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时间:2022-10-05 22:51:46 本科毕业论文 我要投稿

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  水工混凝土泌水现象分析研究【1】

  摘 要:混凝土泌水现象是影响混凝土性能的重要因素之一,对其进行分析研究就显得尤为重要与关键,混凝土的拌合成型硬化是一个复杂的系统过程,造成混凝土泌水的原因是多种多样的,针对混凝土泌水问题,从原因机理、影响因素等方面进行分析,落实到矫治措施,提高混凝土的强度、耐久性等性能。

  关键词:混凝土;泌水;影响因素;改善性能;分析

  Hydraulic concrete analysis of bleeding phenomenon

  PAN Quan-lu,WangTie-qiang

  Abstract: The phenomenon of concrete bleeding is one of the important factors affecting the performance of concrete, is particularly important and critical analysis research, concrete mixing molding sclerosis is a complex process, resulting in concrete bleeding because multiplediverse, concrete bleeding from the reasons mechanism, influencing factors analysis and implement rehabilitation measures, to improve the strength, durability and other properties of concrete.

  Key words: concrete; bleeding; influencing factors; improve performance; analysis

  1.混凝土的泌水机理

  混凝土拌合物浇筑之后到开始凝结期间,由于各组成材料的密度不同,如果配合比不当,粘聚性差,会出现骨料和水泥浆下沉、水分上浮,在已浇筑构件的表面析出水分,此现象称为泌水。

  泌水的通道产生于水泥浆与固相骨料之间,同时伴随着泌水现象的出现。

  混凝土是由水、水泥、粗细骨料、掺合料、外加剂拌和硬化而成,质量好的混凝土应该是所有组分及气泡分布均匀稳定。

  产生不均匀的情况是混凝土拌合物各组分出现层状分离现象、某些组分分离析出、水分泌出等现象。

  造成拌合物不均匀的直接原因是由于各组分密度不同导致的沉降和上浮。

  泌水后的混凝土在宏观上仍然是均匀的,但会导致混凝土上表面不均匀和内部局部不均匀。

  根据水分在混凝土中的存在状态,可将混凝土中的水分分为结合水、润湿水和自由水。

  水泥中反应速度快的部分在遇水后会发生水化反应,消耗部分水,这部分水被定义为混凝土中的结合水,不能被邻近部位的水分置换,也无法泌出拌合物;水遇到干燥状态的水泥、骨料等以后,水泥和骨料表面会吸附一定量的水,使干燥的材料湿润,这部分水受到固体材料表面的吸附,不能泌出拌合物,但可以被邻近部位的水分置换,这部分水被定义为润湿水;混凝土中其余的水分为自由水,在混凝土中起润滑的作用。

  混凝土坍落度在很大程度上取决于自由水的多少及其润湿效果,这部分水与固体材料的联系较少,可以从混凝土中泌出。

  水分从混凝土内部泌出到表面,需要经过较长的距离,犹如经过弯弯曲曲的微细水管,最后到达表面。

  如果各种材料颗粒级配好,堆积密实,孔隙微细,则水分泌出需要经过的距离很长,会使泌水量减小;或者水分泌出的通道被阻断,泌水量也会减小。

  2.泌水对混凝土性能的影响

  泌水在混凝土中是不均匀产生的,泌水以后的混凝土组分变得不均匀,混凝土在泌水部位产生空隙缺陷,导致该部位的混凝土抗压、抗拉强度降低,这些部位强度的下降会导致混凝土整体强度的降低。

  不过,泌水对混凝土强度的影响很有限,但对混凝土的抗冻性、抗渗性及防止钢筋锈蚀等耐久性能的影响则很大。

  从泌水的产生机理可知,水分从混凝土内部泌出到表面,在混凝土中形成了从内到外贯通的通道,虽然这些通道很难发现或通过仪器观察到,但对于抗氯离子渗透性能要求很高的海洋工程混凝土影响很大。

  这是由于来自海洋中的具有极强穿透能力的氯离子、含盐雾潮湿大气中的氧和湿气等腐蚀性介质,很容易沿着泌水留下的通道进入混凝土内部,到达钢筋表面,引起钢筋锈蚀或直接与水化产物发生腐蚀反应;同样由于泌水通道的存在,使长期受风霜雨雪侵蚀的混凝土的内部很快达到水饱和状态,高度水饱和的混凝土在冻融循环作用下,很快产生冻融破坏,这对于抗冻混凝土来讲是不允许的。

  此外,混凝土浇筑后产生泌水,水蒸发量超过一定程度时,由于毛细管的收缩作用,会在混凝土表层产生塑性收缩,由于砂石密度大于水泥浆体密度,会发生不均匀沉降收缩。

  如果混凝土终凝前抹压不够和养护不及时,就会产生塑性裂缝,同样会严重影响到混凝土的耐久性。

  另一方面,泌水挟着水泥沿着混凝土结构的模板接触面溢出,不仅引起砂线、露砂等外观质量缺陷,也会影响到混凝土强度和变形性质等质量问题。

  对于保水性差的混凝土拌合物,在运输与浇捣中,在凝结硬化前泌出的水分聚集到混凝土表面会引起表面疏松,若聚集在骨料或钢筋的下表面形成孔隙,会削弱骨料或钢筋与水泥石的粘结力,影响混凝土的质量。

  泌水现象对混凝土所产生的影响极为重要,对其进行分析显得尤为重要与关键。

  混凝土产生泌水现象以后,一般都会出现缺陷等,而且产生泌水现象部位的抗压、抗拉强度等将进一步降低,进而会在很大程度上降低了混凝土的整体强度。

  一般而言,泌水现象对于混凝土的强度影响不是很大。

  但是,对于混凝土的耐久性则影响极为关键,必须引起我们的足够重视。

  实际上,泌水现象对于混凝土耐久性的影响,主要是因为水分从混凝土内部分泌到其表面以后,在混凝土中就形成了从内到外的细小通道。

  而这些通道首先降低混凝土的抗渗透能力,而且对于混凝土的抗渗透性能的影响作用非常大,这一点必须引起足够重视,并积极采取有效措施加以解决落实。

  第二,泌水现象对于混凝土的抗腐蚀及抗冻能力的影响比较大,这是因为腐蚀性物质经过细小的通道,一般比较容易进入混凝土的内部,从而到达钢筋所在部位造成了钢筋的腐蚀或者生锈,也可以直接同水化产物发生一些腐蚀或者反应。

