Effects of plant roots on soil preferential pathways and soil matrix in forest ecosystems

To characterize effects of plant roots on preferential flow（PF）,we measured root length density（RLD）and root biomass（RB） in Jiufeng National Forest Park,Beijing,China.Comparisons were made for RLD and RB between soil preferential pathways and soil matrices.RLD and RB declined with the increasing soil depth（0–10,10–20,20–30,30–40,40–50,50–60 cm） in all experimental plots.RLD was greater in soil preferential pathways than in the surrounding soil matrix and was 69.5,75.0 and72.2 % for plant roots of diameter（d） ／1,1 ／ d ／ 3 and3 ／ d ／ 5 mm,respectively.Fine root systems had the most pivotal influence on soil preferential flow in this forest ecosystem.In all experimental plots,RB content was the sum of RB from soil preferential pathways and the soil matrix in each soil depth.With respect to 6 soil depth gradient（0–10,10–20,20–30,30–40,40–50,50–60 cm） in each plot,the number of soil depth gradient that RB content was greater in soil preferential pathways than in the soil matrix was characterized,and the proportion was68.2 % in all plots.

三边封基质自动包装机的设计与试验

无土栽培模式在我国的应用逐渐广泛,但基质栽培袋的机械化生产发展缓慢,造价昂贵的流水线式生产模式并不适合我国个体用户及中小企业的生产情况。为此,针对市场上缺乏小型、实用、低成本、自动化的基质袋生产设备的现状,设计了三边封基质自动包装机。机具在基质包装领域创新使用先装填再制袋的方法,采用PLC为核心的控制系统,由搅拌装置、定料装置、压缩装置、热封装置、换膜装置、机架、传动系统和控制系统组成。在此,介绍了整机的工作原理及各个装置的设计情况,并对整机的生产功能进行了试验验证。结果表明:三边封基质自动包装机能够自动化完成基质袋的生产,生产速率为36袋/h,包装质量满足设计要求,为无土栽培产业的机械化发展提供了技术支持。

基质土壤蒸汽消毒传热试验与分析

土壤消毒是设施种植中直接影响产量和品质的关键环节,而蒸汽消毒是最环保可靠的消毒方式,研究蒸汽在设施基质土壤中的传热效果。在试验过程中通过搭建基质土壤传热性能测试平台,研究出汽孔深度、蒸汽通入时间、蒸汽压力、土壤含水率各因素对蒸汽在土壤内传热效果的影响,并探究蒸汽从发生装置产生至1 h之间土壤温度随时间的变化规律。研究结果表明:当针头出汽孔深度为160 mm,蒸汽压力为0.4 MPa、通入蒸汽时间为8 min时土壤传热效果最佳,并且土壤含水率越高,其传热效果越好。在最佳因素条件下,通入蒸汽时间为8 min时土壤温度便可以迅速增长到最大值,且30 min后基本能维持在60℃以上同时满足杀毒要求。确定出汽孔深度、蒸汽通入时间、蒸汽压力、土壤含水率最佳参数后,结合实际消毒要求设计出一种与可移动式土壤蒸汽消毒机配套的罩盖式多针头蒸汽盘。

水下抗分散水泥土正交试验及配比优化方法研究

水流经过桩基时会形成漩涡侵蚀床面,影响桩基及上部结构的稳定性,冲刷治理是工程界关注的热点问题。为促进固化土技术在桩基冲刷修复中的应用,设计开展了抗分散水泥固化土系列正交试验。针对高岭土和淤泥土,选用PAM、EVA、黄原胶、HPMC四种抗分散剂,采用平均效果分析和极差分析,研究了抗分散剂种类、抗分散剂掺量、含水量和水泥掺量对流动度、浊度、7 d和28 d无侧限抗压强度的影响。结果表明:对于高岭土,抗分散剂掺量从0.25‰增大到1‰,水泥土流动度减小20%,浊度减小25%,抗分散剂掺量对流动性和抗分散性的影响显著。对于淤泥土,对抗分散性影响显著的仍是抗分散剂掺量,而对流动性的影响显著的则是含水量,含水量从1.4倍液限增大到2.0倍液限,水泥土流动度增大45%。基于综合平衡法、矩阵分析法和多元线性回归模型,提出了一种抗分散水泥土配比设计方法,研究得到了高岭土和淤泥土抗分散水泥固化土的推荐配比,其在泥沙起动实验中的抗冲刷特性明显优于原始土样。

