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盐基离子对土壤持水及收缩特性的影响

更新时间:2016-07-05

土壤持水性能评价对制定合理的农田灌溉制度具有指导意义,土壤持水与保水能力可以通过土壤孔隙大小和分布特征进行判定,然而土壤的持水性、土壤水分有效性以及孔隙分布特性均可以通过土壤水分特征曲线进行评价[1-2]。许多学者对土壤水分特征曲线拟合[3-5]及其影响因素[6-8]进行了研究,同时也有较多研究基于土壤水分特征曲线对土壤持水能力以及土壤水分有效性进行评价[9-13],纵观有关土壤水分特征曲线的研究成果,较多针对添加物条件或是将非盐碱土作为研究对象,而对盐碱土壤持水性能的研究仍较少,关于不同盐分离子对其影响效果的评价则更是鲜有报道。明晰不同盐离子对土壤持水性能的影响,将有利于对不同类型盐碱地制定合理洗盐方式。

土壤水分特征曲线一般是通过离心机测得,然而随着离心机预设吸力和平衡时间逐渐增加,土体发生失水,并伴随沉降,容重逐渐增大,最终导致土体表面出现裂缝。土壤干缩开裂问题对于农田和作物均具有较强的破坏作用,土壤裂缝在很大程度上可导致水分与养分流失,造成灌溉效率降低和水环境污染,同时又可能破坏作物根系,导致产量降低[14-15]。目前有关土壤裂缝的研究多是集中于土壤总盐的影响[16-18],或是单独将土壤干缩开裂作为研究对象[14,19],这在一定程度上忽略了不同盐离子各自产生的效应,且较少研究将土壤失水和土体收缩相结合,即土壤脱水过程中的土体收缩变化特征。土体收缩变化与吸力、含水率和容重变化具有同步性,故在土壤发生失水时,对其土壤水分特征曲线和土壤收缩特征同时展开研究具有实际意义;对不同盐离子导致的土壤裂缝进行评价,可为进一步认识盐碱土的干缩开裂机理和农田灌溉提供指导。

将土壤失水与土壤收缩相结合,在已有研究基础上,探索4种阳性及阴性盐离子对土壤持水及收缩特性的作用效果,以期更好的为不同盐碱土壤的持水性评价奠定基础,同时为土壤失水过程中的干缩开裂研究提供参考。

选择南宁、桂林、梧州、百色、防城港、贵港、贺州7个城市为调查点。许多调查证实,保健食品的使用在老年人群中比在年轻人中更普遍[30,31]。本文选择45岁以上的居民为调查对象。每个城市发放100份,采用随机抽样的方法进行问卷调查。对部分民众进行一对一面谈。共发放问卷700份,收回630份,有效问卷538份,问卷有效率为85.4%。样本基本属性如表1所示。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

试验土壤取自灌溉试验站小麦—玉米轮作试验田,采集深度为30 cm农田耕作层;供试土壤经风干且过2 mm筛后,采用激光粒度仪测定土壤颗粒组成,粒径介于0~0.002 mm、0.002~0.02 mm和0.02~2 mm的颗粒含量分别为17.28%、44.32%和38.40%,由国际制质地三角形可知土壤类型为粉黏壤土。

昌乐县位于山东半岛中部,是中国蓝宝石之都和中华文化国际旅游名城。昌乐县历史文化悠久,古称营丘,为姜太公初封地;自然资源丰富,境内有大小古火山84座,是1800万年前的远古火山群遗迹;昌乐县还有着宝石之都的称号,是中国最大的蓝宝石矿区,也是世界四大蓝宝石产地之一,亦是中国最大的黄金交易市场;昌乐农业资源丰富,昌乐西瓜素有“天上甘露美,昌乐西瓜甜”的美誉……

根据田间实测土壤容重(1.38~1.40 g·cm-3)将装填干容重设置为1.40 g·cm-3,均匀装入环刀(100 cm3)内;用蒸馏水分别与氯化钾、氯化钠、氯化钙、氯化镁、碳酸氢钠、碳酸钠和硫酸钠粉末/晶体配置成盐溶液(浓度均约为1 g·L-1)。试验开始前,分别采用各盐溶液对土样进行饱和处理48 h,并以蒸馏水浸泡为对照(CK);试验结束后,采用干燥法测定土壤含水率;各处理均4次重复。

