生物土壤结皮对风沙土和黄绵土膨胀特性的影响

作为重要的土壤物理性质,膨胀性在影响土壤导水性、持水性、抗蚀性以及土壤结构的形成和发育等方面发挥着重要作用。为了探讨生物土壤结皮（BSCs）土壤的膨胀特性及其主要影响因素,针对黄土高原风沙土和黄绵土两种典型土壤,利用膨胀仪测定并比较了有、无藓结皮及其在不同因素（初始含水量、干湿循环、冻融循环、温度）下膨胀率的差异,分析了BSCs对土壤膨胀性的影响及其与环境因素和BSCs性质的关系。结果显示：风沙土上藓结皮的膨胀率为1.93%,较无结皮增加了8.65倍;而黄绵土上藓结皮的膨胀率为2.05%,与无结皮相比降低了76.68%。藓结皮的生物量和厚度与其膨胀率在风沙土上均呈线性正相关关系（P < 0.05）,在黄绵土上分别呈二次函数（P=0.02）和线性正相关关系（P=0.02）。初始含水量同时影响了土壤最大膨胀率和稳定膨胀时间,影响程度风沙土远大于黄绵土（包括藓结皮和无结皮）;干湿循环次数对无结皮土壤膨胀率的影响程度大于藓结皮土壤,其中风沙土和黄绵土上无结皮的膨胀率分别是50.00%~620.00%和-2.28%~10.81%,而两种土壤上藓结皮的膨胀率分别是-5.70%~10.88%和-10.24%~-21.46%;冻融循环下4种土壤的膨胀率均有不同程度的降低,降幅为0~18.54%。黄绵土无结皮的膨胀率受温度影响程度较大,50℃下黄绵土无结皮的膨胀率分别是25℃和35℃下的1.17倍和1.21倍。BSCs显著地改变了风沙土和黄绵土表层的膨胀性,其影响的程度和方向取决于土壤类型。同时,BSCs的膨胀性受含水量、温度、干湿以及冻融循环等关键因素影响。     

Unified numerical study of shallow foundation on structured soft clay under unconsolidated and consolidated-undrained loadings

Abstract

Based on a new elasto-plastic constitutive model, this paper presents a soil–water coupled numerical prediction of the bearing capacity for shallow foundation constructed on Ballina soft clay for unconsolidated undrained (UU) and consolidated undrained (CU) conditions. This elasto-plastic constitutive Shanghai model has an advantage of describing the mechanical behaviour of over-consolidated and structured soil under different loading and drainage conditions, by using one set of material parameter. In this paper, the Shanghai model used for both UU and CU conditions has the same initial parameters obtained from laboratory test results. The loading conditions and consolidation stages vary based on construction details. The predicted bearing pressure-settlement responses for UU and CU, approves the field observation. The phenomenon of gaining the bearing capacity due to consolidation is captured and explained by the use of soil–water coupled numerical analysis with a new elasto-plastic model. The stress strain behaviour, stress paths and the decay of the structure of elements at different depths presented in this study, reveal the mechanism for the difference between UU and CU conditions to understand the foundation behaviour. Effect of the initial degree of soil structure on the bearing capacity is also addressed. Overall, this approach provides the integrated solution for the shallow foundation design problems under short and long-term loadings.     

边带分离型超导SIS接收机本振耦合噪声研究

超导SIS (Superconductor-Insulator-Superconductor)接收机因极低的接收机噪声温度成为毫米波和亚毫米波段射电天文观测的首选.本振系统耦合噪声也是接收机噪声的一部分,在多年的天文观测中,发现本振耦合噪声无法完全忽略,对天文观测的灵敏度有一定影响.采用两个不同种类的信号发生器作为本振系统初级信号源,测试了超导SIS接收机的噪声温度,发现信号发生器输出的基底噪声能够耦合到接收机内部,从而增加接收机噪声强度.分析研究了本振系统热噪声和信号发生器基底噪声对接收机噪声的影响.通过在信号发生器输入端加入窄带滤波器滤除其基底噪声,消除了信号发生器基底噪声引入的接收机噪声,降低了接收机的整体噪声,提高了望远镜的灵敏度.     

