砒砂岩与沙复配土的水土保持效应研究

毛乌素沙地的水土流失严重,是黄河下游泥沙和北方沙尘暴风沙的主要起源地之一。本文以水土保持为目标,以砒砂岩与沙复配成土为研究对象,采用小区试验、模拟土柱试验和风洞试验方法,设置砒砂岩与沙的质量比例分别为1∶5(S_1)、1∶2(S_2)、1∶1(S_3)的处理,以S_s(全沙)、S_(ss)(全砒砂岩)为对照,研究复配土的保水、保肥、保土能力。结果表明:复配土中随着砒砂岩的增加,土壤粘粒、粉粒含量逐渐增加,沙粒含量逐渐减少;S_3处理的复配土,土壤大团聚体含量最高,呈现出随着含沙量的增加,土壤大团聚体减少的趋势;不同处理的土壤含水量S_3S_2S_1,砒砂岩与沙复配比例为1∶1时,土壤蓄水条件较好;砒砂岩与沙复配比例为1∶1时土壤保肥效益最好,其中硝态氮含量分别比S_s(全沙)、S_(ss)(全砒砂岩)高24.64%、43.10%;S_1、S_2、S_3处理与S_s、S_(ss)相比,风蚀量均显著减少89%以上。其中在7 m·s-1的风洞模拟风速下,S_1处理的复配土风蚀量最小。砒砂岩与沙复配可以提高保水、保肥及保土效益,复配比例为1∶1时,水土保持效益最佳。试验结果在土地复垦和土壤改良等方面具有重要参考意义。     

砒砂岩与沙不同重构比例对表层土体储水量的影响

研究毛乌素沙地砒砂岩与沙不同质量重构比例下表层(020cm)土体的储水情况,为砒砂岩改良风沙土的应用提供参考。将砒砂岩与沙分别按0∶1,1∶5,1∶2,1∶1,2∶1,5∶1和1∶0质量比重构,采用烘干法测定各处理的有效水分及储水量。随着砒砂岩与沙m(砒砂岩)∶m(沙)重构比例的增加,表层(020cm)土体有效水分含量呈多项式y=0.027x~2+0.625x+2.678(y为有效水分,%,x为7种处理,x=1,2,3,4,5,6,7)增长趋势,当向沙中加入1/6的砒砂岩时,增长幅度最大为28.71%。储水量呈幂函数y=8.286x~(0.705)(y为储水量,mm,x为7种处理,x=1,2,3,4,5,6,7)增长规律,当向沙中加入1/6的砒砂岩时,增长幅度最大为29.67%,向沙中加入1/3的砒砂岩时,为27.56%。砒砂岩与沙重构后,在沙中添加的砒砂岩不超过沙时,有利于复配土壤储蓄水分。     

砒砂岩与沙中矿物粒度分布特征的多尺度微观结构分析

在以往研究中,由于测试技术缺失,对砒砂岩与沙中矿物的粒度考虑不足,对砒砂岩与风积沙中不同矿物粒度的复配缺少研究。本文结合扫描电镜,采用多尺度微观结构分析技术,以砒砂岩、内蒙古亚玛雷克沙漠沙、神木沙为样品,将砒砂岩与两种沙分别按质量比为1∶0、1∶1、1∶2、1∶5和0∶1复配,测定并对比了砒砂岩和沙的全样粒度及砒砂岩与两种沙中不同矿物的粒度分布特征。结果表明:砒砂岩和沙中主要的矿物有石英、硅酸盐矿物和碳酸盐矿物,按面积百分比计算,砒砂岩中石英占68.83%,硅酸盐矿物占16.28%,碳酸盐矿物占14.89%,内蒙沙中石英占49.36%,硅酸盐矿物占48.42%,碳酸盐矿物占2.21%,神木沙中石英占38.74%,硅酸盐矿物占59.5%,碳酸盐矿物占1.76%。不同比例砒砂岩与两种风积沙复配土中,砒砂岩中碳酸盐矿物粒度对复配土的影响较大;内蒙沙与砒砂岩复配土中,随着砒砂岩中矿物粒径的缺失,0.1mm部分风积沙中石英、硅酸盐矿物对粒径变化起主要作用;神木沙与砒砂岩复配土中,曲线在0.03、0.05、0.1mm都出现了转折点,0.05mm部分,砒砂岩中碳酸盐矿物对粒径的变化影响较大。综上,多尺度微观结构分析技术可以快速得到砒砂岩与沙中不同矿物形态与粒度分布特征,从矿物复配角度对砒砂岩与沙复配成土技术提供了一个新思路。     

