黄土丘陵沟壑区土壤水分环境及植被生长响应——以燕沟流域为例

调查了黄土丘陵沟壑区燕沟流域刺槐(Robinia pseudoacacia)林地、辽东栎(Quercus liaotungensis)林地、荒草地、农地等不同植被类型条件下7种地类的土壤水分环境,分析不同植被类型对水分环境的生长响应.结果认为,各地类均存在一定程度的水分亏缺,亏缺量由大到小依次为:阳坡刺槐林地991.57mm、阳坡荒草地941.21mm、阴坡刺槐林地866.53mm、阳坡辽东栎林地815.89mm、阴坡荒草地790.27mm、阴坡辽东栎林地745.20mm、农地325.55mm.土壤水分的交换深度农地达320cm,阴坡荒草地为240cm,阴坡辽东栎林地为200cm,阴坡刺槐林地和阳坡辽东栎林地均为160cm,阳坡荒草地为140cm,阳坡刺槐林地为120cm.试验期间,林地、荒草地和农地分别约有10%、14%、30%的降水储存于土壤中,林地、荒草地600cm深土壤水库可利用水量62.6～309.0mm,与农地728.6mm相比土壤水库的调节能力很有限.受林木耗水量和土壤供水能力的双重影响,阳坡刺槐林枯梢现象严重,有整株枯死林木;阴坡刺槐林有明显的枯梢,但没有整株枯死的林木;辽东栎林也存在枯梢现象,但较刺槐林轻微,林木生长仍然十分旺盛.人工林地植被较高的截留和蒸腾耗水是造成土壤干燥化的主要原因,在植被建设中应遵循区域植被的演替规律,以水定植,尽量选择低耗水的适生乡土树种,采取自然修复为主、人工栽植为辅的措施,同时实施好水土保持措施.黄土丘陵区天然辽东栎林是当地植被演替的顶级群落,林地土壤的干燥化是黄土高原气候整体趋于旱化造成的,并不是人为干扰导致植被过度耗水造成的,这种土壤干燥化不宜归属于干层的范畴.判别土壤干层应以当地稳定天然植被群落的生物量水平和土壤水分状况为基准.     

黄土高原不同植被类型区人工林地深层土壤干燥化效应

人工林地土壤干燥化正在日益严重的威胁着黄土高原人工植被建设成效.在黄土高原3个植被类型区广泛观测苹果、刺槐、油松、辽东栎、狼牙刺、沙棘和柠条等23种不同立地和树龄林地深层土壤湿度基础上,比较和分析了各类林地土壤含水量、土壤湿度剖面分布和土壤干燥化强度,定量评价了各类林地深层土壤干燥化效应.研究结果表明:(1)23种林地0～1000 cm土层土壤湿度、土壤贮水量和土壤有效含水量平均值依次为10.84%、1409.8 mm和446.6 mm,明显低于荒草地土壤湿度和当地土壤稳定湿度值,各类林地平均土壤水分过耗量超过500 mm,每年多消耗土壤水分36.8 mm.林地土壤水分过耗量和耗水速度以中部半干旱森林草原区最高,南部半湿润森林区相对较低.林地土壤干燥化速度为:柠条和狼牙刺林地＞油松林地＞刺槐和沙棘林地＞苹果园地和辽东栎林地;(2)除林龄较短的苹果、沙棘和柠条林地外,各类林地在300 cm以下深层土壤湿度明显低于荒草地土壤湿度和土壤稳定湿度值,林地深层土壤湿度表现为阳坡低于阴坡、坡地低于平地,最大耗水深度接近或超过1000 cm.随林龄增长,林地深层土壤湿度逐渐降低,土壤干层逐渐加深和加厚;(3)23种林地土壤干燥化指数平均值为51.6%,达到中度(偏重)干燥化强度,林地土壤干层厚度达到或超过800 cm,随着降水量从半湿润区向半干旱偏旱区趋势性减少,林地土壤干燥化强度趋于强化,土壤干层厚度趋于增加.土壤干燥化强度和土壤干层厚度表现为:油松、辽东栎、狼牙刺和柠条林地＞刺槐林地＞苹果和沙棘林地.     