地理时空三向聚类分析方法的构建与实践

随着地理数据获取能力的不断提升,地理数据体量呈指数增长,数据种类、数据性质更加多元化。对数据的有效甄别和归类成为理解地理现象时空特征、演化过程和行为机制的关键。传统聚类方法面临数据体量大、维数高、质量差的挑战,加之对地理空间与时间关联分析的需求,对聚类方法改进和提升研究的要求越来越迫切。本文介绍了从单向到三向聚类构建思路的变革。单向聚类是仅在样本或属性方向上进行聚类,易忽视非常相似的局部特征、易犯“横看成岭侧成峰”的错误。双向聚类是基于数据矩阵内元素值的相似性,形成一个子矩阵分割方案,使子矩阵内元素相似度尽可能高,子矩阵间元素相似度尽可能低,从而实现行列两方向的同时聚类,避免了单向聚类的不足。鉴于双向聚类难以满足地理研究超出双向的解译需求,本文提出并研发了一个全新的三向聚类方法,给出了运用该方法开展地理时空格局过程探测的流程,总结了如何根据研究涉及的“空间—时间—尺度—属性”构建三维数据体;最后,展示了三向聚类的地理实践案例。结果表明：① 三向聚类是一种大数据时代探测地理数据时空分异规律的有效方法,可以解决数据维度高、质量低等问题;② 面对不同的地理问题,三向聚类在算法层面上是通用的,不同之处仅在于：根据不同问题涉及的空间、时间、尺度、属性的不同,构建不同的数据体;不同数据体聚类得到的不同结果回答不同的地理问题;③ 三向聚类可以实现地理数据的时空分异规律多方向、多尺度、多层次的联合解译,揭示地理特征时空尺度叠加效应。最后,论文强调根据地理问题组织数据的重要性,期待未来能够提升三向聚类在多空间尺度、多属性方面的地理研究实践。     

毛乌素沙地锦鸡儿（Caragana）根系微域细菌群落多样性特征

基于16S rRNA高通量基因测序技术,对毛乌素沙地小叶锦鸡儿（Caragana microphylla)、柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）根系微域（即根系、根际土、根区土、灌丛间空白土）间的细菌群落多样性和结构差异性进行表征。本研究对各根系微域间细菌群落的Alpha多样性指数进行了单因素方差分析以及基于OTU水平的PCA分析,探究其在根系微域间Alpha和Beta多样性的层级变化,证实了有关植物根系微域生态位分化的报道,并发现锦鸡儿属植物根系微域间细菌群落的多样性和结构组成随着4个微域类型由外及内呈现出显著的层级差异性（P<0.05）。通过对优势细菌群组的结构组成分析,发现锦鸡儿属植物对特定细菌群组具有显著的向根系内筛选富集的作用（P<0.05）。这种植物通过根系微域对特定细菌群组的逐级筛选富集作用,是导致锦鸡儿属植物灌丛下不同生态位间细菌群落结构和组成发生层级变异的主要原因。     

干旱荒漠区土地利用方式快速转变对土壤入渗性能的影响

研究不同土地利用类型下土壤入渗及其影响因素,有助于城市土地利用管理及径流调节。以快速城市化的兰州新区6种土地利用类型为例,利用圆盘入渗仪,对土壤水分入渗过程进行了实地测量,并利用主成分分析对影响因素进行研究。结果表明：城市化过程中土地利用变化使土壤砂粒和容重增加,总孔隙度和饱和含水量降低;待建地和人工林地的土壤入渗参数值均低于其他土地利用类型。土壤入渗率与有机质含量、总孔隙度、饱和含水量、粉粒含量正相关,与容重和砂粒、黏粒含量负相关。城市化过程中土地利用类型向待建地的转变改变了土壤理化性质及土壤水分入渗能力。     

毛乌素沙地布寨淖尔下风向沙化湖滨地表沉积物理化特性

布寨淖尔湖是鄂尔多斯高原毛乌素沙地腹地的代表性盐湖,其东南部分布着平坦裸露的沙化湖滨\,湖岸沙丘及半固定沙丘,地表均沉积有大量沙物质与粉尘,这些松散富盐物质在风力侵蚀作用下常形成盐碱尘暴,威胁下风向区域的生态环境安全。研究了布寨淖尔湖东南部区域2.5 km范围内地表沉积物的土壤粒度与理化特性,旨在为盐碱尘暴源区的防治与生态治理提供基础科学参考。结果表明:布寨淖尔湖滨裸露地表沉积物以粗砂、中沙和细砂为主;从湖心沿东南方向等距离(0.5 km)采样,距湖心越远,粗砂和细砂含量逐渐减小,极细砂、粉砂和黏土含量逐渐增加,中砂含量无明显变化。地表沉积物含水率、容重随与湖心距离的增加逐渐增加,pH值、全盐量及电导率则呈逐渐减小趋势;沉积物阳离子以Na⁺为主,阴离子以Cl^-为主,其次为SO₄^2-、HCO^-₃。整体看,区内地表碱化较为严重,区域下风向土壤理化特征呈明显有规律变化趋势,湖滨地表土壤有明显风蚀迹象,可能是盐碱尘暴与湖岸沙丘形成的重要物源区。     

