微生物诱导碳酸钙沉积固化三峡库区黏性紫色土试验研究

三峡库区自然灾害频发,微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术是一种具有能耗低、无污染且可持续等优点的土体加固技术。黏性紫色土是三峡库区主要土壤类型,土壤孔隙较小,而MICP对其加固效果尚不明确。设置不同巴氏芽孢杆菌菌液浓度(OD_(600)为0、0.5、1.0、1.5)和胶结液浓度(0、0.5、1.0、1.5、2.0 mol/L)组合,对土壤试样进行MICP固化处理。开展不固结不排水三轴剪切试验,研究各试样的应力-应变关系、弹性模量和抗剪强度指标(黏聚力、内摩擦角),并利用扫描电镜测试分析其微观结构。结果表明:固定菌液浓度或胶结液浓度时,抗剪强度、弹性模量及黏聚力均随胶结液浓度或菌液浓度的增加呈先增后减的变化趋势,最适菌液与胶结液浓度组合为菌液OD_(600)=1.0和胶结液1.5 mol/L。平均内摩擦角随胶结液浓度的增加呈先增后减趋势,而胶结液浓度不变时,在菌液浓度OD_(600)=0.5或1.0时达到最高。固化后试样抗剪强度、弹性模量、黏聚力及内摩擦角最大分别提高62.59%、50.18%、119.50%和10.33%(226.00 kPa、6.44 MPa、48.30 kPa和26.70°)。通过扫描电镜观察发现MICP加固紫色土形成了大量球状碳酸钙晶体和片状碳酸钙晶体,分布于土壤颗粒表面和间隙中起胶结作用并增加土颗粒表面粗糙度,从而提升了土的黏聚力和内摩擦角。MICP可以有效提高紫色土的强度,在菌液浓度为OD_(600)=1.0和胶结液浓度1.5 mol/L组合时加固效果最优。

脲酶诱导碳酸钙沉积(EICP)减小三峡库区紫色土分离能力效果

为探究脲酶诱导碳酸钙沉积(enzyme-induced carbonate precipitation,EICP)减小三峡库区紫色土分离能力效果,该研究设置5个EICP浓度(0(CK对照)、0.5、1.0、1.5和2.0 mol/L)和6个养护时间(1、7、15、30、60和120 d),开展模拟冲刷试验分析土壤分离能力,通过表观黏聚力和碳酸钙含量变化阐明EICP作用下紫色土分离能力变化原因,并从微观角度揭示其减蚀机制。结果表明:与CK对照相比,EICP处理显著减小土壤分离能力,随着EICP浓度的增加,紫色土分离能力呈现先减小后增大的变化趋势,在浓度为1.5 mol/L时效果最佳;而随着养护时间的延长,紫色土分离能力呈现先快速减小再缓慢减小的变化规律,CK对照在前30天减小明显,EICP处理下在第7天时减幅明显,减幅占总减幅的85.79%~92.21%。表观黏聚力与碳酸钙含量随EICP浓度的增加先增大后减小,而随养护时间的延长分别呈持续增大和先增大后趋于稳定的变化趋势。EICP作用下紫色土碳酸钙聚集是引起分离能力降低的重要原因,表观黏聚力和碳酸钙含量与紫色土分离能力呈现显著指数函数关系(P<0.01),能够很好解释紫色土分离能力的变化。研究结果表明EICP能够有效减小紫色土分离能力,可为三峡库区水土流失治理提供理论指导。

紫色土地区水文特征对硝态氮流失的影响研究

采用人工降雨模拟的方法,研究水文传输途径对紫色土中NO3--N流失的影响.研究结果表明,在所有雨强中均观察到壤中流的存在.在小雨强长历时的降雨中壤中流的径流量大于大雨强短历时降雨;随着雨强的增大,壤中流的径流系数下降.在紫色土地区,氮素的流失途径不仅包括地表径流而且包括壤中流,并且壤中流是NO3--N的主要水文传输途径.无论是否受到施肥措施的影响,壤中流中NO3--N浓度均高于地表径流.在对照小区,壤中流中NO3--N平均浓度是地表径流的7倍以上;施肥后壤中流NO3--N平均浓度为26.07mg.L-1,是地表径流的20倍以上.在对照小区,壤中流NO3--N的流失量占流失总量的30%以上;在施肥小区,壤中流NO3--N流失量占总流失量的90%以上.在紫色土地区,土壤特征和降雨特征决定了该地区壤中流形式的普遍存在,而NO3--N以壤中流流失的特点与当地施肥习惯的耦合效应增大了该地区的NO3--N流失风险.

