基于失稳模量理论的降雨条件下非饱和边坡流滑与滑移失稳机理研究

基于经典塑性理论,利用失稳模量(HIN)的概念建立了非饱和土的渗流稳定性准则;针对非饱和土边坡常出现的失稳形式(即有限滑移失稳和快速流动失稳),通过引入考虑基质吸力依赖性的弹塑性本构模型,给出了识别边坡不同失稳模式的HIN表达式;对于具有潜在液化能力的松散火山灰土给出了理论模型参数的标定方式;在此基础上,预测了火山灰土边坡出现的失稳模式以及相应的失稳含水率,通过与室内水槽试验结果对比验证了理论模型的正确性和合理性,结果显示,结合无限边坡模型与失稳模量理论可进一步推导出不同失稳模式下的边坡安全系数表达式,二者互为验证;最后,通过参数分析研究了各模型参数对边坡在不同边界条件下失稳模式的影响.研究结果可进一步明晰降雨条件下非饱和土边坡出现不同失稳模式的内在机理,以便为渗流边坡稳定性的评估与设计提供相应的指导.

不同作物种植模式下坡耕地产流产沙的模拟研究

产流产沙是坡耕地水土流失的主要形式,为探讨不同种植模式对坡耕地产流产沙的影响,采用室内人工模拟降雨试验方法,在同一坡度、3种雨强下对坡耕地7种种植模式进行模拟试验。结果表明:1)不同种植模式下坡面产流量随雨强增大而增大,初始产流时间随雨强增大而缩短。坡面产流量趋势为先逐渐增大,之后(10 min左右)逐渐趋于稳定。C单种模式减流效果最差;A-B-C套种模式减流效果最好;低矮作物单种及参与的套种模式能更好促进降雨入渗。2)不同种植模式下坡面产沙量与雨强呈正相关,低矮作物参与的种植模式径流含沙量变化幅度较小,中、高单种或套种模式径流含沙量变化复杂。小、中雨强下,A-B-C套种模式减沙效果最好;大雨强下,A-B套种模式减沙效果最好。低矮作物参与的种植模式减沙效果优于中、高作物单种其套种模式。3)不同种植模式下产流量和雨强均呈极显著正相关。B、C单种模式与A-B-C套种模式产沙量与雨强有相关关系,其余模式与雨强的相关性不显著。综上,低矮作物单种及低矮作物参与的套种模式能有效减流、保土,因此坡耕地在进行农作物种植时应考虑增加低矮作物参与种植,避免造成大量水土流失。

侵蚀性降雨对黑土坡耕地土壤侵蚀特征的影响

[目的]降雨是黑土坡耕地水力侵蚀的动力来源,研究天然降雨条件下坡耕地土壤侵蚀特征对水土流失防治具有重要意义。[方法]基于黑龙江省海伦市光荣小流域2021-2022年不同坡度(3°,5°和7°)顺坡垄作径流小区观测的43场次侵蚀性降雨事件,采用K-Mean聚类法对比分析不同雨型和坡度下径流与输沙特征,并探讨影响坡耕地径流与输沙的影响因素。[结果]研究区以短历时、大雨强、小雨量的降雨(雨型3)为主,其次是中等历时、中等雨强、中等雨量的降雨(雨型2),长历时、小雨强、大雨量的降雨(雨型1)极少发生。相同雨型下,累积径流深和输沙量均随坡度的增加而增大。相同坡度下,不同雨型对累积径流深响应不同,累积输沙量整体表现为雨型3贡献最高(50.90%~57.90%),雨型2次之(37.60%~44.10%),雨型1最低。雨型2事件降雨侵蚀力和坡度对径流深产生直接影响,径流深和坡度对输沙量产生直接影响。雨型3事件降雨侵蚀力通过直接和间接作用影响径流深,进而影响输沙量。[结论]对所有雨型事件,降雨侵蚀力和坡度是影响坡耕地径流深的主控因子,径流深和坡度是影响坡耕地输沙量的主控因子。

