（塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔843300）
摘要：使用饱和含水量、田间持水量及其对应的土壤水吸力3个数据，推算土壤水分特征曲线VanGenuchten方程的参数，同时与拟合方法的结果进行了比较。结果表明，该方法推算的参数与拟合的参数非常接近，方法获得的土壤水分特征曲线与土壤水分特征曲线及实测值均十分吻合。该方法可作为推求砂质土壤VanGenuchten方程参数的一种方法。
关键词：VanGenuchten方程；田间持水量；饱和含水量
中图分类号：S156．4；S151．9文献标识码：A文章编号：0439－8114（2015）07－1696-03
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.07.042
描述土壤水分特征曲线的VanGenuchten方程［1］，因其线型与实测数据曲线拟合程度好而得到广泛应用［2，3］。然而，VanGenuchten方程的参数较多，其参数拟合属于非线性拟合问题，常规的线性处理和线性拟合方法难于实现；常用的最小二乘拟合方法有时会遇到停止求解或参数为负的问题［4］。为获得令人满意的参数值，目前主要采用2种方法来实现，一是实测土壤基质吸力和土壤含水量的数据，采用非线性拟合方法求参数［5－7］，如马英杰等［5］利用阻尼最小二乘法求拟合粉壤土的Van方程参数；二是间接推算法［8－10］，如Shao等［10］应用水流方程的解析解，结合水平土柱实验分别测算了6种土壤的Van方程参数。
由于间接推算法具有省时省力的优点，一直备受关注。本研究基于Dexter［11］提出的“S”理论相关计算公式，经过一系列的推导过程，建立基于土壤饱和含水量、田间持水量及其对应的土壤水吸力3个数据的沙质土壤VanGenuchten方程参数的简单推求方法，以期为相关研究提供借鉴。
1料与方法
1．1理论推导
Dexter于2004年提出“S”理论观点［11］，其含义是土壤水分特征曲线VanGenuchten方程在拐点时的斜率，但该VanGenuchten方程必须以质量含水量为因变量、以土壤水吸力（h）的自然对数为自变量。即vanGenuchten方程为：
?兹＝?兹r＋（?兹s－?兹r）［1＋（?琢h）n］－m（1）
式中，θ为含水量，kg／kg；?兹s和?兹r分别为饱和含水量和残余含水量，kg／kg；h为土壤水吸力，hPa；α、m、n为土壤水分曲线参数。
令VanGenuchten方程的二次导数为零，求解得到的h即为拐点的土壤水吸力值（hi），其表达式为［12］：
hi=■（■）1/n（2）
将方程（2）代入方程（1）即得拐点土壤含水量（θi），其表达式为［11］：
?兹i＝?兹r＋（?兹s－?兹r）（1＋■）－m（3）
将方程（3）代入Van方程的一阶导数即可得到“S”的表达式，即［11］：
S＝-n（?兹s－?兹r）［1＋■］－（1＋m）（4）
研究表明，S可以充分体现土壤在水分传导、松紧状况、耕性、水分有效性、机械阻力等方面的特征［12］。其中，S与土壤饱和导水率（Ks）存在如下的曲线关系［13］：
Ks＝B?专■■（5）
式中，B为经验参数，Θe的表达式为：
Θe=D（?兹s－?兹i）（6）
式中，D为土壤容重，Θe为土壤有效孔隙度，其计算公式为［13－15］：
Θe=D（?兹s－?兹fc）（7）
式中，D为土壤容重，?兹s和?兹fc分别为饱和含水量和田间持水量，kg／kg。由方程（6）和（7）可知：
?兹i=?兹fc（8）
将方程（8）代入方程（3）得：
Θi＝■=［1＋■］－m（9）
式中，Θi是拐点的土壤水分饱和度。同时，因为?兹i=?兹fc，所以hi即为田间持水量时所对应的土壤水吸力，即：
hi=hfc（10）
将方程（10）代入方程（2）得：
?琢=■［■］1/n（11）
另外，m与n间存在如下关系［16］，
m=1-1/n（12）
因此，根据方程（9）、（11）和（12），只需要获得θfc、θs、θr和hfc4个指标即可推算出vanGenuchten模型的参数。实际上，θs、θr很容易获得，而θfc和hfc也容易测定。
另外，方程（9）的求解需要借助计算机软件（如MatLab），仍有一定的不便性。为了给出（9）式中m较为明确的解析值形式，可以进行下列过程：
①由于n＞1，0＜m＜1，所以，（9）式中Θi应在0．5~1之间，即0．5＜Θi＜1．0；
②应用MatLab7．0求解不同Θi（0．51，0．52……，0．98，0．99）对应的m值；
③根据②的结果，建立Θi和m的散点图（图1），并进行回归分析，拟合曲线。经回归分析得到的m与Θi间的拟合方程为：
m=56.17-8.14Θi（r2＝0．9985，n＝49，p＜0．05）（13）
1．2沙质土壤Van方程的特点
研究表明，沙质土壤vanGenuchten方程中，θr为零。即方程（9）可写成：
Θi=■=［1＋■］－m（14）
因此，只需测定θfc、hfc和θs3个指标即可推求沙质土壤VanGenuchten方程的相关参数。
1．3数据
本研究以文献［17］的实测资料作为本方法的计算原始数据，其θs＝0．2867kg／kg，θfc＝0．1577kg／kg，hfc＝58．41hPa。
2结果与讨论
通过方程（14）、（12）和（11）计算得到VanGenuchten方程参数n和α的推算值（表1），并与n和α的实际拟合值［17］进行了比较（表1）。结果表明，推算值与拟合值非常接近。