基于粒度组成分析的砒砂岩与沙复配固沙机理探析

砒砂岩与沙复配成土技术已经在毛乌素沙地得到了大规模的推广应用。为给该技术的固沙作用提供数据支撑,研究从粒度组成角度对砒砂岩与沙复配成土固沙机理进行了初探。通过设定7种比例砒砂岩与沙(1∶0、5∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶5、0∶1)复配土,对二者和复配土的粒度组成特征进行了分析。研究结果表明,毛乌素沙地风沙土粒度组成主要集中在0.05~1mm之间,以粗颗粒占优的粒度组成决定了其抵抗风蚀的能力较弱。而砒砂岩粒度组成主要集中在0.01~0.05mm,其较细的粒度组成具有抵抗风蚀的潜力。砒砂岩与沙复配后其粒度组成向较细的方向转变,复配土抵御风蚀起主导作用的惯性力或内聚力发生了变化。     

砒砂岩对毛乌素沙地风沙土固碳能力影响研究

为探析砒砂岩对于毛乌素风沙土固碳能力的影响规律及机制,通过不同比例砒砂岩与沙复配成土实验小区和技术应用示范区采样检测进行对比。小区试验结果表明:2010~2015年,适量砒砂岩的加入将风沙土质地由砂土改良至壤土—壤砂土,土壤团聚能力显著增强,土壤表层有机碳含量从0.30g·kg^(-1)提升至2.16~3.03g·kg^(-1),土壤的固碳能力显著提升。技术应用示范区采样结果则表明:砒砂岩与沙复配成土技术将0~100cm深度内土壤的总碳密度由22.09t·hm^(-2)提升至24.07t·hm^(-2),有机碳密度16.64t·hm^(-2)提升至18.44t·hm^(-2),体现出砒砂岩对风沙土固碳能力的提升作用。     

生物炭和秸秆施用对复配土壤物理性状及团粒结构的影响

为了探明生物炭和秸秆施用对砒砂岩与沙复配土壤物理性状和团粒结构的影响,进而为复配土壤的结构改良提供理论依据。通过盆栽试验,选取砒砂岩与沙(1∶2)复配土壤作为研究材料,设置4个处理(CK:复配土;T1:复配土添加5%的生物炭;T2:复配土添加5%的秸秆;T3:复配土添加2.5%生物炭+2.5%秸秆),3个重复进行试验,对复配土壤的容重、田间持水量和团粒结构进行研究。结果表明:(1)各处理和空白对照CK相比,均显著降低了复配土壤容重,提高了复配土壤的田间持水量,其中T3对复配土壤容重和田间持水量的影响程度明显强于T1和T2;(2)各处理表层土壤R_(0.25)含量均优于空白对照CK,其中T3对复配土壤DR_(0.25)和WR_(0.25)含量影响显著,T1和T2仅对复配土壤WR_(0.25)含量影响显著;(3)干筛和湿筛下,各处理复配土壤平均重量直径(MWD)和平均几何直径(GMD)的大小顺序为:T3T2T1,T3处理对两者的影响程度均达到了显著水平。生物炭和秸秆还田混合施用更加有利于促进复配土壤结构的改善和团粒结构的增加。     