  同样的道理,因为存在泌水现象以及细小的通道,使得了长期受风霜雨雪侵蚀的混凝土很快就能达到饱和状态。

  一般而言,处于饱和的混凝土,会在冻融等的循环作用下,对混凝土产生一定的冻融或者破坏作用,这对于混凝土来说是绝对不允许出现的。

  此外,混凝土浇筑以后产生的泌水现象,当水蒸发超过一定的程度以后,因为毛细管收缩作用的影响,会在混凝土的表层产生一定程度的塑性收缩。

  而由于砂石的密度比水泥浆的密度要大,这样就容易产生不均匀的沉降收缩等现象。

  假如混凝土在凝固以前由于抹压不够或者养护不及时等时,就会产生一定程度的裂缝。

  而产生的这些裂缝,一般都会严重影响到混凝土的质量与耐久性。

  3.影响混凝土产生泌水现象的因素分析

  3.1 水泥的凝结时间对泌水的影响。

  水泥的凝结时间越长,所配制的混凝土凝结时间就越长,且凝结时间的延长幅度较水泥净浆成倍地增长,在混凝土凝结硬化之前,水泥颗粒沉降的时间越长,混凝土越易泌水。

  3.2温度对泌水的影响。

  施工时温度升高也同样会使空气流动速度加快,使水泥混凝土表面失水速度加快。

  减少了水泥混凝土内多余水的含量,泌水现象就会减少。

  这也是夜间施工比白天施工、冬季施工比夏季施工更容易泌水的直接原因。

  3.3水泥混合料种类及掺量对泌水的影响。

  不同品种、不同强度等级的水泥的保水性、凝结时间、早期强度都差异较大。

  采用矿渣水泥保水性差,泌水性大,拌制混凝土时容易析出多余水分,形成毛细管通路;粉煤灰水泥需水量较小,泌水速度较快,容易引起失水裂纹。

  3.4 减水剂对混凝土泌水的影响

  对一些有大流动性要求的混凝土,如泵送混凝土,通常采用掺减水剂和泵送剂等办法可以改善混凝土的工作性。

  根据减水剂的作用机理,极性分子吸附在水泥颗粒周围,使得颗粒之间相互排斥,减少絮凝作用,释放被水泥颗粒包裹的水分,同时使水泥颗粒表面的吸附水层变薄,所需的润湿水量大大减少。

  以此机理,减水剂会使新拌混凝土中的可泌自由水量增加,使泌水增大。

  但是另一方面,由于减水剂的减水作用,同样坍落度的混凝土所需的拌和水量大大减水,使混凝土中的可泌自由水量减水。

  最终的泌水情况取决于哪种作用起主导作用。

  减水剂与水泥的适应性也影响混凝土的泌水,关于适应性机理,目前还没有公认的研究成果。

  3.5 集料对混凝土泌水的影响

  混凝土的组成材料砂石集料含泥量较多时,会严重影响水泥的早期水化,黏土中的颗粒会包裹水泥颗粒,延缓并阻碍水泥的水化及混凝土的凝结,从而加剧混凝土的泌水。

  当石子的级配不良时,使混凝土和易性变差,也会导致混凝土泌水。

  如集料粒径越大,混凝土的泌水越严重。

  一般认为,在其他条件相同的情况下,粗集料粒径大比粒径小m的混凝土泌水量大一些。

  而砂的细度模数越大,细颗粒越少、粗颗粒越多,混凝土则越易泌水。

  3.6 配合比对混凝土泌水的影响

  3.6.1混凝土单位用水量的影响

  水泥浆赋予混凝土拌合物一定的流动性。

  在水胶比不变的情况下,单位体积内水泥浆愈多,混凝土拌合物的流动性愈大。

  若水泥浆过多,将会出现流浆现象,使混凝土拌合物的粘聚性变差。

  无论是水泥浆的多少,还是水泥浆的稀稠,对混凝土拌合物流动性起决定性作用的是用水量。

  因为提高水胶比或增加水泥浆的用量最终都表现为混凝土用水量的增加。

  3.6.2混凝土水胶比的影响

  水胶比决定水泥浆的稠度。

  在水泥用量不变的情况下,增大水胶比会使拌合物的流动性加大。

  如果水胶比过大,会造成混凝土拌合物的粘聚性和保水性不良而产生流浆、离析现象,严重影响混凝土的强度。

  因此在混凝土生产时应严格监控用水量的变化,防止用水量严重超出设计用量,这也是生产控制的关键。

  3.6.3混凝土砂率的影响

  砂率是指混凝土中砂的用量占砂石总用量的百分率。

  混合料中,砂是用来填充石子的空隙。

  在水泥浆一定的条件下,若砂率过大,则骨料的总表面积及空隙率增大,混凝土混合物就显得干稠,流动性小。

  如要保持一定的流动性,则要多加水泥浆,增大单位用水量。

  若砂率过小,砂浆量不足,不能在粗骨料的周围形成足够的砂浆层起润滑和填充作用,也会降低混合物的流动性,使混凝土拌合物的粘聚性、保水性变差,使混凝土混合物显得粗涩,粗骨料离析,水泥浆流失。

  3.7 施工方法对混凝土泌水的影响

  施工过程中影响混凝土泌水的因素有振捣和混凝土每层浇筑的高度。

  振捣过程中,混凝土拌和物处于液化状态,此时其中的自由水在压力作用下,很容易在拌和物中形成通道泌出;对钢筋密集的部位,每次浇筑的高度应小于50cm,如大于50cm,则容易导致混凝土振捣不到位,形成泌水。