将本方法获得的VanGenuchten方程曲线（推算曲线）与由实测值拟合得到的VanGenuchten方程曲线（拟合曲线）进行比较，结果表明，推算曲线与拟合曲线及实测值均十分吻合（图2）。
3结论
通过实例计算与比较表明，本研究描述的通过θfc、hfc和θs3个指标推求VanGenuchten方程参数的方法是可行的，其推算结果与拟合结果和实测值均具有很高的吻合度。因此，该方法可以作为一种快速推算沙质土壤VanGenuchten方程参数的手段。
参考文献：
［1］VANGENUCHTENMT．Aclosed－formequationforpredictingthehydraulicconductivityofunsaturatedsoils［J］．SoilScienceSocietyofAmericaJournal，1980，44（5）：892－898．
［2］徐绍辉，刘建立．土壤水力性质确定方法研究进展［J］．水科学进展，2003，14（4）：494－501．
［3］徐绍辉，张佳宝，刘建立，等．表征土壤水分持留曲线的几种模型的适应性研究［J］．土壤学报，2002，39（4）：498－504．
［4］李春友，任理，李保国．利用优化方法求算VanGenuchten方程参数［J］．水科学进展，2001，12（4）：473－478．
［5］马英杰，虎胆·吐马尔拜，沈冰．利用阻尼最小二乘法求解VanGenuchten方程参数［J］．农业工程学报，2005，21（8）：179－180．
［6］钱天伟，陈繁荣，杜晓丽，等．一种推求vanGenuchten方程参数的高性能优化方法［J］．土壤学报，2004，41（6）：973－975．
［7］魏义长，刘作新，康玲玲，等．土壤持水曲线vanGenuchten模型求参的Matlab实现［J］．土壤学报，2004，41（3）：380－386．
［8］VEREECKENH，MAESJ，FEYENJ，etal．Estimatingthesoilwatermoistureretentioncharacteristicfromtexture，bulkdensity，andcarboncontent［J］．SoilScience，1989，148（6）：389－403．
［9］夏卫生，雷廷武，刘贤赵，等．土壤水分特征曲线的推算［J］．土壤学报，2003，40（2）：311－315．
［10］SHAOM，HORTONR．Integralmethodforestimatingsoilhydraulicproperties［J］．SoilScienceSocietyofAmericaJournal，1998，62（3）：585－592．
［11］DEXTERAR．Soilphysicalquality．PartI：Theory，effectsofsoiltexture，densityandorganicmatter，andeffectsonrootgrowth［J］．Geoderma，2004，120（3－4）：201－214．
［12］DEXTERAR，CZY■EA．ApplicationsofS－theoryinthestudyofsoilphysicaldegradationanditsconsequences［J］．LandDegradation＆Development，2007，18（4）：369－381．
［13］GREENATR，AHUJALR，BENJAMINBJG，etal．Advancesandchallengesinpredictingagriculturalmanagementeffectsonsoilhydraulicproperties［J］．Geoderma，2003，116（1）：3－27
［14］AHUJALR，NANEYJW，NIELSENDR．Scalingsoil－waterpropertiesandinfiltrationmodeling［J］．SoilScienceSocietyofAmericaJournal，1984，48（5）：970－973．
［15］AHUJALR，CASSELDK，BRUCERR，etal．Evaluationofspatial－distributionofhydraulicconductivityusingeffectiveporositydata［J］．SoilScience，1989，148（6）：404－411．
【关键词】土壤凝合素沙性土壤公路工程
中图分类号：TU文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）35-098-01
1.2土壤凝合素国际国内的研究状况和进展
DNT土壤凝合素是根据土壤中化合物的结构特点研发的。它不同于水泥、石灰、粉煤灰这些通常使用的工程材料，目前虽然这些材料仍是公路、水利等基础工程建设中必须的主要材料，但是这些传统材料所产生的一些不良性能严重影响着工程造价和工程质量。在传统材料的长期应用中，人们己清楚地认识到，采用石灰、水泥、粉煤灰等传统材料在性能上存在着明显的不足，已经满足不了工程建设发展的需要。主要表现为；
1.2.1水泥加固土受土类别限制，产生的强度很有限。其干缩系数和温缩系数均较大，因此，水泥土易开裂。另外，水泥的初终凝时间较短，一般要求在3～4h内完成从加水与土拌和到碾压终了的各个工序，而实际施工过程中，很多工程因受施工机械等因素的影响及其它各种条件限制，致使施工时间拖延，而水泥的初、终凝时间无珐满足这种施工条件。因此，工程质量往往受到影响；
