吸湿凝结水对荒漠地区生物土壤结皮生态功能的影响综述

生物土壤结皮可以作为一种模式系统来研究复杂的生态学问题,而吸湿凝结水是生物土壤结皮在干旱期维持功能活性的基础,吸湿凝结水输入期间生物土壤结皮的生理活动会影响土壤中的碳交换和许多生物地球化学过程,因此,在荒漠生态系统中,地表吸湿凝结水与生物土壤结皮的关系研究显得尤为重要。但由于吸湿凝结水的形成过程受下垫面特征以及诸多热力及气象环境要素的影响,需要基于土壤学、生物学、气象学、物理学和表面科学等学科的交叉集成研究。在综述国内外研究动态的基础上,根据吸湿凝结水形成的物理基础,对比分析了不同原理测量方法的优缺点及发展趋势,从吸湿凝结水对生物土壤结皮的作用机制和生物土壤结皮发育对吸湿凝结水形成的影响两方面总结和讨论了目前吸湿凝结水形成与生物土壤结皮关系研究的进展和不足,根据现有研究结果,阐述了在未来全球变化背景下,非降雨水输入特征的改变及对生物土壤结皮发育和荒漠生态系统功能的生态作用,并提出了当前研究中存在的问题及未来的研究重点,这些问题的解决将提高我们对荒漠生态系统稳定性和可持续性的科学认知水平。     

额济纳绿洲土壤入渗特征与土壤状况的关系研究

土壤水分入渗是自然界水循环中的重要部分,土壤水分入渗与土壤状况有很大的关系,应用Guelph渗透仪测定了黑河下游额济纳绿洲的土壤饱和导水率,并分析比较不同植被覆盖类型下测得的试验结果.结果表明:额济纳绿洲的几种典型土地利用方式下的土壤饱和导水率,其大小关系为:西戈壁>七道桥保护区沙枣林>二道桥胡杨林>林工站棉花地>二道桥柽柳林>梭梭苗圃地;通过因子的KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验,影响土壤入渗的因子被归类为三个主成分,分别为土壤疏松程度因子、土壤水分因子、容重和阴阳离子总量因子,它们的主成分的累计贡献率为80.427%,其中粘粒质量分数因子对于土壤入渗的影响最大,土壤中阴阳离子总量因子和容重因子影响最小.     

土壤中空气对土结构和入渗过程的影响

分析了土壤表面积水入渗过程中压缩气体对土体结构的影响理论,并通过二维土柱入渗试验对其进行了分析及验证。在积水深度为2.8 cm的条件下,对2个初始含水量、3个孔隙率下的土柱进行了试验,测量出其在试验过程中的气体压力和入渗量,并同时观察土体结构的变化。理论和试验结果表明,气体出现突破之前,土壤内气体压缩产生的气压对湿润区土体的顶托作用会破坏土体的平衡,从而在湿润锋处产生水平裂缝,破坏入渗土体的连续性。试验还发现,入渗过程中土体结构变化大小受土壤初始结构和含水率的影响,初始结构越牢固、含水量越大,结构和气压变化越小,根据结构变化不同,可以划分出两种不同的试验过程。同时入渗土体内出现裂缝时,气压的减渗作用尤为显著,甚至会导致试验过程的停止。     

