中国科学技术信息研究所--国家工程技术数字图书馆

[学位论文] 刘孟辉长安大学 2021年硕士导师: 黄强兵共121页

摘要 : 黄土高原是世界上黄土连续分布面积最大、土层厚度最厚的黄土地区，也是中国生态环境脆弱和地质灾害高发区，这些地质灾害严重制约了黄土高原地区的社会经济发展。为了解决黄土地区地域环境对城市发展的束缚，近年来延安市开展了大规模的平山造城与治... 展开黄土高原是世界上黄土连续分布面积最大、土层厚度最厚的黄土地区，也是中国生态环境脆弱和地质灾害高发区，这些地质灾害严重制约了黄土高原地区的社会经济发展。为了解决黄土地区地域环境对城市发展的束缚，近年来延安市开展了大规模的平山造城与治沟造地工程尝试，拓展了城市发展空间，为地方社会经济提供了发展机遇。然而，平山造城与治沟造地工程形成的大量挖方填方黄土边坡在降雨作用下坡面冲刷病害及沟道土壤湿陷沉降十分严重，这与淋滤作用下黄土的崩解性及湿陷性等水理性质密切相关，因此开展延安治沟造地黄土的崩解性与湿陷性研究具有十分重要的现实意义和理论意义。本文以延安南沟治沟造地工程为研究背景，在野外现场调查、取样及资料整理的基础上，对延安南沟地区Q3原状黄土开展了不同淋滤工况下的淋滤试验，并将淋滤之后的土样进行室内湿陷试验及崩解试验，结合SEM试验及灰色关联分析法，分析了淋滤作用对延安南沟Q3原状黄土的崩解性及湿陷性影响规律。主要结果和结论如下：（1）基于粒度分析和X射线衍射试验，得到了延安南沟Q3原状黄土粒度及矿物组成。黄土颗粒以粉粒为主，石英和绿泥石是主要的碎屑矿物与粘土矿物。淋滤试验水质分析表明Na+、Cl-及SO42-三种离子浓度在淋滤初期最大，随后迅速下降，趋近于0。（2）基于自制的崩解装置进行崩解试验，研究了不同淋滤工况下黄土的崩解特性，发现在含水率、盐度以及温度这三个因素影响下，其崩解均充分完整，崩解率接近100%。当土体含水率及盐度较低时，未淋滤条件下的土体崩解率在同一时刻下相比其它淋滤工况更高，且黄土崩解的几个典型阶段不显著，而温度较低时规律与以上相反；当含水率、温度增加以及盐度进一步增加至饱和时，五种淋滤条件下黄土的崩解率差异则减小。（3）基于不同淋滤工况下黄土崩解所需时间以及崩解速率统计结果，发现含水率因素对其崩解特性影响最大，土体的崩解完成时间及崩解速率分别在67s~201s和0.71%/s~2.46%/s范围内变化，水温次之，盐度影响最小，三种因素对不同淋滤工况下黄土崩解性影响程度为：含水率＞水温＞盐度。（4）通过室内湿陷试验，研究了不同淋滤工况下黄土的湿陷特性，发现随着压力的不断增加，不同淋滤工况下黄土的湿陷系数均出现迅速增加至峰值后开始减小，最后趋于平稳的现象。其中淋滤工况H=0mm和H=500mm的黄土湿陷系数曲线增长幅度相似，取湿陷系数等于0.015对应的的压力作为湿陷起始压力，发现黄土在未淋滤时，湿陷起始压力在150kPa~300kPa范围内；淋滤工况H=500mm和H=1000mm下为100~200kPa；H=1500mm和H=2000mm为0~100kPa。（5）基于灰色关联分析法，得出了淋滤作用下黄土微观结构参数与崩解性和湿陷性关系，发现Q3原状黄土颗粒粒度成分及大孔隙含量与黄土崩解速率具有较高的关联度，而颗粒粒度成分及孔隙圆形度与黄土湿陷系数关联度最高。（6）基于不同淋滤量下Q3原状黄土的崩解试验、湿陷试验以及扫描电镜试验，证实了黄土遇水胶结力变弱、孔隙裂隙良好发育是其崩解的主要原因，而黄土骨架颗粒连接强度变低、架空孔隙增多是导致其浸水加压后发生湿陷的原因。收起