1.2.2石灰加固土强度很低，且强度发展缓慢，影响工程进度。同时，石灰加固土的强度与石灰的加入比在一定范围内成正比，若加入量超出某一范围，其强度反面降低。
因此，DHT土壤凝合素可以有效的解决传统材料在工程应用中产生的不良性能和质量缺陷，显著提高工程质量、降低建设成本。在公路和水利等基础建设工程应用中，即表现出较高的早期强度，又具有持续增长的后期强度，其优异的体积稳定性避免了干缩裂缝的产生。DHT土壤凝合素的优异性能是传统工程材料所无法比拟的。
近年来，许多经济发达国家都投入了大量人力、物力资源在该领域进行研究。在美国、英国、加拿大、日本、墨西哥、澳大利亚等国家使用类似的这种新材料进行筑路己经十分普遍，并获得了很好的经济效益和实用效果。
1.3DHT土壤凝合素结构性能分析
DHT土壤凝合素同时具备有机高分子的健接结构和无机物的特点，因此表现出许多优异的结构性能。
与有机高分子材料相比，DHT土壤凝合素具有很强的耐候性能，在高温或严寒等环境下均能保持优异的结构性能。
绿色环保。DHT土壤凝合素属于固体粉末状，无毒、无味、无污染，其成分接近与天然矿物。
价格低廉、原料丰富。DHT土壤凝合素主要原材料是采用工业生产时所排放的固体废弃物，以及地表广泛存在的硅、铝氧化物，属于利废环保高新材料，符合国家发展循环经济的产业政策。
耐久性好，工程性能优良。DHT土壤凝合素具有无机物的特征，与有机高分子材料相比，不老化，耐久性好；与硅酸盐水泥相比，土壤凝合素不受环境的影响，耐久性能远远优于硅酸盐水泥。
就地取材，施工方便。在公路、水利施工中，采用DHT土壤凝合素加固现场土体，避免大量运输砂石类材料，节省工程造价和施工时间，具有良好的环境效益和经济效益。
适用广泛，实用性强。鉴于土壤土质的差异，土壤凝合素为系列产品，不同的土壤凝合素适宜不同的土质。无论加固普通的砂性土、粘性土、粉土，还是稳定特殊的红粘土、膨胀土、盐渍土等，都具有优异的工程性能。
使用便捷，施工周期短。DHT土壤凝合素的使用方法非常简便，就像使用水泥、石灰一样，既适合厂拌，也适合路拌，对施工工艺、施工机械没有任何特殊要求。在相同的压实机械作用下，经过DHT土壤凝合素处理的土体，其压实度得到显著提高。
1.4DHT土壤凝合素产品作用机理
土壤中的化合物主要有硅、铝等氧化物及大量的超微细颗粒矿物组成，化学反应活性极低。当DHT土壤凝合素与含有一定水分的土壤混合后既发生一系列的化学反应：首先是第一阶段反应，既DHT土壤凝合素水化形成大量纤维状晶体和团状凝胶体。这些纤维状晶体彼此搭接形成网状结构，而团状凝胶体填充在网状结构和土壤颗粒的缝隙之间，从而使土壤产生致密的板体和较高的早期强度。随着龄期的延长，被固结的土壤颗粒紧密接触，DHT土壤凝合素的活化组分深入被固结土壤颗粒内部基本单元，切断铝、硅酸盐的化学键，产生水化反应生成C-S-H凝胶等产物，使土壤颗粒的表面及内部产生不可逆的凝结硬化，产生的附加粘和物和膨胀体将多组分复合产生超叠加效应，进一步增强颗粒之间的粘接强度和改善空隙结构，从而增加固化土体的强度和耐久性。最后，在DHT土壤凝合素中各种核心元素的强烈作用下，土壤中的si、Al元素也被激化并参加反应，形成有效的造岩作用，这时被固结的土壤就会产生很高的后期强度和耐水性以及优异的抗冻性能。最终将普通的沙性土壤改变成优良的工程材料。
1.5DHT土壤凝合素在公路工程上应用范围
DHT土壤凝合素系列产品可广泛应用防汛路、险工控导工程以及堤防工程锥探灌浆等工程建设。
在公路建设中，适用于路基和替代沙石路面工程，DHT土壤凝合素优异的力学性能和技术性能，在公路建设中用于底基层，基层，面层而取代传统的石灰石，二灰碎石、水泥稳定碎石，以及水泥混凝土。
DHT土壤凝合素系列产品，相对于不同土质均有不同产品，无论是固结砂石、粘土、粉土，还是特殊的膨胀土，盐渍土等均可满足优质的工程技术要求。
固结土的强度随着DHT土壤凝合素掺量的增加而提高，对于不同等级公路的技术标准要求，仅需调整DHT土壤凝合素的掺量即可。一般而言，素土中仅需加入4%-10%的DHT土壤凝合素，七天无侧限抗压强度既达到1Mpa-4Mpa，而且后期强度可大幅度持续增长；因此，在公路建设中DHT土壤凝合素的应用可节省运输大量砂、石、石灰、水泥等材料的费用及施工费用、公路维修费用，而且使用DHT土壤凝合素铺筑的基层整体强度高、板体性好、耐久等优点。因此，可以减薄基层、沥青或水泥混凝土面层的厚度，所以这就是发达国家的筑路专家们所倡导的“强基薄面”，既坚固又经济。综合估算，DHT土壤凝合素的应用可比传统材料降低工程造价约30%左右，具有显著的经济效益和社会效益。
DHT土壤凝合素于各类土壤均具有良好的结合性，能形成稳定的混合材料，形成的混合物具有较高的强度与抗渗性。
荒漠表面形成的土壤结皮是荒漠地区最具特色的景观之一，在我国西部和北部地区有着广泛的分布。结皮的主要生物组成部分即是荒漠藻类，因此也叫藻类结皮(或藻壳，AlgalCrtlst)。结皮在防风固沙、防止土壤侵蚀和改变水分分布状况等方面，扮演着重要的角色。在荒漠化日益严重的今天，利用荒漠藻类改良土壤，防风固沙，具有积极的意义。
1荒漠藻类的研究
1.1荒漠藻类的种类组成和分布
荒漠藻类的组成，主要是丝状蓝藻和球状绿藻占优势，也有黄藻和硅藻，但没有红藻。各荒漠地区的藻类组成的不同，但广泛分布的蓝藻有A丝状蓝藻破MicrocoleusVaginatus是其中分布最广泛的种类。在美国Colorado草原和大盆地中，M.vaginatus的生物量占总土壤生物量的95%以上;在我国沙坡头地区多年生土壤结皮中，微鞘藻也是主要的优势种之一。在我国，研究最多的就是经济蓝藻，如发菜和地木耳等，对其形态和分布有着较多的报道。
