喀斯特坡地土壤稳渗率空间分布变化特征研究

为查明高异质性背景条件下喀斯特坡地土壤稳渗率空间分布变化特征,在6类典型人为活动方式石灰岩坡地针对4类主要生境类型(土面、土石面、石沟、石缝)开展生境空间分布调查和土壤理化性质分析,并利用Guelph入渗仪进行稳渗率实验。通过对比分析各生境土壤性质和土壤稳渗率关系,结合人为作用方式探讨各生境土壤性质和稳渗率空间变化特征及其演化规律。结果表明:1)喀斯特坡地土壤稳渗率普遍高于非喀斯特地区,喀斯特坡地土壤稳渗率受土壤孔隙和岩石裂隙耦合作用影响。2)各生境条件下土壤稳渗率具有高度的空间异质性,呈现"斑块状"空间分布特征。3)坡地人为作用方式变化将改变原有生境的土壤性质,进而导致各生境土壤稳渗率随人为活动进程发生相应变化。人为踩踏作用影响较小的原生林、次生林和乔灌林坡地土面和土石面生境土壤稳渗率普遍高于石沟和石缝生境,但转变为人为踩踏作用强烈的放牧灌草地或火烧人为干扰地后,土面和土石面生境土壤退化严重,土壤容重和粘粒含量增大,稳渗率显著降低。而石沟和石缝生境土壤性质和稳渗率受影响程度明显小于土面和土石面生境,土壤稳渗率仍可维持较高水平。     

喀斯特坡地土壤稳渗率空间分布变化特征研究

为查明高异质性背景条件下喀斯特坡地土壤稳渗率空间分布变化特征,在6类典型人为活动方式石灰岩坡地针对4类主要生境类型(土面、土石面、石沟、石缝)开展生境空间分布调查和土壤理化性质分析,并利用Guelph入渗仪进行稳渗率实验。通过对比分析各生境土壤性质和土壤稳渗率关系,结合人为作用方式探讨各生境土壤性质和稳渗率空间变化特征及其演化规律。结果表明:1)喀斯特坡地土壤稳渗率普遍高于非喀斯特地区,喀斯特坡地土壤稳渗率受土壤孔隙和岩石裂隙耦合作用影响。2)各生境条件下土壤稳渗率具有高度的空间异质性,呈现"斑块状"空间分布特征。3)坡地人为作用方式变化将改变原有生境的土壤性质,进而导致各生境土壤稳渗率随人为活动进程发生相应变化。人为踩踏作用影响较小的原生林、次生林和乔灌林坡地土面和土石面生境土壤稳渗率普遍高于石沟和石缝生境,但转变为人为踩踏作用强烈的放牧灌草地或火烧人为干扰地后,土面和土石面生境土壤退化严重,土壤容重和粘粒含量增大,稳渗率显著降低。而石沟和石缝生境土壤性质和稳渗率受影响程度明显小于土面和土石面生境,土壤稳渗率仍可维持较高水平。     

黄土丘陵区不同土地利用类型下生物土壤结皮的入渗效应

为揭示黄土丘陵区BSCs(生物土壤结皮)的入渗特征,以甘肃省定西市安家沟小流域为例,选择荒草地、沙棘灌丛和油松林3种典型土地利用类型进行采样,采用环刀模拟法研究不同土地利用类型下苔藓结皮和地衣结皮对水分入渗的影响. 结果表明:①不同土地利用类型下的2种BSCs均明显减少初渗速率和达到稳渗所需时间,初渗速率降幅最小值、最大值分别出现在油松林、荒草地下地衣结皮;荒草地、沙棘灌丛苔藓结皮稳渗速率相对裸土分别增加2.4%、10.0%,而二者地衣结皮明显降低稳渗速率,降幅分别为45.2%和55.0%,油松林下苔藓结皮和地衣结皮稳渗速率均增幅为18.2%. ②苔藓结皮在3种土地利用类型下均促进土壤水分入渗,其入渗量调控率在荒草地、沙棘灌丛和油松林下分别是1.0%、10.0%和0.7%;而地衣结皮在荒草地和沙棘灌丛下明显阻碍水分入渗,其入渗量调控率的绝对值分别为43.9%和50.0%,在油松林下的入渗量调控率则为16.5%. ③Horton模型对生物土壤结皮入渗过程拟合效果最好,较适于描述本区具有生物结皮覆盖的土壤入渗特征.      