关键词 : 治沟造地黄土崩解性湿陷性淋滤作用

2. 治沟造地对陕北黄土丘陵小流域氮循环的影响及内在机制

[学位论文] 余云龙中国科学院大学 2019年博士导师: 安芷生共160页

摘要 : 氮是自然界普遍存在的元素之一，是重要的生源要素。氮循环过程是控制陆地、淡水和海洋生态系统的物种组成、多样性、动态和功能的关键生物地球化学过程之一。然而，随着人类活动的逐渐加强，人类输入的氮素已超过自然过程，成为人类营力超过自然营力... 展开氮是自然界普遍存在的元素之一，是重要的生源要素。氮循环过程是控制陆地、淡水和海洋生态系统的物种组成、多样性、动态和功能的关键生物地球化学过程之一。然而，随着人类活动的逐渐加强，人类输入的氮素已超过自然过程，成为人类营力超过自然营力的一个重要标志。此外，土地利用的改变，也使得自然生态系统的氮循环受到前所未有的强烈干扰，尤其是大规模人类活动改造地表过程。为揭示人类活动强烈干扰下小流域氮循环的变化，本文以延安“治沟造地”工程为例，分析治理与未治理流域土壤氮素分布、水-氮稳定同位素特征、水化学和水体无机氮含量的时空动态，对比二者的差异，探讨它们的控制因素，从而探索治沟造地对黄土丘陵小流域氮循环的影响机制。研究结果如下: (1)小流域土壤硝态氮、铵态氮和全氮空间分布存在显著差异。土地利用、土壤湿度和地形显著影响土壤氮素的空间分布。多种统计分析表明，土地利用、土壤湿度、海拔、平面曲率和汇流面积显著影响土壤硝态氮的空间分布(p＜0.05)，而土地利用和坡向显著影响土壤铵态氮和全氮的空间分布(p＜0.001)。土壤硝态氮、铵态氮和全氮储量分别大于14.7kg ha-1、9.58kg ha-1和1.89Mg ha-1的区域被认为是土壤氮的生物地球化学潜在关键点。林地、草地和沟谷被分别确认为是土壤硝态氮、全氮和铵态氮累积的潜在关键点;从坡度角度来看，北坡被确认为是土壤全氮累积的潜在关键点。 (2)治理与未治理小流域土地利用显著影响土壤硝态氮、铵态氮和全氮含量的垂向分布。由于生物循环作用，两条小流域林地和草地土壤表层硝态氮和全氮含量显著高于土壤深层硝态氮含量(p＜0.05)，呈浅层分布模式。与林地和草地相比，沟谷由于具有优越的水文条件，因此沟谷中土壤硝态氮、铵态氮和全氮的垂向分布呈显著性差异。治理小流域的沟谷经过治沟造地后，地形平整，坡度小，有利于降雨的就地入渗和养分元素的垂向迁移，因此沟谷耕地0-20cm土层硝态氮含量（2.05±0.62mg kg-1）低于80-100cm土层硝态氮含量(4.93±1.45mgkg-1)，呈深层累积模式。未治理小流域沟谷，硝态氮横向迁移强烈，但0-20cm土层铵态氮含量（5.16±0.87mg kg-1）低于80-100cm土层铵态氮氮含量(8.15±2.22mg kg-1)，呈深层累积模式，这可能与未治理沟谷土壤深部氨化作用的增强有关。 (3)治理与未治理大流域地表水硝态氮的氮稳定同位素范围为0.9‰到15.4‰，氧稳定同位素范围为-0.2‰到27.1‰，主要来源于硝态氮肥、土壤铵态氮和有机废弃物的转化，而地下水硝态氮的氮稳定同位素范围为0.63‰到17.9‰，氧稳定同位素范围为-4.7‰到7.8‰，主要来源于土壤铵态氮和有机废弃物的转化。相比未治理流域地表水（硝态氮的氧同位素均值6.6±5.8‰），治理流域地表水（硝态氮的氧同位素均值12.4±7.2‰）有更多的硝态氮肥输入，然而，地下水硝态氮的来源无显著性差异。在丰水期，地下水存在反硝化和异化还原作用，在枯水期和平水期存在少量的硝化作用。多元统计分析表明，治理流域水库和地表径流存在显著的交互作用，而未治理流域地下水和地表径流存在显著的交互作用。治沟造地对地表水硝态氮和水质产生显著影响，对地下水影响有限。但是，治理流域土地整治与地下水的响应存在滞后性，应持续关注地下水变化趋势。 (4)治沟造地对流域地下水的无机氮影响较小，但对地表水无机氮的影响显著，二者差异主要来自水库的影响。枯水期，治理流域水库氨氮浓度(0.11mgL-1)显著低于未治理流域地表径流的氨氮浓度(0.32mg L-1，p＜0.05)。整个研究期，治理流域水库硝态氮浓度（丰水期:0.41mgL-1;枯水期:0.52mg L-1;平水期:0.68mg L-1）显著低于未治理流域地表径流硝态氮的浓度（丰水期:1.19mg L-1;枯水期:1.25mg L-1;平水期:0.88mg L-1）。另外，和未治理流域相比，由于新造耕地的隔离作用，治理流域地表水体氨氮更少受到生活污水和牲畜排泄物的直接影响。 (5)降水事件对治理流域水库氨氮浓度的变化具有显著影响。周时间尺度采样密度下，除少数降雨事件能够迅速增加水库氨氮浓度外，降雨对水库氨氮浓度的影响存在一定的滞后性。周时间尺度上，水库氨氮浓度变化滞后降雨事件1-2周，月时间尺度则滞后1个月;夏季(0.27mg L-1)和秋季(0.26mg L-1)水库氨氮平均浓度比冬季(0.09mg L-1)和春季(0.11mg L-1)平均浓度高，且峰值和波动较大。研究结果表明，降雨通过控制地表径流氨氮浓度和流域内溶解氧水平，从而显著影响流域水库氨氮浓度。综上所述，新造耕地和水库被认为是治沟造地影响流域氮循环的关键点，而降雨事件则是影响小流域氮迁移转化的关键时。收起