砒砂岩与沙复配成土的颗粒级配与压实特性研究

毛乌素沙地广泛分布着风积沙和砒砂岩,风积沙松散无聚力,砒砂岩易风化侵蚀,这给当地道路交通建设带来了极大的问题。本文为了解决此问题,减少砒砂岩与沙对环境的危害,有效利用当地资源,选用砒砂岩与沙复配成土作为路基材料。将砒砂岩与沙按质量比1∶5、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1这7种比例充分混合,运用Mastersizer 2000和重型击实仪,测得不同比例复配土的颗粒级配与最大干密度,分析压实特性,确定最佳质量比。试验结果表明:当砒砂岩与沙的质量比为2∶1,不均匀系数Cu约为23.03,曲率系数Cc为1.27~1.5,属级配良好土,当含水率在7%~9%时,最大干密度为2.04~2.05g·cm~(-3),压实特性最好,适合用作路基填料。     

秸秆和生物炭对砒砂岩与沙“复配土”稳定性的影响

本研究将不同有机物料添加到砒砂岩与沙体积比为1∶2的复配土中,试验设置4个处理,对照(不添加有机物料,CK)、单施秸秆(秸秆5%,T1)、单施生物炭(生物炭5%,T2)、配施生物炭和秸秆(生物炭5%+秸秆5%,T3),分别培养30 d后采集土壤样品,分析各处理的土壤需水量、团聚体粒径分布、水稳性团聚体稳定效率、平均重量直径、平均几何直径和分形维数等。研究结果表明:培养周期,四种处理的平均需水量以对照最高,且处理间差异显著(P0.05)。各处理的团聚体百分含量(0.25 mm)以CK最低,T3最高,趋势呈现为CK T1T2T3,添加有机物料后的复配土稳定性指标均比对照高,且混施物料对团聚体稳定指标改善效果优于单一物料。在干筛法和湿筛法处理下,不同团聚体分形维数的范围为2.79～2.89,表现趋势为T3 T2 T1 CK;湿筛法,复配土分形维数(y)与WR_(0.25)(x)之间存在良好的线性方程关系,即为y=-0.002 8x-2.989 2,且R~2=0.93。研究综合分析,通过增加有机物料的施入可有效增加复配土稳定性,并且可改善结构,而且有机物料的混施后的改善效果更好。     

复配型土体有机重构技术初探——以砒砂岩与沙复配成土为例

为探明复配型土体有机重构技术对土体改良作用的机理,本文选择砒砂岩与沙复配成土技术作为典型实例,设置不同砒砂岩与沙的复配比例(1:1、1:2、1:5)田间试验小区与沙地进行对照,于2010-2015年连续监测不同处理土体的质地、有机质、水稳定性团聚体、矿质氮以及玉米产量变化。结果表明:砒砂岩的加入能将沙地土体中的粉粒和粘粒含量分别从3.21%和2.73%提升到20%和5%以上,满足作物生长的颗粒需求,因此适宜于作为一种沙地土体有机重构的材料;在6年的耕作管理中,0-30 cm表层的粉粒和粘粒缓慢向下层迁移,增加30 cm以下沙地土体的粉粒和粘粒含量,复配土土体0-30 cm内有机质含量从0.5%以下提升到3.7%以上,水稳定性团聚体含量则从18%-28%提升到20%以上,0-120 cm深度土体内矿质氮储量提升4.5倍以上,玉米产量随种植季数稳步提升至11000 kg·hm~(-2);其中,1:2复配比例上经6季种植后玉米产量达到14234.4 kg·hm~(-2),最适宜玉米生长。本文的研究结果不仅系统分析了砒砂岩与沙复配成土技术的机理,也为其它复配型土体有机重构技术的机制探讨和技术路线制订提供了参考。     

基于田间试验的砒砂岩和沙复配成土特性研究

为研究砒砂岩和沙复配成土特性及对农业作物的影响,本文利用正交试验方法开展田间试验,采用不同的砒砂岩和沙混合比例,引入灌溉量、种植作物类型、农艺处理等变量参数,共设置10个试验小区。经过两季的作物种植,从复配土土壤质地、水稳定性大团聚体含量、有机质、作物生长水平及产量四个方面进行分析。结果表明,随着时间的推移,混合砒砂岩改良沙地,促使土壤宜耕层厚度增长,且土壤结构改良,肥力逐渐增加;作物对不同比例的复配土壤具有不同的敏感性,玉米、大豆在砒砂岩和沙1∶2混合比例下最适宜生长,小麦、马铃薯在砒砂岩和沙1∶5混合比例下最适宜生长。     