天山北坡经济带城乡聚落格局变化与影响因素分析

以天山北坡经济带城乡聚落为研究对象,采用景观格局指数、地理信息系统(GIS)空间分析、位序-规模法等分析1980-2020年间城乡聚落格局的变化,结合地理探测器从自然、区位及社会经济因素探究城乡聚落格局的影响因素。结果表明:1980-2020年间,城乡聚落数量、规模持续扩张且趋于集聚,前20 a扩张以耕地、草地为主,后20 a以未利用地为主;城乡聚落密度变化显著,高密度区主要集中在各绿洲呈现“多核集中分布”特征,中密度区沿高密度区周围扩张,低密度区沿绿洲边缘分布并在非绿洲区有扩张;首位聚落规模发展较好,趋于位序-规模曲线,中型聚落略微发育,小型聚落数量持续减少;交通等区位因素是天山北坡城乡聚落格局的首位影响因素,社会经济因素次之,自然地理因素影响较小,各影响因素差异显著。

不同配置模式护坡植物功能性状与光合特性研究

以3种植物配置模式的护坡植物为研究对象,分析了不同植物配置模式下叶片鲜重(FW)、叶片干重(DW)、叶片含水量(LDC)、叶片SPAD值、叶面积(LA)、叶厚(LT)、比叶面积(SLA)、干物质含量(LDWC)及叶片光合特性参数(Pn、Gs、Ts、Ci)。结果表明:不同植物配置模式下,坡面植物的叶片功能性状、光合特性存在显著差异,这与邻株植物的物理或几何上的拥挤效应有较大的关系。研究发现,综合当地环境和边坡生态修复的效益性,草灌结合的植物配置模式更适合边坡生态修复。

基于三维有限元的DCM平面布置对边坡稳定的影响

在应用于边坡稳定问题时,DCM(深层水泥搅拌桩)的平面布置形式直接关系到其受力的合理性,进而影响边坡的稳定和安全。针对当前工程实践中采用不同DCM平面布置形式解决边坡稳定问题时,其受力机理仍存在一定程度的认识不足,基于三维有限元方法,结合不同的DCM平面布置形式(桩式、横墙壁式、纵墙壁式、格栅式),对加固后边坡从整体稳定、位移和应力等方面进行分析,探讨采用不同DCM平面布置形式加固边坡后的位移和应力分布规律及特点。研究表明:纵墙壁式和格栅式布置相对于桩式布置,边坡整体稳定安全系数显著提高,位移和应力明显减小且分布更为合理,其中纵墙壁式布置优势最为明显。

降雨条件下凋落物层的水力特性研究

凋落物层水力特性能够显著影响坡地产流过程。选取不同凋落物组合(5 cm落叶层+5 cm分解层、10 cm落叶层),雨型(递增、递减和均匀)以及两种坡度(15°、20°),采用人工模拟降雨试验,对凋落物渗漏水和侧向径流水量进行分析。结果表明:①降雨强度越大,凋落物渗漏达到稳定所需时间越少,稳定渗漏率越大。②相同雨型及坡度条件下,平均渗漏率表现为5 cm落叶层+5 cm分解层>10 cm落叶层,侧向径流率表现为5 cm落叶层+5 cm分解层<10 cm落叶层。③与均匀雨型相比,5 cm落叶层+5 cm分解层递增雨型和递减雨型处理平均渗漏率减少了10.8%~36.4%,平均侧向产流率增加了14.3%~19.0%。各雨型基本表现为均匀雨型平均渗漏率最大且平均侧向产流率最小,递增和递减雨型处理没有显著性差异。④相同凋落物组合和雨型条件下,与15°相比,20°处理凋落物平均渗漏率减小了4.3%~35.9%(P<0.05),侧向径流率增大了6.0%~20.3%(P<0.05)。

