动水头作用下花岗岩风化土的内部侵蚀机理

[目的] 揭示动水头作用下花岗岩风化土侵蚀演化的动态过程,研究动态水力条件对土体内部侵蚀发展的影响,探明颗粒迁移规律与内部侵蚀机理,为深入研究花岗岩边坡的破坏模式与促滑机理提供理论依据。 [方法] 设计竖向土柱渗流装置,开展上升水头与正弦水头条件下花岗岩风化土柱的渗流试验,基于渗流土柱顶面与侧面的试验现象,从渗流速度变化、颗粒流失量变化和渗流前后颗粒级配、质量变化等方面,分析动水头作用下花岗岩风化土内部侵蚀的发育特征。 [结果] ①花岗岩风化土粒径差异较大,在骨架间存在微小孔隙,渗流冲刷作用使得土颗粒通过土体骨架间的孔隙运移流失。在内部侵蚀过程中,细颗粒流失量相对较多,粗颗粒流失量较少。 ②土体内部侵蚀作用是渐进发展的过程,在土体薄弱区域的结构最先产生变形与破坏。试验中渗流泉眼由土柱边界开始发展到土柱中部区域,渗流通道沿着渗流方向自下而上发育,水力条件短时间内发生显著变化会造成渗流通道快速贯通。 ③土体内部侵蚀作用将随渗流时间推进而趋于稳定,但正弦水头将“激活”土颗粒运动,加剧土体的内部侵蚀作用。加大水头变化幅度或减小水头变化周期,能够加剧土体内部侵蚀作用,导致水流运移速度加快以及颗粒迁移流失量增多。 [结论] 水力条件变化对土体内部侵蚀作用存在显著影响,正弦水头更能加剧颗粒迁移流失。     

干热河谷不同活跃程度冲沟沟床土体抗冲性差异

为探明极端气候条件下干热河谷不同活跃程度冲沟沟床的抗侵蚀性能,选取活跃冲沟、较活跃冲沟和稳定冲沟三类沟床表层土体,设置0,50%和100%3个不同初始含水率的处理,进行原状土水槽冲刷试验。结果表明,不同活跃程度冲沟沟床的土体抗冲性有所差别,其土体抗冲性在不同初始含水率条件下均表现为活跃冲沟较活跃冲沟稳定冲沟。初始含水率对冲沟土体抗冲性影响较大,随初始含水率的增加,三类活跃程度冲沟沟床的径流产沙量逐步降低,其土体抗冲性均表现为初始含水率0的土体抗冲性最弱,初始含水率50%的土体抗冲性次之,初始含水率为100%的土体抗冲性最强。土体容重、粘粒含量在不同初始含水率条件下均是影响三类冲沟沟床土体抗冲性的关键因子。     

初始含水率对崩岗土体抗拉特性的影响

针对花岗岩发育的崩岗土体崩壁失稳等问题,通过单轴抗拉试验,研究了湖北通城地区不同初始含水率的崩岗土体抗拉强度特性。结果表明:初始含水率对崩岗土壤抗拉强度影响明显。土壤抗拉强度特征曲线为单峰型,表土层、红土层和红砂过渡层抗拉特征曲线在含水率W_C(24.4%)附近出现抗拉强度峰值,而砂土层在W_C(25.8%)出现抗拉强度峰值。崩岗不同层次土壤轴向拉伸长和径向收缩长随初始含水率呈现正相关关系,且土壤轴向拉伸率和径向收缩率与初始含水率拟合出相关系数较高的线性函数关系(除砂土层的径向收缩率与初始含水率呈指数函数关系)。低(18%～22%)、中(22%～30%)、高(30%～饱和)3种初始含水率区间下崩岗土壤持水机制分别为土壤毛细管持水机制、团粒水桥联结持水机制与团粒持水机制。研究结果可为崩岗科学防治提供一定的科学依据。     

