虚拟仿真技术在土壤侵蚀原理实验教学中的应用

随着数字化、信息化和仿真技术的发展,虚拟仿真技术在本科教育教学中广泛应用。本文以土壤侵蚀原理课程实验教学为例,从实验内容、成绩考核、教学方法等方面介绍了如何借助虚拟仿真实训实验提高学生实践操作能力。实践证明,运用“虚实结合+翻转课堂”的教学模式,能充分激发学生参与实验的兴趣,帮助学生更好地理解和记忆理论知识,提高实践操作能力,值得广泛推广。

树种对土壤团聚体有机碳分布特征的影响

明确不同树种对土壤团聚体有机碳分布特征的影响,将有助于合理选择成都平原造林树种。以亚热带同质园中7种阔叶树种:大叶樟、油樟、香樟、天竺桂、香椿、红椿和桤木为研究对象,5 a(2015-2020年)后测定不同树种人工林和邻近撂荒地土壤团聚体组成及有机碳含量和储量分布特征。结果表明:1)不同树种及撂荒地土壤团聚体组成均以2~5 mm和>5 mm团聚体为主,两者含量之和均>90.11%,且不同树种及撂荒地土壤团聚体含量随粒径的减小而降低;2)天竺桂各团聚体粒径间有机碳含量最高,香樟各团聚体粒径间有机碳含量最低;在0~30 cm的土层中,不同树种及撂荒地土壤团聚体有机碳储量均表现出随着团聚体粒径的减小呈递减的变化趋势;3)同质园不同树种未影响土壤团聚体的平均重量直径和几何平均重量直径,但对土壤团聚体的分形维数具有显著影响。在0~20 cm土层中,土壤团聚体分形维数以天竺桂最低,大叶樟最高。研究表明,树种可能通过改变凋落物的输入及根系活动影响土壤团聚体有机碳分布,樟属植物相比其他树种更有利于土壤团聚体的形成、结构及稳定性,增加土壤有机碳的含量及储量。

成都市温江区两种绿地土壤抗蚀抗冲性及其影响因素

[目的]探究成都市温江区道路绿地和校园绿地土壤抗蚀、抗冲特征及其影响因素,为城市绿地水土保持和生态可持续发展提供理论支持。[方法]采用野外取样与室内试验相结合的方法,对道路和校园绿地中乔木+草地、乔木+灌木、灌木、灌木+草地、草地开展土壤抗蚀抗冲性特征研究。[结果]>5 mm土壤水稳性团聚体含量在道路(79.72%)和校园绿地(39.23%)均表现为最大。土壤总孔隙度、土壤含水量和土壤粉粒含量均表现为:校园绿地>道路绿地(p<0.05)。土壤平均重量直径(MWD),土壤几何平均直径(GMD)、土壤抗蚀性指数、水稳性指数和抗冲指数均表现为:道路绿地>校园绿地(p<0.05),其中乔木+灌木和灌木+草地结构土壤抗蚀抗冲性优于其他植被结构,土壤抗冲系数均随坡度增大而减小。土壤抗蚀、抗冲性指数与>5 mm土壤水稳性团聚体、有机质含量和土壤黏粒均呈极显著正相关;与土壤团聚体破坏率(PAD),不稳定团粒指数(ELT)、<0.25 mm,0.25~2 mm水稳性团聚体呈极显著负相关(p<0.01)。[结论]道路绿地乔木+灌木和灌木+草地结构土壤抗蚀抗冲性最好,校园绿地可以通过调整植被结构增强抗逆性和观赏性,降低土壤侵蚀风险。