生土建筑基体-面层界面抗剪性能的试验研究

采用天然生土(NS)、水性聚氨酯改性生土(WPS)、天然水硬性石灰改性生土(NHLS)、人造水硬性石灰改性生土(AHLS)制作了10组30个生土面层与基体黏结的试件。通过0、100、200 kPa垂直荷载作用下界面直剪试验,得到不同基体-面层的剪应力-位移关系曲线和抗剪强度。结果表明,界面主要发生黏结破坏。垂直荷载施加到100 kPa,抗剪强度提高20%~30%;施加至200 kPa,抗剪强度最高,部分界面出现啃断与黏结组合破坏。总体而言,WPS面层的抗剪强度和刚度均最大,但易产生基层剥离。AHLS和NHLS面层的抗剪性能较接近,均优于NS面层。

降雨作用下基于电导性能的土坡基质吸力时空变化试验研究

降雨作用下土坡基质吸力随时空而变化,直接影响土坡的瞬态稳定性分析。为研究降雨作用下土坡电导性能与基质吸力的时空变化与联系,通过人工降雨滑坡物理模型试验,将电阻率作为监测量与常规的含水率、基质吸力相结合,并在边坡模型上种植马尼拉草,研究植草边坡在均匀降雨、前小后峰和前峰后小这3种动态降雨模式下的入渗特征。研究结果表明:动态降雨模式下,降雨强度变化对土体电阻率和含水率均能产生影响,但都存在一定滞后性。降雨前边坡土体基质吸力、电阻率较高,随着深度的增加逐渐递减。降雨后表层土体基质吸力、电阻率出现较大跌幅,分布上呈现由浅层到深层逐渐增大态势。结合Keller改进的Archie拓展模型与VG模型,得到基于电阻率的残积土基质吸力计算模型,并用试验数据进行验证,结果较为合理,为非饱和残积土基质吸力的测量提供一种快速便捷的方法。研究成果有助于探究非饱和残积土边坡在不同降雨模式下的渗流特征,揭示了降雨作用下坡残积土的电导性能演化规律与基质吸力空间分布特征。

顾及植物生态劣化的山岭隧道控制排水量计算方法

山岭隧道排水会局部改变地层中地下水环境,在生态敏感区如果盲目采用以排为主的隧道排水原则,可能会诱发局部植物生态劣化。本文提出了一种顾及植物生态劣化的山岭隧道控制排水量计算方法,首先建立基于地下水达西渗流与土壤水Feddes原理耦合分析的土壤水分场模型,以植物生态吸水量、植物蒸腾量与降雨补给量作为上边界条件,以隧道排水速率作为下边界条件,以土壤水基质势阈值判别植物生态枯萎为优化逼近条件,最后采用黄金分割最优搜索方法,获得保障植物生态要求山岭隧道排水量控制值。以苏州七子山隧道为案例,采用本文所提方法得到以松杉为生态控制目标植物的不同控制断面隧道排水量分别为:洞口段排水量是329 m^(3)/d,深埋段排水量是336 m^(3)/d,浅埋段排水量是325 m^(3)/d;同时得到满足松杉生态要求的洞口段水位为地表以下3.6 m,深埋段水位为地表以下18.9 m;浅埋段水位为地表以下14.2 m。本文所提方法可以作为隧道排水量控制依据为山岭隧道生态控制与保护提供指导。

考虑基质吸力的非饱和土弹黏塑性本构模型

为了描述可控基质吸力下的非饱和土时效变形特征,提出一种考虑非饱和土基质吸力影响的弹黏塑性本构模型。新模型借鉴BBM模型对压缩特征曲线进行修正,给出非饱和土的压缩指数与基质吸力的关系函数,并将该指数引入到能描述土体超固结的下负荷模型,得到非饱和土的修正下负荷面;又以该下负荷面为参考屈服面,利用相对应力关系,建立了非饱和超固结土的弹黏塑性本构模型,并通过非饱和的三轴率敏性试验确定新模型中两个时效参数m′和c_(0)。结果表明:①模型能较好地表征非饱和土超固结比、基质吸力对其变形特征的影响;②由非饱和土的三轴率敏性试验确定的模型参数能较好地模拟其蠕变等时效变形。

大兴安岭东缘岩浆岩区地表基质风化成土过程常量元素特征及其意义

岩石—土壤风化成土过程中元素地球化学特征对于理解不同类型地表基质的转化机理和耦合关系有重要意义(侯红星等,2022)。笔者选取大兴安岭地区不同类型岩浆岩原生风化剖面为研究对象,查明常量元素在风化成土过程中迁移转化及分布规律特征,为解释岩浆岩背景区地表基质岩石风化与土质成土过程耦合关系研究提供依据。

