砒砂岩改良风沙土对作物产量影响的RZWQM2模型模拟
科技成果——砒砂岩水土流失区抗蚀促生综合治理技术
科技成果——砒砂岩水土流失区抗蚀促生综合治理技术技术开发单位黄河水利委员会黄河水利科学研究院对应需求砒砂岩水土流失区抗蚀促生综合治理技术成果简介该技术以砒砂岩区水土流失治理为目标，按照从砒砂岩区分布、类型及其面积精准辨识，到地貌-侵蚀-植被响应关系及侵蚀过程判析与模拟，再到砒砂岩侵蚀岩性机理、力学机理揭示，进而构建了侵蚀阻控、植被恢复双功能一体化的综合治理技术。
该技术主要是将小流域分成坡顶、坡面、沟道等不同部分，然后根据不同地貌的特点开展针对性的坡顶经济林果种植、坡面抗蚀促生、沟道柔性坝刚性坝等工艺进行治理，为砒砂岩生态脆弱区生态恢复、黄河粗泥沙治理提供科技支撑。
主要性能指标1、抗蚀促生新材料：实现了阻控侵蚀与恢复植被的功能一体化，减少侵蚀量90%以上，植被覆盖度提高3倍，消减洪水洪峰流量达33-97%。
2、砒砂岩治理的二元立体配置模式：创建了抗蚀促生材料-工程-生物措施体系与地貌单元高适配的二元立体配置模式，剧烈侵蚀面积减少47%。
3、砒砂岩改性筑坝技术：较之以往的外运黄土建设淤地坝模式可大幅节省投资成本。
适用范围主要适用于黄河流域砒砂岩生态综合治理区。
技术特点克服了以往砒砂岩地区的淤地坝只能通过外运黄土的方式来进行建设的弊端，研发的砒砂岩改性材料可将砒砂岩改性后直接作为淤地坝的建筑材料，降低了建设淤地坝的成本。
研发的陡坡治理抗蚀促生材料突破了以往砒砂岩陡坡坡面无法治理的短板，减少了砒砂岩陡坡、特别是块体状重力侵蚀造成的严重沟道侵蚀。
应用成本该成果在应用于小流域生态综合治理建设中，与以往技术相比，可降低成本60%以上。
典型案例典型案例1：该技术在内蒙古自治区鄂尔多斯市政府主导的水土保持科技示范园区建设中得到了成功应用，鄂尔多斯地区分布有最广泛的砒砂岩地形地貌，具有地形破碎、坡陡沟深、水土流失极其严重等特点，示范区建设面积为35万km2，节省治理成本约5000万元对当地水土保持工作起到了有效的示范引领作用。
毛乌素沙地砒砂岩与沙复配成土造田工程技术研究
毛乌素沙地砒砂岩与沙复配成土造田工程技术研究作者：王启龙来源：《农业与技术》2017年第15期摘要：为探索出一条适宜毛乌素沙地治理模式，选取地理位置、气候、水文等条件具有代表性的榆林市小纪汗乡大纪汗村区域作为工程示范项目点，在基于砒砂岩和沙复配成土技术基础上，综合运用工程和耕作管理措施，形成一套兼顾生态和经济效益的开发性治理新模式。
实践证明：通过砒砂岩与沙复配成土造田工程的实施，有效增加了耕地面积，改善了农业生产条件和生产效率，提高了粮食产量，实现了沙地资源化利用。
通过对项目区实施灌溉与排水工程、田间道路工程、农田防护与生态环境保护工程等配套工程措施，使项目区种植结构有了合理调整，改善了当地的区域自然生态环境，逐步建立起人与自然、环境之间协调发展的生态系统，将原来的沙荒地打造成为景观生态农业基地。
关键词：毛乌素；砒砂岩；沙；造田工程中图分类号：S282 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170721001毛乌素沙地，是鄂尔多斯高原东南部和陕北长城沿线沙地的统称，位于N3730'～3920'，E10720'～11130'之间。
长期以来，毛乌素沙地面临区域土地沙漠化、生态退化等严重的生态环境问题。
随着气候暖化趋势的日益显现和人类活动强度的不断增大，土地沙漠化加剧、水资源缺乏、水土流失、土地质量下降等综合问题日益突出[1]。
如何有效防治土地沙漠化、改善区域生态环境、协调人地关系，成为国内管理界、学术界密切关注的重大现实问题[1，2]。
从近些年来的防治技术研究与实践来看，呈现出常规化、单一性、短期性的特点与问题，基础性技术集成和自主创新能力不足、成果偏少，因而面对区域性生态退化、土地质量下降和人地关系恶化等一系列难题，亟需立足当地实际、明确科学目标，推进深度研究和创新[3]。
毛乌素沙地广泛分布着被当地人俗称为“砒砂岩”的松散岩层，它具体指古生代二叠纪、中生代三叠纪、侏罗纪和白垩纪的厚层砂岩、砂页岩和泥质砂岩组成的岩石互层。
砒砂岩对生态环境的影响及对策研究
资源·环境-13-砒砂岩对生态环境的影响及对策研究魏 力（陕西地建土地勘测规划设计院有限责任公司，陕西 西安 710075）[摘要]砒砂岩作为一种发育不充分且利用率较低的风化岩石，其特殊的理化特性和结构特点引起区域内土地荒漠化和水土流失等环境破坏现象，对自然生态环境产生严重的危害。
从砒砂岩区域内生态建设的需求出发，对砒砂岩引起的环境问题进行了说明，并针对引发的问题提出了砒砂岩与沙复配成土技术、砒砂岩改性材料技术以及砒砂岩重金属吸附技术的应用，对实现砒砂岩资源最大化利用具有重要的意义。
[关键词]砒砂岩；生态环境；影响；对策[中图分类号]X53 [文献标识码]A引言砒砂岩是一种由风化和干旱引起的结构松散的岩石，其主要成分为泥岩或沙岩。
目前主要于我国陕北、内蒙古以及山西等区域和大部分沙漠地带富集。
砒砂岩结构特殊且受自然条件制约较大，在风力作用下使其砂化并随之迁移，逐渐改变所在地自然环境甚至形成沙漠，土壤侵蚀现象严重。
由于其极易溶于水，在极端降雨条件下容易引起严重的水土流失现象，而在无水无风情况下，其质又十分坚硬而难以利用。
砒砂岩所处区域大部分在于干旱半干旱地带，植被覆盖程度较低，降雨较为集中且风沙活动频繁，对岩层的破坏程度更大，使得区域内地形破碎，形成沟壑及陡坡，严重危害自然生态环境和生活生产。
2018年6月，中共中央、国务院印发《关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》等众多政策规划制定了生态保护红线并提出“绿水青山就是金山银山”生态战略思想。
因此，如何有效利用砒砂岩结构特性将其充分利用，减轻其对自然生态环境的破坏是目前必须要解决的问题。
1 砒砂岩引起的环境问题砒砂岩形成年代较早，主要为三叠纪、侏罗纪和白垩纪时期积累的砂岩、页岩及泥岩的复合体，其透水性差且地表呈层状板结紧实，在风力、降雨、冻融等自然条件的影响下，其结构十分容易改变。
风蚀发生与表土粒度组成特征存在紧密的相关性，因此土壤质地是引起风蚀的重要因素之一，由于砒砂岩胶结能力较差且结构强度低，土层浇薄且极易风化，裸露砒砂岩风化速率快，风力作用能够使其结构发生一定的破坏，抵抗侵蚀的能力减弱，进而使其沙漠化程度加剧。
砒砂岩在毛乌素沙地边坡治理工程中的应用
科学技术创新2019.29砒砂岩在毛乌素沙地边坡治理工程中的应用高笑（陕西省土地工程建设集团有限责任公司西北分公司，陕西榆林719000）1砒砂岩与沙复配成土技术简介毛乌素沙地广泛分布着“两害”砒砂岩和沙，砒砂岩是一种成岩程度低的岩石，干燥状态时坚硬如石，但一遇水则松软如泥[1]，保水能力强，易板结；沙地中沙含量很高，沙结构松散，漏水漏肥严重，而对作物生长有益的粉粒和粘粒含量很少。
韩霁昌研究员团队[2,3]利用砒砂岩和沙互补的性质特点，将二者按多种比例进行复配，则可将两害变为了一宝，形成一种新型复配土。
复配土中沙粒含量明显降低，粉粒含量显著上升，粘粒含量也有所提高，土壤质地从毛乌素沙地的砂土类型变成了更适宜耕种壤砂土或砂壤土类型；复配土相对于原始沙地的保水保肥能力得到了大大提升，并在榆林及周边省市内得到了推广应用，经济和生态效益均取得了显著成效。
2边坡防护措施2.1沙障沙障是最早应用于沙漠化治理的措施之一，其功能效仿于植被，主要通过改善破面粗糙程度，提高坡面抗侵蚀能力，有一定的防风固沙效果，具有因地制宜的特点。
国内防风固沙所用的主要材料有柴草、黏土、砾石、塑料，存在易老化、运输及施工困难等缺点。
在风雨、流沙等条件影响下，沙障易出现腐烂、沙埋等破坏现象，固沙效果会逐渐衰减，尤其普通干柴草沙障运行几年后，防风固沙功能呈现出逐渐减弱的趋势[4]。
人工植被等活沙障在运行初期，植被生产困难、缓慢，防风固沙效果也较弱，但随着植被的生长，防护效果会逐渐显示出。
塑料等新型材料因造价相对昂贵，且容易造成白色污染，在小规模工程实践中使用较多。
2.2生态护坡生态护坡[5]是在土壤、生物、环境等学科相互融合的理论基础上，形成的一种现代边坡治理的工程措施，主要利用植物、微生物与保护对象破面土体结构之间互的相影响作用，最形成有机结合体，体现了自然环境各要素相互促进、和谐发展的理念。
这样不仅保护了破面土壤的任意移动与破坏，加强土体结构的稳定性，还能体现植被的生态功能。
砒砂岩坡面侵蚀产沙规律及多元回归估算模型研究
第31卷第2期2024年4月水土保持研究R e s e a r c ho f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o nV o l .31,N o .2A pr .,2024收稿日期:2023-02-19 修回日期:2023-04-08资助项目:国家自然科学基金(42207394);江苏省自然科学基金(B K 20190348);国家重点研发计划课题(2017Y F C 0504505);广西重点研发计划项目(桂科A B 21196048);中央财政林草科技推广示范项目(2023-T G 17) 第一作者:梁止水(1988 ),男,河南商丘人,博士,副研究员,主要从事水土保持与生态修复研究㊂E -m a i l :z s _l i a n g@s e u .e d u .c n h t t p :ʊs t b c y j .p a p e r o n c e .o r gD O I :10.13869/j.c n k i .r s w c .2024.02.026.梁止水,陈煜,孙悦,等.砒砂岩坡面侵蚀产沙规律及多元回归估算模型研究[J ].水土保持研究,2024,31(2):11-17.L i a n g Z h i s h u i ,C h e nY u ,S u nY u e ,e t a l .S t u d y o n t h eP a t t e r no f E r o s i o n a n dS e d i m e n tY i e l d a n dM u l t i p l eR e gr e s s i o nE s t i m a t i o nM o d e l o f P i s h a S a n d s t o n eS l o pe [J ].R e s e a r c hof S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n ,2024,31(2):11-17.砒砂岩坡面侵蚀产沙规律及多元回归估算模型研究梁止水1,陈煜1,孙悦1,高海鹰1,吴智仁2(1.东南大学土木工程学院,南京210096;2.江苏大学环境与安全工程学院,江苏镇江212013)摘 要:[目的]揭示砒砂岩坡面侵蚀产沙规律并初步建立侵蚀产沙估测模型,为创新砒砂岩区水土流失综合治理新措施提供参考㊂[方法]利用室内人工模拟降雨试验,依据18个工况的试验数据,定量研究了不同降雨强度㊁植被覆盖度和坡度3个因素对砒砂岩坡面降雨侵蚀产沙量的影响规律,并通过多元非线性回归方程建立了坡面侵蚀产沙预测模型㊂[结果](1)砒砂岩坡面产沙规律曲线均属于平缓型,每分钟产沙量随降雨历时呈现逐渐增大并直至稳定㊂(2)坡面产沙量受降雨强度的影响最为强烈,植被其次,坡度最小,且降雨强度对植被的减沙效益具有一定的影响,随着降雨强度的增加,低覆盖度的植被减沙效益降低㊂(3)产沙量同降雨强度呈幂函数关系,而同坡度和植被覆盖度在一定范围内呈线性关系㊂[结论]通过多元非线性回归方程所建立的侵蚀产沙估算方程的拟合相关系数(R 2)可达到0.980,可以有效反映坡面侵蚀产沙量与各个影响因素的相互关系,具有较高的适用性㊂关键词:砒砂岩;模拟降雨;侵蚀产沙;多元非线性模型中图分类号:S 157.1 文献标识码:A 文章编号:1005-3409(2024)02-0011-07S t u d y o n t h eP a t t e r no fE r o s i o na n dS e d i m e n tY i e l da n dM u l t i pl e R e g r e s s i o nE s t i m a t i o n M o d e l o fP i s h a S a n d s t o n e S l o pe L i a n g Z h i s h u i 1,C h e nY u 1,S u nY u e 1,G a oH a i y i n g 1,W uZh i r e n 2(1.S c h o o l o f C i v i lE n g i n e e r i n g ,S o u t h e a s tU n i v e r s i t y ,N a n j i n g 210096,C h i n a ;2.S c h o o l o f th e E n v i r o n m e n t a n dS a f e t y E n g i n e e r i n g ,J i a n g s uU n i v e r s i t y ,Z h e n j i a n g ,J i a n gs u 212013,C h i n a )A b s t r a c t :[O b j e c t i v e ]T h e a i m s o f t h i s s t u d y a r e t oe x p l o r e t h e p a t t e r no f e r o s i o no nP i s h a s a n d s t o n e s l o p e a n d e s t a b l i s h t h e e s t i m a t i o nm o d e l ,a n d t o p r o v i d e r e f e r e n c e f o r i n n o v a t i n g th e n e w m e a s u r e s o f s o i l e r o s i o n c o n t r o l i nP i s h a s a n d s t o n e a r e a .[M e t h o d s ]T h e e f f e c t s o f r a i n f a l l i n t e n s i t y (20,50a n d80mm /h ),v e ge t a -t i o nc o v e r a g e (10%,30%a n d 50%)a n d s l o p e (20ʎ,30ʎa n d 40ʎ)o n s e d i m e n t y i e l d p a t t e r nw e r e e x a m i n e d ,a n d a ne s t i m a t i o nm o d e l of e r o s i o na n ds e d i m e n t y i e l do ns l o p ew a se s t a b l i s h e dt h r o ugh m u l ti pl en o n l i n e a r r e g r e s s i o ne q u a t i o n .