1966—2018年岷江流域极端气温事件时空变化特征

在全球变暖背景下,极端气候事件问题逐渐显著,岷江流域作为川滇生态屏障区的重要组成部分,受气候变化的影响较大,研究该流域极端气候事件时空变化规律,能为未来气象灾害防治等提供科学依据。基于1966—2018年岷江流域62个气象站点的气温资料,选用“气候变化检测和指标”专家组所确定的16个极端气温指数,采用一元回归方程、Sen斜率、反距离权重空间插值法和Mann-Kendall检验法分析极端气温指数的时空变化规律。结果显示:岷江流域极端气温事件存在明显的时间变化特征,并且变化趋势在空间分布上存在一定的差异性。结果表明:(1)岷江流域极端高温事件显著增加,极端低温事件显著减少;极端气温指数的突变年份主要集中在1990—2000年左右,其中极端低温指数均在突变后呈现显著下降趋势,极端高温指数、极值指数、其他指数中除了日较差指数,均在突变后呈显著上升趋势;(2)极端低温指数在流域内大部分地区呈下降趋势,平均年变化率为-0.98 d·(10a)^(-1);极端高温指数、极值指数和作物生长期指数大部分地区呈上升趋势,其中极端高温指数上升趋势在流域内呈西低东高的分布,作物生长期指数在流域内呈北高南低的分布;日较差指数在流域上游地区呈下降趋势,中下游地区呈上升趋势。

新构造运动对渤海凸起区、斜坡—洼陷区浅层油气最终成藏的控制作用

浅层新近系馆陶组—明化镇组为渤海的主力含油气层系。新构造运动是渤海新生代晚期发生的对油气成藏影响最为深刻的构造事件,对浅层油气成藏的影响远大于深层,控制了渤海浅层油气最终成藏。研究表明,新构造运动导致的凹陷晚期快速生排烃、多种类型圈闭发育、油气运移活跃等,整体上调整、控制了浅层油气藏的定型和分布,但对不同构造带浅层油气成藏的控制作用存在差异。根据构造位置和油气成藏特点,可将渤海浅层油气藏归为两大类:凸起区浅层油气藏、斜坡—洼陷区浅层油气藏。通过系统分析两类构造带浅层油气的成藏特点,明确新构造运动对两类构造带油气最终成藏的控制作用与富集模式差异,并构建了相应成藏模式。凸起区的浅层具有“晚期油源断层+浅层稳定储盖组合”的“台阶”型油气成藏模式;斜坡—洼陷区的浅层具有“洼中隆+晚期断层”“深层运移脊+晚期断层”两种“倒漏斗”型油气成藏模式。渤海浅层已进入了以岩性油气藏为主的勘探阶段,应加强新构造运动控制下的“晚期运移断层+岩性圈闭”组合勘探。

降雨入渗-重分布下考虑不同降雨雨型的斗龙港岸坡渗流稳定性分析

以江苏省盐城市斗龙港一典型岸坡为例,基于非饱和降雨入渗理论和极限平衡法,进行了降雨入渗-重分布下考虑了不同降雨雨型的岸坡渗流稳定性分析。结果表明,随着降雨入渗,岸坡各监测点饱和度和孔隙水压力逐渐增大,岸坡安全系数与降雨入渗时间呈负相关关系,降雨停止后,安全系数先下降后逐渐增大并趋于稳定状态,岸坡安全系数在雨水重分布阶段达到最小值;不同降雨雨型对岸坡孔隙水压力和安全系数影响显著,前锋型降雨下岸坡孔隙水压力增幅度最大,安全系数下降最迅猛,后锋型变幅最小,实际工程中应着重防范前锋型降雨。