不同比例砒砂岩与沙复配土中重金属的渗透迁移规律研究

为了解不同比例砒砂岩与沙复配土中重金属的渗透迁移规律,本文以砒砂岩与沙0∶1、1∶0、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5以及纯黄土为例,进行了Mn^(2+)、Ni ^(2+)、Cd^(2+)、Cr^(6+)和Cu^(2+)重金属溶液在1cm渗透压水头下的渗透实验。实验结果显示,砒砂岩对于该5种重金属的渗透有一定的抑制作用,并且砒砂岩含量与抑制程度整体上呈正相关,但重金属不同抑制程度也不相同。纯沙子对于重金属Mn^(2+)、Ni ^(2+)、Cd^(2+)吸附性较差,对Cr^(6+)、Cu^(2+)有一定程度的吸附。实验期内(600h)重金属均未穿透黄土,显示黄土对于重金属有较强的吸附性。     

砒砂岩与沙复配土抗风蚀能力研究

陕北毛乌素沙漠南缘地区广泛分布着"两害"——砒砂岩和沙,严重影响着当地作物的生长。为改善区域生态环境,实现资源的合理化利用,本研究将砒砂岩(P)和沙(S)按照不同的质量比进行复配(m(P)∶m(S)=1∶1,1∶2,1∶5),通过测定复配土的粘聚力、内摩擦角、风蚀量等一系列基本理化指标,研究复配土的抗风蚀能力及其影响因素。结果表明:随着砒砂岩含量的增加,复配土的粘聚力逐渐增加,抗剪强度增大,内摩擦角逐渐减小,风蚀量逐渐减小,抗风蚀能力逐渐增强。其中,1∶1复配土的粘聚力最大,内摩擦角最小,风蚀量最小;1∶5复配土的粘聚力最小,内摩擦角最大。砒砂岩的加入,可以显著降低风沙土的风蚀量,增强该地区风沙土的抗风力侵蚀能力。另外,粘聚力与容重有极显著的负相关性,粘粒含量与内摩擦角有极显著的负相关性,风蚀量和砒砂岩含量占比有极显著的负相关性。风蚀量和内摩擦角、容重有很强的正相关性,与粘聚力、分形维数、粘粒、粉粒含量有很强的负相关性。     

不同比例砒砂岩与沙复配对作物产量及土壤性质的影响

通过小区模拟试验,研究不同比例砒砂岩与沙复配对作物产量及成土理化性质的影响,寻找适宜作物生长的最佳混合比例。砒砂岩与沙混合比例共设3个处理:1:1(C1)、1:2(C2)和1:5(C3),每处理重复3次,种植作物为冬小麦。试验结果表明:小麦产量以C3处理增产效果最佳,比C2处理增产4.4%,比C1处理增产8.7%。新复配土壤容重C3C2C1,水稳性团聚体C1C2C3,有机质C3C2C1。种植一季作物后各处理土壤容重均有所下降,水稳性团聚体均有所升高,有机质C1、C2处理有所提高,C3处理稍有下降,土壤养分含量除有效磷外,全氮、速效钾及有机质均处于极低水平,在随后的推广应用中应不断加大氮肥和钾肥的投入,增施有机肥,提高复配土壤的养分水平,从而达到新增耕地的可持续利用。该研究可为毛乌素沙地的开发利用、沙化土壤的治理以及当地水土流失的防治提供理论依据和技术支撑。     