坡度对三峡库区紫色土坡面径流侵蚀的影响分析

基于运动波理论,在紫色土坡面径流侵蚀力和径流侵蚀能力的影响因素分析基础上,对三峡库区紫色土坡面土壤侵蚀的临界坡度进行了分析,分析结果表明：（1）坡面径流流量、水深和流速均随降雨强度的增大而增大,坡面径流流量和坡面径流水深随坡度的增大而减小,而流速随坡度的增大先增大再减小,在坡度为33.21°时达到最大值;（2）坡面径流侵蚀力随着降雨强度的增大而增大,而坡度对它的影响较为复杂,这个特定坡度随降雨强度和坡长的增大而减小,随坡面土壤颗粒粒径的增大而增大,对紫色土坡面而言,在37.14°-46.19°之间;（3）坡面径流侵蚀能力在临界坡度处达到最大值,临界坡度是一个变量,随降雨强度和坡长的增大而减小,随坡面土壤颗粒粒径的增大而增大,紫色土坡面径流侵蚀的临界坡度在35.93°-40.78°之间。

三峡库区农桑配置对地表氮磷流失的影响

为优化三峡库区紫色土旱坡地农桑配置方式,提高库区水土保持效果和生态环境效益,本试验通过采用三带等高桑＋等高耕作、三带等高桑＋交叉耕作、两带等高桑＋等高耕作、两带等高桑＋交叉耕作、传统等高耕作等5种处理研究了不同农桑配置方式对旱坡地地表氮磷流失的阻抗效果。结果表明,农桑配置方式能够显著阻抗地表径流和氮磷流失,但不同配置方式间存在显著性差异;三带等高桑＋交叉耕作方式较其他方式能更显著地降低地表径流中全氮（磷）、可溶性氮（磷）、颗粒态氮（磷）的流失和氮（磷）年流失负荷量,地表径流中氮、磷流失分别以可溶性氮（约50.1%~60.2%）和颗粒态磷（约54.9%~59.6%）为主,并且硝态氮的年流失负荷（约0.19~0.27kg hm-2 a-1）高于铵态氮（约0.12~0.17 kg hm-2 a-1）。综上可知,三带等高桑＋交叉耕作对地表径流和氮、磷流失的阻抗效果更显著,最符合三峡库区旱坡地开发利用的生态保护理念。

三峡库区紫色土坡耕地小流域氮收支估算及污染潜势

为了解三峡库区氮素收支情况,进行污染潜势评价,对三峡库区典型紫色土坡耕地(新政小流域)进行了调查分析,结果表明,小流域氮输入量为918.26kg/(hm2.a),输出量为569.46kg/(hm2.a)。化肥氮是小流域氮输入的主要来源,占氮输入总量的57.63%;作物收获是小流域氮的主要输出方式,占氮输出总量的36.22%;小流域氮损失负荷为258.77kg/(hm2.a),气态氮损失是流域氮损失的主要形式,占流域损失氮总量的65.11%;流域氮养分平衡指数为3.4,氮素盈余负荷为348.80kg/(hm2.a),是流失风险值180kg/(hm2.a)的1.94倍,坡耕地氮污染潜势呈现。

三峡库区紫色土坡耕地细沟发生的临界坡长

采用人工暴雨试验发现:相同土壤含水量条件下,10,°15,°20,°25°紫色土小区在130 mm/h雨强降雨下细沟发生的临界坡长平均值分别为6.13,4.12,2.72,1.55 m,细沟发生的临界坡长与坡度呈二次抛物线关系;土壤含水量变幅为16%～26%条件下细沟发生临界坡长先增长后变短。据此总结了采用地埂防治坡耕地细沟侵蚀的治理模式,针对不同坡度地块细沟发生的临界坡长,采用地埂或者分割地块,并在地埂上种植经济效益高的植物篱,既控制了细沟的发生,又弥补了地埂占地导致的农业减产;同时在旱季和雨季分别调整边沟的尺寸,调整地块土壤含水量从而控制细沟因含水量变化导致的细沟发生临界坡长缩短。