1.2 试验测定方法

1.2.1 土壤持水曲线测定 采用离心机法测定饱和环刀样品的土壤水分特征曲线,高速恒温冷冻离心机(CR21G II型)内恒温4℃;测定吸力为10、50、100、300、500、700、1 000、3 000、5 000 cm和7 000 cm,各吸力达到平衡时间后,用电子天平称取土样质量进而计算土壤含水率。采用van Genuchten模型(式1)对供试土样进行持水曲线拟合,进而基于土壤水分特征曲线对比分析各盐离子对土壤持水能力的影响。

(1)

式中,θ为体积含水率,cm3·cm-3θs为饱和体积含水率,cm3·cm-3θr为残余体积含水率,cm3·cm-3s为吸力,cm;α为进气吸力的倒数(即α=1/sa);mn为形状系数。

《语文新课程标准》明确指出:小学生的习作能力包括“作”和“改”的能力,掌握自我修改习作的方法和养成良好的自我修改习作的习惯是提高习作能力的重要环节。叶圣陶先生曾说过:“对于学生的作文,教师只给些引导和指点,该怎么改,让学生自己去改,学生不就处在主动地位了吗?养成自我修改的能力,终身受益。”那么作为小学语文老师,我们应该怎样培养学生修改自己的习作,养成修改习作的良好习惯,提高自己修改习作的能力?笔者以为:

δsl=zi/H×100%

(2)

δsh/H×100%

(3)

式中,δsl为土体线缩率,%;δs为土体轴向收缩应变,%;zi为各吸力对应的土壤收缩度,mm;H为土样初始高度,mm;Δh为土壤脱水始末状态高度差,mm。

1.2.3 土体开裂特征测定 在试验结束后用数码相机(Canon IXUS 950IS,分辨率3264×2448)拍摄获取各处理环刀样品截面图像,将相机置于固定支架以保证拍摄高度相同,且拍摄时遮挡外界光源、关闭闪光灯,仅用日光灯照明,从而使得各处理土壤裂缝图像具有一致性;而后编写Matlab程序进一步对图像中的裂隙参数进行提取。

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在原有的数字图像中,裂隙区域图像较无裂隙区域的色彩更黑且纯度更高,鉴于饱和度分量图可以更明显地展现土壤裂隙,因此,将原有的RGB图像进行HSI转换,提取饱和度分量图并采用全局阈值法得到土壤裂缝的二值化图。在此基础上,为了尽量保留原始的短小裂缝,利用膨胀腐蚀方法对短小裂缝进行适当连接,并去除该图像中的孤立单点或杂点。最后根据处理后的土壤裂缝二值化图像提取裂缝总长度和裂缝面积参数,并进一步计算获取裂缝长度密度和裂缝面积密度参数。

本文首先给出柱面坐标中的一种新的投影的概念,继而通过运用数学中的类比思想,对直角坐标系下三重积分的经典投影法进行类比,研究柱面坐标下三重积分的计算,得到柱面坐标下将三重积分转化为三次积分的一种新的投影法,即首先将积分区域投影到圆柱面上,把三重积分转化为先一后二的积分,再将外层的二重积分转化为二次积分,最终实现将三重积分转化为三次积分。

2 结果与分析

2.1 盐基离子对土壤水分特征曲线的影响

土壤含水率随着吸力增加呈现逐渐降低趋势,从图1(a)可以看出,在脱水过程中阳离子处理土壤含水率在较低吸力段(h=0~1 000 cm)和较高吸力段(h=1 000~7 000 cm)分别平均减小了约39.25%和18.96%;阳离子处理的土壤水分特征曲线与CK处理呈现平行状,可见各处理土壤比水容量差异较小,土壤孔隙结构差异不大。图1(a)显示,在h=0~7 000 cm内当吸力相同时,阳性盐离子处理的土壤含水率大小表现为K+>Na+>CK>Ca2+>Mg2+,即不同阳性盐离子对土壤持水能力的影响程度不同,具体表现为K+>Na+>Ca2+>Mg2+,且低浓度(≈1 g·L-1)K+和Na+可增强土壤持水能力,而Ca2+和Mg2+使得土壤持水能力减弱。从图1(b)可以看出,阴离子处理土壤含水率在较低吸力段和较高吸力段分别平均减小了约30.76%和15.83%;Cl-和SO42-处理土壤水分特征曲线基本重合,土壤含水率平均绝对误差仅约±0.003 cm3·cm-3,且与CK处理呈现平行状,表明此2种离子对土壤持水能力的影响效果相似,且对土壤孔隙结构的改变不明显;而CO32-和HCO3-处理土壤水分特征曲线明显发生上移现象,在一定程度上改变了土壤孔隙结构,进而使得土壤持水能力能到显著提升(图1(b),表1)。图1(b)显示,在h=0~7 000 cm内当吸力相同时,阴性盐离子处理的土壤含水率大小表现为CO32->HCO3->SO42->Cl->CK,即不同阴性盐离子对土壤持水能力的影响程度不同,具体表现为CO32->HCO3->SO42->Cl-,且4种离子均可增强土壤持水能力。与CK相比,各处理土壤含水率在不同吸力段的增减程度不同,如表1所示,除Ca2+和Mg2+之外,其余盐离子在一定程度上均能增强土壤持水能力,且在h=0~1 000 cm范围内效果不明显,而在h=1 000~7 000 cm范围内土壤持水能力显著增强,表明吸力增加有利于该6种离子提高土壤持水能力,且阴阳离子中分别以CO32-和K+改善土壤持水性的效果最为显著,HCO3-对于提高土壤持水能力也具有较为显著的作用。