华北土石山区优先流区与基质流区土壤特性分析

在非饱和土壤中,优先流是一种较为常见的现象。针对华北方土石山区的优先流现象,在鹫峰森林公园选取6块样地,利用染色示踪法获取优先流路径,分析林地优先流区和基质流区土壤孔隙度与水分变化的差异,以及土壤初始含水率对优先流(最大染色深度、50%染色深度、染色比例)的影响。结果表明:1)土壤中优先流区非毛管孔隙度和总孔隙度比基质流区的大,毛管孔隙度在优先流区与基质流区无明显差异;2)试验后优先流区土壤含水率变少,含水率减少平均比例是21%,基质流区试验前后含水率几乎无变化,含水率变化比例是0;3)初始含水率与染色比例呈正相关(R2=0.679),与50%染色深度呈正相关(R2=0.527),与最大染色深度相关性小(R2=0.236)。

华北土石山区森林土壤中石砾分布特征对土壤大孔隙及导水性质的影响

为了探究土壤中石砾对大孔隙形成的作用及对饱和导水率的影响,研究京郊密云水库水源涵养林内土壤石砾分布特征、大孔隙分布特征以及与饱和导水率之间的关系。结果表明：（1）林区0—30cm土壤层内石砾体积含量范围为7.10%-22.05%,质量含量范围为10.76%-38.20%,且石砾多集中分布于5-10mm粒径范围内;石砾含量随坡向呈现阳坡〉阴坡〉半阴半阳坡的规律;（2）石砾含量与当量孔径〉1.5mm的孔隙密度呈现极显著相关关系（p〈0.01）,粒径〉5mm的石砾体积含量与大孔隙密度具有显著相关性（p〈0.05）,说明砾石主要影响较大孔隙,特别是粒径〉5mm的石砾对大孔隙的形成影响较大;（3）当量孔径〉1.5mm的孔隙数量仅占总孔隙数量的1.41%,但对导水速率的贡献率为54.44%;饱和导水率与其呈线性关系。

鹫峰地区不同植被群落土壤性质及饱和导水率特征

为了探究鹫峰国家森林公园不同植被群落土壤性质及饱和导水率的特征,对鹫峰地区6种不同植被群落林区进行土壤取样,测定土壤基本性质与养分元素含量,并用环刀分层取土进行水分穿透试验,测定土壤饱和导水率,对比分析不同植被群落土壤性质、土壤养分及饱和导水率特征。结果表明:鹫峰地区不同植被群落土壤石砾含量及土壤分形维数表现为裸地>矮型草本>矮型灌木>乔木林>混交林;土壤密度、土壤含水率、土壤孔隙度、土壤饱和导水率及表层(0—30cm)土壤全氮、速效钾、速效磷含量均表现为混交林>纯林>灌木林>草本>裸地。在今后的人工林营建中,要优先考虑适宜的混交林,因为其对土壤的改良以及水源涵养能力的提高有最优效果。

鹫峰地区土壤结构及水分运移能力随海拔梯度的变化

[目的]分析土壤性质及饱和导水率与海拔之间的关系,为该地区的土壤性质及土壤导水性能的空间异质性提供参考。[方法]用环刀分层取样对北京市鹫峰低海拔地区不同海拔的6块样地进行土壤性质测定,并进行水分穿透试验。[结果]鹫峰低海拔地区土壤密度、总孔隙度及0.25水稳性团聚体与海拔之间无相关关系;土壤含水率及石砾含量均表现出与海拔极显著的相关关系,其中土壤含水率随海拔的升高而升高,石砾含量随着海拔的升高而降低;大孔隙密度及饱和导水率与海拔呈现较显著的相关性,其中0—20cm土层土壤大孔隙密度与导水率随着海拔的升高而升高,40—60cm土层土壤则表现出土壤大孔隙密度及饱和导水率随着海拔的升高而降低的规律。[结论]海拔梯度与土壤性质密切相关,在今后对土壤结构及水分运移能力的研究中不能忽略海拔对其的影响。