原子吸收光谱法和分光光度法测定土壤六价铬对比研究

土壤六价铬监测在耕地保护中具有重要意义,不同原理测定方法结果的一致性是准确测定土壤中六价铬及研制土壤六价铬标准物质的技术基础,目前国内测定土壤六价铬的唯一标准是HJ 1082—2019《土壤和沉积物六价铬的测定碱溶液提取-火焰原子吸收分光光度法》,但土壤中六价铬的测定存在较为严重的基体效应。为建立准确测定土壤中六价铬的方法,采用氢氧化钠-碳酸钠碱溶液、磷酸盐缓冲溶液-氯化镁体系提取土壤六价铬,用原子吸收光谱法(AAS)和分光光度法(UV-Vis)测定,研究了基体效应对两种方法测定结果的影响。AAS测定土壤六价铬,基体干扰较为严重,制作标准曲线需要进行基体匹配,在线性范围0~2 mg/L线性良好,检出限0.42 mg/kg,方法精密度为2.1%;UV-Vis测定土壤六价铬几乎不受基体效应影响,以水为溶剂制备标准曲线,在线性范围0~0.2 mg/L线性良好,检出限0.12 mg/kg,方法精密度为3.4%。对分别来自安阳、安顺、兰州的低、中、高3种含量的实际样品测定,两种方法平行测定6次,经t检验两种方法无显著性差异,一致性较好,邀请国内十家高水平实验室进行协作定值实验,两种方法测定结果与其他实验室测定结果一致。通过基体匹配、稀释待测液和添加高锰酸钾等方法可显著减小基体效应、颜色及有机质对两种方法测定土壤六价铬的影响,两种方法均具有良好的精密度和正确度,适用于土壤六价铬的测定。

大兴安岭东麓黑土地地表基质空间分布特征及其生态效应

地表基质是指地球表层孕育和支撑森林、草原、水、湿地等各类自然资源的基础物质。不同的地表基质类型孕育和支撑不同的生态系统和植被类型,制约着生态要素的空间格局和演化趋势(葛良胜等,2020;侯红星等,2021)。本文以大兴安岭东麓阿荣旗为研究区,在研究地表基质和地表覆盖空间分布特征的基础上,定量评估研究区生态环境质量优劣,分析不同地表基质类型的生态效应特征,进而为黑土地保护管理与合理开发利用提供数据支撑和科学依据。

土壤导电机理模型及其对接地系统的影响

接地系统的稳定运行事关电力系统稳定,而土壤电阻率又是接地系统最重要的参数之一。目前,土壤电阻率多采用宏观的试验方法获取,缺乏对其微观机理的研究。基于此,首先,使用多物理场软件COMSOL Multiphysics建立土壤微观导电机理模型,计算孔隙率、粒径、水汽比、孔隙水电阻率和土壤基质电阻率对土壤电阻率的影响;其次,通过与文献实测值的比较验证本文模型的准确性;再次,计算土壤含水量参数对接地特性的影响;最后,由计算结果提出降低土壤电阻率的建议措施。计算结果表明,土壤电阻率受孔隙率、土壤基质电阻率、水汽比影响较大;接地电阻随含水量的增加以负指数函数式减小。

背包钻机在黑土地地表基质调查中的应用研究

为查清齐齐哈尔工作区黑土地地表基质平面及垂向空间分布等本底属性,设计土壤钻孔320个,钻探工作量1600 m,要求采取0~5 m土壤原状样品,样品按分层原则进行取样,以判断地表基质分层结构特征及理化性质等属性。为确保工程质量,采用了GL-10型背包钻机,该钻机为手持液压柱状土壤采样钻机,采用液压动力头驱动冲击圆凿和钻杆进行冲击钻进方式,有效解决了传统钻探的局限性和样品受污染等问题。本文阐述了背包钻机的钻进工艺以及工作原理,论证了其在等方面的突出表现。在调查施工过程中,展示了背包钻机的灵活性、便携性和高效性,以及在获取准确的地表基质样本和数据方面的可靠性。结果表明,背包钻机能够适应复杂多样的地表条件,为地表基质调查提供了一种便捷且有效的技术手段,显著提升了调查工作的精度和效率,对推动地表基质调查技术的发展具有重要的实践意义和应用价值。