坡面泥石流起动模型研究

针对单一坡面泥石流起动模型进行研究。基于土壤动力学理论、土壤下渗理论和土壤水动力学理论,以及土体含水率变化引起土体抗剪切应力变化的物理机理,提出了坡面泥石流起动模式。在此基础上,结合传统分布式水文模型理论,建立了分布式坡面泥石流起动模型。模型应用于云南蒋家沟典型坡面泥石流研究,能够预测坡面泥石流起动的时间、部位和起动量,进行多时段模拟坡面泥石流入沟流量过程线,模拟结果体现了泥石流发生阵发性、不连续性、滞后性的特征,这与实际观测情况吻合,表明应用该模型研究坡面泥石流的起动是可行的,能够为进一步的泥石流数值模拟提供依据。     

含水率对小麦粮堆弹塑性力学特性的影响

不同地区粮仓中粮堆的含水率会有较大的差异,为了明确含水率对粮仓设计参数的影响,通过三轴试验研究了含水率对小麦粮堆非线性强度、临界状态和模量等的影响规律。结果表明:不同含水率下小麦粮堆的峰值强度和残余强度符合非线性强度指标的Mohr-Coulomb强度准则;参考压力(100kPa)下峰值内摩擦角和残余内摩擦角随着含水率的增大呈线性增大,含水率每增加1%,峰值内摩擦角和残余内摩擦角分别增大0.22°和0.30°。小麦粮堆的临界状态特性符合剑桥弹塑性理论,偏应力随着平均法向应力的增大呈线性增大;峰值应力比和临界状态应力比随着含水率的增大呈线性增大;含水率每增加1%时,峰值应力比和临界状态应力比分别增大0.012和0.014。不同含水率下初始模量、割线模量与围压间可采用幂函数模型表示;参考压力下初始模量和割线模量均随着含水率的增大呈线性降低;含水率每增加1%,初始模量和割线模量分别降低0.98和0.25 MPa。     

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。     

蒋家沟砾石土不同含水率直剪强度特征

蒋家沟流域内大量泥石流由滑坡引发,在滑坡转化为泥石流的3个过程中,首先是在斜坡体内大范围剪切破坏。在其物源区与沉积区内分布大量砾石土,其强度特征对于蒋家沟泥石流的起动机理以及流域内土壤侵蚀具有重要意义。由于降雨过程中,坡体内砾石土含水率逐渐增大,影响其力学性质特征,加之砾石土颗粒粗大,粗细粒配比和试验尺寸对强度特征有一定的影响。为此,在室内和现场两用大型直剪仪下进行蒋家沟砾石土不同含水率下的直剪强度试验,结果表明,试样在ρd=1.9 g/cm3不同含水率下,剪应力-水平位移关系没有明显峰值,应力-应变曲线为应力硬化型;同一含水率试样在γ=0.02时的剪切模量G0.02随垂直压力增加而增大;含水率7.07%试样各级压力下G0.02最大;φ值与含水率w符合二次函数关系式:φ=-0.471w2 6.7462w 3.9262;试样C值与含水率w符合二次函数关系式:C=-0.7307w2 8.4784w 1.462。     

春季解冻期白浆土融雪侵蚀模拟研究

采用室内人工模拟融雪水冲刷试验,研究了春季解冻期冻融温差、循环次数、土壤初始含水率、融雪水流量和解冻深度这5个控制因子对白浆土侵蚀的影响。结果表明,影响土壤侵蚀的首要因素为融雪水流量。春季解冻期土壤发生侵蚀主要集中在前15次冻融循环过程中,之后即使冻融循环次数增加,侵蚀量增幅也不明显。土壤含水率变化与侵蚀量之间线型关系不明显,初始含水率较小的土壤侵蚀量大于初始含水率较大的侵蚀量。在径流冲刷过程中,融雪流量的大小和土壤冻层的存在,共同影响解冻深度与侵蚀量大小之间的关系。当融雪流量较小时,土壤解冻深度越小侵蚀量越大,二者间呈负相关关系;反之,当融雪流量较大时,土壤解冻深度与侵蚀量之间呈正相关关系。     

