干湿效应下崩岗区岩土抗剪强度衰减非线性分析

发育于花岗岩的崩岗侵蚀区红土受干湿变化影响显著。通过室内直剪试验,研究了不同干湿效应对崩岗侵蚀区岩土抗剪强度衰减的影响。试验处理采用5种干湿效应水平(风干48h、风干24h、自然含水率、浸30s和浸60s)。结果显示:土壤黏聚力c和内摩擦角φ随干湿变化呈非线性衰减趋势,当土壤含水率13%左右时,对应的抗剪强度指标出现峰值;峰值强度前符合线性递增规律,峰值强度后符合一阶指数衰减规律。在风干阶段,抗剪强度主要受裂隙性影响,而在增湿阶段,基质吸力是影响抗剪强度的主要因素;探讨了干湿循环效应对崩岗侵蚀发育的影响。     

鄂东南花岗岩崩岗岩土抗剪强度与含水量的关系

崩岗是我国南方特殊的一种土壤侵蚀现象,其形成主要是由于岩土稳定性降低所致;土壤抗剪强度是表征崩岗岩土稳定性的重要指标,而土壤含水量是影响抗剪强度的关键因子.以通城县2处崩岗为研究对象,采集淋溶层(A)、淀积层(B)、过渡层(BC)和母质层(C)原状土样,通过室内直剪试验,研究崩岗岩土不同层次抗剪强度与含水量的关系及变化规律.结果表明:A层抗剪强度随含水量增加呈现先增大后下降趋势,其余各土层抗剪强度整体上随含水量增加呈现而下降,B层抗剪强度较大,C层抗剪强度最小,且B层抗剪强度受含水量影响最大;土壤黏聚力变化幅度较大,A层随含水量增加先增大后减小,其余各层均随含水量增加而减小,B层黏聚力在4个层次中最大,同时其衰减幅度也较大,C层因黏粒质量分数低、缺少胶结物质而黏聚力极低;土壤内摩擦角4个土壤层次均随含水量增加而减小.研究结果可为崩岗侵蚀机理研究以及进一步防治崩岗侵蚀提供理论依据.     

赣南崩岗区不同植被类型粉砂质土壤抗剪强度及其影响因素

为探究南方崩岗侵蚀区不同植被类型下土壤抗剪强度的分布规律,明确崩岗治理后土壤基本性质对抗剪强度的影响。以3种不同植被类型下崩岗各部位表层土壤为研究对象,对土壤基本性质的变化规律、抗剪强度参数变化特征及其影响因素,利用路径分析和主成分分析进行研究。结果表明,土壤抗剪强度由大到小依次为林地>柑橘地>灌木地>草地>侵蚀区,且柑橘地较灌木地土壤抗剪强度提高了29.74%。随地势降低,毛管孔隙度总体呈升高趋势,黏粒、粉粒等细颗粒物质占比也不断上升,汇聚于坡下。随着恢复时间增加,土壤养分含量逐渐上升。土壤黏聚力在同种植被类型下,随着恢复年限增加,表现为递增趋势,内摩擦角则表现为缓慢递减趋势,均表现为上坡最大。其中有机质、饱和导水率与黏聚力存在极显著相关关系,含水率、容重与内摩擦角也存在极显著相关关系。试验以总孔隙、毛管孔隙、黏粒含量和土壤饱和导水率来表征土壤饱和状态下的抗剪强度,建立了预测方程(R²=0.80,RMSE=5.95),结果表明该方程的可信度和预测精度均较高。研究结果揭示了不同植被类型抗剪强度的控制因素,可为南方崩岗侵蚀区恢复过程提供一定的...     