莲花湖库区红松水源涵养林土壤水分-物理性质的空间分布特征

运用地统计学对莲花湖库区红松水源涵养林表层土壤水分-物理性质进行了空间异质性分析。研究结果表明: 土壤含水量、土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等因子均服从对数正态分布;毛管孔隙度最优拟合模型是球状模型,其它因子均为指数模型。土壤含水量、土壤密度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度块金值、变程、结构比、分数维和空间自相关系数最大值分别为0.311、0.297、0.192、0.293,6.87 m、10.29 m、8.31 m、8.88 m, 0.690、0.694、0.814、0.707,1.968、1.939、1.937、1.945,0.111、0.200、0.246、0.157。可见以上4个因子空间自相关性均较强,随着空间距离的增大,其相关性逐渐减弱。其中毛管孔隙度均一性程度较高;土壤含水量空间分布形态较复杂,破碎化程度高。     

鄂尔多斯某燃煤电厂污染物在细砂和砂质粉土层中的运移规律

以燃煤电厂较为集中的鄂尔多斯为研究区域,选取目前易被忽视的2种电厂污染物氨氮、氟离子作为污染因子,探究此类污染物在区域内非饱和带土壤细砂、砂质粉土层的运移规律。通过室内实验、Hydrus-1D软件建立模型进行模拟预测,以获得污染物垂向分布规律。由动态淋滤实验可知:污染物在细砂中的完全穿透时间小于砂质粉土;Hydrus-1D模拟值与实测值相关性较好,相关系数为0. 950～0. 996;模型校准后,获得用于模拟预测的最佳参数值,细砂土与砂质粉土弥散度α分别为0. 937,0. 75 cm;氨氮在细砂土与砂质粉土中溶质反应参数Kd、Nu分别为2. 5 mg/m L,50. 9 m L/mg,氟离子分别为4. 83 mg/m L,28. 91 m L/mg;模拟持续排放污染物情况可知,短时间内可穿透10 m厚细砂土层,砂质粉土层对污染物截留能力相对较优;高浓度污染物一次性入渗时,高浓度污染物一次性入渗时,污染物10天时穿透10 m砂土层,180 d时氨氮污染物穿透砂质粉土层,氟化物未能穿透。模拟预测可判断污染物是否能够穿透非饱和带进入地下水取决于污染物浓度、土层质地与厚度、污染物排放时间等因素的共同影响。     

青藏高原短波辐射分布式模拟及其时空分布

论文基于太阳辐射参数化传输模型,结合MODIS每日两次的大气产品和DEM,构建了太阳短波辐射分布式模型,对青藏高原2007年的太阳直接辐射、散射辐射与总辐射分布状况进行了模拟,并利用研究区站点实测值对模型精度进行了验证,其中日值数据直接辐射的相关性分别为0.72(拉萨)和0.82(格尔木),散射辐射分别为0.71(拉萨)和0.70(格尔木),总辐射相关性大都在0.70以上;旬值数据实测值与模拟值的相关性大都在0.90以上。模拟结果表明:实际天气情形下青藏高原年平均直接辐射量为4 244 MJ/m2,年平均散射辐射量为2 348 MJ/m2,年平均总辐射量为6 592 MJ/m2。直接辐射与总辐射的空间分布主要受纬度地带性与垂直地带性的影响,且地形对地表短波辐射的影响大于纬度的影响;散射辐射的空间分布主要取决于当地的地形起伏与大气状况。     

北京市区绿地土壤中铅等重金属累积及空间分异特征

为考察北京市区绿地土壤重金属累积及其空间分异特征,在北京市区采集了151个绿地表层(0~20cm)土壤样品,并通过地统计分析方法研究了土壤样品中Pb等重金属元素累积及空间变异特征。结果表明:1)北京市区内绿地土壤重金属Pb、Cr、Zn、Cu的含量分别为26.9,0.33,49.64,76.85 mg/kg,存在累积现象,地积累指数分别为0.13、0.09、-0.22和-0.64,Cr和Cu地积累级别为2级,Zn和Pb地积累级别为1级。2)Pb和Zn的半变异函数最佳理论模型为高斯模型,Cr和Cu则分别为指数模型和球面模型。Pb在空间变异上为极弱的空间自相关,其余3种重金属则呈中等强度的空间自相关。3)Cu和Zn在中部和东北部含量较高,Pb中部地区含量较高,从中部向外围呈递减的趋势。Cr高值区分布比较零散,呈不规则斑块状分布。     