宽级配弱固结土入渗及抗冲性对泥石流起动的影响

震后诱发的大量崩塌滑坡松散物质,为泥石流的形成提供了极为丰富的固体物源,使得震后灾区泥石流一直处于群发、频发状态。这些松散土体由于扰动强度大,属于宽级配弱固结土体。在降雨作用下产生的水土耦合作用促使土体结构破坏,从而起动形成泥石流。通过对该种土体进行的入渗和抗冲试验的结果表明:(1)震后的宽级配弱固结土体的入渗强度是蒋家沟流域类似土体的1.5～6.0倍,直接导致了在降雨入渗作用下土体内部细颗粒被侵蚀搬运,并伴随着土体结构的破坏。(2)抗冲性显示了由于其弱固结特性,土体的抗冲性系数很小,在表面径流作用下,土体易崩解而被径流冲刷流失,增强了径流侵蚀能力。(3)震后降雨与特殊土体的耦合作用促使了灾区泥石流一直处于群发、频发状态,并将持续到土体恢复至震前状态,在此期间灾区的泥石流激发雨量也会随之变化。     

野外模拟崩岗崩积体坡面产流过程及水分分布

为研究崩岗崩积体坡面产流特征及土体水分分布特征,采用人工模拟降雨方法,在广东五华县莲塘岗崩岗选择7个不同部位的崩积体,进行28场人工模拟降雨,测定降雨过程中坡面产流时间及水分分布。结果表明:1)坡面产流时间与降雨强度呈负指数幂函数关系;2)老崩积体坡面产流时间与10 cm深处土体初始含水率呈负对数函数关系,其他深度土体初始含水率,以及新崩积体各土层初始含水率与坡面产流时间关系不密切;3)根据土体初始含水率和降雨强度,可以应用三维曲面模型预测崩积体坡面产流所需时间;4)当降雨强度≥3.5 mm/min时,崩积体坡面产流时间与坡度呈现出负相关关系,即随着坡度增大,产流时间变短;5)崩积体坡面产流后,新、老崩积体10 cm深处土体含水率差异明显,新崩积体土体含水率在20%以下,老崩积体土体含水率在20%以上;6)无论是降雨结束时还是降雨后24 h的水分再分布,新崩积体的湿润锋深度均大于老崩积体,表明在降雨作用下新崩积体的失稳深度大于老崩积体的失稳深度。该研究为崩岗崩积体侵蚀预测和防治提供参考。     

天津市滨海盐碱地刺槐种植区水盐动态变化规律

[目的]通过对滨海地区盐碱土水盐动态变化规律的研究,为该地区的土壤利用以及植树造林提供科学依据。[方法]以天津大港地区刺槐林土壤为研究对象,研究不同土层的土壤水盐年份变化和盐分离子分布特征。[结果]试验地土壤全年含水量变化范围在11.9%~28.8%;含盐量变化范围在4.2%~18.4%。春(3—5月)秋(9—11月)季节土壤含水量低,含盐量高,土壤盐分含量随土层深度增加逐渐降低;夏季(6—8月),土壤含水量高,含盐量低,土壤盐分含量随土层深度的增加逐渐升高。pH值在7.37~8.39之间,土壤中K+,Na+,Ca2+,Mg2+和Cl-春季表层土壤(0—10cm)含量最高,分别为0.04,4.27,2.69,1.04和10.03g/kg。除SO2-4和HCO-3外,其他盐分离子在春季变异系数(29.99~162.98)明显大于夏秋季节(2.87~88.13)。[结论]不同土层的土壤含水量和含盐量随当地降雨量呈明显的季节性变化;试验地区土壤属于碱性土壤,随季节变化不明显;K+,Na+,Ca2+,Mg2+和Cl-与含盐量变化趋势保持一致,SO2-4和HCO-3随季节变化没有明显的规律性;春季各盐分离子在土壤中分布极为不均。     