关键词 : 河流流域治沟造地氮循环时空变化

3. 治沟造地盐碱土地力提升与典型作物促生效能机理研究

[学位论文] 杨扬西安理工大学 2023年博士导师: 周蓓蓓共164页

摘要 : 黄土高原治沟造地工程有效缓解了黄土高原流域耕地面积短缺的难题，近年来累计增加耕地面积7848.72hm2，建成高标准农田28233.29hm2。然而，由于常年降雨及坡地径流汇集作用与不利的排水设施交织影响，治沟造地工程区域水位逐年抬升，加之区域较高蒸发... 展开黄土高原治沟造地工程有效缓解了黄土高原流域耕地面积短缺的难题，近年来累计增加耕地面积7848.72hm2，建成高标准农田28233.29hm2。然而，由于常年降雨及坡地径流汇集作用与不利的排水设施交织影响，治沟造地工程区域水位逐年抬升，加之区域较高蒸发量，土壤次生盐碱化风险增加，部分新造耕地已经受到土壤次生盐碱化侵害，因此，如何有效改善土壤次生盐碱化的同时确保典型作物高产丰收对区域农业生产及生态环境建设具有重要意义。本文以位于陕西省延安市宝塔区顾屯流域治沟造地新造耕地为对象，采用土柱试验及田间试验相结合的方法，选用禾康(HK)、腐殖酸(HA)、盐柯(YK)和生物炭(NB)4种不同改良剂，基于入渗、蒸发、水盐运移等多过程水-肥-盐迁移过程模拟及机理解析，拟通过物理结构优化、化学性能提升双维度，解析多种改良剂的改良效能及机理；结合水-肥-盐变化特征、作物生长特征、作物各器官养分累积转运特征等系统分析了改良剂对典型作物玉米农田土壤环境及产量的影响，探明了改良剂种类和施量对玉米农田环境改良的作用机制；最后基于博弈论理论，采用层次分析法（主观）和熵权法（客观）实现主客观组合赋权，运用加权TOPSIS法和模糊综合评判法进行黄土高原治沟造地土壤盐碱化地区典型作物农田土壤环境改良综合评价，以期为治沟造地土壤盐碱化区域土壤改良和典型作物促生效能机理研究提供理论依据。主要研究内容如下： (1)揭示了4种改良剂及施量对水盐运移特性的作用机制。4种改良剂及不同施量处理下，单位时间内的累积入渗量和湿润锋运移距离均较对照显著减小，且同种改良剂，随施量增大呈减小趋势；土壤的残余含水率(θr)、饱和含水率(θs)和与进气吸力相关的参数α较对照呈现不同程度的增大，其中残余含水率(θr)增加了2.93%-31.67%，表明4种改良剂处理均在水势很低的情况下保持更多水分；土壤的形状系数n较对照呈减小趋势；土壤的饱和含水率较对照相比增加了0.68%-6.48%，表明施加4种改良剂均可以增加土壤的持水性能。蒸发试验中，4种改良剂及施量处理下的蒸发速率均较对照显著减小(P＜0.05)，且相同历时内，施量增加，蒸发速率减小，土壤含盐量显著减小了0.78%-13.75%。 (2)探明了4种改良剂及施量对黄土高原典型作物玉米根区土壤水盐分布动态运移规律。4种改良剂及不同施量处理下的土壤剖面0-30cm体积含水量较对照显著增加，在成熟期，分别增加1.35%—16.95%（2019）和1.91%—14.84%（2020），且在改良剂施量最大时取得最大值；土壤剖面0-30cm含盐量均较对照呈现不同程度的减小，在成熟期，分别减小3.20%—30.76%（2019）和4.14%—24.82%（2020），且表现为随着生育期的推进先增大后减小的特征；土壤脱盐率较对照呈现不同程度的增大，平均脱盐率分别为13.76%（2019年）和29.23%（2020年）。不同改良剂作用下0-30cm各生育期土壤剖面体积含水量随改良剂施量的变化过程符合一元二次回归方程，总体呈先减小后增大的规律。 (3)阐明了4种改良剂对玉米生长指标、地上及地下部分生物量及干物质累积、根系分布的调控作用。4种改良剂及不同施量处理下的玉米株高、茎粗、叶面积指数等指标均较对照组显著增大，且在改良剂施量最大时其指标值均取得最大值；玉米地上部分和地下部分干物质量较对照亦呈现不同程度增加，其中施加HK、YK、NB的处理随施量增加，表现为先增大后减小的趋势。对根系分布的影响以根系总长对土壤改良剂最为敏感，其次为根质量和根体积。不同改良剂作用下玉米株高、茎粗、叶面积指数的生长发育过程符合曲线模型，即随生育期呈显著“S”型曲线增长；利用主成分分析，分析改良剂种类及其施量对玉米生长促生效能得知，改良剂促生效能由大到小依次为：HK＞NB＞YK＞HA＞CK。 (4)系统分析了4种改良剂对黄土高原典型作物玉米根区土壤养分和植株养分累积的响应机制。4种改良剂不同施量处理下0-25cm土壤剖面养分浓度（速效氮、速效磷和速效钾）较对照显著增大，且随着改良剂施量增大呈增加趋势，其中，玉米季拔节到灌浆期，速效氮浓度增大了23.40%（2019年）和19.79%（2020年）；速效磷浓度增大了21.56%（2019年）和18.20%（2020年）；速效钾浓度增大了19.11%（2019年）和18.22%（2020年）。玉米植株不同养分利用效率规律由大到小表现为磷素＞钾素＞氮素，养分吸收效率规律规律由大到小表现为钾素＞氮素＞磷素，分析4种改良剂处理对养分吸收利用效果得知，氮、磷和钾素利用率最大分别增加了20.86%（NB）、32.81%（HA）和19.04%（HA），氮、磷和钾素吸收率最大分别增加了32.86%（HK）、27.13%（NB）和26.21%（HK）。 (5)基于主成分分析法，明晰了4种改良剂对产量、地上部生物量、收获指数、水分利用效率和偏肥料生产力的调控效应。4种改良剂及不同施量处理下的对产量、地上部生物量、收获指数、水分利用效率和偏肥料生产力较对照均有不同程度的增加，其中施加HK、YK和NB表现为先增大后减小的趋势；净收益较对照亦呈现不同程度的增加，其中HK处理的平均净收益最高，分别增加了3027（2019年）和3649（2020年）元/hm2；2019和2020年纯收入亦表现为相同的规律，即HK＞YK＞HA＞NB＞CK。利用主成分分析改良剂种类及其施量综合分析结果得知，平均得分依次为：HK（0.928）＞NB（0.160）＞YK（0.059）＞HA（-0.305），且同种改良剂综合得分最高施量分别为140kg/hm2（HK）、125kg/hm2（HA）、140kg/hm2（YK）、200kg/hm2（NB）。 (6)基于博弈论理论，采用层次分析（主观）和熵权法（客观）组合赋权，运用加权TOPSIS法和模糊综合评判法进行土壤改良剂种类和施量对玉米农田土壤环境改良的综合评价。结果表明，TOPSIS法和模糊综合评判法综合评价指数排名基本相同，排名第一的为禾康，推荐最佳施量为140kg/hm2；其次为盐柯，推荐最佳施量为140kg/hm2；第三为生物炭，推荐最佳施量为200kg/hm2。从盐碱地治理、改良土壤环境并结合提高农民收入的综合角度考虑，黄土高原治沟造地次生盐碱化地区可采用禾康土壤改良剂，推荐最佳施加量为140kg/hm2。收起