1 不同盐离子处理土壤水分特征曲线

Fig.1 Soil water characteristic curves for different salt ion treatments

1 盐离子与对照处理土壤含水率比较

Table 1 Comparison of the soil water content for salt ion and CK treatments/%

吸力段Suction/cmK+Na+Ca2+Mg2+CO32-HCO3-SO42-Cl-0~1000+2.47+1.01-4.02-4.26+27.19+18.76+2.02+1.011000~7000+6.31+3.22-1.66-3.44+55.68+28.62+3.32+3.220~7000+3.68+1.66-3.33-4.02+35.81+21.64+2.46+1.66

注:表中数据为盐离子处理土壤含水率比对照处理高或低的百分比;“+”表示比对照处理高,“-”表示比对照处理低。

Note: The figures in Table 1 indicate the percentage of soil moisture for salt ion treatments higher or lower than for CK. “+” indicates that the soil moisture for salt ion treatments is higher than for CK, and “-” indicates that the soil moisture for salt ion treatments is lower than for CK.

2.2 盐基离子对土壤收缩特征曲线的影响

离心过程导致土体不断失水,并出现轴向沉降现象、容重逐渐增加,不同离子导致土壤容重增加幅度介于0.39~0.47 g·cm-3之间。图3显示了测定过程中和测定结束时的土体线缩率变化和轴向收缩应变(δs),与CK处理(δs=22.50%)相比,K+、Na+、Ca2+和Mg2+4种阳盐离子处理δs值分别为23.21%、24.18%、23.20%和21.93%;Cl-、HCO3-、CO32-和SO42-4种阴盐离子处理δs值分别为24.18%、24.40%、20.57%和21.63%。由此可知,在本研究设定的盐溶液浓度(≈1 g·L-1)条件下,Mg2+、CO32-和SO42-有利于缓解土壤发生沉降、减轻土壤垂向收缩程度;另一方面,在吸力为300 cm和3 000 cm时全部处理土壤线缩率发生较大幅度增长,故可初步将失水过程中的土体轴向沉降分为3个阶段,即h=10~100 cm、h=300~1 000 cm和h=3 000~7 000 cm(图3)。

2 不同盐离子处理土壤收缩特征曲线

Fig.2 Soil shrinkage characteristic curves for different salt ion treatments

2.3 盐基离子对土壤收缩度和裂隙的影响

土壤比容积和质量含水率关系曲线即为土壤收缩特征曲线,可用来根据土壤干湿变化预测田间地表收缩与膨胀、计算土壤含水率剖面、制定灌溉计划[20]。对比图2(a)、2(b)可以发现,阴阳盐离子对土壤收缩特征曲线具有不同程度的影响:(1) 对于阳性盐离子,4种离子处理土壤收缩曲线形态类似,且数值差异较小,土壤比容随含水率的变化趋势一致。由此可知,K+、Na+、Ca2+和Mg2+均可维持土壤收缩曲线的3个收缩段无显著变化且一致性较高;(2) 对于阴性盐离子,SO42-和Cl-对土壤收缩曲线影响较小,且与CK处理基本重合,而CO32-和HCO3-导致土壤收缩曲线发生较大变化,即土壤含水率相同时与CK处理相比,CO32-和HCO3-导致土壤比容积出现不同程度降低,使其3个收缩段与其他处理不同。综上,SO42-、Cl-以及4种阳性盐离子可维持土壤收缩特征曲线基本稳定,其中Na+、SO42-和Cl-对土壤收缩特征曲线的作用效果甚小,而CO32-和HCO3-对其的影响效果极为明显。