[R e s u l t s ]T h es e d i m e n t y i e l dc u r v eo ft h eP i s h as a n d s t o n es l o p ea p p e a r e da g e n t l e g r o w t h ,a n dt h es e d i m e n t y i e l di n p e r m i n u t ei n c r e a s e d g r a d u a l l y wi t ht h ed u r a t i o no fr a i n f a l la n dt h e n b e c a m e s t a b l e .A m o n g t h ef a c t o r s ,t h es e d i m e n t y i e l d w a s m o s ts t r o n g l y a f f e c t e db y r a i n f a l l i n t e n s i t y,f o l l o w e db y v e g e t a t i o n ,a n d t h e s m a l l e s t e f f e c t f a c t o r i s s l o p e .A d d i t i o n a l l y ,t h e s e d i m e n t r e d u c t i o n e f f i c i e n c yo f v e g e t a t i o nw a sa l s oa f f e c t e db y r a i n f a l l i n t e n s i t y .A s r a i n f a l l i n t e n s i t y i n c r e a s e d ,t h es e d i m e n t r e d u c t i o n e f f i c i e n c y o f v e g e t a t i o nw i t hl o wc o v e r a g ed e c r e a s e d .T h es e d i m e n t y i e l dh a da p o w e r f u n c t i o nr e l a t i o n s h i pw i t h r a i n f a l l i n t e n s i t y ,w h i l e i t h a d a l i n e a r r e l a t i o n s h i p w i t h s l o p e g r a d i e n t a n dv e g e t a t i o n c o v e r a gew i t h i n a c e r t a i n r a n g e .A m u l t i v a r i a t en o n l i n e a r r e gr e s s i o n m o d e l f o re r o s i o na n ds e d i m e n t y i e l do fP i s h as a n d s t o n e s l o p ew a se s t a b l i s h e d .[C o n c l u s i o n ]T h ef i t t i n g c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t R 2o ft h ee s t a b l i s h e de r o s i o na n d s e d i m e n t y i e l d e s t i m a t i o n e q u a t i o n r e a c h e s 0.980u n d e r t h e s pe c if i c c o n d i t i o n s o f t h e s t a n d a r d p l o t ,w h i c h c a ne f f e c t i v e l y r e f l e c t t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e ns l o p ee r o s i o na n ds e d i m e n t y i e l da n dv a r i o u s i n f l u e n c i n g f a c t o r s, a n d t h e e s t i m a t i o nm o d e l h a sh i g ha p p l i c a b i l i t y.K e y w o r d s:P i s h a s a n d s t o n e;s i m u l a t e d r a i n f a l l;s e d i m e n t y i e l d;n o n l i n e a rm o d e黄河流域砒砂岩区处于黄土高原到西北沙漠类型的过渡区,环境异质性极为突出,生态退化和水土流失非常严重,侵蚀模数可达到30000~40000t/(k m2㊃a),是我国乃至世界上侵蚀最为剧烈的地区之一,也是黄河下游 地上悬河 的粗泥沙来源核心区[1]㊂长期以来,砒砂岩区被列为国家生态环境建设和水土流失治理的重点区,水土流失防治取得了较为显著的治理成效[2-4]㊂针对砒砂岩的水力侵蚀,主要集中在冲刷条件下的坡面侵蚀规律和水力学特征㊂其中:苏涛等[5-6]利用室内和野外径流冲刷试验研究了砒砂岩坡面的侵蚀规律和径流水动力学特性㊂杨吉山等[7]通过野外放水冲刷试验对比研究了白色和红色原状砒砂岩坡面的产流㊁产沙过程,分析了砒砂岩剥蚀率与水力学参数之间的相似关系㊂L i a n g等[8]采用室内模拟降雨试验分析了不同降雨强度㊁坡度㊁植被覆盖率条件下的产沙规律㊂杨振奇等[9]运用系统聚类和线性回归相结合的方法,划分裸露砒砂岩区降雨类型,研究了不同降雨类型对裸露坡面产流和产沙的影响,分析了不同降雨条件下坡面的微地形变化规律㊂李龙等[10]研究了自然降雨条件下砒砂岩坡面细沟微形态及其侵蚀特征,分析了细沟微形态变化过程对产流产沙的影响㊂董晓宇等[11]采用野外原位模拟冲刷试验研究了裸露砒砂岩区坡面侵蚀过程中地表粗糙度与水力侵蚀特征参数的关系㊂然而针对砒砂岩坡面的水土流失模拟及侵蚀产沙预测模型等研究较少,其中只有叶俊道等[12]对W E P P模型在砒砂岩地区不同坡面的土壤侵蚀进行了适用性探讨㊂因此,亟需针对砒砂岩坡面的特点建立适用于该地区的产沙过程预报模型㊂为了更好地研究砒砂岩坡面在降雨侵蚀作用下侵蚀产沙规律,本文开展室内模拟降雨试验,研究不同砒砂岩边坡的坡度㊁降雨强度及植被覆盖率条件下的侵蚀产沙量,利用多元回归分析方法,分析不同参数与侵蚀产沙量之间的相互关系,初步建立侵蚀产沙估测模型,以期为砒砂岩水土流失区治理工作提供一定的科学依据㊂1材料及方法1.1试验材料试验用砒砂岩土取自黄河中游上游皇甫川流域的圪秋沟,含水量约为9.0%,土壤颗粒级配使用马尔文3000激光粒度仪测定,>1.00mm的颗粒组成占0.83%,0.50~0.05m m的颗粒组成占90.74%,<0.01 mm的颗粒组成占8.43%㊂所选用的植物为狗牙根 C y n o d o nd a c t y l o n(L.)P e r s o o n ,它与砒砂岩区广泛生长的野牛草极为类似,也具有根系较小㊁叶面窄长㊁移植成活率高等特点㊂1.2试验设计采用标准小区5mˑ1m,进行室内模拟降雨试验,主要考察降雨强度㊁坡度和植被覆盖度的影响㊂根据全面调查立体条件和气候条件的基础上,砒砂岩区相对稳定坡度多在30ʎ左右[10]㊂因此,试验中考察砒砂岩的坡度为20ʎ,30ʎ,40ʎ㊂根据当地多年降雨数据资料选择降雨强度为20,50,80mm/h,植被覆盖率为10%,30%,50%㊂此外,在砒砂岩区沟坡系统的陡坡面上很少有植被生长,因此,仅在20ʎ的缓坡条件下进行植被覆盖度的影响研究㊂试验设计见表1,砒砂岩裸地坡面依次编号为A1 A9,有植被覆盖坡面依次编号为B1 B9㊂表1试验设计方案T a b l e1D e s i g no f e x p e r i m e n t s试验编号降雨强度/(mm㊃h-1)坡度/(ʎ)植被覆盖率/%试验编号降雨强度/(mm㊃h-1)坡度/(ʎ)植被覆盖率/% A120200B1202010 A220300B2202030 A320400B3202050 A450200B4502010 A550300B5502030 A650400B6502050 A780200B7802010 A880300B8802030 A980400B9802050 1.3试验过程与测试方法模拟降雨试验在黄河水利科学研究院模型黄河降雨试验大厅进行,其中模拟降雨装置采用下喷式的自动模拟降雨系统,其降雨的均匀性可达到90%以上㊂试验用的土槽为移动式可变坡度的钢槽,其坡度调节范围为5ʎ~45ʎ,土槽的长为5.0m,宽为2.0m,高为0.6m,宽度方向上分为2个1.0m的土槽㊂狗牙草则采用试验前一个月的苗子进行移植,并通过对种植时的密度控制及叶面修剪来控制覆盖度大小,从而保证试验中的植被覆盖率要求㊂模拟砒砂岩坡面采用控制容重的方法填土,层层21水土保持研究第31卷压实,容重均控制在1.4~1.5g/c m3,使其接近野外实际砒砂岩容重㊂为便于渗水,填土之前,在坡面底部预先铺上10c m厚的沙子㊂每场降雨试验的前一天,先用非常小的雨量进行预降雨,在基本保证不产生侵蚀的条件下直至形成产流为止,从而可以有效消除不同工况下的边界差异㊂同时,在每次降雨前,均需要用塑料薄膜将坡面盖住,并在坡面的4个角放置雨量筒,初始降雨15m i n,用于校核降雨强度大小及其均匀性㊂降雨持续1h,降雨过程中每3m i n接一个产流泥沙样,采用集沙桶收集产流产沙情况,后用烘干法测得产沙量㊂1.4数据分析和建模方法模拟试验结果利用S P S S软件和非线性回归分析方法进行拟合,建立回归方程㊂2结果与分析2.1砒砂岩裸地坡面产沙特征分析从图1中可以看出,不同坡度条件下,降雨初期单位时间的产沙量均随降雨历时的增加不断增加,随后逐渐趋于稳定㊂其中,降雨强度越小的情况下,单位时间内的产沙量最终趋于稳定的时间越早㊂而在降雨历时半小时以后,所有工况下的单位侵蚀产沙量基本都趋于稳定㊂已有研究表明[13],黄土类坡面的侵蚀产沙量随降雨历时的变化曲线会有3种形式:平缓型㊁单峰型和多峰型,而砒砂岩坡面侵蚀产沙量随时间变化均为平缓型㊂在本次试验研究的时间范围内尚未出现峰值,这其中可能的原因是砒砂岩在遇水后短时间内出现侵蚀溃散,并呈现出侵蚀恶化的趋势,直至达到水流可携带泥沙的极大值㊂另外,侵蚀产沙量受降雨强度的影响为极其显著(p< 0.01),即为降雨强度越大,砒砂岩坡面形成的产沙量也越大,曲线波动的程度也更加明显㊂而在试验中的3种降雨强度条件下,侵蚀产沙量均随坡度的增加而呈现轻微的增加趋势,但该趋势并不明显(p> 0.05),说明坡度对侵蚀产沙量的影响小于降雨强度的影响[14]㊂图1裸坡坡面产沙量随降雨历时的变化曲线F i g.1C u r v e o f s a n d y i e l do n t h e b a r e s l o p ew i t h t h e d u r a t i o no f r a i n f a l l2.2砒砂岩植被覆盖坡面产沙特征分析图2为不同降雨强度和植被覆盖度下,砒砂岩坡面产沙量随时间的变化曲线,从图中可以看出,砒砂岩植被覆盖坡面产沙量随时间变化规律同裸露坡面的情况相似,其中初期产沙量随降雨历时的增加而不断增大,之后逐渐趋于稳定㊂砒砂岩坡面植被减蚀效果也明显受降雨强度影响,不同降雨强度时,植被的减蚀率相差较大㊂当降雨强度为20mm/h时,不同覆盖度的植被减沙效果均非常明显(p<0.01),所有植被覆盖度的减沙率均超过70.00%㊂但当降雨强度为80m m/h时,只有植被覆盖度为50%对应的产沙量与裸坡相比变化明显,减沙率为86.72%,其他覆盖度条件,产沙量与裸坡相比变化并不明显(p>0.05)㊂3讨论根据模拟降雨试验结果,得到了累计产沙量随降雨时间的关系(图3),可以看出,不同坡面的累计产沙量随降雨历时增加而增加,且有增加变陡的趋势(曲率增加),这是由于随着时间推移,坡面侵蚀程度增大,径流中所含的泥沙在输移过程中增强了侵蚀动力,加剧了侵蚀产沙,该结果与肖培青等[15]得出累计产沙量与降雨历时成幂函数的结论基本一致㊂3.1累计产沙量拟合曲线由图3看出,在不同的试验工况下,每分钟产沙量相差很大,导致这些累计产沙与降雨历时的关系曲线偏离也很大,难以统一分析㊂如果采用幂函数拟合,每一个试验条件都得到一个具有两个参数的公式,得不到统一的对应关系㊂因此,考虑对累计产沙量进行无量纲的归一化处理,使得数值在0~1[16],即为:将累计产沙量值都除以其1h总产沙量,降雨历时以1h的百分数表示㊂并得到了归一化后的关系曲线(图4),所有工况条件下得到曲线重合性好㊂31第2期梁止水等:砒砂岩坡面侵蚀产沙规律及多元回归估算模型研究图2 植被覆盖坡面产沙量随降雨历时的变化曲线F i g .2 C u r v e o f s e d i m e n t y i e l do nv e g e t a t i o n c o v e r s l o pew i t h r a i n f a l l d u r a t i o n 图3 累计产沙量随降雨历时的关系曲线F i g .3 R e l a t i o n s h i p cu r v e o f c u m u l a t i v e s e d i m e n t p r o d u c t i o nw i t h r a i n f a l l d u r a t i o n 图4 累计产沙量随降雨历时变化的归一化关系曲线F i g .4 N o r m a l i z e d r e l a t i o n s h i p c u r v e o f c u m u l a t i v e s e d i m e n t p r o d u c t i o n c h a n gew i t h r a i n f a l l d u r a t i o n 由图4可以看出,归一化曲线基本都位于y =x 下方,且非常接近以其为玄的圆弧,因此考虑采用曲线拟合,并假定为一条圆弧,圆心设为(a ,b ),在曲线的左上方,半径为r ,其中圆弧同时经过点(0,0)和(1,1),则该弧线上的点(x ,y )满足以下关系:a 2+b 2=r 2(a -1)2+(b -1)2=r 2(a -x )2+(b -y )2=r 2ìîíïïïï(1)且有a ɤ0,b >0,b >y ㊂从而获得目标的拟合方程为:y =1-a -(1-a )2+2a x -x 2(2)对每条归一化后的曲线按照公式(2)进行非线性拟合,得到a 值和拟合相关系数R 2(表2),其中相关系数均在0.95以上,因此拟合的误差较小㊂而B 1,B 2和B 9这3个组别中a 值特别大,说明该3种工况下,圆弧曲率很大,曲线接近于直线,且都属于具有覆盖率的两个边缘情况,说明该拟合曲线存在一定的临界条件㊂在试验组的基础上,去除该三组数据后,对其他数据进行求平均值,从而保证其统一拟合的效果,从而得到a 值约为-2.480,方差为3.154,各组数据基本均匀分布在拟合曲线的附近,且符合归一化曲线下凹㊁斜率逐渐增大的特点,可以较好地反映试验条件下累计产沙量随降雨历时的变化规律,故可以得到砒砂岩坡面侵蚀的累计产沙量与降雨历时(t )的拟合曲线方程为:y =3.48-3.482-4.96t -t 2(3)式中:t 为降雨历时(h),取值范围0~1㊂41 水土保持研究 第31卷表2 拟合参数a 值及相关系数T a b l e 2 F i t t i n gpa r a m