荒漠地区生物土壤结皮的水文物理特征分析

通过室内压力陶土板系统测定土壤含水率与基质势的关系与Star-1土壤水分物理特征测定系统确定非饱和土壤水力传导度的方法,结合应用van Genuchten公式模拟,分析了位于腾格里沙漠东南缘包兰铁路沙坡头段人工生态防护体系生物土壤结皮的水文物理特征,确定了其水分特征曲线、非饱和土壤水力传导度、非饱和弥散系数,并与原始沙丘沙进行比较。结果表明,生物土壤结皮的持水能力是沙丘沙的3~9倍。当土壤基质势在-1~-3 000 cm的较高范围变化时,生物土壤结皮平均非饱和水力传导度低于沙丘沙(约为12%);而当土壤基质势在-3 000~-15 000 cm的较低范围变化时,沙丘沙的平均非饱和水力传导度又大大低于生物土壤结皮(约为91.0%)。正是由于生物土壤结皮特殊的质地与结构,使其非饱和水力传导度随着土壤基质势的降低,以及土壤含水量的减少,而趋于增大。与原始沙丘沙比较,生物土壤结皮独特的水文物理特点决定了它对荒漠地区土壤微生境的改善与促进作用,特别是通常情况下的高持水能力与低土壤基质势条件下的较高非饱和水力传导度,能够提高浅层土壤水分的有效性,有利于人工生态防护体系主要组分浅根系灌木、草本植物与小型土壤动物的生存繁衍。     

采煤沉陷对风沙区土壤非饱和水分入渗的影响

为研究采煤沉陷后风沙区土壤水分入渗变化规律,通过定水头注水结合入渗湿润峰测定的方法,对毛乌素沙地南缘补连塔矿区沉陷于2004、2005年的2个沉陷区土壤水分非饱和入渗变化进行研究,结果表明,垂直入渗观测时段(入渗开始后0~175 min)后期,与坡面剖面相比,丘间低地较多剖面垂直湿润峰的间距明显较大,垂直入渗持续能力较强。2004年沉陷区坡面未裂处平均垂直入渗速率、第175 min垂直入渗深度显著超过对照区坡面(P<0.05),2005年沉陷区坡面未裂处平均侧渗速率显著超过对照区坡面(P<0.05)。沉陷区丘间低地垂直入渗速率在入渗10 min左右前期升高后期降低,侧渗速率在入渗10~12 min的前期升高后期降低;沉陷区坡面垂直入渗速率、侧渗速率在大部分观测时段内升高。因子分析表明沉陷区入渗特征是丘间低地垂直入渗偏强,坡面侧渗偏强。     

海绵城市雨水径流集中入渗对土壤和地下水影响研究进展

中国海绵城市研究的热点主要有海绵城市的内涵、目标、内容和效果,而对可能产生的不利影响缺乏研究。近几年雨水径流集中入渗类设施在中国海绵城市建设中得到广泛应用,但对集中入渗的影响及风险研究严重滞后,不利于中国海绵城市建设的健康发展。因此,从海绵城市雨水径流集中入渗与传统入渗的差异切入,分别从集中入渗对土壤污染与地下水水量水质的影响、集中入渗对土壤与地下水影响的数值模拟、集中入渗污染物的累积效应与风险评价研究等方面,综合评述国内外的研究进展与不足。建议今后从以下4个方面开展进一步研究:①土壤污染风险及其影响因素;②雨水径流集中入渗的土壤污染累积效应;③地下水污染风险预测;④降低地下水污染风险的措施。     

紫色土中砾石夹层对土壤水分入渗的影响

为探究紫色土中砾石夹层对土壤水分入渗的影响因素,通过室内模拟土柱入渗试验,采用一维垂直水头法研究2种砾石粒径（10~20 mm、20~76 mm）和5种砾石含量（0%、10%、20%、30%和40%）分别与累积入渗量、入渗特性和湿润锋进程之间的关系。利用Horton方程和Philip公式验证入渗特性,以及幂函数拟合湿润锋进程。结果表明:① 在相同砾石粒径下,累积入渗量随着砾石含量的增加而减小;对于20~76 mm粒径砾石夹层,20%砾石含量及以上含量对水分入渗的阻碍程度相似。② 当砾石粒径相同时,初始入渗率、平均入渗率、稳定入渗率都随砾石含量的增加而减小;当砾石含量相同时,大粒径砾石夹层的初始入渗率大于小粒径砾石夹层。③ 砾石粒径大小与其对湿润锋的阻碍程度呈负相关。④ Horton方程对累积入渗量变化规律的验证效果要优于Philip公式;幂函数能较好地模拟含砾石夹层土壤中湿润锋的进程。     

降雨入渗对非饱和土边坡稳定性的影响

降雨往往是引起边坡失稳的主要促发因素.根据某算例,采用极限平衡分析方法,讨论了土体的初始体积含水率、降雨的强度、降雨时间对边坡稳定性的影响程度.     