2.1 Tim-3、Foxp3 mRNA的表达 与HC组相比,CE组Tim-3、Foxp3 mRNA水平显著升高,差异有统计学意义(P<0.05),见表2。

在离心作用下,土体不断失水,逐渐产生裂隙(本文省略裂隙饱和度分量示意图)。不同盐离子处理土壤裂缝的长度、宽度、密度、走向及分布特征均存在差异,采用裂隙总长度、总面积、面积密度和长度密度4个指标对土壤裂隙特征进行评价(见表2),与CK处理相比:(1) 对于4种阳性盐离子,Na+和Mg2+可同时减小土壤裂隙总长度和总面积以及相应的长度密度和面积密度,其中Na+效果较好,而K+和Ca2+在一定程度上可加剧裂缝产生,导致裂隙总长度和总面积增加;(2) 对于4种阴性盐离子,均有利于减轻土壤开裂水平,使得土壤裂隙总长度和总面积及其长度密度和面积密度均有所减小,其中CO32-和HCO3-效果较好,以CO32-最优。

3 盐离子对土壤收缩和容重的影响

Fig.3 Effect of salt ions on soil shrinkage and bulk density

2 不同盐离子处理土壤裂缝参数

Table 2 Crack parameters for different salt ion treatments

处理Treatments裂缝总面积Crackarea/mm2裂缝总长度Cracklength/mm裂缝面积密度Crackareadensity/%裂缝长度密度Cracklengthdensity/(mm·mm-2)CK220.00329.2111.200.1677阳性盐离子SaltcationsK+234.89514.0411.960.2618Na+135.57325.556.900.1658Ca2+267.61365.3813.630.1861Mg2+197.96307.7010.080.1567阴性盐离子SaltanionsCO32- 0.13 1.150.010.0006HCO3-24.1270.771.230.0360SO42-90.18157.584.590.0803Cl-135.57325.556.900.1658

3 讨 论

邢旭光等[21]研究表明,不同离子对土壤持水性能及其在失水过程中的轴向收缩和裂隙水平具有不同的作用效果,且与离子浓度存在相关性;在其研究中,离子浓度是基于咸水(TDS=3~10 g·L-1)、盐水(TDS=10~50 g·L-1)和卤水(TDS>50 g·L-1)标准而设定。另一方面,我国盐碱地面积广阔,且土壤中可溶性盐基离子类型多,而当前关于盐碱土壤水分特征曲线和收缩特征曲线的研究多是针对富含Na+的土壤而展开[19,22-24],存在一定局限性。为消除试验随机误差、提高研究可信度,同时增加研究结果适用范围,本研究在此基础上进一步扩展了对阴性盐离子的研究,且基于微咸水(TDS=1~3 g·L-1)标准将离子浓度设置为1 g·L-1,即本文对比研究了浓度为1 g·L-1的阴阳性8种盐离子对土壤持水能力的影响,同时对比评价了土壤失水过程中的收缩水平,使得研究结果较为丰富、完善。盐离子对土壤持水能力的影响主要受土壤结构、团聚体、离子价态等因素影响[21],不同盐离子具有不同的化学性质、与土壤的亲和力存在差异、土壤孔隙分布特征不同[25-26],进而对土壤物理性质的作用效果以及影响机理有所差异。有必要将土壤物理与土壤化学相结合进一步探索其作用机理。

为了确保水利工程能按时交工使用,在水利工程决策时期,业主及设计方应尽量做到如下几点:充分掌握水利工程的建设规模、整体布局及成本预算等;大量收集相关水文、地质、环境等具体资料,同时实地勘测施工现场;通过分析搜集到的及现场勘测和调查等的相关资料,同时借鉴以往的施工经验信息,科学分析工程项目的可行性;通过逆向思维展开分析,对可能引起水利工程进度延误的相关因素进行预防控制等。总之,在水利工程项目决策阶段,需要充分结合风险识别,实现对风险的预防、发现和及时转移。

[11] 邢旭光,柳 烨,马孝义.土壤添加物对土-水曲线和土体收缩的影响[J].水科学进展,2016,27(1):40-48.