荒漠生境中藻类种类的分布，是由多种环境因子共同决定的。非有机营养，PH值，氧化还原势，温度，土壤通气状况和生物间的相互作用等，都是影响荒漠藻类分布的主要因子。季节和气候的变化对藻类的种类组成和分布也具有决定性的作用。
土壤PH值也是影响藻类分布的重要因子。受降水和蒸发的影响，干旱和半干旱荒漠地区的土壤大部分是碱性的，而蓝藻比较适应中性和碱性的土壤，绿藻适应酸性的土壤。如在Texas，随土壤PH值的升高，绿藻的优势地位逐渐被蓝藻所取代。土壤的质地和结构对藻类的分布有一定的影响。藻类和其他微生物的生长，需4%一5%的粘土和泥沙，而松密度对其生长没有显著的影响;土壤的通气状况和对水分的保墒作用，也有着重要的影响。外界环境条件对荒漠藻类的分布也有一定的影响。荒漠地区的光照强度和组成，对其有一定的影响。在结皮的表面，由于光强的不同，藻类的组成，从上至下，也有不同的分布。
1.2荒漠藻类对荒漠生态系统的影响
(1)荒漠藻类在物质循环上的作用—一种潜在的微藻生物肥料
荒漠藻类是荒漠生境的先行者，在原始成土过程中，对荒漠土壤的形成起着重要的作用。荒漠藻类的殖生，促进了矿物质的矿化过程，有利于物质的循环和流动，加速了土壤的演替过程。藻类改变荒漠土壤中的物质循环，增加其中的碳、氮、磷的含量，促进了土壤异养微生物的生长。沙漠土壤含有很少的结合态氮，藻类本身的生长为土壤提供氮源和碳源，固氮蓝藻固定的氮是其中的一种重要方式。
在有藻类生长且表面固定的地方，其土壤组成上往往比风经常吹的地方含有较多的粘土和泥沙。相应地，结皮存在的地方，土壤含有大量的粘土和泥沙，相伴有高浓度的有机质、N、交换性的呱、Ca、K、哑和P等。我们在宁夏沙坡头和内蒙古达拉特旗也进行了荒漠藻类在干旱和荒漠地区固土培肥的试验研究，发现藻类的出现，使沙漠土壤中的游离离子数目增多。藻类的生长加强了土壤表层土壤酶的活性，如外源胞外聚合物和生物量的加入，对土壤酶活性有着显著的提高，加速了土壤的熟化和发育。
(2)荒漠藻类在土壤结皮形成和发育上的影响
生物结皮遍布于荒漠和半荒漠地区，它们主要位于开阔的灌木、草本植物之间的空隙上，甚至在盐碱化土地和乔木林之中，仍有分布。结皮主要由藻类(包括蓝藻)、地衣、苔鲜、真菌、细菌等同土壤颗粒相作用形成。由藻类(包括蓝藻)为主要组成部分的叫藻类结皮。生物结皮的形成，主要是流沙经过沙障固定和种植植物后，沙土表层形成风积物结皮，再演变成以藻类为优势种的微生物结皮，而这一过程是因流沙得到固定后，大气降尘和粉粒在沙表层堆积、下沉，再经过雨滴的冲积等物理作用和土壤微生物的活动共同作用的结果。
荒漠结皮通过影响土壤表层水分的渗透作用和光能的吸收，影响水分的蒸发、吸收和光热效应，从而改变荒漠地区土壤结构和表层水分分布状况。荒漠藻类的生长，改变了荒漠表面土壤的松散结构，增加了土壤的团聚性和粘性颗粒，有利于土壤的保墒作用。蓝藻丝体和表面的鞘，也能够吸收8倍于体重的水分，从而在夏季雨季来临时吸收大量水分。结皮对土壤渗透作用的影响是积极的，消极的，还是没有影响的，目前还有很大的争议。但总体上说，结皮可以稳定土壤表面结构，改变其表面的物理结构，对渗透有着积极的影响。藻类结皮可以阻碍地表径流的流动速度，在其流出该地区前水分能够得到充分的吸收，增加土壤水分的含量。同时，壳厚度和硬度的增加，增加了水分透过结皮的时间，延缓了水分的下渗，不利于雨水的吸收。
土壤侵蚀导致大量土壤颗粒的流失，是荒漠化最为突出的问题之一。荒漠藻类主要以丝状体的方式同土壤颗粒结合，并分泌大量多糖在藻丝体周围，加强其粘性。藻类的生长为荒漠微生物提供营养，同时产生代谢产物，间接提高土壤的团聚性和稳定性。主要由藻类组成的生物结皮，不仅可以抗11级大风，而且对水流的侵蚀，可以减少到1/6以上。
(3)生物结皮对群落生态演替的影响
在原始土壤形成过程中，藻类是最先的拓殖者。在演替的初始阶段，群落组成往往由不同的藻类占优势，然后再进一步向更高的苔鲜、地衣、及高等植物演替。荒漠土壤的生态演替过程，往往是物种组成由低等到高等，物种多样性和丰度从少到多的过程。根据生物结皮优势种类的不同，又可以分为蓝藻类、藻类、苔鲜、地衣、及隐花植物和高等植物的结皮等，即代表演替的不同阶段。同时藻类的生长，改变了土壤的结构和物质循环，并为其他生物提供营养，导致细菌、真菌、原生动物及其他生物的生长，改变了群落的结构和物种丰度，加速了演替过程。
(4)荒漠藻类同其他生物的关系
藻类的生长，为其他的异养生物提供有机物，固氮蓝藻为高等植物提供氮源。如一年生植物Festu-caoctoflora，其根系主要分布在0一10cm的表层，可以充分吸收由生物结皮提供的营养。但另一方面，藻类生长形成的结皮，导致雨水下渗的困难，高等植物地下水分不能得到及时的补充，可能导致地下水位的枯竭。藻类在生长过程中分泌的有机物及表面强度的增加，可以抑制一年生植物种子的萌发，对高等植物的生长不利。但另有报道认为，有结皮存在地区的植物种子含有较多的K、P、ca、地、Fe等离子，从而使种子萌发成功的几率大大增加。荒漠结皮的形成，提高了表层土壤的硬度，为土壤微生物、原生动物、小型动物等提供了栖息的场所，因此对于动物的生长和繁殖也有着重要的意义。
(5)结皮对干扰的适应能力
