晋西黄土区土地利用对降雨入渗产流模式和优先流分布的影响试验研究

黄土高原退耕还林(草)工程显著改变了河川径流过程,但其作用机制尚不明晰。选取晋西黄土区4种典型下垫面(20年和30年刺槐人工林地、草地、休耕地)分别开展连续3场模拟降雨试验,观测坡面入渗产流过程,并结合染色示踪和图像处理软件技术,分析土地利用类型对坡面降雨入渗产流模式和优先流分布的影响。结果表明：(1)累积入渗量和优先流发育程度均表现为刺槐林地>草地>休耕地,刺槐林地优先流对总入渗的贡献是草地和休耕地的2.5—4.5倍,但优先流贡献均不超过10%,仍以基质流入渗为主。(2)4种用地类型降雨入渗主要补给地表60—70cm土层,前期降雨均匀增加表层土壤含水率,而后期降雨补给深层土壤水分的空间变异性显著增强。(3)刺槐林地产流量及径流系数均显著小于草地和休耕地,且前期含水量对20年刺槐林地的影响较小,而显著影响草地和休耕地径流系数。(4)直径d<1mm的细根显著促进降雨入渗和优先流发育,而d>5mm的粗根与入渗量和基质流量呈显著负相关。较高的土壤初始含水率、容重和粘粒含量会抑制入渗和优先流的发生。研究说明不同土地利用类型将改变降雨入渗产流过程及土壤水运动形式。     

不同初始含水率下粘质土壤的入渗过程

土壤入渗是降雨渗入土体形成土壤水的基本水文过程,土壤渗透能力影响着地表径流和土壤侵蚀强度。土壤初始含水量决定了入渗初期的土水势,是影响土壤入渗过程的重要因素。利用环刀法,观测了三峡库区林地和草地的土壤入渗过程,对比分析了不同初始含水率下土壤入渗率和常用入渗模型的适宜性。结果表明,随土壤初始含水率的增大,林地和草地下土壤初始入渗率减小,入渗趋于稳定所需时间缩短,累积入渗量和稳定入渗率增大。土壤含水率为12%的林地初始入渗率为8.95 mm/min,是含水率40%林地初始入渗率的4倍,但1h累积入渗量仅是含水率40%林地的2/3。有机质含量丰富的草地土壤入渗过程对初始含水率的敏感性较弱,干湿草地相比较入渗参数的差异不如林地明显。随时间的延长,土壤入渗率逐渐降低,入渗曲线渐趋平缓,最小二乘法拟合结果显示Horton模型对林地和草地下土壤入渗过程的拟合效果较好,且模型参数具有物理意义,是分析和预测三峡库区林草覆盖下土壤入渗过程的适宜模型。     

天山林区不同群落土壤水分入渗特性的对比分析与模拟

土壤入渗特性是影响森林生态水文过程的一个重要环节。为了比较不同群落类型土壤水分入渗特性的差异,在天山中段北坡林区利用环刀法测定天然林、人工林、林窗草地、草地、林缘灌木林、山前灌木林六种群落类型的森林土壤入渗过程,对比分析有机质含量、毛管孔隙度、容重、含水率等土壤理化性质对入渗过程的影响,用三种常用模型进行入渗过程模拟,分析比较这/min之间,稳定min之间,不同群落类型土壤平均入渗率从大到小的排序为:天然林林缘灌木林窗草地草地人工林山前灌木;(2)六种群落类型土壤入渗性能均具有初渗速率平均入渗速率稳定入渗速率的相同趋势;(3)Kostiakov模型对试验六种群落类型土壤入渗过程的拟合精度比较高,适用于描述本研究区域水源涵养林地土壤入渗特征;(4)土壤有机质含量与土壤入渗速率呈正相关,且与初始入渗率达到显著水平;土壤的含水率、土壤毛管孔隙度和土壤容重与土壤入渗能力呈现显著的负相关。通过观测与模拟不同群落类型的土壤水分运动过程,本文可为天山林区生态水文长期定位观测提供有益借鉴。     