三峡库区紫色土坡耕地不同利用方式的水土流失特征

紫色土坡耕地水土流失已成为三峡库区生态环境和农业可持续性发展所面临的一个重大问题。研究通过15°、25°坡耕地不同利用方式的定位试验,探讨了三峡库区紫色土坡耕地的水土流失状况、侵蚀泥沙的颗粒组成及养分特征。结果表明紫色土坡耕地流失的泥沙中<0.02mm的颗粒大量富集,是养分流失的主要载体。不同土地利用方式中以果—植物篱复合、粮经果复合垄作模式的水土保持效果理想。

三峡库区碎石含量对紫色土容重和孔隙特征的影响

土壤容重和孔隙分布特征是土壤重要的基本物理性质,但有关含碎石土壤的物理性质以及碎石含量对土壤结构影响的研究尚不多见。三峡库区紫色土中存在大量的碎石,为了深刻了解和评价土壤中碎石对容重与大孔隙形成的可能作用,通过野外调查、典型土样采集和室内分析实验,探讨了三峡库区典型土地利用类型下土壤中的碎石体积含量以及不同粒径碎石的基本物理性质及其对土壤容重和孔隙特征的影响。结果表明:土壤中碎石的孔隙度和饱和含水率随着碎石粒径的减小而增大,小碎石本身具有一定的持水、供水性能;碎石含量对土壤的总容重、细土容重有显著影响,随着碎石含量的增加,土壤的总容重逐渐增加,而细土容重与碎石含量呈线性负相关关系,土壤中碎石的存在有利于改善土壤的结构;土壤孔隙分布特征与碎石含量密切相关,随着碎石含量的提高,土壤总孔隙度和毛管孔隙度呈减少趋势,而非毛管孔隙度即大孔隙呈增加趋势,碎石的存在有利于改善土壤的透水性能。本研究为山区农用地灌溉与水分管理提供了科学依据。

长江三峡库区紫色土的元素迁移特征

通过对长江三峡库区不同母岩上发育的紫色土样品进行X射线荧光光谱的化学全量分析及化学蚀变指数CIA值、风化特征值和质量迁移系数的详细计算,揭示了不同母岩上发育的紫色土化学风化强度和主量元素的迁移特征:母岩为砂岩发育的紫色土具有较高的CIA值,母岩为粉砂岩和泥岩上发育的紫色土的CIA值较低;不同元素组分迁移行为在剖面上的表现有明显的差异,CaO在所有剖面上净迁出,多数剖面均有Al2O3、Fe2O3的净获得;母岩为砂岩发育的紫色土剖面上Ca、K、Na、Al、Fe、Si6种元素均流失,而粉砂岩、泥岩发育的紫色土以上6种元素相对富积,Mg元素的迁移系数远小于Ca元素,其迁移性较小,在母岩和土壤中的含量相对稳定;Na元素的迁移系数较大,迁移速率较快.

三峡库区紫色土坡地土壤粗骨沙化和酸化特征

土壤侵蚀是三峡库区紫色土坡地土壤退化的主因,并由此造成土壤粗骨沙化和酸化。利用土地特性系列比较法,通过野外调查和室内分析相结合,研究了三峡库区紫色土坡地土壤退化特征,结果表明:(1)与未退化样地相比,不同利用方式和不同坡度段土壤粗化现象明显,表明它们存在不同程度的侵蚀退化。各土地利用类型pH值均有所减少,表征该研究区紫色土向酸性方向发展,特别是园地和菜地。(2)不同利用方式下土壤沙化程度由高到低的顺序是:荒地>建设用地>耕地>草地>林地>菜地>园地。(3)不同坡度段紫色土坡地土壤沙化程度基本随坡度的增加而增大,但>30°坡度段土壤沙化最轻。(4)不同利用方式和不同坡度段土壤粘粒、有机质、全N、碱解氮、全P、速效P、全K、速效K、阳离子交换量、pH值及微量元素之间存在着明显的相关性。

三峡库区紫色土坡地土壤退化特征:土壤养分贫瘠化

土壤侵蚀是三峡库区紫色土坡地土壤退化及土壤养分贫瘠化的主因。利用土地特性系列比较法，通过野外调查和室内分析相结合，研究三峡库区紫色土坡地土壤退化特征。结果表明：1）与未退化样地相比，不同利用方式和不同坡度段土壤中各种营养元素的含量均不同程度地减损。2）不同利用方式下土壤有机质、全N和碱解N含量由高到低是林地、园地、菜地（或草地）、耕地（或荒地）、建设用地。园地土壤中的全P、速效P、全K、速效K、CEC以及Fe、Zn、Ti、Pb等微量元素的含量均较高；草地土壤中的全K、速效K、CEC及微量元素含量一般较低；荒地土壤中各种营养元素的含量与草地基本类同，但Zr和Cr平均含量最高；建设用地中CEC含量最高；菜地土壤中Pb的平均含量最高，达29．85mg／kg。3）不同坡度段土壤各种养分平均含量差异不大，但速效P在10°～20°和大于30°坡度段、CEC在20°～30°和大于30°坡度段均有显著差异。Cu、Fe、Ni、Mo、Co、V6种微量元素易随土壤侵蚀或其他途径迁移。