e t e r a v a l u e s a n d c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s 试验编号拟合a 值相关系数(R 2)样本数(n )试验编号拟合a 值相关系数(R 2)样本数(n )A 1-5.3710.99520B 1-11759.6760.99920A 2-1.0570.99420B 2-4394.0850.99620A 3-2.2940.99520B 3-1.2040.97320A 4-0.7760.96420B 4-1.4970.99420A 5-3.8790.99720B 5-5.5120.99920A 6-1.9200.99420B 6-3.7460.98020A 7-0.9730.97220B 7-4.9700.99320A 8-2.1300.99520B 8-5.3040.99120A 9-1.8200.99820B 9-5811.5060.997203.2 多元非线性回归分析模型多元非线性分析是利用数理统计的方法建立多个自变量与一个因变量之间非线性的函数关系,在诸多领域得到广泛应用[17-19]㊂(1)传统方法是采用曲线化直线,利用6种初等函数对自变量进行变换,然后根据经典的最小二乘法原理,建立预测因变量与变换后自变量的线性关系㊂这种模型有一定精度,但没有考虑因素间的交互影响㊂其数学表达式一般为:y =ðni =1a i f i (x i )+k (4)(2)另一种有效的方法是直接提出非直线形式的期望函数,作为模型框架,采用高斯-牛顿法进行参数估计,反复迭代直至参数估计收敛㊂该方法的方差分析F值和p 值的意义不大㊂其数学表达式一般为:y =f (x 1,x 2, ,x n ,θ)(5)影响坡面水力侵蚀产沙的因素,主要包括降雨㊁坡度㊁土壤特性(含水量㊁粒径大小㊁黏粒含量㊁内摩擦角等)㊁植被,以及坡长和人为作用等因素[20]㊂试验条件下,降雨强度㊁坡度和植被覆盖度是影响产沙量的3个最主要因素㊂大量的研究表明,侵蚀产沙量与降雨强度间存在幂函数关系[21-22],并在该研究中得到了验证㊂对于具有临界坡度的情况下,在临界坡度之前,与坡度间可能存在二次函数关系[23];而与植被覆盖度间的关系比较复杂,尚未明确,为方便之后建模,暂定为线性关系㊂预测模型的因变量为总侵蚀产沙量Y (单位k g ),自变量分别为:降雨强度I (为方便计算,单位选择mm/m i n );坡面坡度数值S ;植被覆盖度的百分数C ㊂采用第一种方法(单因素分析,表明Y 与I 2.5呈线性关系),可得到回归函数如下:Y =a I 2.5+b S +c C +d =156.6I 2.5+4.64S -2.6C -73.3(6)其相关系数R 2=0.839,拟合效果一般,且各参数的标准误差均很大,用作回归模型不太理想㊂采用第二种方法,需预先确定期望函数㊂根据前面对不同条件下产沙量变化过程的分析,降雨强度是主因,且自变量中降雨强度同坡度㊁植被覆盖度间存在较强的响应关系,建立回归函数如下:Y =I a (b S +c C +d )+e =I 2.25(3.62S -3.21C +129.21)-4.72(7)其相关系数R 2=0.980,模型拟合效果很好㊂研究发现公式(7)中的常数项同总产沙量的实测值比较,可以忽略,因此考虑修改期望函数,重新建立回归函数,其表达式如下:Y =I a (b S +c C +d )=I 2.32(3.54S -3.16C +124.9)(8)其相关系数仍为R 2=0.980,但形式更为简单㊂式中:Y 为试验小区砒砂岩坡面的侵蚀产沙量(k g);I 为降雨强度(m m /m i n );S 为坡度值,取值范围10ʎ~40ʎ;C 为植被覆盖度的百分数,取值范围0~50%;a ,b ,c ,d ,e 为模型拟合参数㊂表2是试验的实测值和公式(8)估计值的比较(图5)㊂从图5可以看到,即使侵蚀产沙量波动范围为4.20~509.78k g ,估测值与实际值的误差大部分都在10%以内,说明公式(8)的估计效果依然很好,且形式简单,能很好地反映变量间关系㊂3.3 砒砂岩坡面侵蚀产沙量估测模型通过对不同条件下砒砂岩坡面侵蚀的累计产沙量变化规律和总产沙量的数值模拟结果与分析,得到了试验小区条件下,侵蚀产沙量与降雨强度㊁坡度㊁植被覆盖度和降雨历时的相互关系,形成了如下估测模型,如公式(9)所示㊂Y =I 2.32(3.54S -3.16C +124.9)(3.48-3.482-4.96t -t2)(9)式中:Y 为试验小区砒砂岩坡面的侵蚀产沙量(k g);51第2期 梁止水等:砒砂岩坡面侵蚀产沙规律及多元回归估算模型研究I为降雨强度(mm/m i n);S为坡度值,取值范围10ʎ~40ʎ;C为植被覆盖度的百分数,取值范围0~ 50%;t为降雨历时(h),取值范围0~1㊂研究表明,坡面侵蚀产沙量的确与降雨强度间呈幂函数关系,而与坡度和植被覆盖度在一定范围内呈线性关系,且随降雨历时符合弧线式增长㊂图5总侵蚀产沙量值和估测值对比F i g.5C o m p a r i s o no f t o t a l e r o s i o n s a n dp r o d u c t i o nv a l u e a n d e s t i m a t e s4结论(1)砒砂岩坡面产沙量受降雨强度的影响最为明显,受坡度的影响相对较弱㊂不同条件下,产沙量随降雨历时的变化曲线均为平缓型,初期产沙量随降雨历时的增加而不断增加,之后趋于稳定㊂(2)植被的减蚀效果受降雨强度的影响很大,小降雨强度时,植被减蚀效果明显,然而随着降雨强度的增加,低植被覆盖度的效果越来越差,当降雨强度达到80mm/h时,只有覆盖度为50%时,植被减沙效果明显㊂(3)建立了砒砂岩坡面侵蚀产沙量的多元非线性回归模型㊂模型结果表明,产沙量同降雨强度呈幂函数关系,而同坡度和植被覆盖度在一定范围内呈线性关系,随降雨历时呈现很好的弧线式增长㊂然而,该模型目前对标准小区的特定条件下的拟合程度和适用性效果较好,针对野外侵蚀估测还需要更多的数据和模型修正,从而可以得到更加精确的预测模型㊂参考文献(R e f e r e n c e s):[1]王愿昌,吴永红,寇权,等.砒砂岩分布范围界定与类型区划分[J].中国水土保持科学,2007,5(1):14-18.W a n g YC,W uY H,K o uQ,e t a l.D e f i n i t i o no f a r s e-n i c r o c k z o n e b o r d e r l i n e a n d i t s c l a s s i f i c a t i o n[J].S c i e n c eo f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n,2007,5(1):14-18.[2]秦富仓,杨振奇,李龙.砒砂岩区土壤侵蚀机理与生态修复技术研究进展[J].北京林业大学学报,2020,42(12): 142-150.Q i nFC,Y a n g ZQ,L i L.R e s e a r c h p r o g r e s s o 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砒砂岩与沙复配成土造田工程技术
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砒砂岩与沙复配成土造田关键技术及工程应用
砒砂岩与沙复配成土造田关键技术及工程应用砒砂岩与沙子复配成土，听起来是不是有点神秘？这背后可是一门大有文章可做的技术呢。
想象一下，咱们的土地，就像一个大厨房，里面要调配出最美味的“土”菜。
那可不是随便搅和搅和就行的，而是要有讲究的。
砒砂岩，乍一听好像有点危险，其实它是一种矿物质丰富的材料，适合用来改良土壤。
沙子嘛，更是我们常见的家伙，透气又排水好。
把这两者混合在一起，嘿嘿，想想都让人激动。
先说说这砒砂岩，别看它名字听着有点吓人，实际上它是自然界的恩赐。
它里面有丰富的矿物质，特别是对植物生长有帮助的那些，真是“万绿丛中一点红”啊。
咱们要是把它和沙子搭配，能够让土壤的结构变得更加松散，营养成分也更均衡。
这样一来，植物的根系可以更好地扎根，吸收水分和养分，简直就是“如鱼得水”的感觉。
沙子，大家都不陌生，特别是在海边，随手一捧都是。
它的透气性和排水性都不错，但如果光有沙子，就像一碗白开水，缺乏营养，植物可就苦了。
把砒砂岩和沙子混合，哇塞，那就能制造出一个绝佳的生长环境。
就像是给植物搭了一个“豪华公寓”，通风又舒适，植物在里面定能长得倍儿棒。
说到工程应用，这可不是小打小闹的事。
这一技术在许多地方都有实际的运用，像是某些地方的荒山野岭，经过这样的改良后，竟然能变成绿意盎然的农田，想想都让人欣喜。
那里的农民朋友们可开心了，种上好庄稼，脸上的笑容都能把天都照亮。
可见，科技进步真的能改变生活。
这过程可不是一蹴而就的，咱们得有耐心。
像调味料一样，得慢慢来。
先把砒砂岩和沙子按一定比例混合，接着要进行土壤的检测，看看咱们的“土菜”好不好。
这个可不能马虎，真要是配比失调，植物可就吃了“亏”。
得想办法把比例调到最好，就像烘焙蛋糕，火候没掌握好，可就全乱了。
技术的应用也得结合当地的环境。
这不是一个标准答案，而是因地制宜的灵活运用。
像在干旱地区，就得多加一些保水材料，让土壤保持湿润；而在潮湿地区，排水能力得上去，别让土壤成了“水田”。
砒砂岩与沙复配成土技术研究综述
第52卷第2期2021年2月㊀㊀人㊀民㊀长㊀江Yangtze㊀River㊀㊀Vol.52,No.2Feb.,2021收稿日期:2019-12-02作者简介:何振嘉,男,工程师,硕士,主要从事土地工程方面的研究工作㊂E -mail :471128226@㊀㊀文章编号:1001-4179(2021)02-0060-06砒砂岩与沙复配成土技术研究综述何振嘉1,2,范王涛1,杜宜春1(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司,陕西西安710075;㊀ 2.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,陕西西安710075)摘要:砒砂岩是一种结构松散㊁利用率较差并广泛分布于我国陕北㊁内蒙古以及山西等干旱半干旱地区的风化岩石,而砒砂岩与沙复配成土技术的推出,改变了砒砂岩严重危害生态环境㊁加剧水土流失以及资源大量闲置的现状㊂通过对砒砂岩与沙复配成土技术作用机理的研究,详细综述了复配技术在土壤固沙能力㊁土壤物理性质㊁土壤化学性质以及作物生长和产量等方面的研究进展㊁应用成效㊁现有研究的局限㊂并据此指出复配技术在物理㊁化学㊁生物学性质研究尚不充分,技术研究应用周期较短,在土壤固碳和重金属等方面需进一步研究,对于进一步完善砒砂岩资源综合利用具有一定借鉴意义㊂关㊀键㊀词:砒砂岩;复配成土;复配技术;土壤固沙能力;土壤化学特性中图法分类号:S157.3㊀㊀㊀文献标志码:ADOI :10.16232/ki.1001-4179.2021.02.010㊀㊀砒砂岩是一种风化程度较高㊁结构松散的破碎岩石,广泛分布于我国陕北㊁内蒙古以及山西等干旱半干旱区域㊂在水蚀和风蚀的作用下,砒砂岩不仅会引发水土流失和严重的土地沙漠化,还可能严重阻碍人地关系和谐并危害生态环境安全[1-2]㊂许多学者对砒砂岩的理化特性和构造组成进行了研究,研究发现,砒砂岩在无水环境下质地坚硬难以利用,而在遇水条件下则质地松散如泥,保水持水能力较强[3-5]㊂由于砒砂岩与沙的颗粒结构㊁矿物组成具有互补特性,若将砒砂岩与沙按一定比例进行复配,则能产生一种质地良好㊁稳定性较强㊁保水透气且适宜耕种的复配土壤[6-7]㊂随着城镇化建设用地需求的增大,现有的耕地后备资源已不能保障经济发展的需要,为缓解后备资源不足的问题以及改善生态环境,大量学者进行了多种尝试,如以煤矸石㊁建筑废弃物㊁污泥等作为填充材料新造耕地,但由于材料运输成本较高㊁易引起重金属污染以及造田周期较长而效益较低等原因,未能从根本上解决补充耕地的问题[8-9]㊂砒砂岩与沙复配成土因其具有技术可行㊁材料易于获取㊁造田效益显著等特点,在土地整治及新造耕地领域具有较大的优势[10]㊂砒砂岩与沙复配成土技术的应用和推广,不仅能极大地对大面积不可利用砒砂岩与沙地进行综合治理,有效提高土地利用程度和增加后备资源补充耕地数量,还能显著地促进土地资源集约,改善人居环境和自然环境,推动经济可持续发展㊂本文从砒砂岩与沙复配成土技术机理出发,探讨了该技术的生态环境效益和实际生产效益㊂在总结已有研究成果的基础上,提出研究存在的不足并对该技术未来发展趋势作出展望㊂1㊀砒砂岩与沙复配成土技术机理韩霁昌等[11]通过研究提出:砒砂岩与沙经混合后,沙粒间的非毛管孔隙被细颗粒填充,增加了能够长期保持水分的毛管孔隙,降低了水分的渗漏㊂在毛管孔隙间不饱和水的毛细力的作用下,砒砂岩内部的胶结物 碳酸盐矿物能与沙颗粒相互吸附并形成良好的结构体㊂由于砒砂岩毛管孔隙度高,而沙的非毛管孔隙度高,二者混合后既能增加通透的非毛管空隙,又能增加持水保水的毛管孔隙;砒砂岩既能团结砂粒,又能被砂粒分散而不使整体板结,砒砂岩内水分不易渗漏㊁蒸发少,吸水蓄水能力强,有利于保水保肥土壤层㊀第2期㊀㊀㊀何振嘉,等:砒砂岩与沙复配成土技术研究综述的形成,并提高水资源利用率㊂此外,砒砂岩中的粉粒以及毛管孔隙等容易吸附养分离子,有效提高复配土保肥能力㊂研究表明,砒砂岩与沙在1ʒ2~1ʒ5配比条件下,具有良好的孔隙度特性,持水保水能力强,理化性状良好,能有效增加沙土毛管孔隙度㊁降低渗透性,有利于土体气相㊁液相㊁固相动态平衡;还因具有安全无害的特性,在人类活动㊁生物活动及其分泌物对土壤的共同作用下,能显著促进土壤保水持水能力并提高作物产能[12-13]㊂作物种植使表层土壤粉粒和黏粒向下运移,形成的防渗层起到了良好的保墒作用,进一步改善了土壤理化性质,土壤有机质含量也得到逐步改善,复配土的团聚体数量随着砒砂岩含量的增加而增多,粒径分布更为均匀,土壤结构逐渐改善[14-17]㊂砒砂岩与沙复配成土技术因对防风固沙㊁涵养水分㊁保肥保土㊁固碳固氮以及营养保障等方面的效果显著,目前已在毛乌素沙地进行了大面积推广,整治利用土地面积超过7000hm2,通过试种小麦㊁玉米㊁大豆㊁马铃薯等经济作物,取得了显著的社会效益和经济效益[18-19]㊂2㊀砒砂岩与沙复配成土技术效益2.1㊀对土壤固沙能力的影响土壤理化特性和结构组成对风蚀量起决定性作用,砒砂岩与沙按一定比例复配成土改变了土壤理化特性,大量研究表明,沙地中添加砒砂岩可有效提高沙地的固沙能力㊂程杰等[20]采用试验模拟和野外观测相结合的方式,对毛乌素沙地的砒砂岩与沙复配成土进行固沙特性研究,研究表明,复配成土地表形成的结皮能有效防止沙土流动,起到固沙效果㊂李裕瑞等[21]利用集沙仪㊁扫描电镜及激光粒度仪等,通过野外观测,对毛乌素沙地砒砂岩与沙复配成土输沙及固沙效应进行了探索,结果表明,复配成土的输沙量仅为原状沙地的49.2%,且耕作2a后形成的土壤团聚体数量以及粉㊁黏粒量显著高于原沙地,并提出土壤结构是固沙的重要因素㊂童伟等[2]通过小区试验和野外观测相结合的方式,研究了砒砂岩与沙复配成土对固沙能力的影响,结果表明,复配土土壤结皮厚度和地表粗糙度有助于提高抗风蚀能力㊂王欢元等[5]研究了7种不同比例的砒砂岩与沙复配成土的固沙性能,研究表明,土壤粒度组成对抗风蚀能力有较大影响,复配土由于粒度的改变,影响了抵御风蚀的主导力,进而提高了固沙能力㊂张卫华等[3]研究了砒砂岩与沙复配土的理化特性,同样发现了在复配土的表层