刺槐无性系苗期叶水势和相对含水量与土壤含水量之间关系研究

研究了刺槐无性系苗期叶水势、相对含水量和土壤含水量之间关系。参试刺槐无性系叶水势和土壤含水量之间呈双曲线关系,但不同无性系间参数A、B存在着差异,U5、NC和8041表达式参数“A”和“B”基本相近,且较小,而U2、U7和U9的的参数相对较大。无性系叶水势和饱和亏缺间呈线性关系,无性系间线性方程中斜率B大小不同,其顺序为:U7>8041>U2>U9>U5>NC;U7的斜率最大,说明遇到干旱时其最容易失水,而NC的斜率最小,说明当遇到干旱时其失水速度最慢。植物相对含水量和土壤含水量间呈线性关系。参试无性系B值大小顺序为:U7>U2>U9>8041>U5>NC,U7值最大说明遇到干旱时较易失水,而U5和NC最小则失水速度较慢。     

陇东地区主要土类土壤质地及其与水分常数相关性研究

对陇东地区主要农业土壤质地及水分常数的研究表明:各主要土壤类型的质地均属壤土类,但其中的砂粒、粉粒、细粘粒含量差异明显;各类土壤中小于0.005 mm土壤颗粒的含量与土壤吸湿水含量、最大吸湿量、凋萎系数之间具有明显的直线相关性,回归系数均达极显著水平,而与土壤有效水含量无明显相关性。据此提出陇东主要农业土壤的质地改良和水分管理对策。     

土壤含水量测定方法研究进展

综述了国内外近20a来测定土壤含水量的研究情况,总结了国内外常用的测定土壤含水量的方法及其原理, 比较分析了各种测定方法的优缺点,介绍了一些新兴的土壤含水量测试技术,提出了本领域中存在的主要问题及研究展望,指出未来的土壤含水量测定方法应当是朝着高精度、低成本、非破坏、自动化等方向发展。     

Biochar Application and Drought Stress Effects on Physiological Characteristics of Silybum marianum

Soil amending with biochar has been viewed as a sustainable way to improve soil moisture holding capacity. The potential of biochar application to improve water status of crops under drought stress has not been extensively evaluated. In this study, we evaluated the impact of biochar application (0%, 1%, and 2% w/w soil) on some important physiological traits of milk thistle (Silybum marianum L. Gaertn) under moderate and severe drought stress conditions in a controlled environment. Although, the application of biochar at the higher rate slightly improved soil moisture holding capacity, the magnitude of its effect was not sufficient to influence plant performance under drought stress. To get the positive effects of biochar application on milk thistle performance under drought stress, application with higher rates is probably necessary.     

不同微咸水组合灌溉对土壤水盐分布和冬小麦产量影响的田间试验研究

为了研究不同组合灌溉顺序对土壤水盐分布状况和冬小麦产量的影响,2003年-2005年在河北省中科院南皮生态试验站进行了冬小麦田间微咸水灌溉试验。通过对冬小麦主根区和100 cm深度土壤的水、盐分布状况和冬小麦产量进行分析,结果表明3 g/L的微咸水可以作为冬小麦的灌溉用水,但连续使用会导致土壤发生积盐;拔节期应尽量避免使用微咸水,且不宜连续使用微咸水进行灌溉,组合灌溉最好采用咸淡交替的方式;综合土壤的积盐状况和冬小麦产量分析,淡（拔节水）淡（抽穗水）咸（灌浆水）的组合灌溉顺序为最优方案,该研究为合理开发利用灌区地下微咸水提供了依据。     

太行山前平原高产农区土壤水分特征及农田节水潜力

根据连续4年对非耕地和田间土壤水分的测定，分析了太行山前平原高产农区土壤水分的变化规律，并根据该区主要作物冬小麦和夏玉米的需水规律，提出了农田节水潜力的两个方面。     