滇西南不同土地利用方式坡地土壤大孔隙特征及与饱和导水率的关系

【目的】研究滇西南不同土地利用方式坡地土壤大孔隙特征与饱和导水率的变化,为控制滇西南地区坡地水土流失提供参考。【方法】以滇西南6种典型土地利用方式(荒草地、茶地、烤烟地、玉米地、甘蔗地、澳洲坚果地)坡地为研究对象,测定6种坡地不同坡位(坡上、坡下)和土层(0~15,15~30 cm)土壤的基本理化性质、水分穿透曲线、大孔隙特征及饱和导水率,分析不同土地利用方式坡地土壤大孔隙特征与饱和导水率的关系。【结果】(1)滇西南不同土地利用方式坡地土壤基本理化性质存在差异,坡位和土层深度对土壤的基本理化性质有明显影响。(2)滇西南不同土地利用方式坡地的土壤水分出流速率先增加,都在90 s之后基本趋于稳定。6种土地利用方式下0~30 cm土层土壤平均出流速率表现为玉米地>荒草地>澳洲坚果地>茶地>甘蔗地>烤烟地。(3)不同土地利用方式坡地土壤大孔隙半径、面积比与平均体积存在明显差异。荒草地、茶地、玉米地、澳洲坚果地土壤大孔隙平均半径随土层深度的增加而减小,而甘蔗地、烤烟地土壤大孔隙平均半径变化则相反。不同土地利用方式坡地土壤大孔隙面积比与平均体积由大到小均表现为玉米地>荒草地>澳洲坚果地>茶地>甘蔗地>烤烟地。(4)不同土地利用方式坡地土壤饱和导水率差异显著,其中玉米地和荒草地饱和导水率明显高于其他坡地。(5)相关性分析表明,不同土地利用方式坡地土壤大孔隙密度、平均体积与饱和导水率呈线性正相关关系,平均半径与饱和导水率之间呈指数函数关系。土壤大孔隙平均体积与稳定出流速率之间呈线性正相关关系。【结论】不同土地利用方式坡地表层(0~15 cm)和上坡位土壤大孔隙半径大、联通性好,更有利于土壤的滞水减流。

塔里木盆地库车南斜坡托探1井油气勘探重大突破及意义

塔里木盆地库车坳陷南部斜坡带温宿—西秋地区托探1井在寒武系潜山白云岩储层获得重大突破,对库车南斜坡迎烃面多目的层潜山勘探具有重要意义。受制于地质条件复杂,该地区的油气富集规律认识不清、地质结构落实及圈闭刻画难度大,制约了潜山油气勘探。基于构造特征、潜山地层分布、生—储—盖组合、油气输导体系及勘探实践的系统分析,探讨了潜山油气成藏新模式。温宿—西秋地区古生界构造为受前冲断裂沙井子—西秋断裂和反冲断裂乌什南断裂控制的背冲式构造,F1和F2两条次级反冲断裂使得背冲构造复杂化,形成3排古生界潜山构造,每排构造自近断层到远断层区古生界潜山地层由老变新。其中寒武系潜山地层分布范围最广、呈北东东向大面积展布,潜山储层以局限台地颗粒滩相白云岩为主,受多期构造活动、长时期暴露溶蚀叠加改造,裂缝—孔洞型白云岩优质储层规模连片发育。潜山油气藏表现为三叠系黄山街组和侏罗系恰克马克组泥岩联合供烃、裂缝—孔洞型白云岩成储、上覆古近系膏盐岩封盖的生—储—盖组合样式;成藏具有“库车油气远源供烃、不整合面输导、迎烃面构造富集”的特征,主要成藏期在喜马拉雅晚期(4—1Ma)。托探1井的成功钻探,证实了温宿—西秋地区多排多类型潜山巨大的勘探潜力,重新刻画潜山圈闭面积近840km2、石油资源量约2.0×10^(8)t、天然气资源量约590×10^(8)m^(3),有望成为油气增储上产新的战略接替区。

雨型和坡长对侵蚀泥沙粒径特征的影响

为揭示降雨和坡长对侵蚀泥沙粒径特征的影响,以不同坡长野外观测试验小区为对象,结合82场降雨资料,以降雨量(P,mm)、最大30 min雨强(I30,mm/h)和降雨侵蚀力[R,MJ·mm/(hm2·h)]为降雨特征指标,利用系统聚类法进行雨型划分(A雨型:大雨量、高雨强、高侵蚀力;B雨型:中雨量、小雨强、中等侵蚀力;C雨型:低雨量、中雨强、中低等侵蚀力),分析了11场降雨事件中侵蚀泥沙的粒径分布特征。结果表明:(1)研究区侵蚀泥沙粒径特征受不同雨型影响,有效黏粒和最终黏粒含量在C雨型下最高,有效砂粒和最终砂粒含量在B雨型下最高,而有效粉粒和最终粉粒含量分别在A和C雨型下最高。(2)坡长对侵蚀泥沙粒径特征的影响存在临界坡长效应(14 m),小于临界坡长时,黏粒级和粉粒级颗粒含量随坡长增加而降低;超过临界坡长后,黏粒级和粉粒级颗粒含量随坡长增加而增加,该效应在最终粒径下更为显著。(3)有效砂粒输移形式受雨型和坡长影响较大,在B雨型下主要以团粒形式输移,在A,C雨型下达临界坡长时以单粒形式输移。侵蚀泥沙的有效粒径颗粒比原坡面土壤细,而最终粒径颗粒则比原坡面土壤粗。整体上,降雨类型和坡长对侵蚀泥沙粒径特征产生显著影响,侵蚀泥沙有效粒径颗粒呈细化趋势,而最终粒径颗粒呈粗化趋势,坡长对泥沙颗粒影响存在临界效应。