生物土壤结皮铁代谢微生物组成及其功能基因对演替的响应

采用微生物宏基因组学微阵列GeoChip 5.0技术,选择腾格里沙漠东南缘沙坡头地区不同年代人工固沙植被区的生物土壤结皮（BSC）为对象,分析BSC演替过程中参与铁代谢的功能微生物组成及其功能基因变化特征,研究微生物铁代谢对BSC演替的响应及调控。结果表明：真菌参与铁吸收和转运过程,古菌参与铁转运和贮存过程,细菌则在铁代谢吸收、转运和贮存过程中均起主要调控作用。门水平上,BSC铁代谢功能微生物组成变化对演替的响应不敏感,BSC铁代谢微生物主要为变形菌门（Proteobacteria）。BSC铁代谢功能基因多样性的显著提高和三类铁代谢过程基因信号强度达到最高水平需要经过61 a的演替。调控BSC铁吸收过程的主要功能基因为亚铁氧化酶编码基因iro;调控原核生物铁转运过程的主要功能基因,为羟基苯甲酰丝氨酸铁外膜转运体编码基因cirA和Fe（Ⅱ）转运蛋白编码基因feoB,真菌铁转运过程主要依靠含铁细胞转运体和铁氧化酶高亲和力的作用;调控铁贮存过程的主要功能基因为固定相类核蛋白编码基因dps。在BSC演替阶段末期,上述铁代谢功能基因强度的显著增加促进了微生物的铁代谢潜能。干旱、半干旱荒漠生态系统植被恢复过程中微生物铁代谢潜能的恢复需要较长时间。     

降雨量、土壤蓄水量对流动沙地土壤水分深层渗漏的影响

土壤水分深层渗漏是陆地近地层水分循环的重要环节。利用土壤水分深层渗漏记录仪对毛乌素沙地典型流动沙丘不同深度土层的土壤渗漏水量连续进行两年定点监测。结果表明：（1）2016年生长季（4月1日至10月31日）降水量为2017年的1.93倍,但50、100、200 cm沙层的渗漏水量分别是2017年同期的4.53、5.53,5.22倍。同时,渗漏水量与降雨量及土壤蓄水量的波峰较一致。（2）强降雨对深层渗漏水量的影响较大,土壤蓄水量的变化也与深层渗漏水量密切相关;降雨量较小时,土壤蓄水量与深层渗漏水量之间的关系更为密切。在连续降雨过程中,越往深处,渗漏的产生通常是多次降雨过程累积的结果,将土壤蓄水量作为中间变量,能更好地分析土壤深层渗漏过程。（3）当天蓄水量与次日渗漏水量的相关系数较高,土层越深,深层渗漏水量与土壤蓄水量的相关系数增加,二者之间的线性拟合的R²也相应增加。     

Coupling numerical simulation with remotely sensed information for the study of frozen soil dynamics

The acquisition of spatial-temporal information of frozen soil is fundamental for the study of frozen soil dynamics and its feedback to climate change in cold regions. With advancement of remote sensing and better understanding of frozen soil dynamics, discrimination of freeze and thaw status of surface soil based on passive microwave remote sensing and numerical simulation of frozen soil processes under water and heat transfer principles provides valuable means for regional and global frozen soil dynamic monitoring and systematic spatial-temporal responses to global change. However, as an important data source of frozen soil processes, remotely sensed information has not yet been fully utilized in the numerical simulation of frozen soil processes. Although great progress has been made in remote sensing and frozen soil physics, yet few frozen soil research has been done on the application of remotely sensed information in association with the numerical model for frozen soil process studies. In the present study, a distributed numerical model for frozen soil dynamic studies based on coupled water-heat transferring theory in association with remotely sensed frozen soil datasets was developed. In order to reduce the uncertainty of the simulation, the remotely sensed frozen soil information was used to monitor and modify relevant parameters in the process of model simulation. The remotely sensed information and numerically simulated spatial-temporal frozen soil processes were validated by in-situ field observations in cold regions near the town of Naqu on the East-Central Tibetan Plateau. The results suggest that the overall accuracy of the algorithm for discriminating freeze and thaw status of surface soil based on passive microwave remote sensing was more than 95%. These results provided an accurate initial freeze and thaw status of surface soil for coupling and calibrating the numerical model of this study. The numerically simulated frozen soil processes demonstrated good performance of the distributed numerical model based on the coupled water-heat transferring theory. The relatively larger uncertainties of the numerical model were found in alternating periods between freezing and thawing of surface soil. The average accuracy increased by about 5% after integrating remotely sensed information on the surface soil. The simulation accuracy was significantly improved, especially in transition periods between freezing and thawing of the surface soil.