基于STIRPAT模型的我国碳排放和产业结构优化研究

为考察北京市区绿地土壤重金属累积及其空间分异特征,在北京市区采集了151个绿地表层(0~20cm)土壤样品,并通过地统计分析方法研究了土壤样品中Pb等重金属元素累积及空间变异特征。结果表明:1)北京市区内绿地土壤重金属Pb、Cr、Zn、Cu的含量分别为26.9,0.33,49.64,76.85 mg/kg,存在累积现象,地积累指数分别为0.13、0.09、-0.22和-0.64,Cr和Cu地积累级别为2级,Zn和Pb地积累级别为1级。2)Pb和Zn的半变异函数最佳理论模型为高斯模型,Cr和Cu则分别为指数模型和球面模型。Pb在空间变异上为极弱的空间自相关,其余3种重金属则呈中等强度的空间自相关。3)Cu和Zn在中部和东北部含量较高,Pb中部地区含量较高,从中部向外围呈递减的趋势。Cr高值区分布比较零散,呈不规则斑块状分布。     

紫色丘陵区不同弃土弃渣下垫面入渗特征及影响因素

采用环刀法研究了紫色丘陵区不同碎石含量弃土弃渣下垫面的入渗特征及影响因素.结果表明,不同弃土弃渣下垫面入渗性能随碎石含量的增加而差异显著,其中,碎石含量为40%的弃土弃渣下垫面初始入渗率、稳定入渗率及平均入渗率分别是土质弃渣下垫面的1.30、1.13和1.54倍.不同下垫面初始入渗率和稳定入渗率与弃渣初始含水率、容重呈显著负相关,与下垫面总孔隙度、非毛管孔隙度呈显著正相关.其中,初始入渗率与初始含水率相关系数在-0.689~-0.912之间,稳定入渗率与容重相关系数为-0.745~-0.999,且稳定入渗率随非毛管孔隙度增加而显著提高.Horton模型对不同弃土弃渣下垫面入渗率与时间拟合的可决系数在0.899以上,且Horton模型计算入渗率与实测入渗率的相对误差在0.07%~6.60%之间,是紫色丘陵区分析不同弃土弃渣下垫面入渗过程的适宜性模型.研究结果可为紫色丘陵区弃土弃渣水土流失量预测和评价提供技术参数.     

机动车排放空间分配模型评估及应用

污染源排放清单及时空分布特征对大气污染管理至关重要,受数据采集量较大等因素的影响,应用自下而上的方法基于实际交通流信息计算机动车排放清单及分析空间分布特征具有一定困难,因此开展机动车自上而下的排放清单并进行空间分配模型及评估研究。该研究以北京城区为例,应用4种机动车排放的分配模型进行空间分布模拟,基于Hellinger距离参数对模拟数据和参考数据进行对比分析,对机动车排放的空间分配精度进行评估。结果表明:依据城市化面积比例、人口密度、主干路密度和城市化面积比例与主干道密度相结合的空间分配模型的模拟结果与参考数据之间的Hellinger距离分别为0.25、0.23、0.18和0.16,依据主干路密度的分配模型空间分配精度相对较高。     

城市污水回用于山地绿化灌溉土壤重金属的空间变异性

新疆乌鲁木齐市雅玛里克山国家级绿化示范基地的灌溉用水为雅玛里克山污水厂一级出水(乌鲁木齐生活污水出水). 在面积为59 hm2的污灌区布设了61个采样点,测定了表土(0～20 cm)中Cu,Zn,Ni,Cr,Pb,Cd的含量和pH,有机质(OM)含量,阳离子交换量(CEC)等土壤理化参数,并在此基础上进行了尼梅罗综合污染指数评价和基于地理信息系统(GIS)及地统计学的研究. 结果表明,6种重金属的平均含量均低于国家二级标准(GB15168-1995)限值;采样区的土壤重金属总体上属于轻度污染. Zn,Cr,Pb和Cd含量变异函数曲线的理论模型符合指数模型;Ni和OM含量及CEC的理论模型表现为高斯模型;Cu含量和pH的理论模型为球状模型. Pb,Ni,Cr,OM含量和pH,CEC表现为中等强度的空间自相关,Cu,Zn和Cd含量均表现出强烈的空间自相关. 重金属a值最大的是Pb (450 m),而其他重金属的a值多集中在100～200　m,采用普通克立格最优内插法对未测点重金属,pH,OM含量和CEC进行最优估计,绘制了空间分布图,更直观地反映出了重金属元素及土壤理化参数的空间变异特征.      