关键词 : 盐碱土改良治沟造地综合评价作物促生效能

4. 陕北黄土高原治沟造地工程生态环境效应研究

[学位论文] 王晶西安理工大学 2023年博士导师: 白清俊共136页

摘要 : 治沟造地是黄土高原继退耕还林后实施的又一重大土地整治和生态治理工程。黄土高原在黄河流域生态保护和高质量发展战略中具有十分重要的地位，寻找粮食安全与生态环境之间的平衡，推动黄土高原地区土地整治生态建设是国家战略发展的必然要求。治沟造... 展开治沟造地是黄土高原继退耕还林后实施的又一重大土地整治和生态治理工程。黄土高原在黄河流域生态保护和高质量发展战略中具有十分重要的地位，寻找粮食安全与生态环境之间的平衡，推动黄土高原地区土地整治生态建设是国家战略发展的必然要求。治沟造地能够增加耕地面积，提高耕地质量，保障粮食安全，但其对区域生态环境的影响尚无定论。研究治沟造地工程生态环境效应对于促进黄土高原生态、经济、社会的协同和高质量发展具有重要的理论和实践意义。本研究结合野外监测、遥感信息空间分析和模型分析等方法，以延安市为研究对象，分析典型治沟造地工程沟道土壤性质、土壤水分及流域植被覆盖的时空变化特征，同时基于土地利用数据，利用InVEST模型和耦合度模型，定量分析了治沟造地工程前后延安市土地利用、生态系统服务价值变化特征及农业生态经济系统的耦合演变趋势，阐明了治沟造地工程对生态环境的影响，对治沟造地工程的生态环境效应进行了科学的评估，以期为提高区域水土资源利用率以及黄土高原类似区域生态保护和高质量发展提供科学依据。论文主要研究结果如下： (1)分析了治沟造地工程实施前后沟道土壤性质的时空变异特征，通过综合评价，发现治沟造地区域土壤性质恢复较快。沟道土壤容重和pH变异系数在0.1以下，属弱变异，其他理化性质指标变异系数介于0.10-0.77之间，属于中等变异程度，治沟造地工程实施后，沟道中各指标变异系数有变小的趋势；所有理化性质指标整治后2-3年均有显著变化，沟道不同位置中，沟口与沟头、沟道中部土壤容重、质地、电导率、有机质及全氮差异显著；治沟造地工程实施后第3年土壤质量指数最高。 (2)分析了治沟造地区域沟道土壤水分的时空变异特征，揭示了黄土高原沟道壤中流形成机制和无动力调控机理。沟道土壤水分显著大于对照坡面5%左右，其季节变化特征滞后于降雨的季节变化，深层-土壤含水量优势更加明显；沟道jj二壤水分变异系数在0.131-0.234之间，表层以下土壤水分存在较强的空间异质性，100 cm以下土层土壤水分变化活跃；沟口土壤含水量显著高于沟头，土层深度40 cm以下土壤相对含水量达到1。根据沟道土壤水分时空分布特征，利用“截水沟蓄水排渍一体”的沟道水分调控技术，揭示了黄土高原沟道壤中流形成机制和无动力调控机理。（3）阐明了治沟造地流域植被覆盖的时空变异特征，识别了其驱动因素，指明了治沟造地工程对流域植被覆盖变化的积极影响。流域植被覆盖状况总体良好，空间分布上呈现出“沟道低，坡面高”的趋势；2010—2019 年植被指数整体呈增加趋势，增速为 0.004/a，显著变化区域集中于沟道中；流域植被覆盖变化的驱动因素中，气候因素与非气候因素分别为14.05%和 85.92%，其受人类活动影响远远大于受气候因子影响，治沟造地工程是流域植被覆盖变化的主要原因。（4）分析了治沟造地工程前后延安市土地利用、生态系统服务价值时空变化特征和权衡/协同关系，并剖析了其与治沟造地工程的关系，提出各区县治沟造地工程与生态环境协调发展策略。2010—2018 年，延安市土地利用类型维持在比较稳定的状态，主要为耕地、林地、草地三者互相转化；生态系统服务价值总量增幅为0.28%，四种典型生态系统服务价值中，土壤保持、固碳和生境质量分别下降了7.7%，0.16%和1.4%，产水服务增加了0.56%，其空间聚集性均有分散的趋势；四种生态系统服务呈现协同关系，整体生态环境向着均衡发展，其中土壤保持服务和产水服务，固碳服务和生境质量间的协同关系显著。治沟造地工程对延安市生态系统服务有一定的负面影响，对固碳服务影响较为显著。（5）建立了延安市农业生态经济系统指标体系，通过耦合度模型揭示了治沟造地工程前后延安市农业生态经济系统耦合演变趋势。2010—2018 年，延安市农业生态系统综合评价指数和农业经济系统综合评价指数均呈现S型增长曲线，农业生态经济系统耦合协调度指数由 0.51 增长至 0.72；耦合协调状态由初级协调水平发展为良好协调水平；系统耦合趋势经历了“衰退耦合-协调耦合-修复耦合-协调耦合”阶段，2018 年耦合关系处于经济快速增长的协调发展阶段。治沟造地工程促进了农业生态经济系统的耦合协调发展。综上，治沟造地工程对区域生态环境有一定的负面影响，但是负面影响是短期和局部的，长期和整体正效应更大；治沟造地工程能够维持区域土地利用和生态系统服务价值的稳定，促进区域生态系统服务协同发展和最优权衡，实现生态安全与粮食安全的双赢。收起