  另外,泵送混凝土的泌水与泵送工艺有直接关系。

  泵送混凝土,在压力下骨料吸附混凝土中的水分,压送到泵管出口回到大气压下将吸附的水分排出,于是出现了泌水。

  过振也是产生泌水的一项不可忽视的因素。

  在一处振捣时间过长是不利的,它将引起材料的离析,特别是单位用水量大的混凝土更为明显。

  对已浇筑的混凝土,在终凝前进行二次振动,可排除混凝土因泌水在石子、水平钢筋下部形成的空隙和水分,提高粘结力和抗拉强度,并减少内部裂缝与气孔,提高抗裂性。

  混凝土的运输距离远,搅拌时间长,易产生泌水。

  混凝土输送和浇筑过程中,从过高的地方沿溜槽滑下,会加剧离析的发生。

  同一配比的混凝土,浇筑高度越高,泌水量越多。

  4.降低混凝土泌水的措施 改善混凝土性能

  4.1改变设计理念

  现有的规范中对混凝土耐久性是以最大水胶比和最小水泥用量来控制的,其出发点有二,一是根据工程的重要性与设计年限,二是成本与经济性,用水胶比和水泥用量来控制造价,由此来分配混凝土的经济成本,此设计思路,造成同一结构不同部位的混凝土其耐久性有很大区别,这一先天的客观约束导致人们认为水胶比的属性就是为了控制耐久性,与其它无关,是有历史原因的,因为原来的胶凝材料只有水泥,没有其他掺和料,为了服从水胶比定律,只能用调节水胶比的方法来控制建筑成本,现在有了众多活性掺和料,因此,需要控制与混凝土耐久性相关的混凝土泌水问题,就必须控制住混凝土饱和用水量,因此,一般地,混凝土最大水胶比不能大于0.45,最小水泥用量可以小于现行标准直至只要满足强度需要即可,并且,为了发挥掺和料的特性,需要将混凝土的强度评定时间延长。

  4.2 匹配水泥与外加剂

  减水剂的选择首先应根据施工组织设计、施工工艺的要求,确定混凝土从拌和到入模前所需的运输、等待所消耗的时间、环境温度(罐车内温度)对混凝土和易性造成的影响。

  4.3改善配合比设计与验证方式

  4.3.1 材料的选择

  水泥粗细程度的控制指标应以颗粒级配为主。

  水泥应选择出厂温度低、饱和用水量高、流动度大、C3 A,C4 AF小的产品。

  选择水泥生产单位,应进行外加剂相容性试验。

  用外加剂相容性试验优选外加剂。

  外加剂的保塑性能应根据施工要求,季节影响随时调整。

  粉煤灰、矿粉以需水量比和烧失量为主,活性指数、细度次之。

  集料的吸水率不应大于2%。

  4.3.2配合比

  将水泥与减水剂样品进行配伍试验,选取最佳组合。

  将最大水胶比控制在0.45以下。

  检测外加剂的最佳掺量,略低于最佳掺量作为混凝土的实际掺量。

  测得掺外加剂混凝土的饱和用水量作为控制泌水的临界点。

  模拟施工条件进行混凝土坍落度延时损失试验和试件制作。

  试拌混凝土时应考虑水泥的实际温度。

  砂率宜根据入模时的混凝土坍落度确定。

  配合比应根据季节进行适当调整。

  4.4正确使用掺和料

  胶凝材料浆体体积在纯水泥过渡到掺加不同用量粉煤灰的过程中不发生变化是确保抗压强度变化减缓的主要标志,同时,用水量的减少使泌水产生的可能性减小。

  4.5 使用防泌水外加剂

  4.6 优化搅拌设备

  4.7 改善施工工艺

  参考文献

  [1] 冯浩、朱清江.混凝土外加剂工程应用手册[K].北京:中国建筑工业出版社,1999

  [2] GB8076-2008.混凝土外加剂[S]

  [3] SL352-2006.水工混凝土试验规程[S]

  三峡库区不同植被对土壤碳氮磷生态化学计量学特征的影响【2】

  摘要:土壤碳氮磷生态化学计量特征是陆地生态系统生物地球化学循环偶联的关键指标之一。

  以湖北宜昌点军区3种植被类型(柏树地、橘树地、菜地)的土壤作为研究对象,对土壤碳氮磷及其生态化学计量学进行了研究,探讨不同植被覆盖对土壤碳氮磷之间的关系与影响。

  结果表明,不同植被覆盖显著改变土壤碳氮磷含量,柏树地的土壤有机碳和全氮的含量显著大于柑橘地和菜地,而菜地和柑橘地土壤有机碳和全氮含量之间无显著差异,菜地的全磷含量最大,其次是橘树地,柏树地最小。

  3种植被覆盖的土壤碳氮比之间无显著差异,但是柏树地的土壤碳磷比最大,其次是橘树地,菜地的最小;土壤氮磷比是柏树地显著大于橘树地和菜地,而菜地和橘树地之间无显著差异。

  表明三峡库区土壤碳氮偶联反应,而氮磷之间以及碳磷之间并未发生偶联反应。

  相关性分析的结果表明,土壤碳磷比是柏树地>橘树地>菜地。

  碳磷比、氮磷比与有机碳之间的相关性大于全氮和全磷,表明土壤碳磷比和氮磷比主要受到碳的影响。

  关键词:不同植被;碳氮比;碳磷比;氮磷比;生态化学计量学特征

  中图分类号:S153.6+1;Q948 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2016)14-3566-03

  DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.009

  Abstract: Soil carbon (C),nitrogen (N) and phosphorus (P) stoichiometry is a critical indicator of biogeochemical coupling in terrestrial ecosystem. Taking 3 vegetation types(cypress,tangerine trees and vegetable) soil in Dianjun Yichang command of Hubei province as the research object,soil carbon,nitrogen and phosphorus and its ecological chemometrics were studied,and the relationship and influence of different vegetation on soil carbon,nitrogen and phosphorus were discussed. The results showed that although the contents soil organic C(OC) and total nitrogen(TN) of cypress site was significantly higher than those of vegetable site and citrus tree site,which were not significant difference,total phosphorus(TP) followed the order:Vegetable site>citrus tree site> cypress site. Although soil C/N had no significant diffence among three vegetation cover,C/P followed as cypress site>citrus tree site>vegetable site,the trend of N/P was similar to OC and TN. It was suggested that soil C and N remained coupled whereas C and P,N and P become decoupled. The correlation analysis showed the relationship between soil C/P,N/P and OC was higher than those between soil C/P,N/P and TN,TP,indicating that C/P and N/P were mainly affected by soil organic carbon.