外界的活动，如动物的活动、牲畜的放牧和人为的开垦等，往往对结皮造成一定程度的损害。人为破坏对结皮的生物量和固氮酶的活性有显著的影响，如移去表面的结皮或用耙子破坏，导致固氮酶活性降低50%以上，而且在一年后才能恢复，主要是干扰导致藻体的死亡和埋葬等。此外，人工接种对物种的组成和丰度也有影响。当用耙子移去表面的结皮一年后，主要是蓝藻和绿藻形成的结皮，在人工接种后，其丰度和物种的组成又增加，而且苔鲜和地衣的种类比对照的含量显著增加，叶绿素的含量也增加22%一400%;而拓扑学研究证明，没有接种的结皮在5年后才恢复41%。
(6)结皮的胶结机理和结构
藻类结皮的胶结机理，在国内外有过报道。藻类分泌的胞外蛋白聚糖主要由多糖和蛋白质组成，其疏水性外核同基质的多交换性离子的、小颗粒的粘土矿物质间通过静电吸引而相互作用。另外，扫描电镜观察发现，藻丝同沙粒相互作用和缠结，有的藻丝直接深入硅质岩内，也可产生胶结作用。
结皮厚度一般在7毫米左右。在结皮中，结皮存在着非常精致的结构。在表面一般是丝状蓝藻占优势，中间是绿藻，最下层是绿藻和裸藻等。
1.3荒漠藻类对特殊生境的适应
荒漠藻类的生长条件往往是极端恶劣的。荒漠藻在其生长、进化的过程中，成功地发展、完善了一套适应机制，能够在土壤贫痔，严重缺水，温度变化幅度较大，紫外辐射严重，不适合生物生存的地方(主要是荒漠生境中)生存繁殖。其主要适应性为:
(1)细胞形态结构的适应
同水生藻类相比，荒漠藻类有着适应荒漠生境的特殊结构。荒漠藻类的藻细胞和藻丝常形成团聚体，如发菜在野外生长形成头发状的藻丝;细胞外被有较厚的粘胶层或胶鞘，在干旱后能够大量吸收水分，为藻体创造一个湿润的微环境。藻类鞘表面往往有许多细菌着生，即使在一些恶劣的环境如温泉中也是如此，可能就是细菌的生长为藻细胞的生长造成一个高浓度的以再环境。许多石下生的藻类有着较密的类囊体结构，可以在太阳刚升起、露水比较充足时，吸收更多的阳光进行光合作用。
(2)藻类的生理生化适应干旱是荒漠地区最主
要的环境胁迫因子，干旱往往造成器质性的损伤，如细胞质成分的拥挤现象，膜相变尸lb的增高，细胞壁胁迫的增加等。干藻代谢的恢复功能开始于呼吸作用，接着是光合作用，最后是固氮酶活性。干藻粉重新吸水湿润时，藻体的代谢活性能够迅速恢复，其各种代谢酶活性在吸水后几十分钟就可以达到较高的水平。
藻类能够忍受较大的温度变化范围。它可以承受低温，在冰冻的土壤中进行代谢活动，如Protococcus，Microcoleus能够在一192~一195℃长期生存。研究发现，微鞘藻的光合作用的光饱和点和光补偿点升高，适温偏低，暗呼吸速率较低等，从而有利于充分利用光能;同时，在水中45℃时光合活性也保持较高的活性。在mune的细胞内含有的海藻糖和蔗糖，对质膜具有稳定作用，并能形成透明的玻璃化状态，在90℃时仍能保持稳定，对于干旱和重吸水过程中细胞膜丁hl的显著降低有很大作用。同温层臭氧的不断消耗，导致到达地球表面的紫外B辐射(UV-B，280一315nrn)迅速增加。紫外辐射可以抑制许多生物的光化学和光生物学过程。藻类成功发展了一套适应机制以抵消UV辐射所造成的伤害。荒漠藻类适应环境的机制有:修复UV辐射所造成的DNA伤害，积累类胡萝卜素，解毒酶和抗氧化物质，有的机体还发展了一些重要的防止UV诱导伤害的UV吸收或屏蔽物质，如Scytonemin和MAA。
(3)生态适应
荒漠藻类主要营光合自养，能够在营养极端贫痔的环境里，在雨季来临或其间隙，利用露水迅速生长，能够在短时间里完成其生活史。有的藻类则以休眠抱子、合子、异形胞子、厚壁抱子等形式度过极端环境，从而可以繁衍后代。有的藻类可以游动，以处于有利的或避开不利的环境，如M.Vaginatus的藻丝可以游动，在光线条件合适时处于结皮的上层，在光线不合适时就处于下层。在荒漠隐石生环境中，即使露水仍然存在，藻细胞活性在每夭最初的几个小时光合活性仍处于抑制状态。
2荒漠藻类在环境工程及工农业上的应用前景
2.1荒漠藻类在环境和拓殖生物上的应用
由于解剖学上的特殊结构(如没有根、茎和叶的分化等)，藻类具有快速吸收水分和营养的能力。藻类对环境污染物是非常敏感的，它们可以快速吸收污物，其造成的伤害或物质变化，在藻细胞的形态和生理生化上可以很快表现出来，从而可以作为生物指示物，应用于环境监测上。
火星在某些方面和地球是非常相象的，如干旱和缺少氧气等。荒漠藻类能够在极端环境条件下生长，这样能够培育一些在火星上生长的藻类，这对于我们了解地球的进化过程和进行宇宙探索，有着深远的意义，如Chroococcidiopsis是己知最耐旱的光合自养蓝藻，是移植到火星的最佳候选之一。
2.2荒漠藻类在固沙上的应用研究
荒漠化是当今中国最严重的生态间题之一，近来对发菜(一种荒漠蓝藻)的开采，加速了沙漠化的进程。在中国，最早是应用固氮蓝藻作为稻田有机肥料的作用，并进行了土壤藻类作为土壤肥力物质的应究;M.vaginatus在生长过程中分泌的大量胞外多糖，在沙漠土壤改良上有着潜在的应用价值。因此，利用荒漠藻类和其它灌木、草本植物和高等植物进行综合固沙的实验研究，有着广泛的应用前景，对于解决我国荒漠化问题有着重要的意义。
2.3荒漠藻类的工农业用途
蓝藻多糖显示出增厚悬浊剂、乳化物或阳离子赘合物性质。这些结果表明，通过产生胞外多糖蓝藻的开发，可以获得许多类型的生物膜、制药、纺织等多种工业上的新型材料。蓝藻鞘中含有大量抗紫外辐射的Scytonemin和MAAs物质，如果能够应用于化妆品工业上，也有着巨大的潜在市场。同时，荒漠蓝藻中含有的藻胆蛋白，是一种重要的食品功能成分，作为天然蓝色素可广泛地应用于食品、饮料(包括酒精饮料)、化妆品和医疗保健品等方面。