古尔班通古特沙漠南缘融雪水土壤入渗量

融雪水土壤入渗量是干旱区沙漠重要的水平衡收入项.2012-2013、2013-2014年两个冬季对古尔班通古特沙漠南缘沙丘西坡、东坡和丘间地降雪前和融雪后的土壤含水率进行监测,根据水量平衡原理计算了沙丘西坡、东坡、丘间地和景观尺度上的融雪水土壤入渗量,并与采用筒测法的实测结果进行比较.结果表明： 降雪前土壤含水率较低,未冻层非饱和土壤水对地表冻结层土壤水分的补给可忽略不计;融雪入渗水是表层土壤获得补给的主要水源;冻结期潜水既没有蒸发,积雪融化后潜水也没有获得补给;研究区西坡、东坡、丘间地和景观尺度上的融雪水土壤入渗量分别为20～43、27～43、32～45和26～45 mm.
     

黄土塬区土地利用方式对土壤大孔隙特征的影响

土壤导水率及大孔隙数量是决定降雨-入渗的重要参数,对模拟土壤水分及溶质运移、建立流域水文模型具有重要意义.为确定黄土区土地利用方式对土壤大孔隙特征的影响,本文通过Hood入渗仪及土壤水分特征曲线,比较了该区刺槐林地、草地、小麦地、苹果林地土壤导水率、大孔隙度和大孔隙连通性的差异.结果表明: 研究区刺槐林地、草地、小麦地、苹果林地的平均饱和导水率分别为58.60×10^-6、54.90×10^-6、35.30×10^-6、23.40×10^-6 m·s^-1,存在显著性差异.不同土地利用方式下的单位面积有效大孔隙数目、大孔隙度及大孔隙连通性均依次为:刺槐林地≈草地>小麦地>苹果林地.植被恢复通过植物根系穿插、土壤动物活动等形成大孔隙,可显著提高土壤入渗性能.黄土区应坚持林草植被恢复措施.     

黄土丘陵区人工林细根生物量及其影响因素

为揭示黄土丘陵区人工林细根生物量变化差异及其关键影响因素,本文分析了该区主要造林树种细根生物量大小、垂直分布特征及其与植被群落多样性、土壤因子的关系。以8种人工林为研究对象,包括:柠条40 a、柠条30 a、柠条15 a、刺槐45 a、刺槐15 a、侧柏15 a、灌木混交(柠条与山杏1∶1混交)40 a及乔木混交(刺槐与侧柏1∶1混交)15 a,采用根钻法每隔10 cm采集0~30 cm土层细根。结果表明:细根生物量大小表现为侧柏15 a刺槐15 a柠条15 a;随着林龄的增加,柠条和刺槐人工林细根生物量均呈显著增加(P0.05),柠条、刺槐从15 a到40和45 a分别增加了57.8%和41.0%;相似林龄混交林与纯林的细根生物量大小差异不显著;不同人工林细根生物量均表现为随土层深度增加而显著降低。基于RELATE的相关检验和"Best"模型的生物-环境分析,黄土丘陵区人工林细根生物量与土壤理化性质显著相关(r=0.303,P0.01),尤其是土壤全氮与有机碳含量对人工林细根生物量影响较大;而人工林细根生物量与植被群落多样性相关性不显著。说明随着恢复年限增加,土壤碳、氮含量提高,可以有效提高人工林细根生物量。     

科尔沁沙地人工小叶锦鸡儿植被水分入渗动态研究

通过对科尔沁沙地不同年龄人工小叶锦鸡儿固沙植被降雨入渗的研究 ,阐明植被对沙地水分入渗的影响。结果表明 ,在降雨量 4 3 4mm ,降雨强度 3 9mm·h-1时 ,降雨后 12 0h内流动沙丘和 5年生人工小叶锦鸡儿植被的水分入渗深度分别为 180cm和 15 0cm ,15年生人工小叶锦鸡儿植被降雨入渗深度为 10 0cm。流动沙丘降雨后土壤水分变化剧烈 ;有植被沙地降雨后土壤水分变化平缓 ,水分下渗浅 .随着植被年龄的增加 ,浅层土壤截留降雨能力不断加强 ,最终形成不透水土层。降雨后短期内流动沙丘浅层土壤中含水量高 ,后期有植被沙丘深层土壤含水量高     