重金属污染与生态风险评价——基于自组织地图和正矩阵分解的临澧县土壤研究

土壤重金属污染一直是环境科学中备受关注的问题。本文对中国临澧县土壤中六种重金属(As、Cd、Cr、Cu、Zn和Pb)的污染水平、分布、来源及其对生态环境的影响进行了分析。样本浓度分析结果显示Cd的浓度均超过背景值,超标率达到100%,其余元素的平均浓度与背景值相近,超标率均在13.5%以下。地累计指数和富集因子指数均显示Cd是污染最严重的元素,其他元素则处于轻度污染级别以下。自组织地图(SOM)和正矩阵分解(PMF)的分析结果显示农业活动是土壤中重金属元素主要来源之一,而自然风化和工业污染也会导致土壤污染。Cd是临澧县土壤中污染最显著的元素,对生态环境造成的影响最大,达到较高风险等级。本研究为降低土壤重金属污染和生态环境风险提供了重要参考,同时也为相关部门制定有效的污染防治、生态环境保护政策提供了理论指导。

广西玉林博白县富硒土壤重金属分布特征与来源分析

为推动地方绿色富Se产业发展和巩固脱贫成果,在广西壮族自治区玉林市博白县中北部连片农耕区采集表层土壤样品172件,农作物样品水稻100件、玉米30件和荔枝42件,利用统计学以及正定矩阵因子(PMF)模型分析了研究区土壤中Se和重金属元素的含量、空间分布特征及来源。结果表明,博白县表层土壤富Se率为42.08%,As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn超标率低,Cr和Ni不超标,土壤质量满足地方发展富Se农业的要求。空间分布特征显示,富Se土壤主要分布在径口镇、博白镇、亚山镇、顿谷镇和旺茂镇,土壤Se、As、Cr、Ni、Pb和Zn高值区与泥盆系东岗岭组和志留系连滩组地层分布一致,Cd、Cu、Ni、Pb和Zn在三滩镇明显富集。PMF分析结果表明,研究区土壤Se和重金属来源包括自然源(Se、Cr和Ni)、矿业源(Cd、Cu、Pb和Zn)、大气沉降来源(Hg)和农业源(As),各组来源的综合贡献率分别为29.52%、34.87%、23.15和12.45%。研究区水稻、玉米和荔枝的富Se率分别为90.0%、76.67%和2.38%,但水稻Cd超标率达24%,矿业活动是区域土壤Cd的主要来源,同时土壤整体呈强酸性~酸性,Cd的生物有效性高,导致水稻Cd含量较高。应加强工矿企业废渣、废水、废气排放的监管,开展土壤酸化治理或喷施富含Se元素的叶面阻隔剂,推动博白县绿色富Se水稻产业发展。

重庆某农业集中区土壤重金属污染评价与来源解析

土壤重金属污染问题日益突出,分析土壤重金属污染成因与来源对污染防治和风险管控具有重要的指导意义。选择重庆某农业土壤集中分布区域,综合采用地累积指数、污染负荷指数、相关分析、主成分分析和正定矩阵因子分析等多种方法,开展了土壤重金属污染特征分析、土壤重金属污染评价和重金属来源解析。结果表明,研究区土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni8种重金属元素平均含量均高于重庆市背景值。其中累积程度最高的重金属为Hg,其次为As和Cd,其平均含量分别为重庆市土壤背景值的54.70、3.03和1.50倍。地累积指数统计结果表明,研究区内土壤Hg和As污染程度较深且分布面积较广。污染负荷指数法评价结果表明,研究区土壤重金属以轻微污染和中度污染为主,研究区综合污染负荷指数(P_(zone))为1.76,整体上呈轻微污染。采用正定矩阵因子分析法对重金属来源进行定量解析,结果表明,研究区土壤中As和Pb的积累主要来自于工业活动和交通排放;土壤中Cr、Cu、Zn和Ni主要来源于自然地质背景;土壤Cd的积累与农业生产活动有关;区域Hg污染由汞矿开采引起。

干湿循环中膨胀土吸力和膨胀力变化规律研究

以江苏省宿迁市某膨胀土航道整治工程为例,通过室内试验,研究膨胀力与基质吸力随含水率与干湿循环次数的变化规律。结果表明,膨胀力随含水率增加而降低,干湿循环后膨胀力整体下降,其中吸湿过程膨胀力大于干燥过程,在一定次数的循环后逐渐稳定;基质吸力随体积含水率增大而减小,干湿循环次数的增加使得基质吸力下降,含水率越大降幅越小,滞回曲线不明显。试验数据拟合发现,膨胀力与含水率关系式用指数函数拟合、土水特征曲线用Gardner模型拟合效果最好。结合相应的非饱和土抗剪强度公式,能用于非饱和膨胀土边坡的相关研究。