土壤结皮㊁冻盖层的作用下,固沙效果得到了显著提高㊂2.2㊀对土壤物理性质的影响土壤物理性质是土壤最基本的性状和指标,也是影响土壤质量的重要参数㊂因此,土壤物理性质的改善是保护生态环境和发展农业生产的基本保障㊂大量研究表明,砒砂岩与沙复配成土技术对土壤物理性质影响显著㊂李娟等[13]采用模拟土柱试验和风洞试验方法,研究砒砂岩与沙复配成土的保水㊁保肥㊁保土能力,研究发现,复配土中土壤粉粒㊁黏粒含量与砒砂岩量呈正相关关系,与沙粒含量呈负相关关系,复配比例为1ʒ1时,土壤团聚体含量最高,保水效果最好,风蚀量也最低㊂孙婴婴等[22]在毛乌素沙地进行了玉米种植试验,研究了不同比例复配土对储水能力的影响,结果表明,砒砂岩与沙复配土可显著提高土壤保水蓄水能力,尤其对表层土壤和深层土壤的保水性有显著作用,且有利于玉米根系对水分的吸收和生长㊂王欢元等[23]对不同含沙量条件下的砒砂岩与沙复配土的物理性质进行了研究,结果表明,复配土的含沙量越高,毛管孔隙度越低,而饱和含水率则越高,含沙量对水稳性团聚体含量影响显著㊂张露等[24]对毛乌素沙地不同质量比复配土持水情况进行了研究,结果表明复配土水分特征曲线可由Gardner模型较好地拟合,复配土中砒砂岩质量与田间持水量㊁有效水含量㊁萎蔫系数以及有效孔隙度均呈正相关关系,复配土壤的持水保水能力随砒砂岩质量的增加而增强㊂赵彤等[25]研究了毛乌素沙地不同体积比条件下的砒砂岩与沙复配土对水稳性团聚体的变化情况,结果表明,种植作物之前㊁复配土比例为1ʒ1时,水稳性团聚体质量百分比最大,而种植作物4a后㊁复配土比例为1ʒ2时,更有利于水稳性团聚体的形成㊂张露等[26]对砒砂岩与沙复配成土表层(0~20cm)土壤储水情况进行了重点研究,发现表层土体有效水含量随砒砂岩与沙复配比例的增加而增加,土体重构后,若沙含量大于砒砂岩量,则不利于土壤水分储蓄㊂摄晓燕等[27]研究发现,砒砂岩对降低入渗率和饱和导水率㊁增加含水量和持水能力效果显著,砒砂岩与沙比例为1ʒ3时,复配土的吸水和保水性能最佳㊂2.3㊀对土壤化学性质的影响大量研究表明,砒砂岩与沙复配成土技术对土壤化学性质具有重要影响㊂赵宣等[28]研究了种植作物对不同比例复配土养分的影响,结果表明,种植对复配土养分提高效果显著,复配土比例为1ʒ2时,经过种植的土壤有机碳含量最高㊂曹婷婷等[29]为寻求砒砂岩与沙复配成土适宜的培肥措施,利用4种改良剂进行有机质㊁土壤磷㊁钾等培肥研究,结果表明,不同培肥技16㊀㊀人㊀民㊀长㊀江2021年㊀术对土壤中磷和钾的提升效果显著,微生物菌剂㊁油渣对有机质的提高效果显著㊂魏彬萌等[30]以不同比例的砒砂岩与沙复配成土进行田间种植试验,结果表明,复配土有机质含量与种植年限呈正相关关系,0~30 cm土层范围有机质含量增加最为显著,且复配土比例为1ʒ1~1ʒ2时增加最多,对土体改良效果最好㊂曹婷婷等[31]开展了生物炭对不同梯度砒砂岩与沙重构土盆栽试验,结果表明,生物炭有助于提高重构土土壤持水保肥能力和速效钾㊁有效磷㊁NH+4-N的利用效率,抑制NO-3-N含量增加㊂摄晓燕等[32]研究了不同用量砒砂岩与沙复配土对土壤磷吸收的影响,结果表明,砒砂岩对减小土壤磷吸附固定作用㊁提高磷肥有效性效果显著,种植初期,复配土中砒砂岩比例越大,越有利于磷肥肥效的提高㊂罗林涛等[33]进行了不同砒砂岩与沙复配比例条件下玉米种植试验,结果表明,复配土不利于NH+4-N的积累,且均出现了NO-3-N淋失现象,砒砂岩与沙复配比例为1ʒ2时,无机氮累积量在0~40cm土层深度范围内达到峰值㊂张海欧等[34]通过室内试验研究了冻融作用对砒砂岩与沙复配土氮素的影响,结果表明,随着冻融周期的增加,复配土对NO-3-N㊁NH+4-N含量的影响呈现先增加后降低而后再增加的变化规律,复配土中砒砂岩与沙比例为1ʒ2时,NO-3-N和NH+4-N含量增加最多,对氮素保存性最显著㊂柴苗苗等[35]研究了3种比例的复配土对不同土层方向NH+4-N和NO-3-N的影响,研究发现,复配土对NH+4-N分布影响不大,对NO-3-N分布影响显著,对垄下NO-3-N的淋洗效果均好于垄上㊂复配土比例为1ʒ1时,垄上0~60cm㊁垄下0~20 cm土层NO-3-N分布最多㊂摄晓燕等[36]研究了不同比例的砒砂岩与沙复配对土壤NH+4-N吸附特征的影响和土壤适宜性,结果表明,NH+4-N吸附量㊁土壤供氮的持续性以及肥料有效性均随复配土中砒砂岩比例的增大而增大㊂张海欧等[37]对不同种植年限条件下砒砂岩与沙复配土氮素变化进行研究,结果表明,复配土使土壤有机质和全氮含量随种植年限的延长而增加,不同比例复配土有机质和全氮含量比均相同㊂2.4㊀对作物生长和产量的影响柴苗苗等[38]通过二因素随机试验,探究了不同砒砂岩与沙复配体积比对种植作物生长和产量的影响,结果表明,砒砂岩与沙复配体积比为1ʒ1时团聚体和有机质含量较高,更有利于小麦㊁玉米和大豆的生长,但复配比为1ʒ1时作物产量显著低于1ʒ2和1ʒ5时㊂胡雅[39]在小区试验的基础上,研究了砒砂岩与沙不同复配比例对作物产量的影响,结果表明,砒砂岩与沙复配比例对作物产量的作用不明显,复配土中砒砂岩含量小时,较为适宜耕种马铃薯,复配土中砒砂岩含量大时,则较为适宜耕种玉米㊁小麦和大豆㊂韩霁昌等[16-17]对砒砂岩与沙复配土种植冬小麦的生长和产量进行了研究,结果表明,砒砂岩与沙复配土对作物生长净光合速率㊁蒸腾速率等均有显著影响,较黄土与沙复配土的干物质积累量㊁产量均有显著提高㊂魏样等[40]为寻求适宜小麦生长的砒砂岩与沙复配比例进行了小区模拟试验,结果表明,复配土比例为1ʒ5时,土壤容重㊁有机质含量和小麦产量能达到最高㊂孙婴婴等[41]研究了不同砒砂岩与沙复配比例对春玉米生长指标和产量的影响,结果表明,砒砂岩与沙复配比例为1ʒ2时,对春玉米光合作用影响显著,且百粒重与产量均显著高于其他比例的复配土㊂孙增慧等[42]在陕北榆阳区进行了不同砒砂岩与沙复配比例条件下的玉米大田试验,结果表明,砒砂岩与沙复配比例为1ʒ2时,对玉米产量的增加效果最为显著,亩均产量最高可达480kg,此外,对复配土添加一定量的改性材料也有助于作物生长和产量的提高㊂魏彬萌等[43]通过盆栽实验研究了生物炭对砒砂岩与沙复配土种植玉米的影响,结果表明,复配土中生物炭量的增加可显著提高土壤有机质㊁磷和钾的含量,且对复配土理化性质㊁水肥保持㊁作物生产和产量均有显著改善㊂3㊀砒砂岩与沙复配成土技术研究不足国内学者对砒砂岩与沙复配成土技术在各个领域方面的应用进行了大量研究并取得了诸多成果,该技术取得了较好的经济效益和社会效益[18-19,44]㊂但根据目前研究现状来看,仍有较多关键技术要素尚需取得突破㊂3.1㊀复配成土的物理㊁化学㊁生物学性质研究尚不充分㊀㊀马增辉等[45]探讨了不同混合比例的砒砂岩与沙复配土壤中粉粒和黏粒的运移规律,杜宜春等[46]研究了浓度㊁流速和离子强度对砒砂岩黏粒在风沙土中迁移的影响,而对复配土土壤容重㊁土壤酸碱度㊁孔隙度以及团聚体等质地和结构方面的研究较少㊂水肥气热对土壤理化性质具有重要的影响,王璐瑶等[47]研究了土壤温度对砒砂岩理化性质及营养成分的影响,但对于复配土土壤温度和光热状况的研究尚不多见㊂土壤微生物活动对作物生长和土壤质量提高具有显著影响,目前仅曹婷婷等[29]对砒砂岩与沙复配成土生物培肥效应进行了研究,对微生物活动引起的砒砂岩与沙复配土理化性质的影响尚需进一步研究㊂26㊀第2期㊀㊀㊀何振嘉,等:砒砂岩与沙复配成土技术研究综述另外,环境中某种营养元素过量㊁不足或多种养分配合不当,都可能对生物的生命活动起限制作用,不同类型作物对营养物质种类与需求量存在较大差异,营养物质在作物体内的积累量也有不同㊂大量研究通过设置不同复配土比例验证了复配土对含蓄水分㊁增加土壤养分及提高作物产量具有一定影响,但砒砂岩与沙复配成土在涵养水分㊁保蓄养分以及作物增产等方面的作用机理尚不明确,且对于养分方面的研究主要集中于土壤氮素[48-50],并在复配土氮素垂直运移[35]㊁氮素吸附性能[36]以及氮素淋失[33]等方面进行了研究,而对于其他养分,如有效磷㊁速效钾㊁有机碳等营养物质的研究较少㊂此外,王晶等[51]㊁张海欧等[52-53]对砒砂岩与沙复配土壤在冻融条件下土壤团粒结构和土壤特征进行了研究,但尚缺乏不同覆盖材料以及施用生物炭条件对其在冻融条件下节水㊁保肥及增产效果方面的研究㊂针对复杂的野外作业条件,多种因素共同作用(如水肥耦合条件㊁水盐胁迫等交互作用)对砒砂岩与沙复配土物理㊁化学及生物性质影响的研究较少㊂3.2㊀缺乏长期应用及系统观测对不同比例复配土条件所实现的不同效果成因研究不明确㊂研究中试验研究较多,但对于中间发生的过程研究相对不足,大量试验研究集中在短期或一个生育期内,缺乏多个生育期内或多年试验数据的连续性研究㊂作为一种配土技术,其配方相关参数的确定方法尚不明确,且不同比例复配土的设定主要依靠主观经验㊂目前,虽然已进行了大量试验研究,但并未制定出业内统一且被认可的相关规范和技术标准,大规模复配土操作流程及技术规范也尚未形成㊂如针对不同作物种植结构㊁不同施肥模式[54]㊁不同地类现状㊁不同灌溉排水条件以及不同种类化肥施用条件下适宜的复配比例等也尚未明确,特别是在极端降雨㊁极端干旱等气候条件下,缺乏相关长期观测数据和模拟试验,复配土的长期施用结果存在不确定性㊂3.3㊀对土壤固碳㊁土壤重金属影响效果㊁改性材料添加和土壤温度等研究尚不充分㊀㊀需要指出的是,土壤固碳和土壤修复是当前研究的一个热点问题,砒砂岩与沙复配成土技术对土壤固碳和土壤重金属影响效果的研究还十分少见,目前仅孙婴婴和郭振等[55-56]对砒砂岩与沙复配土的固碳机理及固碳能力等方面进行了研究,但由于观测时间较短㊁研究数据较少,对不同复配比例条件下土壤固碳能力和差异性以及对不同复配土中生物群落结构和功能的研究尚未见到㊂罗林涛等[57]利用等离子体质谱仪对砒砂岩与沙复配土的重金属含量进行了测定,结果虽表明复配土中重金属含量对作物生长和品质安全有一定的保证,但对于富集重金属的土壤中作物生长和产量等方面的研究尚未见到,复配土是否对土壤中重金属含量具有吸附固定作用也有待进一步研究㊂李劲彬等[58]研究了不同比例复配土对重金属渗透迁移的影响,结果表明,砒砂岩对重金属渗透抑制效果显著,但对重金属的吸附性低于黄土㊂李娟等[59]研究了添加秸秆和生物炭等改性材料对复配土稳定性的影响,结果表明,添加有机物料后的复配土稳定性指标均比对照组高,且混施物料对团聚体稳定指标的改善效果优于单一物料㊂郭振[60]研究了添加有机物对复配土碳氮含量的影响,结果表明,施用有机肥可促进0~20 cm表层土壤有机碳和全氮的积累,但研究均较为单一㊂因此,改性材料的添加对复配土理化性质㊁保水保肥保土以及对作物生长和产量㊁土壤固碳和重金属防治等方面的研究也应是重点研究的内容㊂此外,针对复配土地温相关研究目前较少[61-62],也是今后研究的一个重要方向㊂4㊀砒砂岩与沙复配成土技术推广前景和展望砒砂岩是一种危害大且利用率较差的风化岩石,但通过与沙复配成土,砒砂岩变成了可以利用的优势资源㊂结合大量文献可以看出,砒砂岩与沙复配成土技术在增加耕地面积㊁防风固沙㊁涵养水土㊁增强土壤水土保持效应㊁改善土壤物理和化学性质㊁提高土壤养分和营养物质以及增产等方面都有显著的作用[63-65]㊂针对不同的种植条件和作物种类,均提出了适宜的复配比例,促进了砒砂岩与沙复配成土技术的应用和推广㊂但目前砒砂岩与沙复配成土技术相关研究尚不全面㊂根据查阅分析以往文献,目前对砒砂岩与沙复配成土的物理㊁化学㊁生物学性质还缺乏系统性研究,相关研究仍有待加强㊂大面积施用后,砒砂岩与沙复配成土技术对土壤固碳和土壤重金属影响效果具有重要的生态环境意义,该方面研究应提前开展㊂砒砂岩与沙复配成土技术尚新,因此其长期环境㊁生态效益也应得到持续关注㊂总之,砒砂岩与沙复配成土技术的推广和相关工程的实施,为我国提高耕地数量和质量㊁保障粮食安全㊁缓解水土流失以及生态环境健康可持续发展提供了广阔的路径和科技支撑㊂参考文献:[1]㊀杜宜春,王欢元.毛乌素沙地砒砂岩与沙复配成土技术成效与应用[J].南方农业,2018,12(33):181-182,185.[2]㊀童伟,韩霁昌,王欢元,等.毛乌素沙地砒砂岩与沙复配成土技术固沙效应[J].中国沙漠,2015,35(6):1467-1472.[3]㊀张卫华,韩霁昌,王欢元,等.砒砂岩对毛乌素沙地风成沙的改良36㊀㊀人㊀民㊀长㊀江2021年㊀应用研究[J].干旱区资源与环境,2015,29(10):122-127. 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[48]㊀卢垟杰,李娟,郭振,等.不同比例复配土种植玉米对土壤氮素分布的影响[J].现代农业科技,2019(14):1-3,5.[49]㊀范陈斌,武苗苗,苏睿,等.砒砂岩改良风沙土对2种引进植物生46。
砒砂岩区坡面产流产沙对土地利用方式的响应
第31卷第1期2024年2月水土保持研究R e s e a r c ho f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o nV o l .31,N o .1F e b .,2024收稿日期:2022-11-11 修回日期:2023-02-15资助项目:内蒙自治区自然基金(2021B S 04009);内蒙古自治区科技兴蒙行动重点专项(K J X M -E E D S -2020005);内蒙古自治区科技计划项目(2021G G 0052);内蒙古自治区科技重大专项(2021Z D 0008) 第一作者:马郡粒(1997 ),女,内蒙古包头市人,硕士研究生,主要从事水土保持与荒漠化防治研究㊂E m a i I :723225698@q q.c o m 通信作者:郭建英(1979 ),男,内蒙古清水河县人,博士,正高级工程师,主要从事半干旱区水土流失与植物生态的研究㊂E -m a i l :g u o j i a n y-i n g1980@163.c o m h t t p :ʊs t b c y j .p a p e r o n c e .o r gD O I :10.13869/j.c n k i .r s w c .2024.01.021.马郡粒,杨振奇,郭建英,等.砒砂岩区坡面产流产沙对土地利用方式的响应[J ].水土保持研究,2024,31(1):136-143.M a J u n l i ,Y a n g Z h e n q i ,G u o J i a n y i n g ,e t a l .R e s p o n s e o f S l o peR u n o f f a n dS e d i m e n tY i e l d t oL a n dU s e i n t h eP i s h a S a n d s t o n eA r e a [J ].R e s e a r c h o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n ,2024,31(1):136-143.砒砂岩区坡面产流产沙对土地利用方式的响应马郡粒1,杨振奇2,郭建英2,张铁钢2,王普3,马培渊1(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院,呼和浩特010010;2.中国水利水电科学研究院内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站,呼和浩特010010;3.