定容重条件下生物炭对半干旱区土壤水分入渗特征的影响

了解生物炭添加土壤后对水分入渗过程的影响,可为半干旱区生物炭还田对土壤水文过程的影响评价提供科学依据.本文采用室内土柱模拟方法,在定容重条件下研究了3种生物炭粒径(1～2 mm、0.25～1 mm和≤0.25 mm)和4种添加量(10、50、100和150 g·kg^-1)对两种不同质地土壤(塿土和风沙土)累积入渗量、吸渗率和稳定入渗率的影响.结果表明: 与对照相比,生物炭总体上能够明显增加塿土入渗能力,降低风沙土入渗能力.在入渗100 min时,塿土添加生物炭处理的平均累积入渗量比对照高25.1%;在入渗15 min时,风沙土添加生物炭处理的平均累积入渗量比对照低11.1%.相同生物炭添加量下,生物炭粒径均对塿土累积入渗量具有促进作用,但不同添加量处理的最大作用粒径不尽一致.对于风沙土累积入渗量,低添加量(10 g·kg^-1)时,除≤0.25 mm粒径促进作用不明显外,其他两种粒径均表现出明显的促进作用,而高添加量(50、100和150 g·kg^-1)则表现出抑制作用,且100和150 g·kg^-1粒径处理风沙土累积入渗量随生物炭粒径的减小呈递减趋势.相同生物炭粒径下,风沙土的累积入渗量随着生物炭添加量的增加而递减,塿土则规律不明显.利用Philip入渗模型拟合的决定系数在0.965～0.999,拟合效果较好,说明此模型适合对添加生物炭的土壤水分入渗过程进行模拟.生物炭粒径、生物炭添加量及两者的交互效应对两种土壤的吸渗率和稳渗率均有显著影响,且生物炭添加量对入渗的影响最显著.生物炭对土壤水分入渗特征的影响取决于土壤的质地类型,且该影响程度与添加量呈正相关关系.     

广州市典型绿地土壤水分入渗特征

绿地对于缓解城市洪涝灾害具有非常重要的作用,对其土壤入渗的定量化研究是评价城市绿地雨洪调蓄能力的关键。受城市土壤空间异质性的影响,不同功能区绿地土壤水分入渗速率的差异较大。采用双环入渗仪对广州海珠国家湿地公园典型乔草和灌草绿地的土壤水分入渗特征进行测定,并对其影响因素进行分析,结果表明：（1）广州海珠国家湿地公园的绿地土壤水分入渗性能处于中等至较高水平,但受机械和人为压实作用,绿地土壤容重偏大,总孔隙率偏低,加上外来客土影响,土壤物理性黏粒含量高,且有人为侵入体混入等,从而抑制了绿地表层土壤的水分入渗;（2）灌草相对于乔草对绿地表层土壤水分入渗的改善更为明显,这主要与前者的根系分布较浅有关,此外灌草绿地的凋落物更易留存,且其细根分解较快,这均有助于表层土壤有机质的及时返还,从而促进了绿地表层土壤的水分入渗;（3）广州海珠国家湿地公园绿地土壤的水分累积入渗量随时间变化更符合Kostiakov模型。未来广州市绿地的建设及管理应减少土壤压实及外来客土混入,适当增加灌草比例,使其兼顾旅游休闲和雨洪蓄积功能,从而有助于海绵城市的高效建设。     

耕作对土壤入渗性能的影响

耕作影响降雨入渗、径流、土壤侵蚀过程。研究采用新型的坡地降雨条件下土壤入渗能力的径流-入渗-产流测量方法和仪器,野外观测宁夏南部山区坡耕地与撂荒地土壤入渗性能,揭示耕作对土壤入渗性能影响的规律。在坡度为20°、土壤表层含水量11.3%的坡地进行测量。采用的降雨强度为:20,40,56mm·h-1。结果表明,新型测量方法和仪器可以很好地测量坡面土壤入渗性能的全过程,并且具有省水、省工、操作方便的特点,且测量精度高。对比测量结果表明,坡耕地的初期土壤入渗性能在小雨强条件下略高于撂荒地的入渗性能,而在大雨强条件下则一直低于撂荒地的入渗性能。随雨强的增大坡耕地的入渗性能急剧减小,而撂荒地的入渗性能基本不受雨强变化的影响。坡耕地土壤的入渗性能(土壤结构)对降雨强度极为敏感,而撂荒地具有稳定的土壤结构和入渗性能。在3种雨强下,坡耕地的产流时间均比撂荒地提前。与撂荒地相比,各种雨强条件下坡耕地的稳定入渗率都较撂荒地明显降低。     