毛乌素沙地砒砂岩矿物组成研究

矿物是土壤的主要组成物质,土壤矿物,尤其是土壤次生矿物,决定着土体的理化性质。本文从矿物组成角度对毛乌素沙地砒砂岩与沙复配成土机理进行探析。通过X衍射射线实验,对十一种不同颜色的砒砂岩和风沙土矿物组成进行了研究。研究发现:毛乌素沙地砒砂岩主要由石英、钾长石、斜长石、方解石、蒙脱石、伊利石和高岭石组成;不同颜色的砒砂岩矿物组成差别较大,其中灰白色砒砂岩次生矿物含量最低,仅占5.4%;浅棕色砒砂岩次生矿物含量最高,高达59%;风沙土由石英、钾长石、斜长石、方解石、角闪石、蒙脱石、伊利石组成,其中原生矿物含量占93.5%,次生矿物含量占6.5%。研究结果对探索砒砂岩与沙复配成土的机理、探寻新型的天然复配材料方面具有重要的参考意义。     

秦岭北麓地区不同成土材料重构效应研究

针对秦岭北麓地区不适宜农业种植的条件,科学合理的布置替代性成土材料试验,可为土地工程和土体有机重构提供理论依据。选取蛭石(TI)、珍珠岩(T2)、页岩(T3)、陶砾(T4)、沙(T5)、砒砂岩(T6)等六种不同替代性成土材料,分别与土以0.5L·m-2和1L·m-2的比例混合,填充至2m×3m的试验田内,以油菜为显示植物,研究油菜的生长特征、农艺性状及产量。结果表明:不同土体构造的各处理下,油菜各生长阶段平均株高大小依次为T6>T2> T1>T5>T4>T3,其中T6的砒砂岩与粘土复配最适宜植株生长;油菜收获后,分析不同土体构造下其油菜产量、根系重量等指标,T4陶砾与粘土复配后根重和产量最大,表现最佳。综合作物生理特性、农艺性状两大方面分析得出,砒砂岩与粘土和陶砾与粘土组合最适宜作为替代性成土材料用于土体有机重构。     

基于计算实验的砒砂岩与沙复配土团聚结构与质地变化的仿真研究

团聚体的形成主要靠粘粒的内聚力及铁铝氧化物的胶结作用,本文考虑单一因素粘粒对团聚体形成的影响,并定量化表达和探讨对有机质含量较小的砒砂岩和沙复配土中粘粒和水稳性团聚体的相关性,并通过计算机模拟仿真进行相关性验证,达到以土壤质地中粘粒的含量预测土壤团聚体的目的。本文将砒砂岩与风沙土分别按1∶1,1∶2,1∶5和0∶1质量比复配并在2010年建立小区,经过20102013年连续4年的试验连续取样观测,用激光粒度分析仪和湿筛法分别对其粒度组成及水稳性团聚体分析研究。根据混合后未种植以及20102013年5次实验数据表明(相关系数分别是0.742、0.794、0.887、0.714、0.755),不同年份的粘粒含量和团聚体具有正相关性,且相关性随年份变化相对稳定,时间变异不大。根据multi-agent(MAS)方法建立人工土壤团粒模型(Artificial Soil Aggregates Model,简称ASAM),以粘粒含量对团聚体含量的进行预测,预测结果与实测值基本吻合。研究结论:(1)针对有机质含量较少的砒沙岩与沙复配土,粘粒含量和团聚体含量具有较好的正相关性,且相关性随年份变化相对稳定;(2)仿真结果表明,利用ASAM模型仿真,计算仿真结果与实测数据趋势基本一致,首次将计算实验方法应用于复配土壤微结构变化过程研究,对不同复配土壤微结构变化定量描述提供了新的方法,并对土壤复杂性仿真提供了一条可行性途径,具有一定推广和应用前景。     

基于微观层次的砒砂岩与沙复配成土力学特性研究

研究砒砂岩与沙复配材料的力学特性对治理砒砂岩地区生态环境具有重要的现实意义。为了了解不同复配比例下复合材料的材料和结构特性,本文从微观层次入手,通过电镜试验和压汞试验,对砒砂岩复配土的微观结构及物质元素组成进行了分析。运用动三轴仪,进行了不同配合比下的力学试验。结果发现:砒砂岩的主要矿物成分是石英、钠长石、蒙脱石和方解石,无水状态时结构具有一定的强度,遇水饱和后结构崩塌,粘聚力迅速减小,具有一定的湿陷性;复配土由于其结构的互补性以及级配的优化,渗透性大为降低;宏观力学表现出应变硬化现象及非线性特点。     