鄂尔多斯达拉特旗水利事业发展中心,内蒙古鄂尔多斯017000)摘 要:[目的]研究坡面产流产沙过程对不同土地利用方式的响应于砒砂岩区生态保护与高质量发展具有重要意义㊂[方法]以十大孔兑罕台川流域的合同沟小流域为研究区,选取该区2016 2021年降雨产流产沙监测数据,应用聚类分析㊁双因素方差分析等,开展连续性动态监测研究,进而揭示砒砂岩区坡面产流产沙与不同土地利用方式的时空动态变化关系㊂[结果](1)次降雨按历时㊁雨强和雨量可分为3类,包括A 类(历时短㊁雨量集中㊁高强度),B 类(雨量较多㊁历时较短㊁中强度),C 类(历时长㊁小雨强㊁雨量分散),C 类导致水土流失能力最弱;(2)A ,B 类降雨产流产沙,排列顺序为乔木林地<灌草地<人工草地<天然草地<农作物地<裸地;C 类降雨产流,排列顺序为乔木林地<天然草地<灌草地<人工草地<农作物地<裸地,产沙,排列顺序为人工草地<乔木林地<天然草地<灌草地<农作物地<裸地,且相同土地利用方式径流深和土壤流失量排序为C <B <A ;(3)不同土地利用方式的径流深或土壤流失量对雨型响应的坡度效应略有差异,主要存在于裸地㊁农作物地与其他土地利用方式㊂[结论]砒砂岩区坡面水土流失的治理和生态恢复,应考虑雨型和坡度对不同土地利用方式产生的复合作用㊂关键词:砒砂岩区;坡面产流产沙;土地利用方式中图分类号:S 157.1 文献标识码:A 文章编号:1005-3409(2024)01-0136-08R e s p o n s e o f S l o peR u n o f f a n dS e d i m e n tY i e l d t o L a n dU s e i n t h eP i s h a S a n d s t o n eA r e aM a J u n l i 1,Y a n g Z h e n q i 2,G u o J i a n y i n g 2,Z h a n g T i e g a n g 2,W a n g P u 3,M aP e i yu a n 1(1.C o l l e g e o f D e s e r tC o n t r o lS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ,I n n e rM o n g o l i aA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y ,H o h h o t 010010,C h i n a ;2.Y i n s h a n b e i l uN a t i o n a lF i e l dR e s e a r c hS t a t i o no f S t e p p eE c o -h y d r o l o g i c a l S y s t e m ,C h i n aI n s t i t u t e o f W a t e rR e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e rR e s e a r c h ,H o h h o t 010010,C h i n a ;3.O r d o s i nD a l a t eB a n n e rw a t e rd e v e l o p m e n t c e n t e r ,O r d o s ,I n n e rM o n go l i a 017000,C h i n a )A b s t r a c t :[O b j e c t i v e ]T h e s t u d y o f s l o p e r u n o f f a n d s e d i m e n t y i e l d p r o c e s s e s i n r e s po n s e t o d i f f e r e n t l a n du s e t y p e i so f g r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ee c o l o g i c a l p r o t e c t i o na n dh i g h -q u a l i t y d e v e l o pm e n to fP i s h as a n d s t o n e a r e a s .[M e t h o d s ]T h eH a n t a i c h u a nw a t e r s h e do f t h e s u b -w a t e r s h e do f t h e t e n l a r g e s tK o n g t u iw a s t a k e na s t h e s t u d y a r e a .T h e r a i n f a l l -p r o d u c e d f l o wa n d s e d i m e n t p r o d u c t i o nm o n i t o r i n g d a t a f r o m2016 2021i n t h e a r e aw e r e s e l e c t e d .C l u s t e r a n a l y s i s a n d t w o -f a c t o r a n a l y s i s o f v a r i a n c ew e r e a p p l i e d t o c a r r y o u t a c o n t i n u i t y a n dd y n a m i c m o n i t o r i n g s t u d y ,w h i c hi nt u r nr e v e a l e dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h et e m p o r a la n ds pa t i a l d y n a m i c s o f t h es l o p er u n o f fa n ds e d i m e n t y i e l di nt h eP i s h as a n d s t o n ea r e aa n dd i f f e r e n t l a n du s et y pe s .[R e s u l t s](1)T h e r a i n f a l l c o u l d b e d i v i d e d i n t o t h r e e c a t e g o r i e s a c c o r d i n g t o t h e d u r a t i o n,i n t e n s i t y a n d r a i n-f a l l,i n c l u d i n g c a t e g o r y A(s h o r t d u r a t i o n,c o n c e n t r a t e d r a i n f a l l a n dh i g h i n t e n s i t y),c a t e g o r y B(h e a v y r a i n-f a l l,s h o r td u r a t i o n,m e d i u mi n t e n s i t y),a n dc a t e g o r y C(l o n g d u r a t i o n,l i g h t r a i n f a l l i n t e n s i t y,s c a t t e r e d r a i n f a l l).C a t e g o r y Cr e s u l t e d i n t h ew e a k e s t a b i l i t y o f s o i l e r o s i o n.(2)T y p eAa n d t y p eBr a i n f a l l i n d u c e d s e d i m e n t,t h e o r d e rw a s t r e e f o r e s t<s h r u b l a n d<a r t i f i c i a l g r a s s l a n d<n a t u r a l g r a s s l a n d<c r o p l a n d<b a r e l a n d.T h e o r d e r o f t y p eC r a i n f a l l-r u n o f f p r o d u c t i o nw a s t r e e f o r e s t<n a t u r a l g r a s s l a n d<s h r u b l a n d<a r t i f i c i a l g r a s s l a n d<c r o p l a n d<b a r e l a n d,a n d t h e o r d e r o f s e d i m e n t p r o d u c t i o nw a s a r t i f i c i a l g r a s s l a n d<t r e e f o r e s t< n a t u r a l g r a s s l a n d<s h r u b l a n d<c r o p l a n d<b a r e l a n d,a n d t h eo r d e r o f r u n o f f d e p t ha n ds o i l l o s s a m o u n t o f t h e s a m e l a n d u s em o d e(o n l y b a r e l a n d a n d c r o p l a n d)w a sC<B<A.(3)T h e s l o p e e f f e c t o f r u n o f f d e p t h o r s o i l l o s s a m o u n to nt h er e s p o n s eo f r a i n f a l l p a t t e r n w a ss l i g h t l y d i f f e r e n ta m o n g d i f f e r e n t l a n du s et y p e s, w h i c hm a i n l y e x i s t e d a m o n g b a r e l a n d,c r o p l a n d a n d o t h e r l a n d u s e t y p e.[C o n c l u s i o n]T h em a n a g e m e n t a n d e c o l o g i c a l r e s t o r a t i o no fs l o p ee r o s i o ni n P i s h as a n d s t o n ea r e as h o u l dt a k ei n t oa c c o u n tt h ec o m p o u n d i n g e f f e c t o f r a i n f a l l p a t t e r n s a n d s l o p e g r a d i e n t s h a v e o nd i f f e r e n t l a n du s e t y p e s.K e y w o r d s:P i s h a s a n d s t o n e a r e a;s l o p e r u n o f f a n d s e d i m e n t y i e l d;l a n du s e t y p e砒砂岩区生态环境脆弱,丘陵沟壑纵横,水土流失严重,年均土壤侵蚀模数约4万t/(k m2㊃a),是黄河泥沙的主要策源地,大量的入黄泥沙威胁着黄河中下游的生态环境安全㊂自20世纪90年代起,该区先后实施了退耕还林(草)㊁小流域综合治理等生态政策和水土流失治理工程,水土流失趋势得到有效控制[1-2],但该区不同土地利用方式的侵蚀产沙机理尚不明确㊂已有研究表明干旱㊁半干旱地区坡面的侵蚀产沙过程主要受到降雨㊁植被㊁地形和土地利用方式的影响[3-4]㊂降雨对水蚀过程的影响具有较大的时空异质性,与降雨量㊁降雨强度㊁降雨历时等特征因素有关㊂植被和地形具有较强的地域特征,植被是干旱半干旱地区对水蚀过程影响最活跃的因子,具有增加地表覆盖㊁削减洪峰㊁固持土壤等作用,影响着土壤侵蚀的发生与发展[5]㊂坡度则是导致水土流失的关键因素,与坡面产流产沙过程具有复杂的关系,它可以增加雨水向下的自重分力,从而增大径流流速,减少累积入渗量,增大径流泥沙量[6],而土地利用方式对水土流失具有明显的分异效应,受人为活动的影响较大,对于侵蚀有着不同程度的影响㊂纵观国内外关于坡面产流产沙与土地利用方式响应的分析,地点多集中于黄土区㊁黑土区以及红壤土区等地带,数据资料多采用单次或短期模拟试验数据,研究内容主要涉及降雨或地形等影响因子单方面的作用;而具有独特岩石结构和性质的砒砂岩区罕见报道,尤其是针对多年连续性野外监测数据复合因素的水沙分析[7-10]㊂雨型是次降雨过程中不同降雨特征的组合形式,坡度是影响坡面土壤侵蚀的主要地形因子[11],这些因素复合作用于坡面产流产沙,增加影响机制的复杂性,促使土壤水蚀规律的不确定性增加,而以往关于不同土地利用方式对雨型响应的坡度效应报道却寥寥无几[12]㊂因此,本文以砒砂岩区典型小流域不同土地利用方式的标准径流场为观测对象,根据该区2016 2021年降雨及径流泥沙数据,探究不同土地利用方式的侵蚀产沙变化特征,以期为砒砂岩区水土流失的治理和生态恢复提供科学依据㊂1材料与方法1.1研究区概况研究区位于黄河中上游一级支流罕台川的合同沟小流域,流域面积约1.27h m2,地理坐标为39ʎ59' 58ᵡ 40ʎ13'18ᵡN,109ʎ53'36ᵡ 110ʎ06'03ᵡE,隶属于内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗,是典型的砒砂岩丘陵区,土壤类型以栗钙土为主,质地为砂质土,小流域平均坡度5~15ʎ,地形地貌支离破碎,沟壑纵横,属半干旱温带大陆性气候,年均气温为6~8ħ,年均降雨量为310.3mm,集中于7 9月份,占71.2%,多为短历时大雨,水土流失严重㊂区域内主要建群种有本氏针茅(S t i p ab u n g e a n a)㊁羊草(L e y m u sc h i n e n-s i s)㊁达乌里胡枝子(L e s p e d e z ad a v u r i c a)等,主要造林树种有柠条(C a r a g a n aK o r s h i n s k i i)㊁油松(P i n u s t a b u l i f o r m i s)㊁小叶杨(P o p u l u s s i m o n i i)等㊂1.2试验设计本研究区位于全国水土保持监测网络站点 达拉特旗合同沟水土保持监测站点附近(编号: D A1520737110),该站点始建于2005年,建有标准径流小区18座(20mˑ5m)㊂小区安装自动水沙监测设备(北京天航佳德),并同步配备了自动气象监测站和智墒云智能土壤温度水分观测仪(北京东方润泽)获取相关数据㊂径流场土地利用基本概况见表1㊂731第1期马郡粒等:砒砂岩区坡面产流产沙对土地利用方式的响应表1 径流场土地利用基本概况T a b l e 1 B a s i c o v e r v i e wo f r u n o f f s i t e l a n du