不同覆膜方式对白及生长及根际土壤可培养细菌遗传多样性的影响

【目的】明确不同地膜覆盖对白及生长及根际土壤可培养细菌遗传多样性的影响,为生物质膜覆盖在白及种植上的应用提供理论支撑。【方法】采用大田试验种植白及,设置不覆膜(CK)、覆盖生物基质膜(BM)、覆盖塑料地膜(PM)3个处理,分别测定田间杂草去除率、白及农艺性状、白及根际土壤理化性质和根际土壤可培养细菌遗传多样性。【结果】覆膜处理(PM、BM)可有效抑制杂草生长,以BM抑制杂草效果最好,杂草去除率达99.74%。生物质膜覆盖可有效促进白及生长,与CK和PM相比,BM处理的白及叶片长宽比分别显著提高26.55%和22.03%,SPAD值显著增加21.92%和19.20%(P<0.05);BM处理可显著提高土壤肥力,土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量分别比CK处理上升26.58%、35.34%、49.80%、47.43%(P<0.05)。本实验从CK、PM和BM处理土壤分别获得26、23和29株细菌,BOXA1R形成42个遗传群,代表菌株的16S rRNA基因系统发育分析表明,供试菌株分布于8个属,较好地揭示了菌株间的遗传多样性。同时,不同处理土壤优势类群也存在差异,CK处理的优势细菌为粘着剑菌,占比15.4%,BM为假蕈状芽孢杆菌,占比13.8%,PM为花椒芽孢杆菌,占比17.4%。单独从BM处理白及根际土壤分离得到枯草芽孢杆菌、暹罗芽孢杆菌等9个具有促生功能的细菌种群。【结论】生物质膜覆盖种植白及在去除杂草、促进白及生长、有效提升土壤养分方面表现出优良的效果,具有良好的应用前景。

不同饱和度下膨胀土原位孔内剪切试验及强度响应特征

膨胀土强度随饱和度变化显著,非饱和膨胀土的抗剪强度一直是研究膨胀土工程问题的关键。选取南阳市某高速路沿线边坡膨胀土为研究对象,进行了天然条件下处于不同饱和度状态的膨胀土原位孔内剪切试验,获得了自然条件下膨胀土的抗剪强度随饱和度的变化特征。膨胀土的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角随着膨胀土饱和度的增大而逐渐减小。结合现场试验数据和土-水特征曲线,提出了以法向应力、饱和度为变量和以法向应力、基质吸力为变量的两种非饱和膨胀土的抗剪强度计算模型,并结合试验数据对计算模型的适用性进行了验证。与之前常用的非饱和土抗剪强度计算模型相比较,提出的两种计算模型所需的拟合参数少,适用于更宽吸力范围、不同法向应力条件下非饱和膨胀土抗剪强度的计算,且结果更为准确。

TAU-OMEGA遥感辐射模型改进与参数化

大尺度地表土壤水分信息的获取对水资源管理、农业生产以及气候变化等相关研究具有重要意义。TAU-OMEGA(τ-ω)模型是利用被动微波遥感技术进行大尺度土壤水分信息提取的常用模型。由于τ-ω模型忽略了植被层的体散射作用,该模型仅适用于L波段,存在C波段适用性差及模型参数无法定量计算的问题。针对此问题,该研究在分析植被冠层对微波散射机制的基础上,通过增加反映冠层多次散射作用的辐射添加项对τ-ω模型进行了改进,成功解决了模型在C波段的适用性问题;通过理论推导,得出了模型ω参数的理论计算方法,基于模拟数据集,实现了基于冠层叶面积指数的模型ω和τ参数的计算,解决了τ-ω模型中ω参数无法根据遥感数据进行定量计算的问题。以玉米冠层为例,在C波段(6.6 GHz),改进的τ-ω模型对地表微波辐射亮温的模拟值与实测数据保持了较好的一致性,模拟误差较改进前有了极大的下降,V极化均方根误差为3.02 K,H极化均方根误差为3.94 K,结果表明了该研究提出的模型改进与参数化方案的合理性,研究结果为联合光学和被动微波遥感数据进行大尺度土壤水分反演奠定了基础。