1不同土壤的特性及改良重点
1.1石灰岩山麓、冲积平原黏土地
（1）特性。土壤保水保肥力强，但通气透水性差，根系分根少、密度小，雨季易积水引起秋梢旺长和新梢中下部叶早落。
（2）改良重点。深翻增施有机肥，掺沙或砾石改善土壤透气性。栽前挖排水沟以利排水。
1.2沙滩地
（1）特性。透气性好，养分分解速度快，根系发达。但土壤瘠薄，漏水漏肥，肥水供应不稳定，树势易衰弱。肥水大量供应时，因根系发达，透气性好，容易引起短期旺长，如6月份以后大量自然降雨引起的秋梢旺长。而且正因根量大，水、养分耗竭快，加上易渗漏损失，雨季过后水、养分极易缺乏，常导致秋季叶片早衰。另外，冲积土平原沙滩地下部常存在黏板层和地下水位过高的问题。
（2）改良重点。大量增施有机肥并掺黏土，提高保肥保水及供肥供水能力。注意打破黏板层，降低地下水位，定植沟下部埋草改良土壤。
1.3轻度盐碱地
（1）特性。土壤透气性较好，但土壤干旱瘠薄，水土流失严重，保水保肥能力差，常因缺肥缺水使树体生长迟缓，叶片小、黄、质脆，生产能力差，经常发生缺素症（如缺锌、缺硼等）。
（2）改良重点。大量增施有机肥，降低土壤pH值；栽前挖沟埋草，以隔断上返盐分；引淡洗盐，并挖排水沟降低地下水位；注意矫正缺素症。
2棚室土壤改良的措施
2.1增施有机肥
如上所述，各类土壤有其不同特点，栽培技术的目的是因异求同，通过改良使之都趋近于丰产园的土壤标准。因此，各类土壤的改良各有侧重点，但改良的核心都是增加土壤水、肥、气、热因子的稳定性，因此都需要增施有机肥或其他有机填充物，以提高土壤保水保肥、调节水汽的能力。改良过程中还要注意扩展具有稳定性的土壤范围，以加大和保护根系的功能层。
2.2养好表层及中层
与果树早果丰产关系最密切的吸收根主要分布于40厘米以内，尤其是20～40厘米以内土层，因此必须注意培肥土壤的表层和中层。可采用覆膜或覆草的方法维持表层土壤温湿度的相对稳定，养好表层根；采用开60厘米深的浅沟、沟中埋草、施有机肥的方法改善沟中局部环境，养好中层根。在养好表层及中层的同时，还应打破障碍层，通透下层，以使下层根系不受窒息危害。
【关键词】沙漠地区引水渠道地质问题处理意见
景电二期延伸向民勤调水渠续建工程是专门解决民勤县水资源短缺的一项应急工程，是在民勤调水延伸工程的基础上沿洪水河右岸进行输水渠延伸调水的工程，工程区位于武威市凉州、民勤两县（区）境内。本区位于沙漠边缘地带，气候干燥，降雨量稀少，蒸发强烈，属典型干旱大陆性气候。该区沙漠地基以风积沙为主，具有特殊的工程性质，是沙漠工程地质勘察中的主要问题。
1.工程区内地层岩性分述
①eol-plQ42风洪积层：褐灰、浅黄色细沙层，其中夹有沙壤土，粉质壤土透镜体。细沙沙质纯净、均一，上部植物根孔较发育，具水平层理，往往顺层理及根系发育有锈黄色条带，颗粒成分以长石、石英、云母、岩屑为主，结构中密；沙壤土，粉质壤土透镜体，厚一般0.3～0.8m不等，局部可达2m以上，据景电二期向民勤调水工程勘察资料及本次勘测中取样分析成果，其粉粒含量65～70%，沙粒15～20%，粘粒10～15%。该层在工程区内，分布在冲洪积平原上部，据勘探厚度一般在6m以上。
②eolQ43风积层：岩性为沙黄色细沙及极细沙，分布在工程区北部沙漠边缘区，组成半固定丛草沙丘，结构疏松～中密。
③al-plQ43：分布于洪水河河床及两岸漫滩，上部为含砾细沙，厚1.5～2m，结构疏松，含泥量较大，下部为沙砾石层，分布于6#退水渠渠尾。
④eolQ44：为风积成因的极细沙，主要覆盖于工程区南部冲洪平原表面上，堆积呈新月形沙丘及沙丘链，有时分布于沙漠区冲洪积平原面的风蚀凹地中，厚0.3～0.5m，其结构疏松、干燥、易风蚀流动。
2.渠基冻胀工程地质问题
输水渠线渠坡渠基基本上以eol-plQ42风洪积细沙为主，但局部段渠坡渠基有粉质粘土、粉质壤土及沙壤土透镜体（厚0.3～1.5m）分布，对于该类渠段，渠道若低于地下水位时，或渠道置于土、沙毛细上升高度之内时（地层介质含水量接近饱和状态），渠道会产生冻胀破坏。同时，由于渠道输水运行过程中产生的渗漏，使渗透性能相对较差，持水性较好的上述土层含水量增大，甚至饱和。若渠段遇到分布面积、厚度较大，延伸较远的土质透镜体时，渠道渗水往往滞留于渠身附近土层中，而不易释水，进而产生冻胀破坏。建议对该类地基应进行防渗、防冻胀处理，在渠底设沙砾石垫层，使渗漏水不致滞留在持水性强的土层中，从而避免冻胀，垫层厚0.5～0.8m。
3.风积沙渠道的边坡及稳定性问题
风积沙地基具有无湿陷性，低压缩性，易扰动性，易被风蚀或冲蚀性的特点，亦即在水下或风干时，由于表面张力逐渐消失，沙粒间不再有粘着现象，完全是松散的粒间接触，颗粒间无凝聚力，仅有微量咬合力，这就使得风积沙的渠道边坡比较缓。按风积沙的天然休止角32.3？，疏松沙体的极限边坡比应为1：1.57，中密或密实沙体的内摩擦角理论上稍高于休止角，折合后坡比1：1.4。从以上分析可见，沙质边坡采用1：1.5的坡比，如不考虑风蚀作用的影响是安全的，但事实上风蚀作用是不可回避的，综合考虑各方面的因素，当坡高（挖深）小于6m时，坡比1：1.5～1：1.75；当挖深6～12m时，坡比1：1.75；当挖深大于12m时，坡比按1：1.75～1：2.0（考虑阶梯形开挖，预留马道）。施工时要注意采取各种护坡措施，如压草格网或用沙砾石压盖护坡及对边坡洒水，使其保持一定湿度，以增加边坡稳定性，减少风沙对施工的干扰。
4.土质渠基的湿陷变形破坏问题