三峡库区紫色土旱坡地农桑配置模式对土壤养分的影响

针对三峡库区紫色土流失严重和土壤肥力低的现状,本试验利用水土保育模式--农桑间作试验,研究横坡农作（CT）、双边桑树＋横坡农作（T1）、等高桑树＋ 双边桑树＋ 横坡农作（T2）及四边桑树＋ 等高桑树＋ 横坡农作（T3）4个处理对土壤养分的影响.结果表明,桑树布局小区内的土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质含量均有极显著提高,且土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质含量平均值大小均表现为：等高桑树＋ 双边桑树＋ 横坡农作（T2）〉四边桑树＋等高桑树＋横坡农作（T3）〉双边桑树＋横坡农作（T1）〉横坡农作（CT）.4个处理的土壤碳氮比和碳磷比变化幅度分别在7～20和10～27之间,其中等高桑树＋双边桑树＋ 横坡农作（T2）小区各个坡长的土壤碳氮比和碳磷比最大.土壤有机质、碱解氮、速效钾、碳磷比与玉米和榨菜产量具有极显著的正相关关系.可见,旱坡地农桑配置模式在一定程度上可以提高和维持土壤养分,降低上坡段土壤碳氮比和碳磷比,从而为三峡库区水土保育模式优选提供理论依据.

三峡紫皮大蒜和百合大蒜染色体核型比较分析

采用染色体常规制片方法,对三峡紫皮大蒜和百合大蒜进行染色体核型比较分析。结果表明,三峡紫皮大蒜染色体数目为2n=2x=16,染色体基数x=8,染色体核型公式为K(2n)=16=12m+4sm,主要由中部和近中部着丝点染色体组成,染色体相对长度组成为2n=16=2L+6M2+6M1+2S,属于"2A"型,核型不对称性为60.04%;百合大蒜的染色体数目为2n=2x=16,染色体基数x=8,染色体核型公式K(2n)=16=14m+2sm,主要由中部和近中部着丝点染色体组成;染色体的相对长度组成为2n=2L+6M1+6M2+2S,属于"2B"型。核型不对称性为60.88%。通过这2种植物核型分析比较,表明三峡紫皮大蒜和百合大蒜在进化中属于比较原始的物种,百合大蒜的进化程度稍高于三峡紫皮大蒜,两者核型相似表明亲缘关系比较近,可能两者基因交流比较频繁。

三峡库区紫色土坡耕地小流域磷收支估算及污染潜势

为了解三峡库区磷收支情况,进行污染潜势评价,对三峡库区典型紫色土坡耕区新政小流域进行调查分析.结果表明,新政小流域单位面积磷输入量为139.82 kg/(hm2.a),输出量为101.69 kg/(hm2.a).肥料磷输入是新政小流域磷输入的主要来源,占磷输入总量的72.26%;人畜排泄物磷是新政小流域磷的主要输出方式,占磷输出总量的56.01%;新政小流域磷损失负荷为18.26 kg/(hm2.a),人畜排泄物损失磷是磷损失的主要形式,占磷损失总量的46.75%;磷盈余负荷为38.13 kg/(hm2.a),高于全国平均值26.1 kg/(hm2.a).坡耕地磷污染潜势呈现,磷肥的过量施用是造成污染潜势的主要原因.