秦巴中部山区耕地土壤速效钾空间变异及其影响因素

为探究土壤速效钾空间异质性及其影响因素,以秦巴中部山区的碑坝镇、福成乡、白玉乡为研究区,基于104个耕层土壤采样点,运用经典统计学和地统计学方法揭示速效钾的空间变异特征,并利用相关分析、方差分析、冗余方差分解法研究不同因素对其空间变异的影响.结果表明:研究区土壤中w（速效钾）为55~156 mg/kg,平均值为125.99 mg/kg,表现出中等程度变异性（变异系数为14.07%）.地统计分析显示,各理论模型中以高斯模型对w（速效钾）的拟合效果最佳,块金效应为16.95%,变程达1 454 m,具有强烈空间自相关性,其空间变异中结构变异占优、随机成分较少;速效钾呈地带性分布,自中部河谷低地向东西部山地丘陵呈增加趋势.定量分离结果表明,各类因子总体解释了48.67%的变异信息,土壤因子（土壤类型、土壤质地、成土母质、pH）、地形水文因子（海拔、坡度、地下水深度、地表产水量）、人为因素（施钾量、种植制度、耕层厚度、到村中心距离）的综合解释能力依次为35.39%、17.14%、9.96%;就单因子而言,施钾量、土壤类型、海拔、pH、土壤质地、成土母质的解释能力达35.35%、31.02%、28.39%、26.23%、21.96%、20.74%,并在P < 0.001水平上表现出强烈显著性,是土壤速效钾变异的主要因素.      

喀斯特小流域土壤有机碳密度空间异质性及影响因素

论文为阐明喀斯特小流域土壤有机碳密度分布格局及其主要影响因素,运用野外布点采样、实验室测定和地统计学分析相结合的方法,采用2 755个详细调查的剖面样地,共计23 536个土壤样品,定量研究了土壤有机碳密度的空间异质性及分布特征,并利用典范分析法分析了影响土壤有机碳密度的主要环境因子。结果表明：后寨河流域各层土壤有机碳密度随土壤深度的增加而逐渐降低,最大值为12.47 kg/m²,最小值为0.11 kg/m²,100 cm土壤深度有机碳密度平均值为12.11 kg/m²,高于全国100 cm土壤深度有机碳平均密度。流域土壤有机碳密度最佳拟合模型为高斯模型,呈中等强度空间相关,Kriging插值显示土壤碳密度高值区在东部区域,低值区在南部区域,表现为中部低、四周高的趋势。后寨河100 cm深度下土壤碳密度在不同植被类型、土地利用方式、土壤类型下表现出一定差异。土壤厚度与有机碳密度呈正相关,石砾含量、坡向、坡度、土壤容重、岩石裸露率与有机碳密度呈负相关。土壤厚度、岩石裸露率、石砾含量是影响后寨河流域土壤有机碳密度的主要因子,其中以土壤厚度影响最大。     

基于GIS的黄土高原小流域土壤水分时空分布模拟——以定西安家沟为例

土壤水是黄土高原生态环境的主控因素,进行土壤水时空分布的模拟对黄土丘陵区农业生产、植被恢复和土地合理利用及配置具有重要的指导意义。从水量平衡的角度出发,采用GIS软件Arc/Info的GRID数据结构,对定西县安家沟小流域影响土壤水分时空分布的要素:降雨、径流和蒸散(发)进行了空间分布的模拟,并利用实测土壤水分数据进行检验,合格率达到83.146%。结果表明,利用水量平衡原理并对参数进行一定的化简进行黄土高原土壤水分的模拟是可行的。     