鄂东南崩岗区花岗岩风化岩土体抗剪强度的异向性

旨在从岩土力学性质的角度为崩岗侵蚀提供理论依据,采用直接剪切实验,对鄂东南崩岗区典型花岗岩风化岩土体剖面不同方向上原状土的抗剪强度进行测定,并分析了花岗岩风化岩土体抗剪强度在剖面尺度上的异向性及其影响因素。结果表明,饱和条件下,花岗岩风化岩土体黏聚力和内摩擦角的变化范围分别为3.19～19.26 kPa和26.50°～32.42°,其中B_2层黏聚力最大,而各层次间内摩擦角的差异并不明显(p0.05);黏聚力和内摩擦角均存在明显的异向性,其中水平方向总体大于垂直方向,且黏聚力的异向性较内摩擦角更明显。不同方向上抗剪强度的影响机理不同,其中,垂直于剖面方向上,黏聚力主要受毛管孔隙度(r=-0.97,p0.01)和粉粒含量(r=0.94,p0.05)的影响,而水平方向上仅与粉粒含量(r=0.91,p0.05)显著相关;而液限对水平方向上的内摩擦角影响显著(r=-0.99,p0.05)。对于花岗岩风化岩土体抗剪强度的异向性而言,其主要受自然含水率(r=-0.98,p0.01)、有机质(r=-0.93,p0.05)和塑限(r=-0.97,p0.05)影响。研究结果对于从力学稳定性角度揭示崩岗的发生机理具有重要意义。     

崩岗侵蚀的成因机理研究与问题

现有研究成果表明:疏松、深厚的基岩风化壳(尤其是花岗岩)是崩岗发育的物质基础,花岗岩内各种节理、裂隙存在形成大量的软弱结构面,使土体在重力作用下极易产生崩岗;降雨是崩岗侵蚀的重要诱发因素,它产生地表径流,引起冲刷,同时还通过入渗,增加土体自重和降低抗剪强度而促进崩岗发育;崩壁侵蚀量的测定是采用常规方法或航片结合常规调查的方法进行。由于这些研究未能明确崩岗侵蚀的主导岩土特性及随土壤含水量变化的规律,尤其是未能测定瞬时崩壁侵蚀量,导致成因机理的深入研究受到限制。为此,作者提出采用无棱镜全站仪测量瞬时崩壁侵蚀量,通过钻探方式获取自然地理条件相似的崩岗密集区与非崩岗区的岩土体,提炼主导岩土特性及与降雨的关系,进一步探讨崩岗侵蚀的成因机理。     

赣南崩岗侵蚀区不同部位土壤抗剪强度及影响因素研究

为明确南方崩岗侵蚀区不同部位土壤抗剪强度的分布规律,探索在崩岗发育过程中土壤基本性质对抗剪强度指标的影响,以不同发育阶段崩岗各部位表层土(0～20cm)为研究对象,对土壤基本性质和抗剪强度的差异进行对比研究。结果表明:(1)随着崩岗的发育,表层土壤基本性质逐渐恶化,容重逐渐减小,颗粒组成粗骨质化现象明显,土壤有机质的含量与根系密度的变化,均随崩岗的发育呈现出典型的退化特征;(2)崩岗各部位黏聚力和内摩擦角的变化规律相似,集水区部位达到峰值,沟道部位达到最小值,随崩岗的发育呈明显下降趋势;(3)根系密度与黏聚力有良好的线性相关关系,砾石含量、粉粒含量和黏粒含量对崩岗土体内摩擦角有显著影响,可以用幂函数表示它们之间的关系;(4)试验以根系密度、砾石含量、粉粒含量和黏粒含量来表征土壤饱和状态下的抗剪强度,建立了在崩岗发育过程中饱和抗剪强度的预测方程(R2=0.891,P0.01),结果显示方程可信程度较高,预测效果较好。研究结果揭示了南方花岗岩崩岗区不同发育阶段抗剪强度的控制因素,为进一步防治水土流失提供理论依据。     