岩土覆被格局对西南喀斯特坡地产流产沙的影响

为研究不同岩土格局对喀斯特坡地水土流失/漏失的影响,利用人工模拟降雨试验,以裸坡为对照组,研究镶嵌格局、横坡格局、顺坡格局3种岩土覆被格局下的坡面产流产沙特征。结果表明:(1)顺坡格局的地表产流量最多,分别较镶嵌格局、横坡格局与裸坡的地表产流量增加88.6%,67.1%,576.1%,同时顺坡格局的地下产流量最少,分别较镶嵌格局、横坡格局与裸坡减少37.5%,36.1%,39.2%。(2)地表产沙量顺坡格局>镶嵌格局>横坡格局>裸坡,地下产沙量镶嵌格局>横坡格局>顺坡格局>裸坡。3种岩土格局的地表产沙量较裸坡均有明显增加,但地下产沙量相对增加较少。(3)岩土格局可改变地表径流泥沙关系,地表累积径流量与地表累积产沙量呈幂函数关系,镶嵌格局明显改变地表径流泥沙关系,使坡面地表侵蚀量显著提升。研究结果可进一步深化对喀斯特坡地降雨侵蚀规律的认识,为喀斯特地区的石漠化治理提供参考依据。

不同播种方式微地形差异对坡耕地水土流失的影响

为减少坡耕地作物播种至出苗期间的水土流失,通过模拟降雨试验研究不同播种方式形成微地形对水土流失的影响,共设置6个处理,T1处理为深开沟播种(沟深20 cm),T2处理为浅开沟播种(沟深10 cm),T3处理为塘播,T4处理为起高垄播种(垄高20 cm,宽30 cm),T5处理为起低垄播种(垄高10 cm,宽15 cm),T6处理为无处理直接播种(空白对照),各处理分别以10°,15°,20°坡度在40,80,120 mm/h雨强下进行27场模拟降雨试验。结果表明:开沟和起垄播种处理都能有效减轻水土流失,各处理的水土保持效果为T1>T4>T2>T5,T3和T6间差异不显著,T1的水土保持效果最好,在各坡度和雨强下,较T6地表径流产生时间延缓65.9%~178.1%,入渗强度增大102.6%~195.1%,地表径流量减少75.6%~82.6%,土壤侵蚀量减少95.3%~99.1%。深开沟播种T1和起高垄播种T4能够很好地将雨水积留在沟或垄沟中,并且能有效防止沟中积水破垄或越沟流出,其中T1防止沟中积水越沟流出效果最好,仅在极少情况下发生。通过研究不同播种方式形成的微地形对水土流失的影响,对于坡耕地作物生长前期水土保持具有参考意义。

边坡稳定分析的相对失稳加速度方法

边坡稳定分析是土力学的经典课题,通过稳定分析能够得到边坡的安全系数。但最小安全系数对应的临界滑动面不一定是最先发生滑动的破坏面,失稳加速度临界滑动面则可能最先滑动。失稳加速度方法可以用统一的原理计算边坡和隧洞等所有具有临空面的结构的稳定性;可以利用常规极限平衡法的假定条件进行计算,也可以利用有限元等数值方法的应力计算成果;可以计算失稳加速度,也可以以失稳加速度的模最小来计算安全系数,此时也相当于一种特殊的模式识别方法。本文对失稳加速度方法的提出过程及主要原理进行系统总结,并将其推广到相对失稳加速度和相对安全系数,放松了约束条件,使得它可以具有更加广阔的应用前景。