由于输水线路沿腾格里沙漠边缘布行，局部段输水渠线位于冲洪积平原上，渠基岩性大部分为eol-plQ42风洪积细沙层，其中夹有沙壤土、粉质壤土透镜体，因此，渠线局部段涉及土质渠基湿陷变形问题，而沙壤土、粉质壤土通过本次取样试验及类比前段（已竣工段）资料，其干密度1.37～1.62g/cm3，压缩系数0.069～0.21MPa-1，湿陷变形系数0.023～0.054，属中低压缩性，轻微～中等湿陷性土，因此渠基底部若遇到该类土层、应进行清除，用细沙回填压密，上部铺50～80cm沙砾石垫层进行处理。
5.结语：
沙漠环境的特殊性决定了沙漠地区岩土工程地质勘察重点、方法的特殊性。合理地选择勘察重点和科学地应用勘察方法，有助于抓住勘察工作的实质，减少工作量。勘察工作者应该根据工程及场地具体特点，参照已建工程积累的勘察经验，合理布置勘察工作量，合理推荐地基承载力及地基处理方法，可以为设计、施工方提供可靠的地质资料。
【关键词】流域产输沙规律；气候因素；植被因素；地形因素；土壤因素；太行山区
1.研究区基本概况
1.1研究区地理位置与基本概况。邢台市位于河北省南部，东经113°45ˊ至115°50ˊ，北纬36°45ˊ至37°48ˊ之间。西靠太行山与山西接壤，东以卫运河为界与山东省毗邻。北与石家庄、衡水、南与邯郸市相连。本区地势西高东低，以京广线为界，西部为山区丘陵，东部为平原。西部山丘区面积3508Km2，约占全市总面积的28%，高程多在千米以下，平均坡度1/100左右，丘陵与平原间地形变化急剧，没有明显的缓冲地带。平原面积8911Km2，占全市总面积的72%。
1.2流域降水特性分析。
（1）利用1956～2000年山区降雨量资料系列分析计算，邢台市西部山区多年平均降水量594.5mm。对年降雨量系列进行频率计算，频率曲线采用皮尔逊Ⅲ型曲线，频率计算采用适线法。对于变差系数Cv值的确定，在适线中，对系列中出现的特大特小值，一般不做处理，由于年降水量相对稳定。偏差系数Cs的取值一般用Cv/Cs值来反映。邢台市西部山区不同频率年降水量计算成果见表1。
（2）邢台市西部山区降水量年际变化很大，且常有连续几年降水量偏多或连续几年降水量偏少的现象。以历年年降水量最大值与最小值之间的比值K来表示年际变化，西部山区各雨量站监测的年降雨量资料分析，各站极值比大都在4.0以上，其中，獐貘、侯家庄两个雨量站变化幅度最大，极值比分别为9.4和9.2。
（3）邢台市西部山区降水量具有年内非常集中的特点，全年降水量的80%左右集中在汛期（6～9月），而汛期降水又集中在在7、8月份，按多年平均计算，7、8月份降水量占全年降水量的60%，6～9月份降水量占全年降水量的78.3%。特别是一些大水年份，降雨更加集中。非汛期8个月期间的降水量仅占全年降水量的21.7%。
2.水土流失影响因子分析
流域土壤侵蚀，主要受气候因素（降雨量、季节分配特点、降雨强度、降雨类型）和流域耕种管理因子（植被类型、覆盖度、作物耕作方式等）外，还受地形、地质和土壤因素和水土保持因素的影响。
2.1气候因素。
2.1.1所有的气候因子都从不同方面，在不同程度上影响水土流失。大体上可分为两种情况：一种是直接的，如降水和风对土壤的破坏作用，一般来说，暴雨是造成严重水土流失的直接动力；另一种是间接的，如降水、温度、日照等的变化对于植物的生长、植被类型、岩石风化、成土过程和土壤性质等的影响，进而间接影响水土流失发生和发展的过程。
2.1.2在北方山区，影响水土流失的气象因子主要是降水。降水包括降雨和降雪，是气象因子与水土流失关系最密切的一个因子。充分的前期降雨是导致暴雨形成径流和严重冲刷的重要条件之一。这是因为充分的前期降雨已使土壤含水量增大，再遇到易于形成径流所致。如华北地区，汛期降水量占全年降水量的70%以上。降水量的高度集中，形成明显的干、湿季节。雨季土壤经常处于湿润状态，这就为强大暴雨的剧烈侵蚀活动打下了基础，也使得水土流失的季节相对集中。
2.1.3目前，国内外提出的土壤侵蚀模型很多，其中由wischmeier和smith根据美国8000多个实验小区土壤侵蚀资料分析，于1957年提出的通用土壤侵蚀方程应用最为广泛，它是建立在土壤侵蚀理论和大量实地观测数据统计分析的基础上的一个经验模型，在我国也得到广泛应用，对于一年的降雨来说，降雨侵蚀力可采用经验公式为[3]：
式中：R为暴雨对土壤的侵蚀力；P为年降水量，mm；Pi为各月平均降水量，mm。
2.1.4暴雨是造成严重水力侵蚀的主要气候因子。因为只有当单位时间内的降雨量达到一定强度，并超过土壤的渗透能力时，才会产生径流，而径流是水力侵蚀的动力；暴雨由于雨滴大，动能也大，雨滴的击溅侵蚀作用也强，因此少数强大的暴雨往往造成巨量的水土流失。一般说来，暴雨强度越大，水土流失量也越大。上述两个流域相邻，降雨强度、年降水量相似，降雨影响因子对于两个小流域也相近。
2.2地形因子。
2.2.1地形是影响水土流失的重要因子之一。地形的坡面大小、坡长、坡形、分水岭与谷底及河面的相对高程以及沟壑密度等对水土流失有很大影响。坡长因子，当其他条件相同时，水力侵蚀的强度是依据坡的长度来决定。坡面越长，汇聚的流量也越大，因而其侵蚀力就越强。坡面坡度是决定径流冲刷能力的基本因素之一。径流所具有的能量是径流的质量与流速的函数，而流速的大小主要决定于径流深度与坡面坡度。
2.2.2地形因子对土壤侵蚀过程的影响，一般用坡长因子（L）和坡度因子（S）的乘积表示，可用下式计算。
LS=L221m×（65.41sin2α+4.56sinα+0.065）（2）