基于三维激光扫描的崩岗侵蚀的时空分析

崩岗侵蚀过程及其侵蚀量的精准量化分析,是研究崩岗发育机理及其发展演化的基础,也是测算崩岗流域产沙输沙的前提,对崩岗预防和治理以及水土保持和生态建设具有理论和现实意义。本研究应用三维激光扫描技术,大致以半年为周期,在6次定位监测基础上,以广东五华县莲塘岗崩岗为例,对崩岗侵蚀过程进行了定量分析。研究表明,莲塘岗崩岗年平均侵蚀量为833 m3,其中雨季平均侵蚀量为499 m3,干季平均侵蚀量为291 m3,侵蚀模数高达222 408 t/(km2·a)。24 h降雨量大于等于50 mm的暴雨、特别是大于等于100 mm的大暴雨对崩岗侵蚀影响很大,暴雨总量与崩岗侵蚀量具有正相关关系。崩壁之下的崩积锥部位侵蚀量最大,占总侵蚀量的55.6%。40°~60°坡面的侵蚀量最大,占总侵蚀量的49%。最大侵蚀强度(单位面积侵蚀量)位于50°~60°和70°~80°的两个坡度区间。最为剧烈的侵蚀区为主沟与支沟两侧及沟头部位,侵蚀深度均大于1 m,最大深度可达2.5 m。前3个监测周期,沟道以快速下切、侧蚀和溯源侵蚀为主,兼有小规模崩塌;后2个监测周期,以重力崩塌为主,沟道侵蚀减弱。崩岗地形变化导致其水力与重力作用交替进行,使崩岗侵蚀呈现出波动式变化。     

闽西南崩岗土壤理化性质及可蚀性分异特征

崩岗是南方红壤区侵蚀沟在水力和重力交互作用下沟头遭受坍塌、陷蚀作用而形成的围椅状地貌,是该区域土壤侵蚀及生态系统退化的最高表现形式之一.为揭示崩岗侵蚀对土壤理化特性及可蚀性的影响,以福建省长汀县濯田镇黄泥坑崩岗群内植被盖度分别为2％,20％,95％的3个典型崩岗为研究对象,分别对崩岗系统内的集水坡面、崩壁、崩积体和沟口进行采样和理化特性的测定,并运用EPIC模型测算土壤可蚀性(K).结果表明:1)从集水坡面到崩壁、崩积体至沟口,3个崩岗的土壤砂粒质量分数、pH值和土壤密度呈升高趋势,粉粒、砂粒的质量分数和含水量呈下降趋势.2)1号和2号崩岗,集水坡面的土壤有机质质量分数最高,在崩壁最低;3号崩岗土壤有机质质量分数在崩壁处急剧下降,在崩积体中又明显上升.3)各崩岗中集水坡面、崩壁和崩积体的土壤颗粒组成、土壤密度和含水量差异较小,各土壤理化特性指标在沟口与集水坡面、崩壁和崩积体之间存在显著差异.4)崩岗系统内的集水坡面、崩壁、崩积体和沟口4个子系统的K值差异显著,1、2号崩岗呈现崩壁＞崩积体＞沟口＞集水坡面的变化规律,而3号崩岗则表现为沟口＞崩积体＞崩壁＞集水坡面的趋势.5)崩岗系统内的黏粒质量分数、pH值和有机质质量分数与土壤可蚀性关系密切,可以作为表征崩岗土壤可蚀性的有效指标.崩岗侵蚀造成土壤理化特性不断恶化,砂化严重,研究崩岗系统的土壤理化特性与可蚀性空间变化规律,对指导崩岗的恢复与重建具有重要意义.     

崩岗侵蚀区土壤物理性质分层差异及其对崩岗发育的影响

崩岗是我国南方红壤区最严重的土壤侵蚀类型之一。采集赣州市典型的花岗岩和红砂岩崩岗地区土壤样品,测试分析其红土层和母质层的黏聚力、内摩擦角和液塑性指标,结果表明:花岗岩崩岗地区母质层的抗剪强度显著低于红土层,而两者的液塑性指标值没有显著差异,说明母质层抗剪强度低是导致花岗岩地区崩岗发育的诱因;红砂岩地区红土层抗剪强度稍高于母质层,但两者间没有显著性差异,而红土层土壤液塑性指标值要显著高于母质层,说明母质层的低液塑性有利于红砂岩地区崩岗侵蚀的发育。花岗岩和红砂岩崩岗地区红土层的破坏容易诱发崩岗,因此保护红土层是预防崩岗侵蚀的关键。     