密云水库库区不同植物篱模式下的氮磷阻控效应

筛选拦截效果最佳、经济效益最佳的植物篱模式,为密云水库水源保护区控制坡耕地氮磷流失提供技术参考。设置“桔梗+狗牙根”“丹参+狗牙根”“桑树+野牛草”“黄芩+野牛草”4种不同的植物篱模式,监测2020年天然降水条件下的地表径流、泥沙以及养分情况,分析不同植物篱模式下径流小区的产流和产沙情况,探讨不同植物篱对坡耕地地表径流、泥沙和养分的拦截效率及其影响因素。结果表明:4种植物篱种植模式都能够起到截流减沙,减轻水环境富营养化的作用,从而避免对下游水体的污染。其中“桑树+野牛草”植物篱效果最为显著,大雨雨强下可以减流57.96%,减沙96.64%,暴雨雨强下可以减流64.63%,减沙97.17%;对氮的相对拦截量为93.14 mg,相对拦截率约88.27%;对磷的相对拦截量为25.17 mg,相对拦截率约80.72%,能有效减少地表径流中的氮、磷含量。在考虑经济效益、社会效益和生态效益下,开展植物篱防控面源污染工作中,最佳的物种选择为“桑树+野牛草”,其次为“黄芩+野牛草”。野牛草在防控水土流失与面源污染方面效果十分显著,可以作为水土保持的先锋植物推广。

直链淀粉聚合度对无籽面包果淀粉三元复合物体外一阶消化动力学的影响

为研究直链淀粉聚合度对其三元复合物消化特征影响的机理,将5种不同聚合度的面包果直链淀粉与聚合度最高的支链淀粉混合,并与月桂酸和β-乳球蛋白进行复合,制备三元复合物。采用三联高效体积排阻色谱、X射线衍射、小角X射线散射、差示量热扫描、原子力显微镜、傅里叶变换红外光谱表征样品超分子结构和消化动力学。结果表明:复合物均呈现出明显的复合特征峰、V型结晶、棒状分子构型。随着直链淀粉聚合度增加,复合指数(68.81%~83.55%)、结晶度(21.10%~28.35%)、短程有序性(0.44~0.63)、分子质量(2.90×10^(6)~8.02×10^(6) Da)、分子密度(3.50~23.07 g/(mol·nm^(3)))、凝胶化温度(98.52~103.71℃)、凝胶化焓(13.95~18.73 J/g)、二阶段动力学速率常数(1.00×10^(-2)~2.92×10^(-2) min^(-1))增加,半晶片层厚度(3.20~4.82 nm)、质量结构分形维数(1.28~1.81)、微晶单元特征长度(6.33~7.01Å)、回旋半径(70.31~93.94 nm)、纳米表层“止水塞”尺寸(7.05~15.03 nm)减小,导致体外血糖生成指数(78.83~85.71)降低。统计分析验证结果表明,面包果直链淀粉聚合度极显著影响三元复合物多尺度超结构,进而改变其消化动力学。本研究结果可为淀粉基多组分食品的工业化生产提供新的理论指导。