  Key words: different vegetation; C/N; C/P; N/P; stoichiometry

  土壤碳氮磷是地球化学养分循环的核心,驱动着土壤内其他养分元素的循环和转化,在元素平衡中发挥着重要的作用[1,2]。

  同时土壤碳氮磷又是目前全球变化中碳循环和生物地球化学循环的研究热点[3]。

  有研究表明土壤碳氮磷相互之间紧密联系[4],土壤碳氮磷的生态化学计量学能够反映土壤内部碳氮磷循环,因而在生物地球化学循环偶联中具有重要的生态指示作用[5-7]。

  目前,虽然有大量的研究报道了黄土高原不同植被区土壤[8]、桂西北不同森林类型土壤[9]、祁连山北坡亚高山草地退耕还林草混合植被对土壤碳氮磷的影响[2]等的生态化学计量学特征,但是很少有研究报道三峡库区不同植被对土壤碳氮磷生态化学计量学特征的影响。

  三峡库区由于复杂的地形条件和自然地质条件,加之人类不合理的土地利用,水土侵蚀严重,导致土壤退化,土壤碳氮磷含量及其土壤碳氮磷生态化学计量学特征发生变化。

  而植被的存在能够截获和储藏水分[10],通过凋落物归还土壤营养物质,所以植被覆盖是决定水土流失和改善土壤质量最为重要的因素。

  然而不同的植被覆盖对土壤质量影响不同。

  这是由于不同植被的凋落物的质和量、根的分泌物以及营养吸收不同,影响土壤微生物群落的活性,进而影响土壤碳氮磷的循环[11]。

  本研究选择三峡库区的3种植被类型(柏树地、橘树地和菜地)作为研究对象,研究其土壤全量养分和生态化学计量学特征,为三峡库区的植被恢复提供一定的理论依据。

  1 研究区概况与方法

  1.1 研究区概况

  研究地点位于三峡库区宜昌市点军区退耕还林区内。

  采集点为同一座山,山顶为次生柏树林,山麓为橘树林,山下平地为菜地。

  该区位于东经110°15′-112°04′、北纬29°56′-31°34′之间,年平均降水量992.1~1 404.1 mm。

  雨水充沛,雨季多发生在6~7月,雨热同季,全年积温较高,无霜期较长,年平均气温13.1~18.0 ℃。

  1.2 方法

  选择柏树地、橘树地和菜地的土壤作为研究对象。

  分别在每个样地选取3个样方,柏树地和橘树地的样方为10 m×10 m,菜地的样方为1 m×1 m。

  在每个样地的样方内用土钻随机取0~10 cm土层的土样,按“S”形布设取样点5个,混合为一个样,捡去枯枝落叶,自然风干,用于土壤有机碳、全氮和全磷的测定。

  土壤有机碳采用重铬酸钾氧化-稀释热法测定,土壤全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定,土壤全磷采用HClO4-H2SO4法测定。

  试验数据的处理比较用Turkey’s-b单因素方差分析,相关性分析用SPSS11.5软件进行Pearson分析。

  2 结果与分析

  2.1 土壤碳氮磷含量特征

  不同植被覆盖的土壤碳氮磷含量如图1所示。

  柏树地的土壤有机碳和全氮含量均显著高于橘树地和菜地,菜地与橘树地无显著差异。

  菜地的土壤全磷含量最高,其次是橘树地,柏树地最低。

  这是因为柏树地从无耕犁过,物种多样性和丰富度较高,大量的凋落物进入土壤中,而在菜地和橘树地,有机残体的减少如地上植物或者菜地的地下根系每年都被收获等,导致有机碳和全氮含量相对较低[12]。

  柏树地位于坡顶,土壤中的磷随着雨水径流冲刷到坡地,且柏树地从未施用磷肥,所以全磷含量最低;橘树地虽然也施用磷肥,但是橘树地位于坡中,雨水的径流也会冲刷磷,降低其全磷含量;菜地在平地,农民为了提高其产量,长期以来施用磷肥,所以磷肥含量最高。

  全磷含量的大小顺序为:菜地>橘树地>柏树地,磷成为柏树生长发育和重要生态过程的限制因子。

  2.2 土壤碳氮磷生态化学计量特征

  土壤碳氮磷的生态化学计量比是评价土壤养分状况和质量的一个重要指标[9]。

  Cleveland等[13]综述了全世界48篇文献的186个表土的观测数据。

  结果表明,不同植被间土壤碳氮磷比存在差异,但是在大多数情况下,其相似性比差异性更显著,土壤碳氮磷比值有显著的稳定性,三者的比值为186∶13∶1。

  本研究中,土壤碳氮比(C/N)为6.45~7.18(图2),表明三峡库区不同植被的土壤碳氮比低于中国土壤碳氮比的平均值范围(10~12)[14],土壤矿化作用较强。

  虽然土壤碳氮含量在不同植被覆盖下有差异,但是土壤碳氮比却无显著差异,这意味着三峡库区土壤碳氮比存在相对的一致性,不受植被变化的影响。

  此研究结果与Tian等[5]、Cleveland等[13]和王维奇等[15]的研究结果一致,不同生态系统土壤碳氮比具有内稳态特征,这主要是由于碳氮元素之间具有极显著的正相关性(表1),而且对环境变化的响应几乎是同步的[13]。

  同时由于碳氮是细胞的结构性成分,积累和消耗过程存在相对固定的比值[16]。

  土壤氮磷比(N/P)为2.09~4.82(图2),小于Tian等[5]的氮磷比5和Cleveland等[13]的碳磷比13.1。

  这说明三峡库区土壤仍然受到氮素的限制。

  且本研究中,柏树地土壤氮磷比显著高于菜地和橘树地,橘树地与菜地无显著差异。

  此结果一方面说明橘树地和菜地比柏树地土壤更易受到氮的限制,另一方面说明土壤氮磷比的空间异质性,这与Tian等[5]的研究结果一致。

  土壤碳磷比(C/P)为13.49~33.19(图2),小于Tian等[5]的中国土壤碳磷比的平均值105和Cleveland等[13]全球的碳磷比186,表明三峡库区土壤微生物有机磷存在净矿化现象。