黄土高原农牧交错带稀疏自然植被生态系统的地表能量特征

基于2011-2012年黄土高原农牧交错带稀疏自然植被生态系统的地表能量通量以及气象数据,对该地区能量平衡各分量(净辐射、感热、潜热和土壤热通量)以及波文比进行日、季节动态的特征分析,研究了潜热通量和感热通量对不同强度降雨事件响应程度的差异,并分析了潜热通量和感热通量的主控因子.结果表明:该地区净辐射、感热、潜热和土壤热通量的日、季节动态曲线均为单峰型曲线,净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量的年平均值分别为78.19、33.32、24.91和2.65 W·m-2.在全年能量收支平衡中,感热通量占净辐射的43％,潜热通量占32％,土壤热通量占3％,表明对于黄土高原农牧交错带自然稀疏灌木生态系统,全年能量主要以感热的形式交换.生长季感热和潜热占净辐射的比例相同(36％);而在非生长季,感热占主导,占净辐射的比例高达54％.潜热通量在强、弱降雨事件发生后明显升高,感热通量则明显下降.潜热通量与净辐射、水汽压差及植被参数均显著相关,感热通量与净辐射及空气温度梯度显著相关.     

黄土高原陕北丘陵沟壑区不同立地条件下刺槐水分生理生态特性研究

对黄土高原丘陵沟壑区不同立地条件下刺槐水分生理生态特性进行了初步研究.结果表明,不同立地刺槐林地0～500cm土壤平均含水量(2003年)分别为阳坡6.96%、半阳坡7.62%、半阴坡8.06%、阴坡8.87%,阴坡、半阴坡与阳坡差异达极显著,与半阳坡达显著水平,半阳坡与阳坡差异显著,而阴坡与半阴坡差异不显著.不同立地条件下刺槐叶片相对含水量和饱和亏与各立地土壤含水量关系密切,阳坡刺槐叶片相对含水量和叶水势始终维持在较低水平,而半阴坡和阴坡尤其是阴坡维持在较高水平.刺槐日蒸腾平均值大小顺序为阴坡(4.07μg·cm^-2·s^-1)＞半阴坡(3.89μg·cm^-2·s^-1)＞半阳坡(3.05 μg·cm^-2·s^-1)＞阳坡(2.70μg·cm^-2·s^-1),各立地刺槐蒸腾出现较大差异的时间在11:00和13:00.不同立地条件除阳坡外其刺槐蒸腾速率均与光照强度显著相关,各立地均与大气相对湿度显著相关,与土壤水分密切相关.阴坡生物量最高(8.50gk·株^-1),高于其他3种立地,阳坡最低(5.79kg·株^-1).     

内蒙古温带荒漠草原生态系统水热通量动态

基于2008年全年内蒙古温带荒漠草原的水热通量观测数据,对荒漠草原水、热通量的日、季动态进行了分析.结果表明：温带荒漠草原感热通量和潜热通量的日动态均呈单峰型曲线,在12:00-13:30左右达最大值,其与地表净辐射的日变化趋势基本一致,但感热和潜热的峰值出现时间较地表净辐射峰值出现时间滞后约1 h;温带荒漠草原感热通量和潜热通量的日累积最大值分别为319.01和425.37 W·m^-2,分别出现在5月30日和6月2日;月均感热通量与潜热通量的最大值分别出现在5月和6月,最小值分别出现在1月和12月.研究区土壤含水量与降水的相关性较好,表层土壤含水量对降水的反应最敏感,深层土壤水分对降水的反应存在位相滞后.感热通量和潜热通量的季节动态与地表净辐射基本一致,均受降水影响.感热通量受地表净辐射的影响明显,而潜热通量对降水的反应较敏感,且土壤含水量在潜热通量中起主要作用.     

子午岭林区北部近50年植被的变化发展

子午岭林区的北部,地貌上具有黄土陵沟壑的特点。该区植被的演替序列为;从弃耕地先锋群落开始,经草本,灌木群落时期到早期森林群落山杨IPopulus davidiana)林或白桦（Betula platyphylla)林、侧柏（Platycladus orientalis)林等。进而到后期森林群落辽东栎（Quercus liaotungensis)林或油松（Pinus tabulaeformis)林。的50年来,油松林和侧柏林已经或正完成向辽东栎林方向的发展,山杨林、白桦林和侧柏林为该区演替系列中的过渡时期,气候性的演替顶极为辽东栎林,油松林为亚顶极,同时该区还表现出整体向前发展的趋势,这明显体现在原来林区大部分为山杨林,而现在辽东栎林已取代山杨林成为主要林分,只有阳坡下部基岩露出的陡壁上的侧柏林仍无向前发展的征象,为该区的一种局部土壤性演替顶极,阴坡,半阴坡从草本群落到顶极的演替全过程需要约150a,阳坡,半阳坡从草本群落演替到顶极但不包含油松林阶段（目前尚缺少这一阶段）需要150a左右,梁顶部位的演替速度与阴坡,半阴坡大致相近,从植被的类型,分布和演替来看,该区在植被区划上应属于暖温带北部落叶栎林亚地带。     