Soil water dynamics and vegetation patterns in a semiarid grassland

Long-term (1985–1992) dynamics and spatial variations in soil water below the evaporative zone were evaluated for a shortgrass steppe with a low and variable precipitation regime. Each of a sandy loam, clay loam, and two sandy clay loam sites comprised a toposequence with upland, midslope and lowland positions. Soil water was monitored at 15 cm intervals providing estimates covering 22.5 to 97.5 cm depths.Soil water throughout the profile was highest in the clay loam site and lowest in the sandy loam site. However, stored soil water did not vary systematically among slope positions. Total vegetation cover was highest on the lowland in two sites, but was greatest on the midslope position in the other two. Total vegetation cover was greatest on the CL site, which was the wettest in terms of soil water. Soil water depletion was related to the depth-distribution of roots. There was an inverse relationship between aboveground production and soil water content of the 30, 45 and 60 cm layers during the growth period. Root distributions through the profile did not, however, vary with soil texture or with different soil water profiles controlled by texture. The less variable water content of deeper soil layers is a resource which potentially buffers the impact of pronounced variability in precipitation and thus contributes to vegetation stability of the shortgrass community.     

The pervasive and multifaceted influence of biocrusts on water in the world's drylands

The capture and use of water are critically important in drylands, which collectively constitute Earth's largest biome. Drylands will likely experience lower and more unreliable rainfall as climatic conditions change over the next century. Dryland soils support a rich community of microphytic organisms (biocrusts), which are critically important because they regulate the delivery and retention of water. Yet despite their hydrological significance, a global synthesis of their effects on hydrology is lacking. We synthesized 2,997 observations from 109 publications to explore how biocrusts affected five hydrological processes (times to ponding and runoff, early [sorptivity] and final [infiltration] stages of water flow into soil, and the rate or volume of runoff) and two hydrological outcomes (moisture storage, sediment production). We found that increasing biocrust cover reduced the time for water to pond on the surface (?40%) and commence runoff (?33%), and reduced infiltration (?34%) and sediment production (?68%). Greater biocrust cover had no significant effect on sorptivity or runoff rate/amount, but increased moisture storage (+14%). Infiltration declined most (?56%) at fine scales, and moisture storage was greatest (+36%) at large scales. Effects of biocrust type (cyanobacteria, lichen, moss, mixed), soil texture (sand, loam, clay), and climatic zone (arid, semiarid, dry subhumid) were nuanced. Our synthesis provides novel insights into the magnitude, processes, and contexts of biocrust effects in drylands. This information is critical to improve our capacity to manage dwindling dryland water supplies as Earth becomes hotter and drier.     

黄土丘陵区人工沙棘林水土保持作用机理及效益

沙棘是我国半干旱地区用于水土保持造林的主要生态经济型树种,在“三北”地区生态环境建设中发挥重要作用.对野外试验资料分析表明,7～10龄沙棘林冠年平均截留率为85%,6～10龄沙棘林地枯落物层单次可截留089mm降水;沙棘林通过改善土壤理化性质,具有提高土壤入渗和抗冲性能作用,其中土壤中毛根数量是决定土壤抗冲能力的主要指标.沙棘林的水土保持作用随林龄变化明显,幼林(2～3龄)阶段的作用很小,降水特性是决定林地产流产沙量的主要因素;成林(4～5龄)阶段,产流产沙量受降水和林分生长的共同影响;成林后(6～12龄)阶段,降水特性的影响很小,林地产流产沙量维持相对稳定,年径流深与侵蚀模数分别为03～34mm、0～675t·km^-2.幼林至成林(2～5龄)阶段,径流含沙量急剧减少,成林后(6～12龄)阶段,径流含沙量趋于稳定,含沙量变化在0～509kg·m^-3.     