  本研究中柏树地土壤碳磷比(C/P)最高,其次是橘树地,菜地最低。

  碳氮磷比是土壤有机质或其他成分中碳氮磷总质量的比值,是衡量土壤有机质组成和营养平衡的重要指标[17]。

  本研究结果表明,C/P可能比C/N和N/P与不同植被覆盖具有更高的同步性。

  C/P比C/N和N/P对植被变化可能具有更优的生态指示功能。

  2.3 土壤养分与生态化学计量比的相关性分析

  由表1可知,土壤有机碳与全氮有极显著的正相关,表现出一致的变化规律;土壤有机碳、全氮与全磷无显著的相关性,意味着全磷并未与有机碳及其全氮有一致的变化规律。

  土壤有机碳、全氮含量与碳磷比及其氮磷比有极显著的正相关;全磷含量与碳磷比及氮磷比有显著或极显著的负相关。

  土壤碳磷比、氮磷比与有机碳的相关性大于全氮和全磷,表明土壤碳磷比和氮磷比主要受到有机碳的影响。

  3 小结与讨论

  柏树地由于受外界扰动少,凋落物归还量大于橘树地和菜地,导致其土壤有机碳、全氮含量大于橘树地和菜地,但全磷含量显著小于橘树地和菜地,这是由于柏树地从未施肥,又处于坡顶,雨水的径流冲刷降低了土壤全磷的含量。

  橘树地与菜地的土壤有机碳和全氮含量无显著性差异,但菜地土壤全磷含量显著大于橘树地。

  3种植被的土壤碳氮比之间无显著差异,这可能意味着土壤碳氮比不受植被变化的影响,具有内稳态特征;氮磷比的变化趋势与有机碳和全氮含量一致,而土壤碳磷比是柏树地>橘树地>菜地。

  碳磷比、氮磷比与有机碳的相关性大于全氮和全磷,表明土壤碳磷比和氮磷比主要受碳的影响。

  参考文献:

  [1] ELSER J J,STERNER R W,GOROKHO V A,et al. Biological stoichiometry from genes to ecosystems[J].Ecology Letters,2000, 3(6):540-550.

  基于MODIS/NDVI的河北省植被指数时空变化特征及影响因素分析【3】

  摘要:利用2001-2010年MODIS/NDVI数据和土地覆盖产品数据,分析了河北省植被指数变化特征和时空分布。

  利用趋势分析、偏相关分析、植被异常指数分析等方法对NDVI数据进行计算,得出河北省植被空间分布上的平均状况和变化特征,以及不同植被类型在不同地区、不同海拔高度上的时空变化规律。

  结果表明,①2001-2010年河北省植被指数年际变化整体呈增加趋势。

  植被指数分布有明显的地区差异,呈现北部强于南部、西部强于东部、张家口及沧州市优于其他地区的空间格局。

  ②各植被类型NDVI值大小表现为针阔叶混交林>阔叶林>灌丛>农田>草地>非植被,其中研究期间针叶林和湿地两种植被类型年平均植被指数变化明显。

  ③2001-2010年河北省气温呈下降趋势,降水量变化平稳,增长缓慢。

  而且植被指数与气温的偏相关分析系数有正有负;而与降水量的偏相关分析系数均为正值。

  ⑤河北省不同类型的植被分布与地形尤其是高程有一定的相关性,但研究结果受河北省整体海拔高度的影响,相关性不大。

  关键词:河北省;MODIS/NDVI;气温;降水;偏相关分析

  中图分类号:P28 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2016)14-3605-08

  DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.017

  Abstract:Using MODIS/NDVI data and land-cover data in the time series of 2001-2010 in Hebei province, the spatial distribution and dynamic change characteristics of vegetation index were analyzed. MODIS/NDVI data were calculate by tendency analysis method, anomaly vegetation index analysis, and partial correlation analysis. The average condition and change characteristics of vegetation spatial distribution can be reflected from the data analysis. Besides, the time-space dynamic characteristics of vegetation index of different vegetation types are studied in different regions and different elevation gradient and. The results indicated that(1)During the past 10 years, the annual change of the vegetation was slowly increasing in Hebei province. There are significant spatial distribution differences for vegetation index with the north and west better than the south and east, and the growth in Zhangjiakou and Cangzhou better than other areas.(2)The values of NDVI in different vegetation types are in the following sequence;broadleaf mixed forest > needle forest > shrub > farmland > grassland. The annual average trend of coniferous forest and wetlands changed significantly.(3)The results show that temperature decreased in Hebei province in the last 10 years. The precipitation change was stable in Hebei province, and increased slowly. There is positive or negative partial correlation coefficient between NDVI and temperature in the 10 years. However, there existed a positive correlation coefficient between NDVI and precipitation.(4)The results suggested that the distribution of vegetation type had a certain correlation with the terrain, especially the height. Affected by the overall elevation in Hebei province, the correlation is not obvious.

  Key words: Hebei province;MODIS/NDVI;temperature;precipitation;partial correlation analysis

  政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告显示[1],1906-2005年全球在过去100年间地表平均温度上升了约0.74 ℃。

  而中国在过去100年中,气温也呈上升趋势,约升高0.5~0.8 ℃,但降水年际变化特征突出,增减不一,地区间波动差异显著[2,3]。

  植被作为生态系统的主体,既是气候变化的承受者,也对气候变化产生反馈作用,对全球变化研究起重要的指示作用[4,5]。

  在全球气候变暖的背景下,中国的植被变化明显增强,而植被对气候变化的响应亦成为专家学者研究的热点。

  河北省地处华北平原,地形地貌复杂,生态系统多样。

  近年来河北省经济社会发展迅速,在气候变化和人类活动的影响下,生态环境发生了明显变化。

  本研究利用河北省2001-2010年的MODIS/NDVI数据、40个气象站点逐日气温、降水资料和土地覆盖数据,研究了河北省近10年来不同植被类型的植被指数时空变化特征及其与气温、降水、地形和人为因素的相关性,对研究气候变化与生态系统相互作用机制具有重要意义,同时期望为河北省地区的可持续发展提供一定的技术支持。