崩岗地貌侵蚀过程三维立体监测研究——以广东五华县莲塘岗崩岗为例

2011-2013年,大致以半年为周期,利用Leica ScanStation 2三维激光扫描仪对广东五华县莲塘岗崩岗进行6次野外定位监测,运用ArcGIS软件对6次监测数据进行对比分析,阐明崩岗流域侵蚀产沙的时空变化,提供精细化研究成果。研究结果表明,莲塘岗崩岗年平均侵蚀模数高达222 408t/(km2·a),主要侵蚀区位于海拔111~131m的崩积锥分布区,占侵蚀总量的55.6%,且崩岗中、下部位侵蚀强度高于崩岗上部。崩岗侵蚀量随崩岗表面坡度变化呈现正态分布的特征,侵蚀量最大值位于崩岗40°~50°的坡面部位。单位面积的崩岗侵蚀量大致随崩岗表面坡度的增大而加大,表明崩岗流域内坡度越大,侵蚀越强烈。在6次5个监测周期内,崩岗侵蚀方式具有明显变化,沟道发育是崩岗侵蚀发生的主要触发因素之一。前3个监测周期中,崩岗以沟道快速下切、侧蚀和溯源侵蚀为主,兼有小规模崩塌;后2个监测周期中,崩岗以重力侵蚀为主,侵蚀量先减少后增大。莲塘岗崩岗目前正处于壮年期阶段,地形是崩岗发育的主要影响因素。地形因素导致崩岗水力侵蚀与重力侵蚀交替进行,两者共同作用使得崩岗侵蚀发展过程呈现出螺旋式上升的演化模式。     

不同降雨强度下土壤结皮强度对侵蚀的影响

为定量分析土壤结皮对坡面侵蚀的影响,该文选择塿土、黄绵土、黑垆土和黄墡土4类土壤,分析其在3种雨强(60、90、120 mm/h)下的结皮强度变化规律。结果表明,当土壤含水率高于30%时,不同降雨强度下结皮强度差异不显著(P0.05),当含水率小于30%时,结皮强度随降雨强度增大而增强。以杨凌塿土10°坡面为例,进行坡面人工模拟降雨试验,分析计算不同强度结皮坡面的侵蚀产沙、径流剪切力、阻力系数以及流速,结果表明:结皮对坡面产流的影响并不显著,但其存在有效地减少坡面的侵蚀产沙量。结皮存在能有效地减少坡面产沙量,无结皮坡面的产沙量是结皮坡面产沙量的1.24~8.72倍。相同降雨条件下,结皮强度越大,其产沙量越小。进一步通过灰色关联分析得出:随着坡面结皮强度增加,水流功率对坡面侵蚀的作用效益不断减小,而阻力系数的作用效益增加,即水流增加产沙的正效应不断减弱;另一方面,结皮强度增大使得坡面土壤抗蚀性增强,因此,结皮强度越大,坡面侵蚀量将大幅度减少。研究可为准确有效预报坡面土壤侵蚀提供重要依据。     

紫色土坡地土壤性质对耕作侵蚀的影响

[目的]揭示土壤性质对耕作侵蚀土壤的敏感性,为紫色土区域采取适宜的耕作措施提供依据。[方法]利用磁性示踪技术定量旋耕机上下耕作和等高耕作的土壤耕作位移和土壤位移量,选取土壤容重、土壤含水量、土壤有机质、土壤全氮、土壤有效磷、土壤抗剪强度和土壤紧实度等土壤理化性质和力学性质指标,研究土壤性质对旋耕机上下耕作和等高耕作的耕作侵蚀的影响特征。[结果]旋耕机上下耕作和等高耕作的土壤净位移和净位移量不仅受坡度影响,也受土壤性质的影响。土壤力学性质和土壤物理性质对旋耕机耕作侵蚀有显著影响,对于上下耕作的土壤抗剪强度、土壤紧实度和土壤容重与土壤净位移量呈显著正相关。对于等高耕作措施的土壤抗剪强度、土壤紧实度、土壤容重和土壤含水量与土壤净位移量呈显著正相关,其他指标关系不显著。[结论]土壤抗剪强度、土壤紧实度和土壤容重可以作为评价耕作侵蚀的土壤可蚀性指标。     