油松人工林火烧迹地早期土壤入渗动态

土壤入渗是决定雨水或融水通过地表再分配给土壤的关键, 影响着森林生态水文过程。为研究北京油松(Pinus tabulaeformis)人工林火烧迹地早期土壤入渗特征及其结构性控制因素, 在火灾发生(2019年3月)的当年对火烧和对照样地的0-20 cm土壤进行为期8个月(5-12月)的采集, 测定分析土壤结构和入渗对火烧干扰的响应及随土壤深度和时间的变化, 并通过路径分析探讨火烧和土壤结构性质对土壤入渗的作用机制。结果表明: 1)土壤各结构指标(除小团聚体外)随土壤深度和时间变化总体具有浅层>深层和6-8月>其他月份的趋势。火烧改变了土壤结构原有的垂直分布特征和季节动态规律, 火烧后2个月土壤>5、2-5和1-2 mm团聚体含量和容重显著增加, 其余指标均显著减少。随土层加深和时间推移, 火烧的作用减弱, 但与土壤深度和时间变化具有明显的交互效应。2)土壤入渗特征随土壤深度变化缓慢, 但随时间变化显著, 表现为雨水较多且出现强降雨事件的8月土壤初渗速率、稳渗速率、入渗总量和饱和导水率最大。火烧后0-5 cm和6-9月的土壤入渗过程与对照相比差异较大, 各月土壤入渗特征均下降, 出现峰值时间提前1-2个月。3)火烧显著影响土壤结构性质, 而土壤入渗性主要受土壤结构性质的直接影响。在未受火烧干扰的情况下, 土壤的入渗性受到土壤团聚体、容重和持水量的正效应以及孔隙度的负效应, 有机质含量和初始含水率对入渗性的直接影响均不显著, 但有机质含量可以通过影响孔隙度或持水量间接影响入渗性。火烧后土壤初始含水率是唯一显著且直接影响入渗性的因素, 且初始含水率越高, 土壤入渗越慢。综上所述, 火烧会改变或解耦火烧迹地早期土壤结构对土壤入渗及其内部的作用程度及途径而间接影响土壤入渗。     

黄土高原不同土壤质地农田土壤碳、氮、磷及团聚体分布特征

结合野外观测和室内分析,研究了黄土高原不同土壤质地农田土壤碳、氮、磷含量及其生态计量学特征,以及土壤团聚体分布状况,以揭示土壤质地对区域农田土壤肥力的影响,以及土壤团聚体对肥力的调控作用.结果表明: 黄土高原农田土壤大团聚体含量、主要养分含量及其生态计量比值均随土壤质地由细变粗(壤质黏土→黏壤土→砂质壤土)逐渐降低;土壤pH值和微团聚体含量则呈现出相反的变化趋势. 随土壤黏粒含量增加,大团聚体含量、有机碳、全氮和全磷含量,以及C/P和N/P显著增加,土壤pH和微团聚体含量显著降低. 土壤有机碳、全氮和全磷含量,以及C/P和N/P随大团聚体含量的增加显著增加.表明区域尺度上农田土壤肥力状况取决于土壤质地,并受土壤大团聚体的调节.     

黄土高原景观格局与水土流失关系研究

采用DCCA排序法对黄土高原腹地泾河流域12个子流域的景观格局与流域水土流失关系进行了定量分析.结果表明,DCCA排序的前4轴分别与农业用地比率、景观多样性指数、森林比率显著相关.各子流域的水土流失特征具有明显的梯度变异.在森林比率占65%的三水河子流域,景观相对简单、多样性低,流域年径流量大、输沙小、含沙量低,径流相对稳定;随着森林比率减小,农业用地比率增大,景观多样性升高,产流系数增高,径流深度、输沙量和含沙量增大;在森林比率很低、农业用地53.41%的洪河子流域,景观格局复杂、多样性较高,河流含沙量高、输沙率大,月输沙和径流变异极大;在农业用地比率减小,其他景观类型比率增大,景观相对简单的环江上、下游子流域,输沙量和含沙量减小,但输沙和径流的年际变化极大.排序分析结果较清晰地解释了黄土高原典型地区水土流失特征沿景观梯度的变化规律.     