关键词 : 黄土高原生态建设治沟造地生态环境效应

5. 黄土高原小流域产流产沙对治沟造地工程的响应

[学位论文] 吴歌中国科学院大学 2022年博士导师: 符素华共120页

摘要 : 治沟造地工程是黄土高原继退耕还林（草）工程之后又一重大工程，是稳定我国粮食生产格局、缓解黄土高原乃至全国土地资源供给压力、推进生态文明建设、统筹城乡发展和促进乡村振兴的重要举措。治沟造地工程的实践先于理论，而黄土高原是我国东部季风... 展开治沟造地工程是黄土高原继退耕还林（草）工程之后又一重大工程，是稳定我国粮食生产格局、缓解黄土高原乃至全国土地资源供给压力、推进生态文明建设、统筹城乡发展和促进乡村振兴的重要举措。治沟造地工程的实践先于理论，而黄土高原是我国东部季风区向西北干旱区过渡的关键地带，生态环境脆弱，干旱缺水与水土流失并存。治沟造地工程顺利实施、安全运行的关键在于如何增强治沟造地流域防洪抗旱能力以及提高流域水、土资源利用效率。黄土高原降雨变率大，分析不同降雨条件下黄土高原小流域对治沟造地工程的响应规律可以为当地流域管理提供依据。本研究以野外黄土高原开展治沟造地的真实小流域为研究对象，首先通过小波分析、降雨线性倾向率等方法分析了黄土高原降雨特征，然后以标准化降水指数分析了典型水文年下黄土高原旱涝分布特征，最后采用实测资料与GIS分布式小流域土壤侵蚀模型情景模拟相结合的方法探讨了不同等级降雨量、不同频率水文年下流域地表径流、洪峰流量、侵蚀模数和流域出口输沙量对治沟造地工程的响应。本研究主要开展了以下工作: 1)分析了黄土高原降雨时空分布特征 1980-2014年内黄土高原年降雨量无明显变化趋势，年降雨量存在明显丰枯变化周期。山西南部、甘肃南部、陕西北部和内蒙古南部是24h最大降雨量的高值中心，这些地区20年一遇的24h最大降雨量超过100 mm。黄土高原24h降雨量呈显著增加趋势(p≤0.05)的区域主要分布在黄土丘陵沟壑区，尤其是包括陕西延安市的杏树窑子沟在内的陕北地区，强降雨容易引发水土流失。 2)探讨了黄土高原不同频率水文年的旱涝时空分布特征丰水年、平水年和枯水年下黄土高原均有干旱发生，干旱面积比例依次为5.7％、12.7％和44.5％。丰水年春旱等级低、范围小，6月份进入雨季后干旱逐渐缓解。枯水年春旱等级高、范围大，雨季降雨不能有效缓解干旱。季节性干旱不利于提高新造耕地农作物产量。 3)阐明了不同等级降雨量、不同频率水文年下黄土高原小流域径流对治沟造地工程的响应规律治沟造地工程实施后流域平均坡度降低了6.9％，降雨入渗几率增大、地表径流显著减少。小雨时治沟造地工程减流效益最大(24.7％)，大雨、大暴雨时治沟造地工程减流效益最小（6.2％-7.4％）;平水年时治沟造地工程的减流效益最大(12.0％)，其次是丰水年(7.6％)，枯水年时治沟造地工程减流效益最小(4.5％)。治沟造地后流域出口的洪峰流量显著减小，小雨时治沟造地后洪峰流量减小最多(30.2％)，大雨、大暴雨时治沟造地后洪峰流量减小最少(10.1％-14.0％)。另外，由于治沟造地后流域水文连通性降低，径流到达流域出口需要更长时间，洪峰出现时间显著推迟。 4)阐明了不同等级降雨量、不同频率水文年下黄土高原小流域土壤侵蚀与泥沙输移对治沟造地工程的响应规律治沟造地后由于流域坡度降低，径流冲刷减弱，流域土壤侵蚀模数降低了50％以上;流域15°-25°坡度上的土壤侵蚀模数降低最多。治沟造地后流域泥沙连通性降低，流域出口向下游输移的泥沙与治沟造地前相比减少了99％以上。本研究表明，治沟造地所在的黄土丘陵沟壑区24h最大降雨量较大且增加趋势显著(p≤0.05)，暴雨容易引发土壤侵蚀;另外，不同频率水文年均有干旱且春旱严重，不利于农业生产。治沟造地工程可以减少流域地表径流损失、降低土壤侵蚀，为了提高治沟造地流域防的洪抗旱能力、确保治沟造地工程安全运行，建议治沟造地流域应完善水利设施综合配置。研究结果可以为黄土高原治沟造地流域水资源管理和土地安全提供理论基础和技术支撑。收起