湿润速度和累积降雨对土壤表面结皮发育的影响

土壤表面强度和微结构显微照片是研究表土结皮的重要指标和直接表征。以两种典型的土壤(垆土和黑土)为研究对象,采用2mmh-1(慢速)和50mmh-1(快速)两种速度湿润后进行雨强为60mmh-1的降雨,研究不同湿润速度和累积降雨对结皮发育的影响。结果表明:湿润速度对垆土结皮发育过程的影响不明显,土壤表面强度主要由累积降雨打击夯实引起;快速湿润对黑土结皮发育有显著的影响,慢速湿润后黑土在60min降雨过程中没有明显的结皮,累积降雨的打击起次要作用;湿润速度和累积降雨的对结皮发育的影响取决于土壤团聚体稳定性。     

紫色土坡耕地生物埂土壤抗剪强度对干湿作用的响应

生物埂土壤水分在次降雨中存在"干-湿-干"变化过程,这对生物埂土壤抗剪强度具有削弱作用。该文以紫色丘陵区花椒埂(HJ)和桑树埂(SS)为研究对象,通过根系现场挖掘法和土壤物理、力学性质测定等综合方法,研究生物埂土壤水分及抗剪强度在天然降雨干湿作用下的衰减-恢复效应。结果表明:1)生物埂土壤含水率随干湿作用表现出"急剧增加-急剧降低-稳定波动"趋势,小雨条件下生物埂0~20 cm土壤含水率变化明显;而在大雨和暴雨条件下,生物埂0~30 cm土壤含水率均变化明显,且分别在3种降雨发生后第5、7、9天土壤含水率趋于稳定;2)生物埂土壤黏聚力和内摩擦角均呈现"急剧衰减—相对稳定—逐渐恢复"趋势,小雨条件下生物埂对土壤黏聚力和内摩擦角具有增强效应且随垂直深度呈降低趋势;3)花椒埂、桑树埂在暴雨条件下能显著削弱干湿作用对土壤抗剪强度的劣化效应,2种生物埂的土壤黏聚力劣化率较对照埂分别降低44.03%、65.05%,而内摩擦角劣化率分别降低42.47%、45.70%。研究结果可为紫色丘陵区坡耕地生物埂措施设计和坡耕地耕层水土资源保护利用提供技术支持。     

Phosphorus desorption affected by drying and wetting cycles in Ferralsols and Luvisols of Brazilian Northeast

Semiarid soils are subjected to wetting and drying cycles which influence sorption and desorption of applied phosphorus fertilizer. Phosphorus desorption was determined in soils from toposequences of two soil groups (Ferralsol and Luvisol) from a semiarid area, subjected to wetting and drying cycles. Samples from surface and subsurface horizons of upslope, midslope, and downslope positions were incubated for 4 months with phosphorus doses corresponding to 0, 5, 10, 25, 50, 75, and 100% of the maximum adsorption capacity, under constant moisture (80% water retention capacity) or 12 cycles of wetting and drying. Phosphorus desorption was lower in the Ferralsol than in the Luvisol, and lower in the subsurface than in the surface horizons, probably due to greater clay, Fe, and Al oxides contents, but they were similar among slope positions, of same mineralogy. Desorption tended to be greater in samples submitted to wetting and drying cycles but differences were small. P recovery reached 40–50% in the Luvisol, and 30–40% in the Ferralsol. The relatively low P retention capacity suggests a high residual effect of the P applied. Therefore, in relation to P losses, water retention techniques are less important than those that prevent soil erosion.     