  1 研究区概况

  河北省地处华北平原,位于北纬36°03′-42°40′,东经113°27′-119°50′,辖区总面积为18.77万km2,简称冀。

  内环北京和天津两市,周边与辽宁、内蒙古、山西、山东和河南接壤。

  河北省地形地貌复杂多样,西北部为平均海拔在1 300~1 700 m的坝上高原,坝上地区属于温带草原,畜牧业发达;中部为平均海拔500~1 000 m的太行山、燕山山地,阔叶林分布广泛,矿藏丰富;东南部为平均海拔50 m左右的河北平原,位于华北平原内,地势平坦,是主要的农作物种植区。

  2 数据与方法

  2.1 数据来源及预处理

  遥感数据采用美国国家航空航天局(NASA)提供的2001-2010年河北省地区MODIS/NDVI数据和土地覆盖产品数据,并将数据统一地图投影为WGS84地理坐标系,统一分辨率为1 km×1 km。

  气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/)提供的2001-2010年河北省境内及周边其他省份共计40个气象站点的逐日数据,其中包括河北省境内20个气象台站数据(图1)。

  计算得到各气象站点的月降水总量、月平均气温以及年降水总量、年平均气温。

  地形数据来源于中国科学院数据云(http://www.csdb.cn/)提供的90 m分辨率数字高程模型(DEM)数据,利用ENVI软件进行数据转换、拼接和掩膜处理,得到高程数据。

  统计数据包括耕地面积数据和人口数据,来源于河北省对外公布的统计年鉴数据。

  2.2 研究方法

  1)趋势分析。

  研究所用的一元线性回归分析方法是运用最小二乘法,逐像元预测植被指数与时间t之间的线性关系[6]。

  所求斜率b即代表每个栅格的年均植被指数变化趋势,计算公式为:

  式中,xi为时间代表值,如2001,……2010年分别为1,2,3……10;yi为像元i的植被指数NDVI;x为年份代表值的平均数;y为对应像元的多年平均值;n为样本数,b为变化趋势。

  当b>0时,表示植被指数增加;当b< 0时,表示植被指数减少。

  2)植被异常指数分析。

  结合相关研究,陈维英等[7]和Anyamba等[8]采用距平植被指数反映植被异常变化程度,为了避免季节性变异因素的影响,闫俊杰等[9]采用了Liu等[10]和Barbossa等[11]学者提出的标准化处理的植被异常指数,其值更能精确反映植被异常的变化。

  式中,zi为第i年的植被异常指数,NDVIi为第i年的NDVI值,NDVI为年NDVI的累积平均值,δ为NDVI值的标准差。

  植被异常指数对地表干湿状况较敏感,zi< 0时,表示该时期气候干旱,植被生长比正常水平差;zi>0时,表示该时期气候多雨,植被生长比正常水平好。

  3)偏相关分析。

  地理系统是一个庞大的复杂系统,各要素之间都存在某种联系,单一要素改变时,也会引起其他要素的变化,而偏相关分析可以有效地解决这一情况。

  计算公式为:

  式中,rxy.z表示将变量z视为常数后,变量x与y的偏相关系数;rxy、rxz、ryz分别表示x与y、x与z、y与z之间的相关系数。

  其中,相关系数计算公式为:

  式中,rxy表示变量x与y的相关系数;范围在 [-1,1]。

  xi表示第i年年平均NDVI值;yi表示第i年的年平均气温、年降水量;x和y分别表示NDVI和气温、降水的多年平均值。

  3 研究区植被NDVI时空变化特征

  3.1 不同植被类型空间变化特征

  根据IGBP已有的土地覆盖分类系统和河北省地区地形地貌、气候和植被类型的特点,将研究区植被类型系统划分为针叶林、阔叶林、针阔叶混交林、灌丛、草地、湿地、农田和非植被8个类别。

  分类统计河北省各植被覆盖类型NDVI年际变化,其中针阔叶混交林>阔叶林>灌丛>农田>草地>非植被,10年间针叶林和湿地年平均植被指数趋势变化明显(图2)。

  各类型植被指数的年线性趋势系数除针叶林、灌丛、湿地为负外,阔叶林、针阔叶混交林和草地的线性趋势系数为正。

  说明河北省近10年针叶林、灌丛和湿地的植被指数呈减少的趋势;而阔叶林、针阔叶混交林和草地的植被指数呈增加的趋势,其中草地增加最大,阔叶林、针阔叶混交林次之;其他覆盖类型的植被指数变化不显著。

  分类统计河北省各覆盖类型的近10年平均NDVI值,数值广泛分布在0.2~0.6之间。

  3.2 不同分区的植被空间特征

  由图3可知,冀东地区2001-2010年植被指数呈缓慢增长的趋势,分类统计各植被类型NDVI变化,其中阔叶林、针叶林和湿地年平均植被指数趋势变化明显,起伏较大。

  各类型植被指数的年线性趋势系数除阔叶林、草地、农田为正外,其他植被类型的线性趋势系数均为负。

  说明近10年阔叶林、草地和农田的植被指数呈增加的趋势。

  由图4可知,冀中地区2001-2010年植被指数呈缓慢增长态势,分类统计各植被类型NDVI年际变化,其中湿地和针叶林年平均植被指数趋势变化明显,起伏较大。

  各类型植被指数的年线性趋势系数除针叶林为负外,阔叶林、针阔叶混交林、草地和湿地植被类型的线性趋势系数均为正。

  说明近10年针叶林的植被指数呈减少的趋势,阔叶林、针阔叶混交林、草地和湿地的植被指数呈增长的趋势,灌丛和农田的植被指数变化不明显。

  由图5可知,冀北地区2001-2010年植被指数呈缓慢增长态势,分类统计各植被类型NDVI年际变化,其中湿地年平均植被指数趋势变化明显,起伏较大。

  各类型植被指数的年线性趋势系数除灌丛为负外,针叶林、阔叶林、针阔叶混交林、草地和湿地植被类型的线性趋势系数均为正。

  说明近10年灌丛的植被指数呈减少的趋势,针叶林、阔叶林、针阔叶混交林、草地和湿地的植被指数呈增长的趋势,农田的植被指数变化不明显。

  由图6可知,冀南地区2001-2010年植被指数呈缓慢增长趋势态势,分类统计各植被类型NDVI年际变化,其中湿地、针叶林和阔叶林年平均植被指数趋势变化明显,起伏较大。