s e配置模式天然草地人工草地灌草地乔木林地农作物地主要植被 紫花苜蓿柠条油松荞麦播种方式撒播穴播穴播条播株行距/(mˑm )0.10ˑ0.151.00ˑ2.00植被覆盖度/%61.79ʃ9.1058.48ʃ9.5660.10ʃ8.9149.00ʃ12.7842.62ʃ7.811.3 测定内容与方法(1)土壤含水率测定㊂采用智墒云智能土壤温度水分观测仪(北京东方润泽),每30m i n 观测一次,观测深度0 100c m 平均分为5层㊂每次降雨后,通过T D R 法加测0 10c m 深度的土壤体积含水率,并烘干法校核㊂(2)降雨特征观测㊂通过自动气象监测站记录次降雨过程,每5m i n 观测一次,降雨量精确至0.1mm ,降雨强度单位mm /m i n㊂同时参考黄土高原区降雨强度划分标准的基础上[13-15],结合本区天然降雨条件下坡面产流产沙特点㊂针对各场次降雨,选取年降雨量(P )㊁年降雨历时(T )㊁最大I 30m i n 雨强(I 30m a x )㊁平均雨强(I A V G )等指标,运用系统聚类方法对研究区内的降雨类型进行划分㊂研究区2016 2021年降雨基本概况见表2㊂表2 研究区2016-2021年降雨基本概况T a b l e 2 B a s i c p r o f i l e o f r a i n f a l l i n t h e s t u d y ar e a 2016-2021年份P /mm T /h P m a x /mmI 30m a x /(mm ㊃h -1)R m a x/(M J ㊃mm ㊃h m -2㊃h -1)(A +B )/%2016638.5770.0156.043.51608.262.52017281.8920.029.825.2123.971.42018443.6281.048.661.2547.390.02019298.0786.034.841.6274.057.12020380.2406.047.656.6499.581.82021343.687.039.243.2460.750.0注:P 表示年降雨量;T 表示年降雨历时;P m a x 表示最大次降雨量;I 30m a x 表示最大I 30,R m a x 表示最大降雨侵蚀力;(A +B )表示A 和B 类降雨次数总占比㊂(3)径流泥沙量观测㊂利用自动水沙监测设备(北京天航佳德),每分钟记录一次,产流体积精确至0.001L ;产沙量精确至0.001k g/m 3,同时辅以全剖面采样器人工实地取样㊂径流深(mm )=径流体积(L )/小区面积(m 2)径流系数(%)=径流深(mm )/降雨量(mm )土壤流失量(t /h m 2)=泥沙总量(t )/小区面积(h m2)(4)植被观测㊂采用照相法㊁目估法4 10月,每15d /次㊂小区产流后加测乔木郁闭度㊁灌草作物覆盖度与地面盖度㊂试验数据通过E x c e l 进行整理统计和O r i gi n 2018进行绘图,运用S P A S S26.0进行双因素方差分析㊁聚类分析和相关性分析,研究不同土地利用方式下的水沙关系㊂2 结果与分析2.1 降雨特征分析砒砂岩地区,地形地貌支离破碎,沟壑纵横,降雨量稀少,年内降雨多集中在夏末秋初,降雨引发的水力侵蚀是该区最为主要的侵蚀形式㊂研究区20162021年共观测降雨47场,其中侵蚀性降雨36场,根据气象学中降雨类型的划分(24h 以内),研究区5a 间共有小雨3场㊁中雨29场㊁大雨14场㊁大暴雨1场㊂通过聚类分析降雨特征对降雨类型进一步划分(见表3),结果表明:观测降雨可划分为3类,A 类降雨研究区发生频率最高(40.4%),其特点是历时短,雨量集中,高强度的暴雨;B 类降雨为雨量较多,历时较短,中强度的降雨;C 类降雨研究区发生频率最低(27.6%),其特点是历时长,小雨强,雨量分散的连续性降雨㊂其中2017年P 最小,为281.8mm ,T 最大I 30m a x 最小;2018年T 明显小于2017年,同时P 和I 30m a x 高于2017年,表明降雨量主要受到降雨强度的影响㊂2018年㊁2020年径流泥沙量较大(见图1),同年A ,B 类降雨次数所占比例明显高于其他年份,表明A ,B 类多为侵蚀性降雨,是该区域坡面水土流失的主要贡献者㊂此外,分析同类型降雨发现径流量逐年递减,究其原因为植被的生长,使得冠层截流再分配的同时改良了土壤理化性质,促渗减流㊂831 水土保持研究 第31卷表3不同降雨类型特征T a b l e3C h a r a c t e r i s t i c s o f d i f f e r e n t r a i n f a l l t y p e降雨类型P/mm平均值标准差T/h平均值标准差I30m a x/(mm㊃h-1)平均值标准差I A V G/(mm㊃h-1)平均值标准差频数A类22.9612.752.561.4929.8114.2223.0211.9019 B类22.019.297.751.3014.666.039.793.3215 C类15.335.1614.211.786.943.274.402.6613注:P表示次降雨量;T表示次降雨历时;I30m a x表示最大I30;I A V G表示平均雨强㊂图1不同土地利用方式年际间产流产沙变化F i g.1I n t e r-a n n u a l v a r i a b i l i t y i n r u n o f f a n d s e d i m e n t y i e l db e t w e e n l a n du s e t y p e2.2不同土地利用方式产流产沙对雨型的响应通过相关性分析次降雨过程,降雨历时T(m i n)㊁降雨量P(mm)㊁平均降雨强度I a v g(mm/h),30m i n 最大雨强I30m a x(mm/h)与不同土地利用方式径流深H(mm)㊁径流系数R(%)㊁产沙量C(g/L)㊁土壤流失量M s(t/h m2)以及坡度G d(ʎ)的相关关系(见表4);不同土地利用方式径流深H(mm)㊁径流系数R(%)和产沙量C(g/L)㊁土壤流失量M s(t/h m2)的相关关系(见表5)㊂其中,P与径流泥沙情况在除人工草地和农作物地外,均呈正相关关系,且与C和M s呈极显著(p<0.01)正相关关系;T与I30对径流泥沙的影响在不同土地利用方式下均呈显著(p< 0.05)或极显著(p<0.01)的正相关关系;I A V G对径流泥沙的影响在裸地较突出,表现为呈极显著(p< 0.01)正相关关系㊂坡度对径流泥沙的影响在人工草地㊁乔木林地㊁农作物地和裸地较突出,主要表现为G d与C呈显著(p<0.05)或极显著(p<0.01)正相关关系㊂上述表明,降雨特征与水土流失的发生息息相关,且受土地利用方式的影响,具有明显的分异效应,坡度是导致水土流失的关键因素,与坡面产流产沙过程具有复杂的关系㊂不同土地利用方式下,次降雨的径流与泥沙情况均具有p<0.01的正相关关系,降雨产生的坡面流具有冲刷㊁剥离及搬运土壤的作用,加剧坡面土壤侵蚀㊂进一步分析可知,不同土地利用方式各雨型情况下的径流泥沙响应不尽相同(见图2)㊂A,B类降雨径流深和土壤流失量的排序,均呈乔木林地<灌草地<人工草地<天然草地<农作物地<裸地,受雨强影响,冠层雨水截留再分配的效果明显;C类降雨情况与之不同,天然草地减流减沙效果优于灌草地(15.80%,12.01%),由于天然草地表层腐殖质积累丰富,土壤结构良好,对降雨的渗漏和通透性优于灌草地,水土保持效果提高,而人工草地地被层较厚,且密度大,对土壤形成了保护效果使得减沙效果高于天然草地㊂此外,不同雨型情况下各土地利用方式的径流泥沙响应则基本一致,径流深和土壤流失量的排序,均呈C<B<A,其中A,B类降雨P相近,主要区别体现在I30m a x,表明雨强相较于雨量对引起坡面土壤侵蚀的作用更大㊂2.3不同土地利用方式产流产沙对雨型响应的坡度效应坡度不仅影响径流的渗透量㊁径流量和冲刷能力还影响坡地的侵蚀方式和强度,与坡面产流产沙过程存在复杂性和随机性㊂采用双因素方差分析坡度对不同土地利用方式产流产沙在各雨型条件下的影响(表6),结果显示:A类降雨土地利用方式和坡度对土壤流失量(p<0.05,p<0.01),土地利用方式对径流深(p<0.01),分别具有显著或极显著的影响,两者交互作用的影响仅对土壤流失量显著(p<0.01);B, C类降雨土地利用方式对径流深(p<0.05,p<0.01)和土壤流失量(p<0.01)具有显著或极显著的影响㊂不同雨型条件下,各土地利用方式径流深或土壤流失量对坡度的响应表现略有差异,并不单纯随着降931第1期马郡粒等:砒砂岩区坡面产流产沙对土地利用方式的响应雨特征的增加和坡度的增大而增大,差异主要存在于裸地㊁农作物地与其他土地利用方式(图3)㊂其中5ʎ裸地的径流深显著大于除农作物地外其他土地利用方式(A ,B ),土壤流失量显著大于不包括或包括农作物地外其他土地利用方式(B ,C );10ʎ裸地的径流深仅显著大于天然草地(A ,B ),土壤流失量则与其他所有土地利用方式无显著差异(A ,B 和C );15ʎ裸地的径流深显著大于不包括或包括农作物地外其他土地利用方式(A ,B )和天然草地或灌草地(C ),土壤流失量显著大于其他所有土地利用方式(A ,C)㊂A 类降雨情况下,不同坡度间也存在一定程度的差异,天然草地和乔木林地的土壤流失量10ʎ显著大于其他坡度;裸地的土壤流失量15ʎ显著大于其他坡度㊂上述可知,C 型降雨土壤侵蚀力弱,导致各坡度土地利用方式的产流产沙表现基本一致,15ʎ坡度较大直接影响径流的冲刷能力,加剧各土地利用方式的水土保持效果差异㊂表4 不同土地利用方式产流产沙的影响因子相关性分析T a b l e 4 C o r r e l a t i o na n a l y s i s o f f a c t o r s a f f e c t i n g r u n o f f a n d s e d i m e n t y i e l db y d i f f e r e n t l a n du s e t y pe 土地利用类型参数P T I 30m a xI A V GG d天然草地H0.201*0.237*0.496**0.1340.075R 0.219*0.337*0.407**0.1600.109C 0.451**0.249**0.204*0.1010.064M s 0.304**0.048**0.356**0.1030.039人工草地H0.1370.289**0.658**0.203*0.098R 0.1270.491**0.406**0.191*0.133C 0.1390.115**0.463**0.1780.370**M s 0.1410.144**0.504**0.1520.246*灌草地H0.302**0.198*0.672**0.1270.089R 0.335*0.294**0.530**0.0330.131C 0.300**0.125**0.371**0.627**0.055M s 0.516**0.084**0.480**0.469**0.116乔木林地H0.260**0.271**0.712**0.180.158R 0.236*0.388**0.513**0.110.201*C 0.379**0.012*0.237*0.586**0.215*M s 0.597**0.026*0.429**0.482**0.230*农作物地H0.1180.188*0.585**0.1160.056R 0.1660.326*0.426**0.1050.023C 0.0960.186*0.488**0.1390.262**M s 0.1170.137**0.423**0.0940.082裸地H0.235*0.257*0.641**0.342**0.232*R 0.218*0.359**0.499**0.391**0.234*C 0.461**0.200*0.224*0.524**0.226*M s0.802**0.224*0.213*0.524**0.106注:G d 表示坡度;H 表示径流深;R 表示径流系数;C 表示产沙量;M s 表示土壤流失量㊂表5 不同土地利用方式的径流泥沙相关性分析T a b l e 5 R u n o f f s e d i m e n t y i e l da n a l y s e s f o r d i f f e r e n t l a n du s e t y pe 参数天然草地H R 人工草地H R 灌草地H R 乔木林地H R 农作物地H R 裸地H R C 0.406**0.287**0.402**0.449**0.434**0.415**0.411**0.304**0.501**0.449**0.506**0.442**M s0.540**0.596**0.653**0.556**0.517**0.469**0.453**0.472**0.653**0.556**0.696**0.570**注:**表示不同土地利用方式与降雨因子极显著相关(p <0.01);*表示不同土地利用方式与降雨因子显著相关(p <0.05)㊂041 水土保持研究 第31卷3讨论砒砂岩区地处干旱㊁半干旱地区,全年降水分布不均且雨量集中,侵蚀性降雨严重影响着该区坡面侵蚀产沙过程,是导致其剧烈侵蚀的主要动力[16]㊂砒砂岩地形切割支离破碎,加之基岩具有发育不充分,胶结力弱等性质,极易受风力和水力作用风化溃散㊂研究表明该区A,B类(历时偏短㊁雨强偏大㊁雨量偏多)降雨发生频率较高,且多为侵蚀性降雨,是造成该区域坡面水土流失的主要贡献者,C类(历时长㊁小雨强㊁雨量分散)降雨土壤侵蚀能力最弱,对研究区地下水的补给作用最佳,与王万忠等[17]研究结果相同㊂分析2016 2021年降雨情况,2018年降雨强度最高,同年产流产沙量也最大,其中I30m a x与P对径流泥沙的影响,具有p<0.05或p<0.01正相关关系,故降雨强度与侵蚀强度关系最为密切其次是降雨量,该结果与江淼华等[18]的研究结果基本一致㊂降雨类型(雨量㊁雨强或历时等)与水土流失的发生息息相关,且受土地利用方式的影响,具有明显的分异效应, A,B类降雨强度大,冠层对雨水的层层截留再分配作用,促使乔灌木的水土保持效果优于草地;C类降雨侵蚀力弱,天然草地由于长期的封禁,地表腐殖质积累丰富,土壤结构良好,对降雨的渗漏和通透性提高,减流减沙效果由于灌草地,该结果与黄凯等[19]的研究一致㊂农作物地的水土流失情况仅次于裸地,原因是季节性翻耕,土壤表层松散,在降雨击溅和径流冲刷下,坡面迅速形成细沟,伴随着细沟的溯源发育和不断扩展,土壤水蚀急剧增加,因此陡坡耕地退耕还林还草是恢复良性生态环境的必由之路,该结果与琚彤军等[20]的研究一致㊂坡度是导致水土流失的关键因素,与坡面侵蚀关系的复杂性和不确定性,一定程度上限制了坡面水土保持措施的实施效果㊂研究表明,坡度对产沙量的影响大于产流量,主要表现为G d与C呈显著(p<0.05)或极显著(p<0.01)正相关关系(人工草地㊁乔木林地㊁农作物地和裸地)㊂坡度直接作用于径流的冲刷能力,水土流失情况随着坡度的增加而加剧,直至雨滴对水面的打击作用弱于坡面流的保护作用,该结果与曹美晨等[21]的研究结果一致㊂坡度对不同降雨类型,土地利用方式的水土保持效果差异性有影响,低度坡面裸地与其他土地利用方式的蓄水能力在小雨强无显著性差异,当坡度升至15ʎ时,裸地径流深显著大于天然草地和灌草地,天然草地的渗透力好,灌草地则经培养管理已形成灌丛堆效应,固土促渗,从而减少坡面流的产生㊂研究区平均坡度10ʎ,天然草地在大雨强情况下的水土保持效果显著高于其他土地利用方式,因此天然草地对径流泥沙的拦截作用适用于低度坡面,灌草地则对较高的坡面具有良好蓄水保土效益,该研究结果于幸艳等[22]基本一致㊂图2不同土地利用方式产流产沙对雨型的响应F