式中：L为开始发生径流的一点到坡度下降至泥沙开始沉积或径流进入水道，期间的长度，m；α为坡角，度；m为坡长指数，计算公式为：sinα>0.05时，m=0.5；sinα=0.05时，m=0.4；sinα=0.035时，m=0.3；sinα
2.2.3根据地形因子分析计算，坡底流域L=468m，sina=0.0369，m=0.3，按公式（2）计算出地形因子为0.40；西台峪流域L=265m，sina=0.0342，m=0.3，计算出地形因子为0.31，坡底流域地形因子对土壤侵蚀力大于西台峪流域。
2.3土壤因子。
（1）土壤可侵蚀因子反映了土壤对侵蚀敏感性，取决于土壤结构、粘粒含量、有机质含量等。土壤是侵蚀作用的主要对象，因此它的特性，尤其是透水性、抗蚀性、抗冲性对水土流失有很大影响。
（2）土壤可侵蚀因子也称土壤抗蚀度，是指土壤抵抗径流对它们的分散和悬浮的能力。其大小主要取决于土粒和水的亲和力。亲和力越大，土壤越容易分散悬浮，团粒结构也越容易受到破坏而解体，同时还引起土壤的透水性变小和土壤表层的泥泞。在这种情况下，即使径流速度很小，机械破坏力不大，也会由于悬移作用而发生侵蚀。土壤中比较稳固的团聚体的形成，既要求有一定数量的胶结物质，又要求这种物质一经胶结以后在水中就不再分散，或分散性很小、抗蚀性较大。腐殖质能够胶结土粒，形成较好的团聚体和土壤结构。由于腐殖质中吸收性复合体为不同阳离子所饱和，使土壤具有不同的分散性。
2.4植被因素。
（1）通过对两个小流域土地利用情况调查，西台峪流域内农田面积占流域总面积的23.12%，而坡底流域的农田面积占总面积的7.67%，西台峪流域内农业开发程度较高。坡底流域内林地面积占总流域面积的24.04%，而西台峪流域内林地面积仅占总流域面积的7.50%。流域植被覆盖率按林地面积、天然草场、荒坡灌木丛和果园面积统计，则坡底流域植被覆盖率占流域面积的86.30%，西台峪的植被覆盖率占总流域面积的68.58%。如下表2为两个小流域植被及土地利用情况调查结果。
（2）根据1991～2005年泥沙监测资料，选择有代表性的降水过程和泥沙过程资料，对面雨量在不同范围的次降水产沙资料进行分析，通过分析可以看出，在流域面雨量为10～50mm范围时，坡底流域平均产沙模数为4.39t/Km2，西台峪则为44.30t/Km2，平均产沙模数增大了10倍；在流域面雨量为50～100mm范围时，坡底流域平均产沙模数为6.19t/Km2，西台峪则为76.98t/Km2，平均产沙模数增大了12倍；在流域面雨量为100～150mm范围时，坡底流域平均产沙模数为28.92t/Km2，西台峪则为406.76t/Km2，平均产沙模数增大了14倍，侵蚀模数随降水量和雨强的增加而增加。
（3）通过对坡底、西台峪两个小面积实验站年输沙模数与年平均输沙率进行分析计算，坡底站流域输沙模数为504.39t/（Km2·a），西台峪站为849.86t/（Km2·a）。西台峪站输沙模数比坡底站高41%。坡底站多年平均含沙量1.268Kg/m3，西台峪则为3.686Kg/m3，西台峪站多年平均含沙量是坡底站的3倍左右。
（4）通过计算还可以看出，流域植被对土壤侵蚀的影响主要与植被有关，但也和降雨强度和降雨历时及降水量有关。如1996年，该流域发生较大洪水，两站输沙模数相差很小，坡底站年输沙模数为5870t/（Km2·a），西台峪年输沙模数为5250t/（Km2·a），而且坡底流域大于西台峪，说明流域植被对土壤侵蚀的影响也是有一定限度的。一旦发生特大洪水，流域遭到山洪侵蚀，侵蚀模数是正常年份的几百倍，甚至上千倍。
3.结语
（1）暴雨是造成严重水力侵蚀的主要气候因子，通过对坡底、西台峪两个小面积实验站年输沙模数与降雨侵蚀力相关分析，坡底小流域相关系数为0.84，西台峪为0.94。降雨侵蚀力反映该流域的降水量，降水季节分布和降水强度等综合指标，也是造成水土流失的原动力。根据年侵蚀膜数与降水侵蚀力的相关关系，利用年、月降水量对流域年侵蚀膜数进行计算，适用于该区域无实测泥沙资料地区的水利工程设计中的沙量计算。
（2）流域植被对改变水量循环有密切关系，对天然降水量起水量再分配、调节、储蓄和改变水分循环系统的作用。同时也改变了径流的分配形式，不仅对调节水量起重要作用，对减少土壤侵蚀也起到重要作用。通过对不同降水范围情况调查分析，在不同流域内，随着次降水的流域面雨量增加，流域植被对水土流失的控制作用愈加明显。通过对不同时段降水量分析，两个流域次暴雨产沙模数相差很大，西台峪流域比坡底高10倍以上。说明流域植被不仅减少洪峰流量，延缓洪峰时间，增大对地下水的入渗量和入渗时间，而且减少地表径流对土壤的侵蚀也发挥重要作用。
（3）上述两个小流域在地形因子、土壤因子、气候因子等比较接近的情况下，流域植被就成为影响流域产沙的主要因子。植被覆盖率高的流域，土壤侵蚀量就少。根据15年泥沙系列资料计算，对两个小面积实验站年输沙模数进行分析计算，坡底站流域年输沙模数为504.39t/（Km2·a），西台峪站为849.86t/（Km2·a）。坡底站平均含沙量1.268Kg/m3，西台峪则为3.686Kg/m3，坡底站流域植被覆盖率比西台峪高17.72%，植被对土壤侵蚀量控制减少345.47t/（Km2·a）。搞好流域植被建设，是减少和减缓流域水土流失的重要措施。
参考文献
[1]乔光建，张均铃，刘春广.流域植被对水质的影响分析[J].水资源保护，2004，20（4）：28～30.
[2]张钧玲，乔光建.山丘区塑料大棚集水、节水栽培技术[J].水资源保护，2008，24（2）：92～94.