  各类型植被指数的年线性趋势系数除非植被表现不明显外,阔叶林、针阔叶混交林、草地和湿地植被类型的线性趋势均为正,且趋势较明显,针叶林、灌丛和农田次之。

  说明近10年冀南地区的植被指数均呈增长的趋势,环境有所改善。

  3.3 研究区植被NDVI空间差异特征

  河北省地区2000-2011年植被NDVI标准差介于0.001~0.146之间,整体表现为西北地区和东部沿海地区变化最剧烈,中部地区次之,东北部地区变化最小。

  具体而言,除非植被外,近10年植被NDVI变化明显的地区主要分布在张家口市、沧州市东部、石家庄市、保定市及衡水市中部地区;而变化趋势较小的地区主要为研究区的西北部,包括承德市等地区。

  针叶林、阔叶林、湿地植被覆盖类型NDVI变化最剧烈,灌丛、草地次之,其他植被类型变化不明显(图7)。

  利用线性回归系数计算栅格中每一个像元值的年际变化情况,即在像元尺度的动态倾向,从而明确研究区10年间NDVI植被指数年际变化趋势的空间分布情况。

  当b< 0时,表明像元值随时间变化呈减小趋势;当b>0时,表明随时间变化像元值呈增加趋势,且b值越大增长越快。

  河北省地区植被NDVI变化趋势的平均值为0.23%/10年,NDVI呈增加趋势的面积占74.41%,主要分布在张家口市、沧州市、衡水市和承德市大部;NDVI呈减少趋势的面积占25.29%,其中张家口市西北部、唐山市、秦皇岛市南部、保定市南部、石家庄市、邢台市中部、邯郸市中部和廊坊市北部存在植被退化现象。

  总体而言,近10年河北省地区植被NDVI变化趋势为:北部强于南部、西部强于东部、张家口及沧州市强于其他地区。

  4 河北省地区NDVI影响因素分析

  4.1 河北省地区气候变化特征

  植被覆盖变化与气候因子之间的关系是研究区域生态系统对全球变化响应程度的重要前提和基础,而温度和降水是影响植物生长的两个重要方面。

  研究区2001-2010年的年平均气温,年均气温波动较大,变化呈缓慢下降趋势,减速为0.5 ℃/10年,其线性趋势线斜率为-0.05。

  温度峰值出现在2002、2004和2007年,其中2007年气温升高明显。

  2008-2010年气温持续下降。

  分类统计研究区2001-2010年的年总降水量,年降水量波动不大,变化呈上升趋势,增速为104.7 mm/10年,其线性趋势线斜率为10.47。

  降水量峰值出现在2003和2008年,波谷出现在2002、2006和2009年。

  10年来年均气温和降水总量空间特征的比较分析,可以得出:

  1)10年间河北省气温空间变化不大,气温随着纬度和海拔的增高而降低,尤其是张家口、承德坝上地区以及河北省与山西省交界处太行山脉地区年均气温最低;河北省南部平原地带气温最高。

  其他地区次之,为过渡区域。

  10年间,低气温的区域面积在逐渐扩大,而高气温的区域面积在逐渐减少,只是变化极其缓慢。

  2)研究区内降水量由西北向东南呈阶梯式增长,而这种梯状分布与地形海拔有一定的相关性,与西北部坝上高原区、中部山地、东南部平原区相对应。

  4.2 植被异常指数的变化分析

  根据公式(2),实现植被异常指数的逐像元计算,得到2001-2010年河北省植被异常指数的空间分布。

  河北省地区地形复杂,在地形条件的影响之下,不同区域水热条件各异。

  植被异常指数对干湿环境变化响应敏感,受局部小气候影响河北省地区植被异常指数变化的区域性差异很大。

  张家口市和承德市之间的坝上草原地区分别于2004年和2001年出现最高值和最低值;河北省中部保定市、石家庄市、衡水市一带的农业种植区则于2007年和2001年出现最高值和最低值,2008年时该区的植被异常指数也达到较高值。

  就整个地区植被异常指数的平均状况来看,2001年是降水量较低和气温较低的年份,研究区植被异常指数平均值为-1.14,成为植被覆盖最低的一年;2008年和2004年均是降水量较高和气温较低的年份,研究区植被异常指数平均值为0.90、0.62,成为植被覆盖最高的两个年份。

  2003年降水最多,气温也较低,植被异常指数小于0的面积占总面积的57.3%;2002年降水最少,年累积降水量占平均值的86.3%,受干旱胁迫,研究区79.0%的面积植被异常指数小于0,整个区域的平均值也降到了-0.61(表1)。

  4.3 NDVI与气候因素相关分析

  为保证数据的准确性及研究结果的可信度,植被NDVI变化对气候因子的响应采用逐站点进行偏相关分析的方法,具体做法为:根据研究区气象站点位置,利用ArcGIS提取各个气象站点周边(3 km×3 km)年NDVI平均值,作为该站点的NDVI值,进而与各个站点的年平均、降水量进行偏相关分析。

  以年为时间单位,分别计算各站点NDVI与气温、降水的偏相关系数,其中NDVI与降水的偏相关系数均为正值,且整体呈下降趋势;NDVI与气温的偏相关系数在正负之间波动,且整体呈下降趋势(图8)。

  在空间上,NDVI与气温的偏相关系数较大的区域在承德市南部、秦皇岛市、唐山市等地,而负相关区域主要为承德市北部、张家口市与承德市交界处、沧州市南部以及石家庄市等地;NDVI与降水偏相关系数高值区在廊坊市、保定市、沧州市北部和张家口市等地,且负相关区域位于承德市北部、张家口市及邢台市(图9)。