子午岭地区辽东栎和油松林建群种的更新生态位宽度分析

通过实地调查并采用Levins生态位宽度指数对子午岭地区主要树种辽东栎(Quercus liaotungensis)和油松(Pinus tabulaeformis)的幼苗、幼树和成树在不同坡向的辽东栎林、油松 辽东栎混交林和人工油松林3种群落中的生态位宽度进行了分析研究。结果显示:(1)辽东栎和油松的更新生态位宽度在不同群落中各不相同,成树的生态位宽度与群落类型一致;(2)辽东栎幼苗和幼树在阳坡和阴坡人工油松林中的生态位宽度分别是0.951、0.95和0.98、0.94,且生态位宽度显著大于其它2个群落,表明辽东栎幼苗和幼树能很好地适应人工油松林的环境条件;(3)在阳坡,油松幼苗的生态位宽度在辽东栎林最大为0.79,且极显著大于其它2个群落,而阳坡油松幼树的生态位宽度在人工油松林中最大为1.00;在阴坡,油松幼苗的生态位宽度在人工油松林最大为0.63,而阴坡油松幼树的生态位宽度却在油松 辽东栎混交林最大为0.83,且极显著大于其它2个群落;表明油松幼苗适应阳坡的辽东栎林环境和阴坡的人工油松林环境,油松幼树适应阳坡的人工油松林环境和油松 辽东栎林环境。结果表明,人工种植油松林有利于该地区的植被恢复,人工油松林和油松 辽东栎混交林会在该地区存在较长时间,而阳坡的油松 辽东栎混交林存在时间会更长。     

陕北刺槐林木生长及林下植被与土壤水分对种植密度的响应特征

以陕西省安塞县2000年左右退耕栽植的5种不同密度(830~3 330株/hm~2)刺槐林地为研究对象,分析不同栽植密度对刺槐林木生长、林下植被及土壤水分的影响,为黄土高原丘陵沟壑区刺槐人工林合理栽植密度的确定以及可持续经营提供理论依据。结果表明:(1)阳坡中不同密度间刺槐林木的胸径、树高、冠幅均差异显著;阴坡中2 500株/hm~2的刺槐林木平均胸径、树高与两个低密度林的差异显著,且平均冠幅与1 670株/hm~2差异显著,与2 000株/hm~2差异不显著。(2)当栽植密度为1 670株/hm~2时,刺槐林地水分含量相对较高,林下植被平均盖度及物种多样性也较高。(3)各栽植密度刺槐林地0~500cm土壤含水量均低于该地区土壤稳定湿度(12%)。(4)阳坡中3 330株/hm~2的林地0~500cm土层含水量仅为4.5%,土壤干旱化严重,而830株/hm~2的刺槐林地土壤水分为7.8%;阴坡中栽植密度为1 670~2 000株/hm~2的刺槐林地土壤含水量较高,为7.5%~8.2%。研究表明,在陕北黄土高原丘陵沟壑区,刺槐初始造林密度不宜超过1 670株/hm~2(株行距2m×3m),在进入刺槐生长高峰期后,应采取间伐管理以调整林分密度,使其维持刺槐人工林林地的稳定性与可持续性。     

亚热带-暖温带过渡区天然栎林的能量平衡特征

利用开路涡度相关系统和常规气象观测仪器观测了我国北亚热带-暖温带气候过渡带(河南南阳)的一片锐齿栎天然林的能量通量及常规气象。以一个完整年(2016年10月—2017年9月)的观测数据为依据,定量分析了此锐齿栎林的能量通量的日变化、季节变化以及各能量分量的分配特征,并计算了能量闭合度以及波文比。结果表明:锐齿栎林观测期间一整年净辐射为2626.17 MJ/m~2,感热通量为867.1 MJ/m~2,潜热通量为1417.25 MJ/m~2,土壤热通量为-2.60 MJ/m~2,土壤为热源;各能量分量日变化基本呈单峰型曲线,季节变化特征明显。非生长季,锐齿栎林的能量主要分配给感热通量,占净辐射的54.18%;生长季,能量主要分配给潜热通量,占净辐射的67.48%。观测期间研究区年降雨量较平均值稍大(1231.8 mm),森林蒸散量为579 mm,仅为降雨量的47%。波文比受森林物候变化影响较大,在非生长季平均值约为2.1,生长季约为0.2。土壤热通量在生长季2017年4—9月份为正值,土壤表现为热汇,其余月份皆为热源。土壤热通量的变化过程主要受净辐射调控,森林物候也起了一定的作用。河南宝天曼锐齿栎森林通量观测站全年能量闭合度为67%,在国际同类观测站的范围之内(55%—99%)。不能完全闭合的原因可能与通量源区面积不匹配、计算能量平衡时忽略冠层热存储等有关。     