黄土坡面细沟水流剪切力及其侵蚀效应研究

采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验方法,对黄土坡面细沟水流剪切力及其侵蚀效应进行了试验研究。结果表明:(1)细沟水流切应力随径流历时的变化,各雨强条件均表现出增大趋势,可用线性方程很好地描述,增大速率在产流6min之后略有减小。(2)细沟水流切应力随径流历时的变化,不同坡度下也不断增大,可用直线方程进行描述,产流过程中变化趋势较为一致,其中两个大坡度下增加速率较小坡度下稍大,产流12min以后更大。(3)坡面细沟水流平均切应力随雨强增大而增大,可用对数方程描述。随坡度增加而迅速增大,可用幂函数方程描述。随雨强及坡度的变化可用二元幂函数方程描述。(4)不同雨强及坡度下,细沟侵蚀率随细沟水流切应力的增大而增大,可用线性方程描述。研究表明,细沟水流剪切力具有显著的侵蚀效应,是产生细沟侵蚀的重要水力学参数和水动力学根源。     

草被减流减沙效应及其力学机制分析

 利用人工模拟降雨试验,定量研究不同降雨强度下20°坡面草地的减流减沙效应,探讨草被坡面固土作用的力学机制。结果表明:在45、87和127mm/h降雨强度下,草地坡面土壤的平均入渗率是裸地坡面入渗率的2.1～4.2倍;与裸地相比,草地径流流速减少77.3%～79.8%,径流量减少51.9%～99.1%,产沙量减少93.6%～99.2%;从力学角度分析坡面土壤颗粒的受力情况,建立的坡面产沙量与径流切应力的关系模型可用于草被坡面土壤流失量预测;试验条件下,草地临界径流切应力值为2.857N/m2,裸地临界径流切应力值为0.861N/m2,坡面产沙量随径流切应力的增大而增大。研究结果对定量评价草被减流减沙作用和深化土壤侵蚀力学过程有一定的参考意义。     

海藻多糖抗蚀剂对土壤抗剪与入渗特性的影响

施用土壤抗蚀剂是提升土壤流失治理效果的有效途径之一,现有材料生态效益不能满足耕地的使用需求,寻找生态效益优良的新型土壤抗蚀材料是目前的研究热点与关键。该研究以土壤内源性多糖为基材制得的土壤抗蚀材料为对象,通过直剪试验、土壤崩解试验与变水头入渗试验分析施用量、养护时间对土壤抗剪、入渗等特性的影响,以探讨其防治耕地水土流失的潜质。试验结果表明,海藻多糖抗蚀剂可以在较大程度上提升土壤内聚力,在相同养护时间下,土壤内聚力与其施用浓度呈正相关,在施用浓度1%时4种养护时间下平均提升3.33倍;在同一施用浓度下,土壤内聚力随养护时间延长而增加,短时养护就能取得较好效果。施用浓度与养护时间对内摩擦角的影响较小,施用海藻多糖抗蚀剂后内摩擦角仅小幅增加。土壤抗崩解性随施用浓度的增加而增加,少量施用就能取得良好效果,在施用浓度0.25%时,土壤崩解系数减少66.1%,当施用浓度达到1%时,试验条件下没有崩解发生。渗透系数随施用浓度增加先增加后减小,于0.25%时达到最大值2.86×10-5 cm/s,于1%时达到最小值0.91×10-5 cm/s,都属中等透水层。对固土机理进行了探讨,并通过扫描电镜测试进行验证,结果表明海藻多糖抗蚀剂可通过土壤孔隙渗透扩散到土体内部,包裹土壤颗粒,进而利用自聚交联、凝胶固结在土壤表面和孔隙形成网状膜结构,增强土壤颗粒间的连接,提升土体强度,可拓宽坡耕地土壤侵蚀防治材料的选择范围。