青藏高原东北部黄土地区降雨入渗对土质边坡稳定性的影响研究

降雨是诱发土质边坡失稳的主导因素之一,研究降雨入渗对土质边坡稳定性的影响有着重要意义。以青海西宁盆地黄土边坡为例,结合野外现场试验和室内直剪试验,研究了降雨入渗对坡体含水量和抗剪强度的影响,采用FLAC2D软件模拟分析了降雨前后边坡的应力、位移分布特征,并通过计算安全系数对边坡进行稳定性评价。研究结果表明,雨水入渗150 min内边坡表层土层含水量急剧增加,150 min后其变化趋势逐步变缓,较深层土层含水量随雨水入渗时间呈持续缓慢增加的趋势。对于同一层土体而言,雨水入渗深度随降雨历时的增大而增加,且表层土体中雨水入渗速度先快后慢。表层土体含水量每增加1.01%,其粘聚力减小13.53 k Pa,土体抗剪强度降低16 k Pa,说明土体抗剪强度对含水量的变化极为敏感。二维有限元模拟和分析结果表明,在自重应力作用和雨水入渗条件下,研究区坡脚处出现应力集中现象,且降雨后边坡位移量、应力集中范围及应力大小明显大于降雨前,而降雨后边坡稳定安全系数比降雨前降低了21.6%,说明降雨入渗对边坡的稳定性影响较大。     

封闭气泡对一维积水入渗影响的试验研究

非饱和土体中的部分气体极容易在入渗过程中被封闭在孔隙或裂隙中,形成互不连通的与外界隔绝的封闭气泡。封闭气泡的存在阻碍了水相的流动,使土体的渗透性能降低,从而对土体的入渗速率产生不可忽视的影响。在分析前人研究成果的基础上,结合室内一维积水入渗试验结果,初步探讨了封闭气泡的形成原因,及其对土体入渗性能的影响机制,对研究非饱和土中水气二相流规律有重要指导意义。试验结果表明：积水入渗时,土体中存在封闭气泡,封闭气泡的含量与土性、干密度和初始含水率等有关。干密度越大,封闭气泡占据孔隙空间越大,阻渗作用越明显,干密度相同时,黏性土中封闭气泡对入渗的阻碍作用较砂性土明显;初始含水率较小时,封闭气泡含量相对较大。由于封闭气泡的存在,入渗稳定时的传输区土体含水率只有土样饱和含水率的80 %左右。     

含水量对昔格达土填料工程地质性质的影响研究

昔格达地层的沉积地质历史环境决定了昔格达地层的多旋回性及其中泥岩的近饱和特性 ,因此昔格达土填料具有一般其他岩土填料不一样的工程特征。本文通过对昔格达土工程特性的论述 ,以含水量为锲入点 ,分析了含水量变化对昔格达土填料工程性质的影响 ,得出昔格达土混合填料最大干密度 dmax、压实度及强度c、 值都与含水量存在一致的相关性 ,即存在一个最优含水量 ,这个最优含水量接近随机混合的昔格达填料的天然含水量的结论。     

TM传感器在冻土水热研究中的适用性评价

通过测量土壤的介电常数来获得土壤体积含水量的方法一直以来被研究者们广泛使用。之前已有很多研究者对于TDR测量土壤体积含水量的方法进行了大量研究, 但是, 针对近年来广泛使用的5TM土壤水分传感器的研究却很少。一方面, 对于5TM土壤水分传感器在各类土中的测量精度几乎没有研究, 另一方面, 对负温条件下5TM土壤水分探头的适用性研究也不够明确。本研究基于5TM土壤水分传感器, 针对我国青藏高原红黏土、粉土、矿物微硅粉3种典型介质, 首先对常温下3种介质的介电常数与体积含水量的经验关系展开了研究, 重新修正了Topp式(1980), 确定了Ledieu关系式中的a、b值, 并提出了另外一种对数型的经验公式, 通过对各经验公式适用性的比较, 发现修正后的Topp形经验公式对于各类介质适用性最好, 其次, 通过与NMR法所测得的介质冻结过程中未冻水含量的变化进行比较, 得到了饱和红黏土冻结过程中的介电常数与体积含水量间的经验公式, 并分析评估了5TM土壤水分探头在冻土水热研究中的适用性。     