降雨强度和坡度对中国紫色土区玉米苗期氮素流失的影响

土壤氮素流失会降低土壤生产力,导致水体富营养化,该研究旨在揭示中国西南紫色土区坡耕地玉米苗期氮素流失机理。采用人工模拟降雨方法,在玉米苗期进行模拟降雨,结合川中丘陵紫色土区夏季暴雨多的特点,开展降雨强度为60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h,坡度为10°、15°和20°条件下氮素流失特征的研究。结果表明,玉米苗期,随降雨时间的持续,径流量和侵蚀产沙量均呈增加的变化趋势。随降雨强度和地表坡度增加,地表径流量和侵蚀产沙量呈增大的变化;地表径流和侵蚀产沙中氮素流失量也呈增加的变化趋势,而壤中流中氮素流失量却呈减少的变化趋势。玉米苗期,可溶性总氮为地表径流和壤中流中氮素流失的主要形态,硝态氮为可溶性总氮流失的主要形态。玉米苗期,地表径流和侵蚀产沙中总氮流失量不及氮素流失总量的50%,壤中流为氮素流失主要途径。地表径流、壤中流与径流和壤中流中氮素流失量之间呈线性关系。随着降雨强度和地表坡度的增大,地表径流、侵蚀泥沙和氮素流失量总体呈增加的变化。然而,壤中流及其氮素流失量却呈相反的变化趋势。

土壤大孔隙结构对饱和导水率的影响

【目的】探究土壤不同孔径大孔隙结构特征及数量对土壤饱和导水率的影响,为研究区域土壤水分−溶质迁移规律、水土流失治理与土壤污染防治提供理论参考。【方法】以京郊密云水库五座山林场水源涵养林为研究点,基于工业CT扫描技术,对土柱中土壤大孔隙三维空间结构重建后,探究不同孔径大孔隙结构特征参数密度及数量密度对土壤饱和导水率的影响。【结果】(1)除当量孔径大于4.30 mm以外的大孔隙,当量孔径越大,其数量密度越小,结构特征参数密度越小;(2)6个样地3个土层内当量孔径为0.31~2.30 mm的大孔隙占所有孔隙的比例均高于95%;(3)样地1、2、5和6中饱和导水率最大的均在0~10 cm土层,且除样地6外,均随深度增大而减小,样地4的饱和导水率随深度增大而增大;(4)除当量孔径大于4.30 mm的大孔隙体积密度外,5个径级所有其他的大孔隙特征值密度均与饱和导水率呈显著正相关。【结论】(1)在0~30 cm土层内,大部分样地的饱和导水率随土层深度增加而减小,但也会出现随深度增加而增大的情况;(2)林地土壤的大孔隙当量孔径主要集中在0.31~2.30 mm,其占有率高达95%;(3)当量孔径越小的大孔隙,除大孔隙体积和表面积外的大孔隙结构特征参数密度越大;(4)除当量孔径>4.30 mm的大孔隙体积密度以外的大孔隙特征参数与饱和导水率均呈显著正相关,大孔隙数量对饱和导水率的影响要显著大于大孔隙结构参数。

华北土石山区森林土壤大孔隙对土壤理化性质及根系的响应

土壤大孔隙是土壤水分、空气、化学物质及污染物优先运移的主要通道,对其形成机制的研究至关重要。以往对大孔隙的量化局限于传统方法,大孔隙三维形态特征的量化分析及其影响因素是目前大孔隙的研究重点。利用CT扫描及图像处理分析技术量化大孔隙三维形态特征参数,同时测定土壤基本理化性质及根长密度,分析土壤大孔隙三维特征对土壤理化性质及根系的响应。结果表明:土壤密度及土壤砂粒含量与大孔隙特征参数不存在相关关系;土壤有机质含量、土壤根长密度与大孔隙体积密度、大孔隙表面积密度、大孔隙数量密度呈现显著正相关关系,与大孔隙平均迂曲度呈现显著负相关关系。林木根系与土壤有机质对土壤大孔隙三维特征产生积极影响,表现为根系及土壤有机质含量越多,则大孔隙含量也越多,并具有更差的弯曲度。在今后对山地森林抚育管理、土壤水分运动机理及地下水污染评估等研究过程中不能忽略根系及土壤有机质差异对土壤大孔隙的重要影响。