  4.4 NDVI与地形影响因素分析

  在研究区内选取20个样点区,样点区选择与河北省境内20个气象站相同的地理分布,统计 NDVI和海拔高度的平均值,计算海拔高度与NDVI的相关系数。

  在不区分植被类型的情况下,2002年的NDVI与海拔高度的相关系数为-0.159,2004年为-0.189,2006年为-0.12,2008年为-0.262。

  结果表明,研究区内的植被指数与海拔高度呈现弱的负相关关系。

  其原因可能是植被类型较多,植被指数还受海拔高度、地形地貌、气候、植被覆盖等因素影响,因此当所有影响因素混在一起时,海拔高度的影响变得不明显。

  在研究区内选取分布广泛的针叶林、阔叶林、针阔叶混交林、草地、灌丛、农田6种植被类型为研究对象,研究不同植被类型的植被指数与海拔高度的关系。

  具体方法如下:将河北省地区按照每100 m等高距进行分级分区,并统计该区在不同海拔等级上所包括的所有植被类型的平均植被指数,以此来分析海拔高度与不同植被类型平均植被指数之间的相关关系。

  由图10可知,不同类型的植被NDVI随海拔梯度的上升有不同的变化规律,而不同时间的同种类型的植被NDVI随海拔梯度的变化具有相似的变化规律。

  河北地区的林地主要分布于海拔500 m以上的地区,植被类型主要为针叶林、阔叶林和针阔混交林,在海拔500~1 500 m之间植被指数比较平稳,随着海拔的升高,植被指数缓慢下降。

  灌丛主要分布于海拔300 m以上的地区,在海拔300~2 000 m之间植被指数比较平稳,随着海拔的升高,灌丛零星分布。

  草地主要分布于海拔200 m以上的地区,其植被指数随着海拔高度的增长,总体上比较平稳但变化曲线出现了一定的波动。

  由于草原的植被种类较多,分布区域广,且草原的植被类型本身决定了其容易受温度、降水等因素的影响,因此,变化曲线的波动较大。

  分界点大致出现在1 500 m左右,低于分界点植被指数缓慢下降,分界点1 500 m以上植被指数缓慢上升。

  说明河北地区的该海拔高度适合草甸植被的生长,其中张家口和承德坝上地区平均海拔在1 500 m左右,属于典型的草甸式草原。

  农田主要分布在海拔2 000 m高度以下的地区,植被指数随着海拔高度的升高,基本保持不变,始终在一个很小的范围内变化,这主要因为农田生态系统是一个人工生态系统,不能单纯依据海拔的变化决定其生长状况。

  根据相关系数计算公式,计算2001和2010年不同植被类型与海拔高度的相关系数(表2)。

  由表2可知,阔叶林、针阔叶混交林和农田的植被指数与海拔高度有一定的负相关性,但相关性不大;针叶林、灌丛和草地的植被指数与海拔高度有较强的正相关性。

  受河北省整体海拔高度的影响,不同植被类型的植被指数在海拔差异不明显的情况下,受地形的影响不大。

  4.5 NDVI与人为因素分析

  河北省是农业和人口大省,耕地面积、人口数量的变化和政策导向是人类活动影响的重要方面。

  本研究分析了耕地面积、人口数量与植被NDVI的相关关系。

  耕地数据为2001-2008年的数据,耕地面积呈下降趋势。

  人口数据为2001-2010年河北省统计年鉴数据,人口数量呈上升趋势(图11)。

  由于人口数据和耕地数量变化以年平均值作为计算单位,它们的变化程度相对平缓。

  人口数量的增加和耕地数量的持续减少对植被覆盖情况有影响,但影响不大,植被NDVI各年仍波动较大,说明近年来植被NDVI的波动在一定程度上归因于气候变化的影响。

  人口和耕地的数据后期需要细化,以期更好的对植被指数变化研究进行模拟演算。

  5 小结与讨论

  根据2001-2010年的河北省MODIS/NDVI遥感数据及土地覆盖产品数据,和与之相匹配的河北省地区各气象站点气温、降水观测资料,DEM数据和河北省耕地、人口统计数据,进行河北省地区针叶林、阔叶林、针阔叶混交林、灌丛、农田、湿地、草地和非植被8种主要植被类型的NDVI与气温、降水、DEM、人为因素的影响关系研究,得出以下结论。

  1)2001-2010年河北省境内针叶林、阔叶林、湿地植被覆盖类型NDVI变化最剧烈,灌丛、草地次之,其他植被类型变化不明显。

  河北省地区NDVI与气温和降水均有一定的偏相关性,NDVI的波动与降水变化均为正的偏相关,与气温变化的偏相关性有正有负。

  近年来降水量的增加,是研究区NDVI增长的一方面原因。

  当然,科学的农业措施也会改变植被生长对气候条件的依赖。

  2)河北省NDVI与地形有一定的相关性。

  分析原因为林地、灌丛对温度、降水等环境因素的响应不敏感,而近年来政府加强了环境保护力度,人工林的增加使林地对气温、降水的依赖减小,相关性减弱,因此这些植被的植被指数随海拔的变化趋势一致,波动较小。

  而草类植被易受气温、降水等因素影响,随着海拔的升高,气温、降水有较明显变化,所以这类植被的植被指数波动也变大。

  农田变化主要受人为和气候因素两方面的干扰,当地居民因地制宜,选择合适的农作物来适应当地环境,因此与影响因素的关联也相对减弱。

  3)人类活动仅考虑耕地和人口两方面不免片面,而森林滥砍滥伐、农田过度开垦、植被过度放牧和城市扩张,使植被趋于退化,受人类活动影响较大。

  但河北省近年来推行京津风沙源治理、三北防护林、太行山绿化、沿海防护林等重点造林项目,保护环境的力度不断加大,也是河北省地区植被改善的主要原因。

  本研究中虽考虑了气候因子(温度、降水)、地形因素(高程)和人为因素对植被的影响,如果对各因素进行综合分析,通过建立相关数值模型,模拟和预测区域植被覆盖,采用物理意义更为明确的生态模型来进行机理性分析,将更具实际指导作用,这也将是下一步工作的方向及任务。

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