ISS对不同初始含水率膨胀土的改良效果研究

离子固化剂(ISS)对膨胀土改良后,膨胀土稳定性会改善。为了分析研究不同初始含水率的膨胀土经过ISS改良效果,进行了膨胀土改良前后的剪切试验、界限含水率试验和自由膨胀率试验。通过改良前、后土体的抗剪强度、塑限、液限、塑限指数、自由膨胀率的变化规律研究,得出膨胀土的初始含水率在11%～30%区间时,改良后土体的膨胀性得到了消除,抗剪强度得到了明显提高; 初始含水率不在11%～30%区间时土样改良后仍具有一定膨胀性,抗剪强度提高不明显。这是因为,当膨胀土烘干时,靠毛细吸力吸附的固化剂量不能与所有黏土颗粒进行反应; 当膨胀土饱和时,靠溶液渗透到膨胀土表面的固化剂也不能与所有黏土颗粒进行反应。该试验结果对膨胀土现场改良时含水率的确定具有重要的指导意义。     

黄土丘陵小流域地形和土地利用对土壤水分时空格局的影响

采用1982～1985年和2002年两个时段的定点观测数据,系统分析了小流域尺度地形和土地利用类型对土壤水分时空格局的影响.结果表明:1)土壤水分变化特征为所有年份农地土壤水分都最大,灌木林地和荒草地较低,林地居中;不同坡向间以阴坡土壤水分最大;而不同坡位间以坡中部土壤水分最大.受降雨和植被耗水的影响,所有土地利用类型中土壤水分在整个生长期表现为降低型.2)在年尺度上表现为干旱年份土地利用类型和坡向对土壤水分的影响较大;而在湿润年份,其影响程度减弱;坡位在干旱和湿润年份对土壤水分的影响都较小.湿润年份,降雨量的增大弱化了地形和土地利用类型对土壤水分时空格局的影响;而干旱年份正好相反.3)在季节尺度上表现为在生长季节的中后期,土壤水分的变异格局主要受坡向影响;而在生长季节的中期,主要受土地利用类型影响;坡位在整个观测时段内影响都较小.4)在不同土壤层次方面特征为土地利用类型对0～20em层次影响较小,而对其他4个深度较大的层次(20～100cm)影响较大,并且5个层次中以40～60cm层次的差异最大;坡向对5个层次土壤水分的变异格局均有明显影响,并呈现随着深度的增加,其影响减弱的趋势;坡位对5个层次的土壤水分变异格局影响均较小.     

风干含水量W65用作膨胀土判别分类指标的可行性研究

本文针对膨胀土的判别分类指标存在的一些问题,提出一种新指标--风干含水量W65.文中详细研究了它的测试方法,它与膨胀土的物理化学活性,物性指标及自由膨胀率ef等的关系。结果表明,W65能很好反映膨胀土的矿物组成或物理化学活性特征,而ef或WL则更能反映土的粒度组成或分散性特征。最后,在继承ef的判别分类成果基础上,考虑到塑性图的优点,建议采用W65-WL判别分类图。该图能区分膨胀土与典型红粘土,较单一指标判分膨胀土更合理适用。     