长江上游亚高山暗针叶林土壤水分入渗特征研究

长江上游以峨嵋冷杉为主的亚高山暗针叶林流域土壤质地较粗,属于壤质砂土。随着森林演替的发展,林地土壤砂粒含量逐渐降低,粉、粘粒含量逐渐增加,以过熟龄峨嵋冷杉纯林的粉粘粒含量为最高。就坡积物而言。随土层深的增加,砂粒含量逐渐增加,粘粒含量逐渐减小。随森林演替的进展和土层深度的减小,土壤容重逐渐减小,土壤孔隙度和土壤贮水力逐渐增大,研究区土壤非饱和导水率随土层深度的增加和土壤含水量的减小而减小,并与土壤含水量呈指数函数关系。随土层深度的增加,土壤饱和导水率呈负指数递减,不同土层到达稳渗的时间有差异,随土层深度的增加,稳渗时间增加,平均在110min左右。该流域暗针叶林带土壤质地上的变化和土壤水分物理性质的分异以及土壤水分的高入渗性是该暗针叶林流域水文循环中森林对水分传输调节的具体体现,也可以为该流域很少见到坡面径流或地表径流,而大部分以壤中流、回归流和地下渗漏等径流形式出现的机制作出有力的解释。     

华北山区典型人工林土壤水势动态和水分运移规律

大规模植树造林工程有效缓解了我国北方水土流失等问题,但伴随植被生长和降水格局变化,水循环过程发生明显改变。土壤水分运动是水循环的关键过程,研究变化环境下人工林植被土壤水分运移规律,对植被生态恢复具有重要意义。基于2014-2018年多时间尺度（半小时、天、月和年）华北山区崇陵流域典型人工侧柏林和荒草土壤剖面水势监测数据,阐明不同植被覆盖下土水势动态变化规律,提出土壤水分运移和植被水分利用模式。研究结果表明：侧柏林土壤水势日变幅显著低于荒草植被,但土水势日变幅随土壤深度增加而减小的速率90 a侧柏依次大于60 a侧柏和荒草;月、年尺度侧柏林不同深度土水势变化对降水的响应大于荒草地,其中60 a侧柏林年均土水势与年降雨量显著线性相关（P<0.05）。由水势梯度和零通量面多年平均变化可知,90 a侧柏林0-50 cm土壤水呈下渗趋势,根系水力提升促使50-100 cm土壤水向上蒸散;60 a侧柏林0-20 cm、70-100 cm以及枯水年30-70 cm土壤水均以蒸散为主,根系可同时吸收利用表层和深层土壤水分;荒草地0-20 cm土壤水分蒸发强烈,且为根系主要吸水深度,20-100 cm土壤水稳定下渗。相比60 a侧柏林和荒草,90 a侧柏林的土壤调蓄能力增强,与荒草互被可减少植被间水分竞争,充分利用土壤水,从而减少流域内地表径流和土壤侵蚀量。     

提取方法对土壤水同位素和植物水源分割的影响

选取理化性质不同的两种土壤(壤土与砂土),通过烘干后加入已知同位素值的矿泉水作为参考水进行标记,组成不同质量含水量(壤土: 0.15、0.20、0.30 g·g^-1;砂土:0.10 g·g^-1)的土-水混合物,随后设置不同的平衡时间(壤土: 3、6、12、24、48、72、96 h;砂土:96 h),确保干燥的土壤颗粒与加入的水分达到很好的混合;采用机械离心和真空冷凝抽提法对平衡后的土壤进行水分提取,并分析其同位素组成.结果表明: 同一含水量、不同平衡时间,机械离心法提取的土壤水同位素组成没有显著差异,但均比参考水的同位素值富集,氢、氧同位素最大差异分别可达7.38‰和1.24‰;然而,真空冷凝抽提的土壤水同位素比参考水偏贫化,氢、氧同位素最大差异分别可达6.27‰和1.03‰,且在低含水量下,其同位素组成随平衡时间(24 h以内)的增加贫化程度不断增大,24 h以后趋于稳定.随土壤含水量增大,两种提取方式对土壤水同位素的影响程度减弱;黏粒含量高的壤土水同位素值比黏粒含量低的砂土更容易受提取方式的影响.通过举例分析发现,提取方式引起的同位素组成差异并不显著影响植物水源分割.