基于三维激光扫描的坡沟系统侵蚀产沙过程研究

为了探究野外自然坡沟系统土壤侵蚀过程,研究于黄土丘陵沟壑区典型流域辛店沟内自然坡面开展5场放水冲刷试验,利用地面三维激光扫描技术(Terrestrial laser scanning, TLS)获取高精度地形信息,并采用DEM of difference(DoD)地形变化监测方法计算产沙量,利用实测产沙量评估TLS的监测精度,并探讨了坡沟系统侵蚀/沉积的变化特征。结果表明:(1)累积场次中,DoD不确定性(即level of detection, LoD)平均值(范围)为16.5 mm(16.2~16.8 mm)。单场次中,LoD值平均值为16.4 mm(16.2~16.6 mm);(2)累积场次中,梁峁坡、沟谷坡、坡沟系统TLS扫描所得产沙量相对误差的平均值(范围)为52.63%(26.06%~106.98%),56.68%(30.26%~75.49%)和56.28%(33.37%~73.28%),与实测数据显著相关(R2>0.9,p<0.05)。单场次TLS扫描相对误差波动范围更大且平均值高于累积场次,其值分别为83.70%(4.08%~190.40%),91.41%(0.95%~225.09%)和87.58%(4.09%~215.55%),与实测值非显著相关(R2<0.57,p>0.05),表明TLS更适合于坡沟系统累积场次侵蚀产沙监测,而单场次监测精度较差;(3)随冲刷次数的增加,梁峁坡、沟谷坡和坡沟系统侵蚀产沙均呈增长趋势,但沟谷坡和坡沟系统沉积量快速增长后趋于平稳。(4)梁峁坡侵蚀区域主要位于梁峁坡上中部,沉积主要分布于梁峁坡中下方,沟谷坡大部分区域侵蚀剧烈,沉积主要分布于沟底,梁峁坡和沟谷坡侵蚀区占地形变化区域的比例均高于79%。结果可为黄土高原土壤侵蚀监测与机理研究提供参考。

南方长期不同土地利用方式下土壤肥力变化特征--以湖北省长阳县火烧坪乡为例

【目的】南方草山草坡分布区气候湿润、温度适宜、适合牧草生长,具有很高的生产和生态价值。土地利用方式的改变会造成土壤肥力的差异,因此探究南方草山草坡不同土地利用方式下的土壤养分特征,对南方草山草坡合理开发利用具有深远意义。【方法】湖北省长阳县的天然草山草坡、人工草地、农田在中国南方的分布具有代表性。本研究在该县的火烧坪地区采集3种土地利用类型0—10、10—20和20—30 cm土层深度样品,测定其土壤物理和化学性质。采用单因素方差分析和多重比较方法,探究了土地利用方式及其不同土层之间养分的差异,并利用主成分分析评价了各土地利用类型的土壤质量水平。【结果】1)草山草坡3个土层的土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)含量显著高于人工草地和农田(P<0.05),而土壤全钾(TK)、碱解氮(AN)含量则显著低于农田和人工草地,pH没有显著区别。天然草山草坡土壤养分含量随土层的加深而降低,人工草地和农田的养分含量在0—30 cm土层无显著变化。2)天然草山草坡土壤过氧化氢酶(CAT)活性高于农田和人工草地,且CAT活性随土层深度的增加逐渐递减。农田脲酶(URE)活性高于人工草地和天然草山草坡,且农田中的URE活性受土壤深度影响较小。蛋白酶(PRE)活性受土地利用方式和土层深度影响较小。转化酶(IVT)活性在4种酶中表现为最高,在人工草地与天然草山草坡中IVT的活性逐层递减,而在农田中IVT的活性土层间无显著变化。3)农田固氮菌数量整体上高于人工草地和天然草山草坡,在10—20 cm土层中农田的反硝化细菌和纤维素分解菌数量显著高于人工草地和天然草山草坡。固氮菌、硝化细菌、反硝化细菌和纤维素分解菌数量随土层深度的变化均不明显。4)主成分分析计算土壤质量综合得分中,土壤基本养分占比39.8%,土壤微生物占比30.8%,土壤酶活性占比10%,综合质量得分为天然草山草坡(WL)>人工草地(GL)>农田(CL)。【结论】南方天然草山草坡改为人工草地和农田后,土壤全碳、有机碳和全氮含量显著降低,天然草山草坡全磷、全钾含量由于没有施用化肥显著低于人工草地和农田。天然草山草坡的有机质和全氮含量随土层深度的增加而降低,但人工草地和农田在0—30 cm土层深度范围内没有显著变化。天然草山草坡表土中的酶活性较高,而人工草地土壤中的微生物数量较高,TN、TC、SOC、AP、pH表征了39.8%的土壤肥力,微生物数量表征了30.8%的土壤肥力,综合比较,土壤肥力水平表现为天然草山草坡>人工草地>农田。