分布规律

为探究引黄地面灌溉条件下水沙在田间的分布规律,该文于尊村引黄灌区开展田间试验,研究灌溉水流推进过程,灌溉水含沙量沿畦长方向的变化及灌水后泥沙在田面的沉积状况。结果表明,引黄灌溉水在沿畦长方向推进的过程中,随着水分下渗和水力损失,其流量减小,挟沙能力沿畦长方向逐渐减弱;挟沙水流中的较大粒径颗粒逐渐沉积,水流中携带泥沙的中值粒径逐渐减小;灌水结束后,田面沉积泥沙粉粒质量分数占70%左右,田面沉积泥沙质量沿畦长方向逐渐减小,在畦尾有增大趋势,且畦田首端和畦田尾端的沉积泥沙粒径大小及其颗粒组成却相差不大。研究结果为开发和利用畦灌蓄沙、放淤改土等黄河水沙利用技术提供一定的科学依据和理论支持。     

腾格里沙漠南缘风积物粒度空间分布及物源指示

为探讨腾格里沙漠南缘风积物物源,基于粒度参数分析其空间分布,采用粒度端元分析并与潜在源区对比,结合常量元素法进行了多角度探究。结果表明:黄河北岸沉积物粒度较南岸粗,两岸沉积物粒度存在较明显的空间差异性。粒度空间分布差异结合风沙活动、地形特征,可表明腾格里沙漠南缘的黄河北岸为南岸沉积物的上风向源区之一; 就地球化学元素分析表明,沙漠南缘与祁连山区常量元素特征具有一定相似性,与沙漠腹地差异较大。提取4个端元,多角度分析表明端元1(峰值粒径范围是30～50 μm)为全由祁连山北麓风成沙所组成的沉积体,端元2(100～120 μm)主要由沿黄北岸风成沙和黄河二次搬运所组成。端元3(170～250 μm和15～25 μm)为沿黄以北就地起沙,端元4(300～600 μm和10～20 μm)由黄河搬运沉积物所组成。综上,可认为腾格里沙漠南部边缘区沙物质主要是由黄河、沿黄以北和祁连山北麓所提供。     

Yellow River Sediment as a Soil Amendment for Amelioration of Saline Land in the Yellow River Delta

Soil salinization and sedimentation in the Yellow River Delta pose significant environmental concerns in China. This study demonstrated for the first time that the Yellow River sediment can be used as a soil amendment to remediate the salt‐affected soil. Four treatments including the control (CK), Yellow River sediment application at 70 Mg ha⁻¹ (S70) and 140 Mg ha⁻¹ (S140), and crop residue application at 3 Mg ha⁻¹ (P3) were replicated in two blocks in the field. Cotton, one of the most common crops in the Yellow River Delta, was planted. Soil physical properties and electrical conductivity (EC) were measured. The results indicated that mixing the Yellow River sediment, a poorly graded sand, with the clayed saline soil improved soil texture, macroporosity, and saturated hydraulic conductivity. Mean EC of treated soils was significantly lower than for the control. Improved cotton emergence and stand establishment were observed along with a significant treatment effect on cotton yield. The effects of S140 and P3 on soil macroporosity, hydraulic conductivity, soil EC, and cotton growth were comparable. This study concluded that applying Yellow River sediment in the saline land is a technically feasible and environmentally sustainable approach for saline soil remediation in the Yellow River Delta. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

风水两相侵蚀条件下流域泥沙粒径分布分形维数特征——以黄河上游内蒙古段西柳沟为例

[目的]研究在风水两相侵蚀条件下流域泥沙粒径分布分形维数特征,为风水两相侵蚀产沙和高含沙水流侵蚀产沙的治理等问题的研究提供理论和试验依据。[方法]选取位于黄河上游内蒙古段的西柳沟流域为例,采集沉积物表层样,利用激光粒度仪对43个样点的泥沙粒度组成进行分析,采用分形理论,结合方差分析以及K均值聚类法进行分析和研究。[结果](1)不同沉积环境下泥沙粒径分布分形维数不同,以水力侵蚀为主的丘陵沟壑区分形维数平均值最大,为2.48;以风力侵蚀为主的沙漠区分形维数平均值最小,为1.95。(2)对于西柳沟流域,泥沙颗粒组成中粒径在0.05mm以下的含量越高,粒径越离散,分维值越高;粒径在0.05~1mm之间的颗粒含量越高,分形维数越低;粒径在1mm以上的颗粒含量与分形维数关系不明显。相对来说,粉粒含量对于分形维数的影响大于黏粒含量。[结论]地貌条件主要影响的是河床样的泥沙粒径组成,产沙层土样的颗粒组成不受地貌条件的影响,河滩样的泥沙粒径组成受地貌条件和沉积环境的双重影响。     

Concentration and partitioning of particulate trace metals in the Changjiang (Yangtze River)

Suspended sediments from the lower Changjiang (Yangtze River) were sampled to determine concentrations of Cu, Cd, Pb, Ni, and Cr. The particulate trace element values in the Changjiang are higher than in the Huanghe (Yellow River), but lower than in the other large Chinese rivers (e.g. Pearl River) and polluted rivers. A general pattern of high element levels in the clay minerals and low element concentrations in coarse sediment fractions are observed in the Changjiang. Sequential extraction shows the predominance of metals in the residual fraction relative to labile fractions in the Changjiang, emphasizing the importance of natural weathering and erosion in the drainage basin on the transport of particulate metals. Elevated Enrichment Factors (EF: the ratio of element concentration in microsurface to that in subsurface layer minus 1.0) suggest a potential influence of atmospheric input on the concentrations of particulate metals in the river.