关键词 : 治沟造地工程径流曲线数模型水文连通性泥沙连通性

6. 黄土丘陵区治沟造地新造耕地水盐空间分布及运移机制

[学位论文] 柯增鸣西北农林科技大学 2022年博士导师: 焦峰;马理辉共140页

摘要 : 我国黄土丘陵区是全球土壤侵蚀严重区域，导致该区以往生态环境遭到严重破坏。1999年国家开始实施退耕还林工程以来，该区生态环境明显改善，土壤侵蚀强度大大降低，同时，传统淤地坝淤地年限增长、淤地效果锐减。2008年该区开始实施了一项新兴的“治... 展开我国黄土丘陵区是全球土壤侵蚀严重区域，导致该区以往生态环境遭到严重破坏。1999年国家开始实施退耕还林工程以来，该区生态环境明显改善，土壤侵蚀强度大大降低，同时，传统淤地坝淤地年限增长、淤地效果锐减。2008年该区开始实施了一项新兴的“治沟造地”工程，进一步改善沟域环境，形成大面积新造耕地以增加优质耕地数量。然而，治沟造地工程抬升了地下水位，加之该地区蒸散量高，增大了土壤盐碱化风险，部分新造耕地已经受到土壤盐碱化侵害，严重影响着新造耕地优质资源最佳效益的有效发挥，研究新造耕地土壤盐碱化问题无疑十分必要。开展新造耕地土壤水盐空间分布及运移特征研究，可以阐明土壤水盐时空耦合机制，揭示土壤盐碱化过程机制，促进土壤盐碱化研究进一步发展，为新造耕地土壤盐碱化预防与科学调控，保证新造耕地高效利用，实现区域可持续发展提供科学依据。本论文以位于陕西省延安市安塞区南沟流域治沟造地新造耕地为对象，采用野外采样与室内测试、经典统计、多重分形等方法，研究揭示了新造耕地土壤水盐空间分异特征、土壤水盐动态运移规律、耕作措施对土壤水盐的调控作用以及土壤水盐耦合机制。取得主要结论如下：（1）确定了新造耕地土壤水盐空间分异特征。1）土壤水分和盐分含量由沟头至沟口皆逐渐降低，上游耕地平均土壤水分和盐分含量分别为17.6%和0.81gkg–1，比下游分别高23.0%和14.1%。该分布特征与地下水影响区深度由沟头至沟口表现出逐渐降低的趋势显著相关（P＜0.05），上、下游耕地平均地下水影响区深度分别为–1.33m和–3.67m；2）上游耕地土壤水分和盐分空间变异性均高于下游。坡面产流产沙汇入并不均匀入渗、沉积于新造耕地上游是造成上游土壤水盐空间变异性高的一个重要原因。地下水影响区深度是影响土壤盐分空间变异性的另一个重要因素，其与土壤盐分的多重分形参数均呈现显著相关性（P＜0.05），表明上游耕地浅的地下水影响区深度促进了地下水和土壤水之间水分交换，提高了盐分在土壤中的累积速率，是未来土壤盐碱化预防的重点区域。（2）探明了新造耕地土壤水盐动态运移规律。1）次暴雨事件后整个土层水分动态运移过程可划分为快速上升和缓慢下降阶段。潜在蒸散量影响着土壤水分动态运移的全过程（P＜0.05），而降雨量和地下水影响区深度分别影响着土壤水分快速上升和缓慢下降阶段（P＜0.05）；2）次暴雨事件后0-40cm土层盐分动态运移过程可划分为淋溶阶段、快速累积阶段和缓慢累积3个阶段，分别受降雨量、潜在蒸散量和地下水影响区深度的影响（P＜0.05）；40-80cm土层盐分动态运移过程可划分快速积累阶段、淋溶阶段和缓慢累积3个阶段，淋溶阶段和快速积累阶段土壤盐分动态运移过程皆受降雨量的影响（P＜0.05），缓慢累积阶段土壤盐分动态运移过程受地下水影响区深度和潜在蒸散量的共同影响（P＜0.05）。土壤水盐在不同运移阶段受不同影响因素控制，针对土壤水盐在不同运移阶段的规律，采用合适措施来降低相应阶段控制因素对土壤盐分的影响，进而降低盐分在土壤中的累积，为预防土壤盐碱化提供了新的思路。（3）阐明了耕作措施对新造耕地土壤水盐调控作用。1）新造耕地土壤盐分正在积累，0-40cm和40-80cm土层平均盐分积累量分别为0.08gkg–1和0.06gkg–1。在整个土层，平作、垄作、覆膜和覆秸秆措施平均土壤盐分积累量分别为0.19、0.16、0.08和0.12gkg-1，在没有相应治理措施下（即在平作措施下），新造耕地将在10年后转变为轻度盐碱地；2）覆膜措施土壤盐分积累量最低，比覆秸秆、垄作和平作措施分别低33.3%、50.0%和57.8%，同时覆膜措施土壤水分含量最高，为13.8%，比覆秸秆、垄作和平作措施分别高4.9%、8.9%和9.7%。这些结果表明覆膜措施具有良好的保水抑盐效果，推荐其在新造耕地农业生产中应用。（4）揭示了新造耕地土壤水盐耦合机制。土壤水分与盐分空间分布在不同空间采样点均具有较高的相关性，其本质是土壤水盐耦合作用的结果，土壤水分是盐分运移的载体，盐分随着土壤水分运移而迁移，土壤水分的空间分布很大程度上决定盐分的空间分布。当土壤相对含水量在0.52~0.75范围时，土壤水盐才具有耦合作用，使土壤水分与盐分空间分布具有较高的相关性。当土壤相对含水量大于0.75时，土壤盐分被降雨不均匀淋溶导致土壤水分与盐分空间分布相关性低。当土壤相对含水量小于0.52时，低的土壤水分含量导致盐分从土壤水分中结晶析出，固体结晶减小了土壤孔隙的孔径和体积，影响土壤水分和盐分空间分布，导致土壤水分与盐分空间分布的相关性降低。该研究结果扩展了水盐耦合作用对土壤水盐空间分布影响的认识，同时给出了当土壤水分与盐分空间分布具有较高相关性时土壤相对含水量的范围，未来可以应用于土壤水盐耦合模型来提高模型模拟精度以及预测土壤水盐空间分布特征等相关领域。收起

关键词 : 黄土丘陵区治沟造地新造耕地土壤水分土壤盐分空间分布

7. 淋滤作用下延安治沟造地原状黄土强度与微观特性研究

[学位论文] 王壮壮长安大学 2020年硕士导师: 黄强兵共83页

摘要 : 黄土高原地区地质条件不良，强烈的风蚀和水蚀作用使得其生态环境脆弱，水土流失严重。延安市是革命圣地，其特殊的狭窄地理条件制约了城市及社会经济快速发展，为了改变延安城市空间局限的局面，大规模平山造城和治沟造地工程如延安新区建设给延安的... 展开黄土高原地区地质条件不良，强烈的风蚀和水蚀作用使得其生态环境脆弱，水土流失严重。延安市是革命圣地，其特殊的狭窄地理条件制约了城市及社会经济快速发展，为了改变延安城市空间局限的局面，大规模平山造城和治沟造地工程如延安新区建设给延安的发展带来了新的机遇。然而，大规模平山造城和治沟造地形成大量的裸露黄土边坡，加之延安地区降雨集中，挖填方黄土边坡稳定性及病害问题日益凸显，其中降雨淋滤作用下黄土物理力学特性和微观结构特征的变化对黄土边坡影响是平山造城、治沟造地工程需要解决的重要科学问题。因此，开展淋滤作用下黄土强度与微观结构特性研究具有十分重要的现实意义和工程实用价值。本文以延安南沟治沟造地工程为研究背景，通过野外现场调查、取样和室内原状黄土淋滤试验，以及淋滤后的原状黄土常规三轴试验、侧限压缩试验和压汞试验等，研究了淋滤作用对原状黄土特性的影响，探讨了淋滤水量对Q3和Q2原状黄土应力应变特性以及抗剪强度参数等的影响规律，揭示了淋滤水量和含水率对Q3和Q2原状黄土压缩特性以及压缩指标的影响规律，以及淋滤作用下黄土的微观孔隙特性。研究成果对陕北黄土在降雨和灌溉等水的作用下强度及微观结构的变化有了更深一步的认识，为延安地区黄土湿陷沉降、坡面冲刷垮塌及滑坡等地质灾害防治提供了科学依据。本文主要研究工作与成果如下： (1)基于三轴剪切试验，研究了黄土剪切特性，得到了淋滤作用下Q3和Q2原状黄土的抗剪强度随围压的增大呈线性正相关并拟合出两者的函数关系，采用拟合法和作图法获得了抗剪强度参数，且二者得出的抗剪强度参数差别很小；Q3原状黄土内聚力随淋滤水量的增大而减小，Q2原状黄土内聚力随淋滤水量的增加先增大后减小，淋滤对两者内摩擦角的影响不大。 (2)通过侧限压缩试验，研究了淋滤后黄土在不同含水率时的压缩特性，发现不同含水率的Q3和Q2原状黄土孔隙比随压力先急速降低后趋于平缓变化，且Q2原状黄土在含水率较低时，淋滤可以增大其疏松程度；相同含水率条件下，各淋滤工况的Q3原状黄土比Q2原状黄土更疏松，Q3原状黄土可压缩性明显大于Q2原状黄土；Q3原状黄土压缩系数随淋滤水量的增加先减小后增大，压缩模量变化则相反，而对于Q2原状黄土，淋滤仅在含水率较低时对压缩模量有一定影响；淋滤对Q2原状黄土压缩指数有显著影响，而对Q3原状黄土影响不明显；随着淋滤水量的增加，含水率对压缩指标的影响逐渐减小。 (3)基于颗分试验和压汞试验，分析了淋滤对Q3和Q2原状黄土微观颗粒和孔隙特性的影响，发现淋滤对粒径1mm以下的黄土颗粒级配特征影响很小，且Q3和Q2原状黄土经过不同工况的淋滤后都为级配良好土；淋滤对Q3原状黄土孔隙直径大小及分布比例影响不大，但对Q2原状黄土的孔隙直径及其分布比例具有明显影响。收起