三峡库区紫色土坡地土壤退化程度评价及驱动机制

以三峡库区紫色土坡地为例,运用模糊综合评判模型,对该区不同土地利用方式和不同坡度段的土壤退化程度进行了评价,并分析了引起该区土壤退化的主要驱动因子。结果表明,菜地、园地为未退化,耕地、林地为轻度退化,草地、荒地为中度退化,建设用地为重度退化;不同坡度段紫色土坡地皆为中度退化。人类活动是三峡库区紫色土坡地土壤退化的主要驱动力,土壤侵蚀是土壤退化的主要形式之一。地形、气候、母岩和紫色土特性等自然因子为土壤退化提供了条件;植被破坏,坡耕地面积较多、垦殖率高,耕作措施不当和种植制度不合理等人为因素则加速和加剧了该区土壤退化的进程。

三峡库区春玉米水肥耦合效应研究

三峡库区春玉米盆栽水肥耦合试验研究结果表明,水分胁迫导致玉米株高和叶面积指数降低,以拔节期受到影响最大;玉米产量与生物量呈显著正相关关系,产量与根重无显著正相关关系;水氮耦合效应显著,适宜水分和中氮处理下玉米的产量最高,玉米生长发育对氮肥的吸收存在一定的阈值,过多施用氮肥会加剧土壤干旱和作物干旱,水和钾耦合效应对玉米产量影响不显著;水分是影响玉米产量的主导因素,其次是氮效应和钾效应。

三峡库区酸性紫色土磷淋溶特征研究

三峡库区紫色土约30%为酸性.土壤酸性赋予其与中性或碱性土壤不同的理化性质,进而导致土壤磷淋溶特征不同.为研究三峡库区酸性紫色土磷淋溶特征,本研究利用温室盆栽试验,设置了不同过磷酸钙用量（0,1.006,2.515,4.527,6.036g/盆）对酸性紫色土磷淋溶及玉米生物量、磷素吸收和利用的影响.结果表明：酸性紫色土（旱地）自身磷淋溶量较高,达164.6μg/盆,施入少量磷肥,各形态磷淋溶量显著增加,但当施磷量达到2.515g/盆（即农户普遍磷用量87kg/km2）以上时,磷淋溶量不再随施磷量的增加而增加,呈下降—升高—稳定趋势.土壤总磷淋溶峰出现在玉米拔节期和灌浆期;玉米7-8叶期是溶解性磷和正磷酸盐淋溶高峰期,之后随玉米的生长总体上呈下降趋势.颗粒态磷是土壤磷淋溶的主要形态;溶解性有机磷是溶解态磷淋溶最主要的形态.本研究中,当地农民普遍施磷水平I2（2.515g/盆）为磷淋溶最低处理,但磷肥利用率仍然很低,仅为14.7%.

加筋材料对紫色土坡耕地埂坎土壤抗剪强度的影响

选择三峡库区典型紫色土坡耕地埂坎为研究对象,通过室内三轴不固结不排水试验(UU)研究加筋对埂坎土壤抗剪特征的影响。结果表明:(1) 3种试验材料加筋土均表现出土壤黏聚力随着加筋量的增加先增大后减小,埂坎土壤黏聚力大小表现为:c_(麦壳)>c_(竹丝)>c_(稻秆)>c_(素土)。埂坎土壤黏聚力最大时,麦壳、竹丝和稻秆的加筋量分别为0.8%,0.5%和0.3%。加筋材料对土壤内摩擦角的影响不明显。(2) 3种加筋材料均能提升土壤抗剪强度。土壤极限主应力差随着加筋量的增加先增大后减小,麦壳、竹丝和稻秆加筋土的极限主应力最大值均出现在最优加筋量处。4种试验围压下,加筋埂坎土极限主应力差最大值均体现出(σ_1-σ_3)_(麦壳)>(σ_1-σ_3)_(竹丝)>(σ_1-σ_3)_(稻秆)>(σ_1-σ_3)_(素土)。(3)最优加筋量条件下,3种加筋埂坎土壤试样在不同试验围压下的应力—应变曲线均呈硬化型。

三峡库区紫色土土壤水分入渗特性研究

利用室内环刀法对三峡库区紫色土土壤水分入渗特性进行了研究。结果表明,不同土地利用类型土壤稳定入渗率位于为0.0075~1.73 mm/min之间,大小依次为竹林地〉榨菜地〉柑桔地〉荒草地;Horton入渗方程在紫色土不同土地利用类型上拟合的结果在α=0.01上达到了显著水平,可以作为表达三峡库区紫色土土壤水分入渗过程的模型。土壤稳定入渗率与土壤理化性质间存在一定相关关系,其中土壤稳定入渗率与砂粒含量之间呈幂函数关系,与容重呈指数函数关系,与非毛管孔隙度呈幂函数关系,与大于0.25 mm的水稳性团聚体含量之间呈指数函数关系。多元对数线性回归模型可作为紫色土土壤水分入渗特性参数预报模型。