本研究设定盐基离子浓度均约为1 g·L-1,将本研究与文献[21]的研究结果进行结合:(1) 除5 g·L-1 Na+外,其余处理均在一定程度上降低土壤持水能力[21];本研究则表明在浓度很低时,K+和Na+均具有提高土壤持水能力的作用,进一步证实离子浓度与土壤持水能力之间的负相关关系。(2) 随着Mg2+浓度降低,土壤轴向收缩程度呈现减小趋势,具有利于减小土壤沉降潜力[21];本研究进一步证实,与CK相比,1 g·L-1 Mg2+可减小土壤轴向沉降,印证了上述推断。(3) 本研究指出,1 g·L-1 Na+和Mg2+亦有利于降低土壤裂缝评价指标值,这对已有研究成果具有补充作用。综上,土壤持水能力和土壤裂隙评价指标均与盐离子浓度具有显著相关关系。可见本研究对已有研究成果具有补充作用,完善了微咸水、咸水、盐水和卤水条件下的不同盐离子对土壤持水和收缩特征的作用效果;同时对阴性盐离子作用的研究具有一定探索性。

4 结 论

该研究中离子浓度是基于微咸水标准而设定,对于咸水、盐水和卤水条件是一种补充与完善,在已获得研究成果基础上进行扩展,进一步得到以下结论:

1) 不同盐离子导致土壤持水能力存在差异,浓度为1 g·L-1的K+、Na+和4种阴性盐离子均可提高土壤持水能力,阴阳盐离子分别以CO32-和K+效果最为显著,HCO3-亦可以有效改善土壤持水性能。

2) 土体在失水过程中发生收缩现象,浓度为1 g·L-1的Mg2+、SO42-和CO32-有利于减小土体轴向收缩度,不同离子收缩应变表现为Na+>K+>Ca2+>CK>Mg2+和HCO3->Cl->CK>SO42->CO32-,其中CO32-和HCO3-可明显改变土壤收缩特征曲线形态。

3) 浓度为1 g·L-1的Na+、Mg2+和4种阴性盐离子均可同时减小土壤裂隙总长度和总面积以及相应的长度密度和面积密度;阴阳盐离子中分别以CO32-和Na+效果最为显著。

1.2.2 土体收缩特性测定 离心过程中环刀内土体产生沉降现象,并以垂向收缩为主;每达到平衡时间时,用游标卡尺量取各转速下环刀内土体的轴向沉降高度进而计算土体收缩量,采用线缩率(式2)描述土体在各吸力时的收缩度,采用轴向收缩应变(式3)表征离心结束时土体的最终收缩形变量;同时测定各吸力下的土体容重,进而对离心过程中的土壤容重进行校正。

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石羊河流域高效节水灌溉与农业种植结构调整…………………………………………… 李元红,王以兵(5.52)

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《中华人民共和国学位条例》(2004)规定,硕士学位获得者必须“具有从事科学研究工作或担负专门技术工作的初步能力”,博士学位获得者要求“具有独立从事科学研究工作的能力,在科学或专门技术上做出创造性的成果”。从中可以看出,无论硕士学位获得者还是博士学位获得者都要求具备科研和专业技术实践能力,这是研究生教育的基础和起点。

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Si—O—CH3键容易水解生成Si—OH,结合图3(b)中红外谱图中硅氧烷链节增加,Si—O—Si峰变宽,而在 3 689 cm-1处未出现归属为Si—OH的峰,说明Si—O—CH3已经有以Si—O—Si形式存在。结合图5(b)中Si—CH2中3峰和8峰的位移的变化和图5(b)中2和7的峰面积比值可判断除两个端侧的环氧基存在,仍有环氧基存在[17-18],故证明,合成产物符合ESESO结构要求。

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表17显示,第一个模型的p=0.001,第二个模型的p=0.000,它们的回归检验均具有非常高的显著性.由表18可知,第一次引进的变量X4得到的模型为:Y=492.239-3.09X4,第二次引进的变量X1得到的模型为:Y=431.636-2.57X4+6.031X1,这是最好的回归模型.

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自我同一性的确立意味着个体对自身有着充分的了解,能够将自我的过去、现在和将来组合成一个有机的整体,确立自己的理想与价值观,并对未来自我的发展作出比较成熟的思考。如果青少年不能确立自我同一性,就有可能无法发现自己,也不知道自己想要成为什么样的人。

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李青峰,邢旭光,马孝义
《干旱地区农业研究》2018年第02期文献

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