关键词 : 原状黄土治沟造地淋滤作用抗剪强度压缩特性微观结构

8. 黄土丘陵沟壑区治沟造地农田土壤特性演化与适宜性评价

[学位论文] 马丽娜中国科学院大学 2021年博士导师: 王思敬；祁生文共241页

摘要 : 黄土高原梁峁沟谷纵横，地表支离破碎，土地资源极其匮乏。自1999年退耕还林还草政策实施以来，生态环境得到显著改善，但是耕地总面积也大幅减少，耕地短缺和粮食匮乏成为制约农业生产的主要问题。近年来黄土丘陵沟壑区通过治沟造地工程的大力开展，... 展开黄土高原梁峁沟谷纵横，地表支离破碎，土地资源极其匮乏。自1999年退耕还林还草政策实施以来，生态环境得到显著改善，但是耕地总面积也大幅减少，耕地短缺和粮食匮乏成为制约农业生产的主要问题。近年来黄土丘陵沟壑区通过治沟造地工程的大力开展，土地资源获得高效开发，耕地面积显著增加，很大程度上缓解用地紧张的问题，同时沟道水土流失问题得到进一步改善，这些更好地支持了农业现代化和全面实现小康社会的国家目标。然而，治沟造地工程同样是一把双刃剑，大规模的治沟造地工程显著地改变了黄土的原始结构以及流域内的水循环系统，从而诱发了一些新的工程地质和生态环境问题。目前，对治沟造地后农田和边坡的工程地质稳定性与适宜性的研究不足，亟待深入。基于此，本文对延安治沟造地工程存在的工程地质与环境问题进行分类和总结;选取延安典型治沟造地场地，从以下几个方面进行了深入研究:农田填方黄土物理力学性质与微观结构特性研究、治沟造地黄土湿陷变形特性及三维微结构研究、治沟造地农田水文演化特征与沉降变形研究、治沟造地挖方边坡变形破坏研究以及治沟造地农田土壤适宜性评价，最后结合工程地质、农业和生态多个方面对治沟造地工程治理提出建议。本研究初步探索了治沟造地工程对黄土物理力学和工程特性、填方农田的演化以及边坡稳定性等方面的影响，对于提升治沟造地工程质量、促进黄土高原沟道生态系统的恢复与重建具有重要的理论价值与指导意义。本文取得的主要研究成果如下: (1)对治沟造地工程引发的工程地质与环境问题进行分类和总结，主要包括以下几类:填方农田黄土的湿陷沉降变形:湿陷水毁破坏、填方农田不均匀沉降;水土冲蚀破坏:农田冲蚀破坏、淤地坝冲蚀破坏、路渠冲蚀破坏;挖方坡体变形破坏:坡面病害、边坡变形破坏;填方农田质量不良:盐碱化、填方农田质量差异、农作物质量不良。 (2)通过对比不同造地年龄农田土壤的特性，揭示了治沟造地农田土壤的物理力学性质随造地时间增加不断演化的过程:相比于天然黄土，治沟造地农田黄土的各项指标差异较大，离散分布。其含水率和密度呈现增大趋势，孔隙比和塑性指数呈现减小趋势;但是填方5年黄土相比于填方1年，其增大和减小的幅度逐渐减弱，并且与天然黄土的差距逐渐减小。两个填方农田黄土的黏聚力均呈现不同程度的减小，内摩擦角增大，随着耕种作用，农田黄土的颗粒分布趋于均匀化，土体含水率逐渐增大，C和φ均又出现不同程度降低。因此认为随着填方时间的推移和外部环境作用，农田土壤的物理力学性质逐渐朝着恢复天然土壤性质的方向演变，趋于均匀化。 (3)在治沟造地过程中，农田填方黄土由于受到工程扰动，土颗粒发生破碎并相互挤压，土颗粒表面的黏土矿物遇水软化，颗粒间的胶结强度被破坏，骨架强度也减弱。黄土颗粒被挤压，大量孔隙消失或缩小，大孔隙转变为小孔隙。同时农田黄土的连通孔隙率减小，从32.73％减少到12.92％;孤立孔隙率增加，从0.54％增加到1.87％，孤立孔隙占比增加了11％，这说明治沟造地导致孔隙连通性被破坏。因此，天然黄土连通性较好，保持一定骨架强度，结构性良好;农田黄土连通性有所降低，骨架强度受到破坏，结构性减弱。 (4)对于治沟造地农田填方黄土，由于施工工艺导致质地分布不均匀，湿陷系数与试样对应的干密度呈明显的负相关性，表现为干密度的较大时湿陷系数较小，随着干密度逐渐增大湿陷性逐渐消除，其干密度临界值范围为1.60g/cm3。从微观结构上分析，填方黄土中多为孤立孔隙，镶嵌结构，颗粒排列紧密，孔隙空间较小，与Q3黄土相比孔隙率明显降低，湿陷空间大大降低，因此对于压实程度较大的黄土，一般不具有湿陷性。然而对于压实程度欠缺，干密度较小的填方黄土，由于还存在部分的大孔隙，因此仍具有一定湿陷性。但填方黄土的湿陷起始压力远小于天然黄土，多表现为自重湿陷，且湿陷量也相对较小。 (5)通过对治沟造地填方农田进行监测，发现史家沟填方农田的地下水位处于动态的变化中，地下水位与降雨基本呈正相关的分布特征，但地下水位抬升的峰值点滞后于降雨峰值约10-15天左右。随着降雨减少地下水位逐渐回落，趋于平稳。降雨类型对地下水位变幅的影响程度排序如下:持时长的强降雨＞持时长的弱降雨＞持时短的强降雨，据此可以认为持续性的降雨对治沟造地填方农田的地下水位影响较大。农田填方完成后初期阶段土壤水分随着埋深增加而增大，同时降雨入渗导致土壤水分增加。治沟造地农田土壤越接近地表，水分对降雨入渗的响应越明显，并且降雨入渗对农田填方黄土的影响深度不超于2m。农田土壤处于持续的沉降变形过程，截至目前监测期内，各监测点累计沉降位移范围在165mm-425mm。其中在降雨期（5月-8月）各监测点沉降明显，而后农田处于平稳沉降阶段。2020年沉降趋势变缓，总沉降量明显低于2019年，且2019年的沉降速率均大于1mm/d，2020年沉降速率降低，均小于1mm/d。随着时间的推移，填方农田的沉降量逐渐减小，沉降速率逐渐降低，土体趋于稳定状态。但目前仍未达到固结稳定状态，需持续进行监测和研究。 (6)三轴试验中，Q2黄土的应力-应变曲线主要表现出应变软化的特性，Q3黄土仅在减湿状态下呈现应力应变软化的特征，其它含水率状态下表现为应变硬化特性。同时，刻画了Q3和Q2黄土试样的剪切破坏形态，Q3黄土试样的变形破坏主要由剪切裂隙控制，Q2黄土试样的变形破坏主要由拉张破裂面控制。结合现场边坡破坏特征和室内试验结果揭示了不同地层黄土开挖边坡的破坏模式，即Q3黄土边坡表现为弧形滑动破坏模式，Q2黄土边坡表现为阶梯状板裂破坏模式，这对治沟造地工程中黄土边坡的稳定性评价和防护具有重要意义。 (7)通过对治沟造地农田黄土进行质量评价，认为治沟造地土壤是较理想的土壤质地类型，两个农田土壤的平均容重分别为1.52g/cm3和1.60g/cm3，均小于阻碍根系生长的极限容重1.60g/cm3，但由于治沟造地农田的不均匀性，部分农田存在表层土壤紧实化问题仍处于不适合耕作的状态。填方农田土壤的有机质等级为9级，处于极度匮乏状态;氮磷钾含量也均处于6级及以下，属中下等级，治沟造地农田土壤的固氮保肥能力有所降低，面临一定的水土流失问题，尤其速效钾流失较为严重;治沟造地土壤酸碱度整体水平处于偏碱性，且略高于耕地土壤的平均值，pH过高导致土壤面临盐渍化的问题。5种养分指标，治沟造地农田土壤均未达到全市平均值的水平，但随着填方时间的增加，各类指标与平均值差异逐渐减小，说明土壤养分和肥力在逐渐提高。 (8)通过试验研究和文献调研得出，既能避免农田黄土的湿陷变形又能在一定程度上适宜农作物生长的填方黄土的干密度区间在1.60g/cm3左右较为合适，并建议采用相应的压实度指标来评估农田填方黄土在工程地质和农业生产两个方面的合理性与适宜性。收起