张家口清水河上游流域植被指数时空变化特征

为研究清水河上游流域植被指数的时空变化特征及其驱动因子,基于1999—2015年张家口清水河上游流域的气象数据、SPOT Vegetation NDVI数据,结合NDVI与RUE研究该时段研究区植被指数的时空变化,并分析多年来气候和人类活动对植被覆盖度变化的影响。结果表明:1)清水河上游流域植被指数从东向西逐渐减小;2)1999—2015年研究区植被指数不断波动,并呈现上升趋势,85%的区域为植被改善区;其中,8.5%为明显改善区,71.6%为中度改善区;3)1999—2015年,研究区植被变化的主要驱动因子为人类活动,且该区人类活动主要表现为正向干扰;4)年降水量影响年NDVI的波动,同时也是研究区植被空间分布的决定性因子。该研究为地区植被恢复、生态系统稳定和景观功能完善,提供科学依据和决策服务。

华西雨屏区不同林龄柳杉人工林土壤团聚体碳氮磷化学计量特征

探讨不同发育阶段柳杉人工林表层土壤团聚体组成、有机碳(C)、全氮(N)和全磷(P)含量及其化学计量比的变化特征,可为华西雨屏区人工林科学经营管理和土壤肥力提升提供理论依据。本研究以洪雅林场内幼龄林(7年生)、中龄林(13年生)、近熟林(24年生)、成熟林(33年生)和过熟林(53年生)5个关键生长阶段的柳杉人工林为对象,运用干筛法对0~15和15~30 cm两个土层不同粒径土壤团聚体C、N、P含量及生态化学计量特征(C/N、N/P、C/P)进行分析。结果表明:柳杉人工林土壤团聚体粒径分布随林龄变化存在差异,近熟林和成熟林阶段柳杉人工林具有更高比例的大团聚体(0.5~1和1~2 mm粒径),且近熟林具有更低比例的微团聚体(0.053~0.25 mm)和粉黏粒(<0.053 mm)。土壤团聚体C、N、P含量及其比值均随林龄增加呈先上升后下降的单峰形式,在接近成熟和成熟林分的柳杉人工林中达到最高值。此外,在同一林龄的人工林中,0~15 cm土层团聚体C和N含量高于15~30 cm土层,且在表层土中粒径为0.5~1和0.25~0.5 mm的团聚体C和N含量均最高。综上,近熟林和成熟林阶段柳杉人工林具有更高的团聚体养分含量,是柳杉人工林土壤地力维持和可持续经营管理的关键林龄阶段。

大渡河干旱河谷区不同土地利用方式下土壤抗冲性特征

为弄清干旱河谷地带土壤抗冲性的变化特征,采用野外调查与原状土冲刷相结合的方法,开展干旱河谷区不同土地利用方式下土壤抗冲性变化特征研究。结果表明:1)在土壤冲刷过程中,3种土地利用方式径流含沙量总体呈先减少后趋于平稳的变化趋势;土壤抗冲性符合随冲刷时间的延长而增强的规律。2)土壤抗冲性与团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)呈极显著正相关,与>0.25mm团聚体含量(WR0.25)和土壤非毛管孔隙度呈显著正相关,与土壤容重呈显著负相关;土壤抗冲性与根长密度、根表面积密度和根体积密度呈极显著正相关,与根重密度呈显著正相关。3)草地抗冲性能最好,经果林次之,农耕地最差。研究表明改善土壤结构、提高土壤团聚体稳定性及增加根系密度对强化土壤抗冲性起到重要作用,研究区可通过土地利用方式调整,以期为干旱河谷地带水土流失有效防控提供科学依据。