i g.2R e s p o n s e o f r u n o f f a n d s e d i m e n t y i e l d t or a i n f a l l p a t t e r n s i nd i f f e r e n t l a n du s e t y p e表6不同土地利用方式与坡度下的径流深和土壤流失量方差分析T a b l e6A N O V At a b l e f o r r u n o f f d e p t ha n d s o i l l o s s a m o u n t u n d e r d i f f e r e n t l a n du s e t y p e a n d s l o p e s参数变异源降雨类型S S径流深土壤流失量d f径流深土壤流失量M s径流深土壤流失量F径流深土壤流失量p径流深土壤流失量坡度A30.681196.942215.34598.470.563.73p>0.05p<0.05 B12.94430.85226.47215.420.662.26p>0.05p>0.05 C0.73168.27220.3634.130.072.73p>0.05p>0.05土地利用方式A1491.877503.1855298.371500.6410.989.36p<0.01p<0.01 B491.651809.005598.33361.8010.003.80p<0.01p<0.01 C84.66292.965516.9358.593.064.69p<0.05p<0.01坡度ˑ土地利用方式A332.264187.67101033.23418.771.222.61p>0.05p<0.01 B63.37877.8810106.3487.790.640.92p>0.05p>0.05 C12.97102.0610101.3010.210.230.82p>0.05p>0.05141第1期马郡粒等:砒砂岩区坡面产流产沙对土地利用方式的响应图3不同土地利用方式产流产沙对雨型响应的坡度效应F i g.3S l o p e e f f e c t s o n t h e r e s p o n s e o f r u n o f f a n d s e d i m e n t y i e l d t o r a i n f a l l p a t t e r n s i nd i f f e r e n t l a n du s e t y p e4结论(1)研究区降雨类型主要可分为3类,A类历时短㊁雨量集中㊁高强度;B类雨量较多㊁历时较短㊁中强度;C类历时长㊁小雨强㊁雨量分散,C类雨型导致水土流失能力最弱㊂(2)P与H,R,C和M s(除人工草地和农作物地外)均呈正相关关系,且与C和M s呈极显著(p<0.01)正相关关系;T和I30m a x与H,R,C和M s均呈正相关关系,I A V G与H,R,C和M s在裸地呈极显著正相关关系, G d与C在人工草地㊁乔木林地㊁农作物地和裸地呈显著(p<0.05)或极显著(p<0.01)正相关关系㊂(3)次降雨的H和R与C和M s均具有极显著(p<0.01)的正相关关系,A,B类降雨产流产沙,排列顺序为乔木林地<灌草地<人工草地<天然草地<农作物地<裸地;C类降雨产流,排列顺序为乔木林地<天然草地<灌草地<人工草地<农作物地<裸地,产沙,排列顺序为人工草地<乔木林地<天然草地<灌草地<农作物地<裸地㊂相同土地利用方式径流深和土壤流失量排序为C<B<A㊂(4)不同雨型各土地利用方式的径流深或土壤流失量对坡度的响应表现略有差异主要存在于裸地㊁农作物地与其他土地利用方式㊂C型降雨土壤侵蚀力弱,导致各坡度土地利用方式的产流产沙表现基本一致,同时15ʎ坡度较大直接影响径流的冲刷能力,加剧各土地利用方式的水土保持效果差异㊂参考文献:[1]张强,达古拉,侯琳.鄂尔多斯水土保持建设实践与探索[J].中国水利,2022,73(10):35-37.Z h a n g Q,D aG L,H o uL.P r a c t i c ea n de x p l o r a t i o no fs o i l a n d w a t e rc o n s e r v a t i o nc o n s t r u c t i o ni n O r d o s[J].C h i n aW a t e rR e s o u r c e s,2022,73(10):35-37.[2]李向东,林东升.退牧还草工程将全面推开[N].中国畜牧报,2004/09/12(1).L iX D,L i n D S.T h e p r o j e c to fr e t u r n i n gp a s t u r et og r a s s l a n d w i l lb e p u s h e df o r w a r d[N].C h i n a A n i m a lH u s b a n d r y N e w s,2004/09/12(1).[3]张兴刚,王春红,程甜甜,等.山东省药乡小流域侵蚀性降雨分布特征[J].中国水土保持科学,2017,15(1):128-133.Z h a n g X G,W a n g C H,C h e nT T,e t a l.C h a r a c t e r i s-t i c s o f e r o s i v er a i n f a l l d i s t r i b u t i o n 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毛乌素沙地砒砂岩与沙复配成土技术成效与应用
毛乌素沙地砒砂岩与沙复配成土技术成效与应用作者：杜宜春王欢元来源：《南方农业·下旬》2018年第11期摘要基于砒砂岩与沙理化性状互补特性开展砒砂岩与沙复配成土技术研究，已成为毛乌素沙地生态化治理和资源化利用主要方式。
基于此，综合砒砂岩与沙复配成土研究成果，重点围绕基于砒砂岩与沙复配成土技术研发的造田技术、固沙技术和节水技术，开展技术介绍、技术应用成效以及技术示范推广进行简要介绍，借此推进砒砂岩与沙复配成土技术的规模化应用。
关键词砒砂岩;复配土;技术中图分类号：S156 文献标志码：B DOI：10.19415/ki.1673-890x.2018.33.095随着城市化进程和基础设施建设的加快，建设用地需求逐年增加，造成人地矛盾日益突出，急需要通过开发、复垦等土地整治工程的实施，来补充和增加耕地面积，以保障农业经济正常发展和建设用地的需要。
毛乌素沙地是鄂尔多斯高原东南部和陕北长城沿线沙地的统称，是我国沙漠化严重地区之一。
相较其他沙漠地区，其水热条件更为优越。
针对沙地治理周期长、开发利用难度大等问题，国内外学者开展了大量研究。
面对沙地造田时因土壤含水量低造成的树木难以成活及生态环境退化问题，学者们以实践为基础通过人工垫土、引洪漫淤、种植绿肥植物等措施对沙地进行改良的研究，还开展了利用煤矸石、泥炭和酒精废渣等材料对风沙土进行改良的实验，形成了许多生态保护与农业利用相结合的模式[1，2]。
这些技术从防沙固沙方面取得了较好的治理效果，但仍存在一些缺陷，如常见的物理固沙方法沙障、栅栏、草方格，植物固沙方法防护林带、风沙育草等，效果显著，但投入的人力物力财力较大，且周期长，效益低，没有从根本上改变沙地特性。
砒砂岩，是指古生代二叠纪、中生代三叠纪、侏罗纪和白垩纪的厚层砂岩、砂页岩和泥质砂岩组成的岩石互层，主要分布在晋、陕、蒙地区。
由于其水土流失严重，当地群众视其危害如砒霜，故称为“砒砂岩”[3]。
由于其在颗粒结构、矿物组成等方面与沙具有一定的互补特性，按照一定比例与沙复配，为沙地的治理和开发利用提供了可能。
砒砂岩与沙复配“土壤”的质地性状
砒砂岩与沙复配“土壤”的质地性状张露;韩霁昌;马增辉;罗林涛;王欢元;李娟【期刊名称】《西北农业学报》【年(卷),期】2014(023)004【摘要】为解决毛乌素沙地砒砂岩与沙对生态环境的危害,变废为宝,有效利用土地资源,本研究将二者复配成土,对其不同质量比下复配所得新型“土壤”的质地类型、颗粒级配和水分参数进行分析测定.结果表明,随着砒砂岩含量增加,砂粒含量降低、粉粒含量增加、粘粒含量增加缓慢,粘粒在所有复配土中都很缺乏,最大值出现在全砒砂岩处为7.06％,质地类型呈现出由砂土-壤砂土-砂壤-粉壤的变化趋势;当砒砂岩的含量大于沙时,复配“土壤”能表现出良好的颗粒级配性质;田间持水量、萎蔫系数和有效持水量随砒砂岩含量的增加而增加,在复配“土壤”中,当砒砂岩与沙质量比为5∶1时,有效持水量达最大值为10.04％,且在此比例下的颗粒级配和保水储水性能都表现最好.【总页数】7页(P166-172)【作者】张露;韩霁昌;马增辉;罗林涛;王欢元;李娟【作者单位】陕西省地产开发服务总公司,国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,西安710075;陕西省地产开发服务总公司,国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,西安710075;陕西省地产开发服务总公司,国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,西安710075;陕西省地产开发服务总公司,国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,西安710075;陕西省地产开发服务总公司,国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,西安710075;陕西省地产开发服务总公司,国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,西安710075【正文语种】中文【中图分类】S152.3【相关文献】1.砒砂岩与沙复配土壤的物理性状和相关光谱特性 [J], 李娟;韩霁昌2.砒砂岩与沙复配土壤理化性状及作物产量研究 [J], 胡雅3.砒砂岩与沙复配土养分含量及质地的垂直分布特征 [J], 郭振; 徐艳; 葛磊; 王欢元4.砒砂岩与沙复配土壤质地与有机质动态变化特征 [J], 张海欧;郭振;徐艳;曹婷婷;杨晨曦5.烟杆生物炭对砒砂岩与沙复配土壤理化性状及玉米生长的影响 [J], 魏彬萌;王益权;李忠徽因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
砒砂岩改良风沙土对铵态氮吸附特性影响研究
砒砂岩改良风沙土对铵态氮吸附特性影响研究摄晓燕;魏孝荣;魏艳春;马天娥;许晶晶;张兴昌【摘要】由于砒砂岩的广泛分布和煤炭资料的开发利用,晋陕蒙接壤区出现了一系列生态环境问题.为恢复区域生态,尝试利用区域内的砒砂岩来改良风沙土,以实现砒砂岩的资源化利用和受损生态系统的修复,本研究设计了风沙土中砒砂岩不同添加比例(0、10％、25％、50％、75％、90％、100％)的改良模式.研究了25℃下不同改良模式对NH4+-N吸附动力学和等温吸附特征的影响,评价了不同模型对改良土壤的适应性,以期为建立合理的氮肥施用指标和提高肥料利用率提供依据.结果表明:相同条件下,砒砂岩对NH4+-N的吸附量大于风沙土;随着砒砂岩添加比例的增加,改良土壤对NHf-N的吸附量呈线性增加关系.砒砂岩的添加可以显著增加风沙土对NH7-N的吸附,增加土壤供氮的持续性,提高肥料的有效性.准二级动力学模型可用于拟合改良土壤对NH4+-N的吸附动力学曲线.NH:-N的等温吸附曲线以Freundlich模型拟合效果更优.各处理对NH;-N的吸附均为自发过程,且为有利吸附,吸附速率由膜扩散和颗粒内扩散共同控制.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2015(046)011【总页数】9页(P165-173)【关键词】铵态氮;改良土壤;砒砂岩;风沙土;吸附动力学;等温吸附【作者】摄晓燕;魏孝荣;魏艳春;马天娥;许晶晶;张兴昌【作者单位】西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌712100;西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌712100;西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌712100;江西省农业科学院农业经济与信息研究所,南昌330200;西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌712100【正文语种】中文【中图分类】S156.5晋陕蒙能源区是中国特大的优质动力煤生产基地，也是世界半干旱地区水土流失最为严重的区域之一。
砒砂岩改良风沙土对磷的吸附特性影响研究
砒砂岩改良风沙土对磷的吸附特性影响研究摄晓燕;魏孝荣;马天娥;王玉红;张兴昌【摘要】【目的】适量砒砂岩能有效改良风沙土的吸水和保水特性,但对于砒砂岩改良风沙土的养分有效性尚不清楚。
本文研究了不同用量的砒砂岩改良风沙土对磷吸附特性的影响,以期为评价改良土壤对磷的吸附特性,揭示改良土壤对磷的吸附机理和指导磷肥合理施用提供依据。
【方法】本试验设计了砒砂岩和风沙土0∶100(L)、10∶90(LS1)、25∶75(LS2)、50∶50(LS3)、75∶25(LS4)、90∶10(LS5)和100∶0(S)(烘干质量比)7个不同比例的改良模式。
研究了在25℃下砒砂岩不同添加量改良风沙土的磷吸附动力学和等温吸附特征,并应用吸附动力学模型和等温吸附模型进行参数拟合,以揭示改良土壤对磷的吸附机理,同时分析了砒砂岩添加比例与改良土壤中磷的最大吸附量的关系。
【结果】1)同一初始浓度下,随着吸附时间的延长,改良土壤对磷的吸附量呈增大趋势,24 h后逐渐达到平衡。
2)吸附时间一定的情况下,随着磷初始浓度的增大,改良土壤对磷的吸附量逐渐增大,直到接近或达到吸附最大值。
3)风沙土对磷的吸附量大于砒砂岩的吸附量,改良土壤中随着砒砂岩添加比例的增加,土壤对磷的吸附量呈减小趋势。
4)风沙土、砒砂岩和改良土壤对磷的吸附动力学曲线符合准二级动力学模型。
等温吸附曲线以Langmuir模型的拟合效果最优。
5)风沙土、砒砂岩和改良土壤对磷的吸附属于均质的单层吸附,由膜扩散和颗粒内扩散共同控制吸附反应速率,吸附机理主要是化学吸附和离子交换。
6)改良土壤对磷的最大吸附量随砒砂岩添加比例的增加呈线性减小关系。
在生产实践中,可通过测定砒砂岩和风沙土对磷的最大吸附量及风沙土中砒砂岩的添加比例来对改良土壤中磷的最大吸附量进行预测。
【结论】砒砂岩可显著减小风沙土对磷的吸附固定,增加施入磷肥的有效性。
所以当改良土壤恢复植被以后,磷肥施用初期,砒砂岩添加比例较大的改良土壤中,磷素的肥效较好。
不同混合比例的砒砂岩与沙复配土壤中粉粒和黏粒的运移规律