关键词 : 治沟造地填方农田黄土土壤特性边坡稳定性适宜性评价

9. 延安治沟造地引起的地下水位变化及其危害防治

[学位论文] 高小文长安大学 2018年硕士导师: 王玮共89页

摘要 : 近年来，延安地区大规模开展治沟造地重大土地整治工程。在工程实践中发现，削坡填土将会改变沟谷区域地下水排泄基准面，引起沟谷区域地下水位变化，部分区域产生土壤盐碱化及边坡失稳。研究治沟造地区域水位变化因素，并对水位变化产生的危害提出防... 展开近年来，延安地区大规模开展治沟造地重大土地整治工程。在工程实践中发现，削坡填土将会改变沟谷区域地下水排泄基准面，引起沟谷区域地下水位变化，部分区域产生土壤盐碱化及边坡失稳。研究治沟造地区域水位变化因素，并对水位变化产生的危害提出防治措施具有重要的实际意义。本文以延安市子长县杨家园子镇高家河村治沟造地区域为研究对象，在水文地质调查和室内饱和渗透试验的基础上，结合研究区水文、气象等资料，建立了填沟前后三维水文地质数值模型，分析了研究区水位变化可能引发的危害，提出了降低地下水位的防治措施。主要研究结果如下： 1.在研究区内开展了水文地质调查，16个浅孔水位埋深变化及3个水位计动态观测数据表明，自2017年7月至2018年4月，研究区内地下水位平均上升1m，部分区域土壤出现盐碱化。 2.通过室内变水头饱和渗透试验得出研究区黄土水平向饱和渗透系数集中在0.295m/d-0.38m/d之间，垂向饱和渗透系数集中在0.119m/d-0.32m/d之间。三趾马红土水平向饱和渗透系数集中在0.009m/d-0.054m/d，垂向饱和渗透系数集中在0.01m/d-0.046m/d。杂填土水平向饱和渗透系数为0.022m/d-0.384m/d，垂向饱和渗透系数为0.003m/d-0.043m/d。通过民井抽水试验计算得出潜水含水层渗透系数为0.31m/d，降深影响半径19.17m。 3.通过对比填沟前后数值模型三维渗流场特征，结果表明填沟后沟谷区域地下水排泄基准面改变，引起沟谷区域地下水位上升。通过对填沟后模型各水文地质参数进行灵敏度分析，结果表明山区大气降水入渗补给强度与地下水水位变化呈正相关，对地下水水位变化响应最灵敏。 4.通过分析沟谷区域地下水位上升范围，设计了基于Drain模块的管道降水措施和基于渗流-管流耦合模型的降水措施。结果表明，基于Drain模块的管道降水措施，管道透水性能C值达到30时对管道出水量的影响不再发生变化，管道越长，管道排水量越大。基于渗流-管流耦合模型的降水措施，最佳管长为180m，0.9°小仰角辐射管能有效降低沟谷区域地下水位。收起

关键词 : 治沟造地地下水位变化降水措施地下水流数值模拟