甘肃黄土高原土壤水分气候特征

利用甘肃黄土高原42个气象站1961—2000年3～7月降水量和11个农业气象观测站逐年3～11月上旬的土壤重量含水率资料，分析了甘肃黄土高原土壤水分的地域和时间分布特征。结果表明：①甘肃黄土高原土壤水分从西南向东北减少，中部有一条从北向南的干舌，干旱中心在陇中北部，受六盘山的影响较大；②甘肃黄土高原分为7个气候区：陇中、陇东土壤严重缺水区，陇中、陇东土壤季节性缺水区，土壤水分适宜区，土壤水分湿润区和甘南高原土壤水分湿润区；③陇中北部和陇东北部土壤严重缺水区浅层土壤严重缺水主要出现在春季和春末夏初，深层土壤也常年处于缺水状态。季节土壤缺水区浅层主要缺水在5、6月份，深层土壤水分陇东高于陇中，适宜区和湿润区无明显土壤缺水时段。     

土壤湿度和气候变化关系研究中的某些问题

从土壤湿度研究的历史出发，阐述了土壤湿度在气候变化乃至全球变化研究中的重要性，并从土壤湿度研究的科学背景出发，总结和综合评述了该研究领域所存在的两个重要科学问题及其研究现状，,最后对未来研究的方向及可能取得的进展进行了论述。     

不同地面覆盖层下土体温湿度场长期观测数据分析

本文通过建立一个不同地面覆盖层土体温湿度监测试验场,对沥青、水泥、多孔砖、草地和裸土5种覆盖层条件下的土体进行了为期2a的观测。观测结果表明：不同覆盖层介质对于下覆土体温湿度场的影响是不同的。在混凝土、沥青、多孔砖、草地和裸土5种地面覆盖层中,混凝土、沥青和多孔砖等硬质地面所对应的土体温度场明显高于裸土和草地,而在3种硬质地面覆盖层中,沥青地面的土体温度场最高,多孔砖最低。在湿度场观测中,多孔砖覆盖层下的土体湿度最大,其次是混凝土和沥青,草地和裸土的湿度最小。因此,多孔砖硬化地面具有很好的保湿性和降低地温场的效果,在城市建设中,应大力推广铺设这类多孔介质硬化地面,以提高城市的生态功能,减少城市热岛效应。     

应变率和含水率对冻土破坏应变能密度影响特性试验研究

在-2.0℃和-5.0℃情况下, 通过一系列不同应变率和含水率条件下的冻结砂土的单轴压缩试验, 分析了应变率和含水率对冻土破坏应变能密度的影响特性。试验结果表明:在较小含水率条件下, 随着应变率的增大, 破坏应变能密度非线性增大, 但当应变率增大到210-3s-1之后, 应变率的改变不再对破坏应变能密度产生大的影响, 并且含水率的增大使破应变能密度随着应变率的增大有了减小的趋势, 破坏应变能密度先随着含水率的增大而急剧增大到最大值, 然后含水率的继续增大使破坏应变能密度急剧减小到最小值, 再随着含水率的进一步增大, 破坏应变能密度变化幅度很小, 基本稳定在0.05MPa, 破坏应变能密度变化的力学机制与强度变化的力学机制并不完全相同。     

土壤水分与干旱遥感研究的进展与趋势

对土壤水分和干旱遥感监测的国内外发展情况进行了回顾,依据土壤水分和干旱遥感监测的原理,围绕着可见光与近红外、热红外、微波光谱波段的使用,分别以土壤和植被为观测对象,对国内外土壤水分与干旱遥感现状与发展趋势进行讨论。重点对微波遥感土壤湿度的算法发展和研究趋势进行了较详细的论述。在总结国内外土壤水分遥感监测研究实验中所用过的方法与原理的基础上,对目前遥感监测土壤水分研究领域的重点、难点和未来的发展方向进行了评述。土壤水分遥感监测是一个复杂的间接过程,波段及变量选择、传感器的性能等因素对土壤水分监测是至关重要的,土壤的各种理化性状、地形的分异作用以及气候变化和人为的土壤管理措施对土壤水分均有不同的影响,地表特征与土壤水分也存在着一定的相关性。改进的热惯量法和作物缺水指数法是当前土壤水分遥感监测中较为成熟的方法。GIS技术的广泛应用、土壤水分遥感监测模型的优化。微波遥感的应用将是该领域的重点研究方向。