不同混合比例的砒砂岩与沙复配土壤中粉粒和黏粒的运移规律马增辉;韩霁昌;张瑞庆【摘要】[目的]探讨砒砂岩与沙不同混合比例的复配土壤中粉粒和黏粒的运移规律,为促进毛乌素沙地土地的可持续利用提供理论依据.[方法]设定1∶1、1∶2和1∶5 3种砒砂岩与沙不同复配比例小区试验,分别于作物收获后对土壤粉粒和黏粒含量进行测定.[结果]在3种复配土壤中,粉粒和黏粒主要集中在土壤表层0～30 cm处,下层土壤中粉粒和黏粒含量都较低;从不同砒砂岩与沙的混合比例来看,由于1∶1复配土壤中砒砂岩的比例较高,表层土壤中粉粒含量最高,其大小关系为1∶1比例处理＞1∶2比例处理＞1∶5比例处理.随着种植年限的增加,粉粒和黏粒富集土层有向下运移的趋势,尤其是表层土壤中的粉粒向下运移的趋势十分显著.同时,下层土壤中的粉粒和黏粒比例也有小幅增加.[结论]复配土壤中这种粉粒和黏粒的运移规律从长久来看将会导致复配土上层土壤趋于沙化,下层土壤趋于壤土化,整个土壤剖面中的宜耕层可能将会有越来越厚的一个趋势,从而更加有利于植物的生长.【期刊名称】《安徽农业科学》【年(卷),期】2015(000)018【总页数】4页(P110-112,254)【关键词】砒砂岩;沙;粉粒;黏粒【作者】马增辉;韩霁昌;张瑞庆【作者单位】陕西省土地工程建设集团有限责任公司,陕西地建土地工程技术研究院,国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,陕西西安710075;陕西省土地工程建设集团有限责任公司,陕西地建土地工程技术研究院,国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,陕西西安710075;陕西省土地工程建设集团有限责任公司,陕西地建土地工程技术研究院,国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,陕西西安710075;西北农林科技大学资源与环境学院,陕西杨凌712100【正文语种】中文【中图分类】S156土壤质地是土壤中各粒级占土壤质量的百分比组合。
不同地粒级组成决定不同的土壤质地。
利用RZWQM-ERES模拟华北平原农田土壤水分动态及其对作物产量的影响
本研究由国家自然科学基金项目(30800164 和 30871485), 中国科学院知识创新项目(KZCX-SW-317-02), 2007 年青岛市软科学研究计划课题资助。 第一作者联系方式: E-mail: fqx01@ Received(收稿日期): 2008-08-27; Accepted(接受日期): 2009-03-17.
作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(6): 1122−1130 ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9
/zwxb/ E-mail: xbzw@
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.01122
第6期
房全孝等: 利用 RZWQM-CER保护农业生态环境和提高作物产量是现代农业 可持续发展的基本要求[1]。华北平原作为重要的粮 食生产基地, 农业水资源匮乏和水分利用效率低下 等问题日益突出[2], 严重威胁着农业可持续发展和 水资源可持续利用。前人许多研究为该地区农业水 资源高效利用和改善水环境提供了重要的理论依据 和技术支持[3-8], 但试验结果在不同地区和年际之间 变异较大[9-10], 很难推广应用。要有效解决这些问题, 必须综合考虑作物、气候、土壤变异及其相互作用 对作物产量和生态环境的影响。农业系统模型整合 了土壤-作物-大气系统内的基本过程和大量试验结 果, 是评价和扩展试验结果的重要手段[11], 但由于 农业系统模型结构和过程复杂, 参数众多, 校正难 度大, 严重限制了模型的应用和推广[12]。近年来国 内农业模型在模型参数校正[13-15]、农田水分和氮素 动态模拟[16-17]及其管理应用[18-19]等方面发展迅速。 国外农业模型逐步向农业资源利用和环境保护等方 面深入, 最近由美国农业部开发的 RZWQM (Root Zone Water Quality Model)[20], 在模拟农田水分和养 分循环方面具有明显优势, 已成为评价农业水资源 和生态环境的有力工具[21]。Ma 等[22]通过 RZWQM 与 CERES (Crop Environmental Resource Synthesis)[23]中 小麦和玉米生长模块结合, 增强了 RZWQM 模拟作 物生长及其与环境关系的能力, 在美国西部大平原 地 区 得 到 了 较 好 的 验 证 和 应 用 [24] 。 Yu 等 [25] 对 RZWQM 的水分和氮素模块进行校正分析, 但该模 型还没有在华北平原不同土壤水分条件下(不同灌 溉制度)进行验证评价, 特别是在不同气候和土壤条 件下的评价和优化还有待深入研究。本研究利用不 同站点的节水灌溉试验数据对模型模拟土壤水分动 态、作物生长(叶面积指数)及产量形成进行验证, 评 价模型在华北平原不同区域的适应能力, 并建立适 合华北平原农业生产的模型参数, 为利用模型优化 农田水资源并加以高效利用提供技术支持。
玉米种植模式下砒砂岩与沙复配土氮素淋失特征
玉米种植模式下砒砂岩与沙复配土氮素淋失特征罗林涛;程杰;王欢元;韩霁昌;胡延涛;马增辉【期刊名称】《水土保持学报》【年(卷),期】2013(27)4【摘要】为探索砒砂岩与沙的最佳混合比例,使其大规模应用于毛乌素沙地土地整治,发展农业种植,防止地下水污染。
本文进行了不同比例的砒砂岩与沙复配土种植玉米的小区试验,在玉米生长期采集不同深度的土壤测其铵态氮和硝态氮含量,对不同混合比例下复配土的氮素淋失特性进行研究。
结果表明:(1)铵态氮含量在各混合比例的复配土中较低,均在2.5mg/kg以下,未出现累积情况;(2)砒砂岩与沙在不同的混合比例下均存在硝态氮淋失;(3)砒砂岩与沙混合比例为1∶2时,硝态氮主要累积在0-40cm,且无机氮累积量最高,其玉米产量高达9 900kg/hm2。
对种植玉米而言,推荐采用1∶2的砒砂岩与沙混合比例进行推广开发。
【总页数】5页(P58-61)【关键词】复配土;砒砂岩;沙;铵态氮;硝态氮【作者】罗林涛;程杰;王欢元;韩霁昌;胡延涛;马增辉【作者单位】西安理工大学水利水电学院,西安710048;陕西省地产开发服务总公司,陕西省土地整治工程技术研究中心,国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,西安710075【正文语种】中文【中图分类】S157.43;S157.1【相关文献】1.砒砂岩与沙复配土在不同p H条件下的Zeta电位特性 [J], 牛岩2.4年作物种植对不同比例砒砂岩与沙复配土水稳性团聚体的影响 [J], 赵彤;韩霁昌;张扬;王欢元;姬先3.砒砂岩与沙复配土养分含量及质地的垂直分布特征 [J], 郭振; 徐艳; 葛磊; 王欢元4.长期定位试验下砒砂岩与沙复配土的碳库管理指数 [J], 郭振;孙剑虹5.毛乌素沙地玉米不同种植年限砒砂岩与沙复配土壤有机质与全氮的关系 [J], 张海欧;王欢元;孙婴婴因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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３．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏ ｆ Ｄｅｇｒａｄｅｄ ａｎｄ Ｕｎｕｓｅｄ Ｌａｎｄ Ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏ ｆ Ｌａｎｄ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００７５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｒｉｏｕｓ ｄｅｓｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｈｕｍ ａｎ ａｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｃｌｉｍａｔｅ ｃｈａｎｇｅ，ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｏ ｗａｔｅｒ ｌｏｓｓ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｅｒｏｓｉｏｎ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ Ｐｉｓｈａ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｍ ｕ Ｕｓ ｓａｎｄｙ ｌａｎｄ， ｌｅａｄ ｔｏ ｓｅｖｅｒｅ ｓｃａｒｃｉｔｙ ｏｆ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｃａｕｓｅｓ ｗｏｒｓｅ ｌｏｃａｌ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ． Ｍ ａｎｙ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐｉｓｈａ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｍ ｅｎｔａｒｙ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｏｆ ｓａｎｄ．Ｐｉｓｈａ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ ｉｓ ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｓｕｐｐｏｓｅｄ ｔｏ ｂｅ ｂｌｅｎｄｅｄ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｗａｔｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ａｒａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓａｎｄｙ ｌａｎｄ． Ｔｈｅ ｒｏｏｔ ｚｏｎｅ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍ ｏｄｅｌ ２
（ＲＺＷＱＭ２）ｗａｓ ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ ａｎｄ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ２－ｙｅａｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｆｏｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｏｉｌｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ａｔ ｔｈｒｅｅ ｒａｔｉｏｓ ｏｆ Ｐｉｓｈａ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ ｔｏ ｓａｎｄ （１：１．１：２ ａｎｄ １：５）．ａｎｄ ｔｈｅｎ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｙｉｅｌｄ （Ｙｐ）ａｎｄ ｒａｉｎｆｅｄ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｙｉｅｌｄ （Ｙｐ（ｒ）），ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｙｉｅｌｄ ｇａｐ （ＹＧ（ｒ））ｏｆ ｃｏｒｎ （Ｚｅａ ｍａｙｓ Ｌ．）ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｗｅａｔｈｅｒ ｄａｔａ ｆｒｏｍ １９９０ ｔｏ ２０１３ ｉｎ Ｍｕ Ｕｓ ｓａｎｄｙ ｌａｎｄ．Ｔｈｅ ｍｅａｎ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ Ｙｐ（ｒ）ｏｆ ｃｏｒｎ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｏｉｌ ａｔ ａ ｒａｔｉｏ ｏｆ １：２ （Ｐｉｓｈａ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ：ｓａｎｄ）ｗａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｏｉｌ ａｔ １：１ ａｎｄ １：５ ｒａｔｉｏｓ．ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ｎｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ Ｙｐ（ｒ） ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｔｈｅ １：１ ａｎｄ １：５ ｒａｔｉｏｓ ｏｆ Ｐｉｓｈａ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ ｔｏ ｓａｎｄ．Ｔｈｅ ｍｅａｎ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ Ｙｐ（ｒ） ｏｆ ｃｏｌａ ｗａｓ ２ ５５１ ｋｇ／ｈｍ ，３ ５２７ ｋｇ／ｈｍ ａｎｄ ２ ９２４ ｋｇ／ｈｍ ａｎｄ ｔｈｅ ＹＧ（ｒ）ｗａｓ ６ ０７１ ｋｇ／ｈｍ ，５ ０９６ ｋｇ／ｈｍ
２ ０ １ ８年７月
农 业 机 械 学 报
ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—１２９８．２０１８．０７．０２８
第４９卷第７期
砒 砂岩 改 良风 沙土对作物产 量影 响的 ＲＺＷＱＭＺ模型模 拟
孙 增 慧 韩 霁 昌 。 毛 忠安 ’ 王 欢 元 ， 胡 雅 ，
（１．陕 西 省 土 地 工 程 建 设 集 团有 限 责 任公 司 ，西 安 ７１００７５；２．陕 西 省 土 地 整 治 重点 实 验 室 ，西 安 ７１００６４； ３．国土 资 源 部 退 化 及 未 利 用 土 地 整 治 工 程 重 点 实 验 室 ，西 安 ７１００７５）
Ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｐｉｓｈａ Ｓａｎｄｓｔｏｎｅ ｏｎ Ｉｍ ｐｒｏｖｉｎｇ Ｃｏｒｎ Ｙｉｅｌｄ
ｉｎ Ｓａｎｄｙ Ｓｏｉｌ ｗｉｔｈ ＲＺＷ ＱＭ ２ Ｍ ｏｄｅｌ
ＳＵＮ Ｚｅｎｇｈｕｉ ， ＨＡＮ Ｊｉｃｈａｎｇ。· ＭＡＯ Ｚｈｏｎｇａｎ ＇ Ｗ ＡＮＧ ｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｌａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００７５，Ｃｈｉｎａ ２．Ｓｈａａｎｘｉ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｌａｎｄ Ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００６４，Ｃｈｉｎａ