陕西省靖边县沙地水分与植被建设

根据毛乌素沙地靖边县海则滩镇钻孔剖面沙层水分含量的测定,研究了该区沙地剖面水分分布特点、沙层水分存在形式、水分平衡、大气降水对地下水的补给以及植被建设等问题。结果表明,该区500 cm深度范围内沙层剖面含水量的变化特点是草地0-200 cm和灌木林地0-300 cm含水量较低,草地200-500 cm和灌木林地300-500 cm含水量较高;草地沙层含水量明显高于灌木林地,草地含水量变化范围为1.0%~6.0%,平均为3.4%;灌木地含水量变化范围为0.7%~2.8%,平均为1.5%。草地沙层剖面200 cm以下有含量大于3%的高含量薄膜水和含量大于5%的重力水存在,显示大气降水对地下水的补给较强。灌木林地沙层中一般缺少重力水和高含量薄膜水,指示灌木林地降水对地下水补给较弱。该区水分为正平衡,其原因除了降水较多之外,沙层入渗率高和受蒸发消耗较少也是重要原因。由于靖边县沙地区降水量较多,沙地水分活跃层分布深度在200~300 cm之间,较沙漠区分布深度增加了100-200 cm。沙层水分含量的剖面变化表明,该区沙层水分能够满足耐旱灌木林生长的需要,适于发展防风固沙效果好的灌木林。     

不同密度刺槐林在蒸腾旺季的蒸腾特征

在蒸腾旺盛的7,8月份,选择典型晴天,对5种不同密度(1 400,1 600,1 800,2 000,2 200株/hm2)刺槐(Robinia Pseudoacacia L.)林的叶片含水量、蒸腾速率、叶水势、根水势日变化进行了观察,并测定了林地0-60 cm土层的土壤含水量.结果表明,(1)各密度林分叶片含水量的日均值在7,8月份均为ρ2200>ρ2000>ρ1400>ρ1600>ρ1800,8月低于7月;(2)不同密度刺槐林蒸腾速率日变化趋势在7,8月份呈现相似的变化规律,即随着林分密度的增大,蒸腾速率日变化曲线由"双峰型"趋于"单峰型",最大值均出现在下午13:00-14:00,日平均蒸腾速率在7,8月份为:ρ1800>ρ1600>ρ1400>ρ2000>ρ2200;(3)不同密度刺槐林叶水势的日均值在7,8月份均为ρ1800<ρ1600<ρ1400<ρ2000<ρ2200,但8月份明显低于7月份,其日变幅则明显高于7月份;(4)根水势高于叶水势,日变幅小于叶水势日变幅,日均值大小在7,8月份均为:ρ1800>ρ1600>ρ1400>ρ2000>ρ2200,且8月份低于7月份,而日变幅则是8月份大于7月份;(5)不同密度刺槐林一天中根、叶水势之差(Δψ)与蒸腾速率(Tr)的关系可以用对数曲线来拟合;(6)刺槐的叶水势随着叶片含水量的增大而升高,二者的关系可以用对数曲线来拟合;(7)不同密度林地7月份土壤含水量随土层深度的增加变幅较小,而8月份变幅较大,0-60 cm土层的土壤平均含水量随林地密度的增大而减小.从土壤水分的有效利用以及达到最佳生长状况的角度出发,建议试验区15年生刺槐林分密度为1 800株/hm2.     

陕西省靖边县不同土层含水量与干层差异研究

根据野外考察和土层含水量的测定，研究了靖边县沙地土层和黄土层土壤含水量。结果表明，靖边几个研究点的沙地土层平均含水量小于3%，杨树林地黄土层平均含水量为7％左右；沙地土层含水量远低于黄土层含水量，杨树林沙地和沙柳沙地已经出现了严重的土壤干层，杨树林地黄土层出现了发育中等的土壤干层，干层发育深度都已超过6m。干旱气候是引起干层发生的主要因素，人工灌木和树种消耗水分较多也促进了干层的发育。沙地区应以发展耐旱草灌为主的植被，黄土分布区也应发展草灌为主的植被，但在黄土分布的洼地区和有外来水源的地区可以发展耐旱的乔、灌、草相结合的植被。在靖边县这一土壤干层发育较严重的地区，造林一般不能带来良好的环境效益与经济效益，反而会导致深部土壤水分的过量消耗等不良后果，因此该区是不适于造林的地区。