坡面林地土壤水分特征函数空间变异性初探

土壤水分特征函数空间异质性是定量研究土壤非饱和带水分运动以及溶质运移的先决条件. 以坡面机械布点采样、压力膜仪测定土壤水分特征曲线,并以Van-Genuchten模型拟合曲线后,用传统的统计方法与地统计方法,分析了密云水库流域周边人工油松林坡面土壤水分特征函数空间异质性. 结果表明:①不同土壤层各级压力下土壤含水量变异系数(C_v)呈中等变异性,C_v为10%～25%,土壤有效饱和度越低,变异性C_v越大,计算合理取样数目越大. ②模型参数θ_s为中等变异,C_v为17.77%～18.12%,服从正态分布;参数α为强变异性,C_v为70.65%～120.91%;参数n为弱变异性,C_v为5.29%～7.09%. ③各土壤层参数θ_s和α均具有空间变异结构,除20～40 cm层参数α符合指数模型外,其余层参数均符合球状模型,参数θ_s和α变程(A)分别约为66～69及21～69 m;参数n仅在20～40 cm土壤层显示空间变异结构,符合球状模型,变程(A)约为18 m;整体上该林地土壤0～20和20～40 cm层参数多以结构性变异为主,40～60 cm层参数的块金效应渐显增大. 最后采用Kriging插值方法分别对各参数进行了预测.      

华北平原耕作土壤特性对基因工程菌迁移的影响

基因工程菌在土壤中的迁移是影响污染土壤生物强化修复的重要因素.在华北平原饱和耕作土壤中,考察了1株阿特拉津降解基因工程菌迁移留存及其影响因素.结果表明,在饱和耕作土壤中,平流渗透是基因工程菌迁移的主要机制,其过程可用过滤模型拟合.土壤性质对孔隙水流和基因工程菌迁移具有显著影响.随着土壤粒径、孔隙率和土壤砂粒组分增加,土壤水力传导率常数增大,基因工程菌过滤系数减小,土壤对基因工程菌过滤留存作用降低.土壤条件不变时,增加入渗流量也会增大土壤水力传导率常数,减小基因工程菌过滤系数.饱和土壤中,水力传导率常数为5.02~6.70 m·d-1时,基因工程菌在土壤中的过滤系数为0.105~0.274,二者存在显著负相关关系.     

基于BP神经网络的污染场地土壤重金属和PAHs含量预测

受土壤检测成本和项目周期等因素制约,污染场地土壤经常存在检测数据缺失的现象,如何利用有限的检测数据获得更全面的信息成为当前研究热点.以某金属加工厂污染场地为研究对象,运用多元统计方法分析土壤样品中重金属(As、Zn、Cu、Pb、Ni、Cd、Cr)和多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)〔苯并[a]芘(BaP)、二苯并[a,h]蒽(DBA)、苯并[k]荧蒽(BkF)、苯并[b]荧蒽(BbF)、苯并[a]蒽(BaA)、萘(Nap)、?(Chr)〕之间的关联性,并以此为基础,利用已知数据建立BP神经网络模型,预测缺失土壤样本中重金属和PAHs的含量.结果表明:与GB 36600—2018《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的风险筛选值对比,重金属超标率表现为w(Ni)>w(Cu)>w(As)>w(Pb)>w(Zn)=w(Cd)>w(Cr),除w(Chr)未超标外,其他6种PAHs按超标率排序为w(BaP)>w(DBA)>w(BbF)=w(BaA)>w(Nap)>w(BkF).重金属Zn与Pb、As与Cd关联性较好,Cu与Ni关联性较好,Cr与其他6种重金属关联性较差,PAHs中除Nap外,BaP、DBA、BkF、BbF、BaA和Chr彼此关联性均较好;构建的BP神经网络模型的污染物浓度预测值与实测值的决定系数(R₂)范围为0.812~0.993,模拟效率系数(NSE)范围为0.779~0.959,均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)均较小.研究显示,研究区土壤重金属和PAHs含量整体存在不同程度的超标现象,构建的BP神经网络模型对污染物浓度预测结果准确可靠,利用该模型对土壤污染进行空间分析与评价具有可行性,且关联性较弱的因子作为输入参数能进一步提高预测模型的精度.      

降雨入渗下残坡积土边坡的稳定性模拟研究

针对杭兰高速公路受降雨影响显著的非饱和残坡积土边坡,考虑降雨入渗的影响,通过对非饱和土水力特征参数的试验研究,用精度较高的Van Genuchten公式拟合土-水特征曲线,得出了非饱和渗透函数的特征参数;在此基础上,将饱和-非饱和非稳定渗流分析与有限元强度折减法相结合,进行了降雨入渗渗流场与应力场的耦合分析,模拟雨水入渗引起的暂态渗流场,并将计算所得到的暂态孔隙水压力用于考虑基质吸力影响的边坡稳定系数的计算;最后根据研究区的降雨气象资料,探讨了降雨强度、降雨持时对残坡积土边坡渗流场分布、发展和稳定性的影响。该研究可为滑坡地质灾害的预防提供依据。