长期施肥对旱作塿土总有机碳的影响研究

本研究以关中旱作塿土18年长期肥料定位试验土壤为试材,探讨不同施肥处理对土壤总有机碳的影响。本文涉及的施肥处理包括:(1)对照不施肥(CK);(2)单施氮肥(N);(3)氮钾肥(NK);(4)氮磷肥(NP);(5)磷钾肥(PK);(6)氮磷钾肥(NPK);(7)有机肥+氮磷钾肥(MNPK)。研究结果表明,(1)与对照相比,无论单施NPK化肥还是有机无机肥配施,耕作层土壤总有机碳含量均有不同程度的提高,但有机肥和化肥联合施用效果更好。随时间延长,有机无机肥配施的土壤总有机碳增长率呈递减趋势;(2)长期平衡施肥(NPK处理)有利于保持和提高耕层土壤总有机碳含量,其他不平衡施肥(NP、NK、PK处理)也可以增加土壤总有机碳含量,但长期单施氮肥会导致土壤总有机碳含量降低;(3)有机无机肥配施对提高耕层土壤总有机碳含量效果优于其它处理;不同施肥处理总有机碳含量随土层剖面垂直分布均有下降趋势,在下层土壤中不同施肥处理的总有机碳含量差异不显著。综上可见,长期有机无机肥配施可显著增加土壤有机碳含量,平衡施用无机化肥也能够在一定程度上维持或提高土壤有机碳水平。     

砒砂岩与沙复配土壤速效氮垂直运移规律的初步探讨

以毛乌素沙地区域的"两害"砒砂岩与沙为研究对象,将其按照1∶1、1∶2和1∶5三种比例进行复配成土,并种植适宜该地气候环境的作物——马铃薯。在马铃薯收获期于各小区垄上、垄下采集不同剖面深度土壤,并测定其铵态氮与硝态氮含量。结果表明,三种复配土垄上下土壤剖面0~140cm铵态氮的分布均较为均匀,均处于0.50mg·kg~(-1)左右,且规律基本一致;混合比例对垄上下硝态氮剖面分布均产生明显影响,垄上0~60cm土层内、垄下0~20cm土层内,表现为1∶11∶21∶5,其余土层内1∶5复配土始终具有较高的硝态氮含量;1∶1和1∶2复配土壤垄上、垄下硝态氮积累峰值均出现在0~20cm土壤剖面处,140cm深度仍有一定的积累,1∶5复配土壤出现在120~140cm土壤剖面处,且各复配土壤垄下硝态氮淋洗均深于垄上;同一土层深度,三种复配土壤垄下硝态氮含量明显高于垄上,且1∶5复配土壤垄上、下差异尤为显著。     

微生物土壤改良剂对复配土养分及作物产量的影响

以砒砂岩与沙复配土壤(简称"复配土")为研究对象,以微生物土壤改良剂为添加材料,通过盆栽试验,研究了不同施用量对玉米不同生育期内土壤养分含量以及作物产量的影响。结果表明:施用微生物改良剂对复配土具有解钾、释磷、固氮作用,能够显著提高复配土的土壤养分,尤其对铵态氮和速效磷的提升效果显著;从整个玉米生育期来看,施用微生物改良剂对土壤速效钾、速效磷、铵态氮和硝态氮的影响主要表现在生长前期(拔节期和大喇叭期),而对有机质的影响主要体现在成熟期;就不同施用量处理而言,M2处理(1.0 g·kg~(-1))的增产效果最佳,与对照相比,穗长、行粒数、单穗重、百粒重分别增加了13.8%、7.9%、26.4%、14.1%。本研究可为复配土培肥增产提供技术参考。