黄土丘陵区主要林分生物量及营养元素生物循环特征

以黄土丘陵区子午岭为研究区域 ,用标准木法和收获法对暖温带森林优势群落辽东栎林、油松林及刺槐人工林的生物量、营养元素生物循环量及循环特征进行了研究。结果表明 :黄土丘陵区子午岭油松林、辽东栎林和刺槐人工林 3林分总生物量为 :86 .2 4 7、12 9.0 0 5 t/ hm2和 14 4 .795 t/ hm2 ,乔木层生物量分别为 :85 .2 2 3、12 6 .989t/ hm2和 14 2 .4 88t/ hm2 ,随群落针阔树种转化替代 ,群落总生物量呈现明显的增加趋势。年均生长量为 3.2 75～ 5 .6 99t/ hm2。生物量和年生长量排序为刺槐人工林 >辽东栎林 >油松林。 3林分林下植被层生物量、凋落物贮量表现为刺槐林 >辽东栎林 >油松林 ,林下植被层生物量的差异主要是由林分郁闭度和林下凋落物的不同引起的 ;刺槐林和辽东栎林林下植被层发达的根系和较高的凋落物量有利于提高土壤肥力、保持水土。同化器官的各种元素含量高于其它器官 ,茎中营养元素的含量最低。乔木层营养元素积累量分别为 :0 .74 5、1.378t/ hm2和 1.80 5 t/ hm2 。不同林分不同营养元素的积累量差别较大。因采伐而引起的 3林分林地养分流失量分别达 6 5 .4 5 %、5 3.76 %和 2 5 .1%。 3林分林下植被层和凋落物层的营养元素积累量排序为 :刺槐林 >辽东栎林 >油松林。凋落物营养元素贮     

喀斯特城市地表水热通量的时空变化研究

针对我国西南地区桂林喀斯特城市近20多年来快速扩展所引发的热环境问题,改进METRIC模型使其适用于喀斯特城市实际状况,利用模型和1994—2015年5景Landsat遥感图像反演地表水热通量,分析通量时空变化规律。结果表明,潜热通量从高到低依次为水体、喀斯特山峰阳坡植被、地面植被、喀斯特山峰阴坡植被、建筑/道路和裸土、喀斯特山峰裸岩,显热通量从高到低依次为喀斯特山峰裸岩和建筑/道路、裸土、喀斯特山峰阳坡植被、地面植被、喀斯特山峰阴坡植被、水体。水热通量随时间的变化受地表覆盖变化的影响,研究区波文比(显热通量与潜热通量比值)在1994年最高,达到1.62,2000年下降到1.24,之后逐渐升高至2015年的1.51。城市扩展过程出现的显热高值区和潜热低值区比例低于10%,其变化引发显热中低值区和潜热中高值区比例的变化,显热高值区最高比例在1994年(10.0%),2000年下降到5.4%,之后至2010年逐渐上升到9.4%,但2015年下降到7.1%,潜热低值区比例的变化趋势与显热高值区比例基本相同。植被覆盖度(Vegetation fraction,Pv)在0.1—0.8范围时对水热通量的影响相对更显著,Pv增加0.1,显热通量降低8—27 W/m~2,而潜热通量升高8—24 W/m~2。喀斯特山峰植被保护和城区地面绿化建设对喀斯特城市热环境的改善至关重要。     

Long-term estimation of soil heat flux by single layer soil temperature

Soil heat flux is one of the important components of surface energy balance. In this study, long-term estimation of soil heat flux from single layer soil temperature was carried out by the traditional sinusoidal analytical method and the half-order time derivative method of Wang and Bras [Wang and Bras (1999) J Hydrol 216:214–226]. In order to understand the characteristics of soil heat flux and to examine the performances of the two methods, a field experiment was conducted at a temperate and humid grassland in Cork, Ireland. Our results show that the soil heat flux had the same magnitude as the sensible heat flux at this grassland site. It was also demonstrated that the analytical method did not predict the soil heat flux well because the sinusoidal assumption for the temporal variation in soil heat flux was invalid. In contrast, good agreement was found between the soil heat flux measurements and predictions made by the half-order time derivative method. This success suggests that this method could be used to estimate soil heat flux from long-term remotely sensed surface temperature.     

子午岭植被恢复对土壤饱和导水率的影响

通过对子午岭林区不同植被的土壤性质进行实验室测定和野外调查,对饱和土壤水分运动的重要参数之一土壤饱和导水率(Ks)及其相关因子进行了多元分析和通径分析,揭示了植被恢复提高土壤水分传输性能的机理,主要结论如下:土壤有机质是子午岭林区九种植被下土壤饱和导水率提高的主要驱动因子.不同植被下的土壤饱和导水率均随深度的增加而迅速降低,尽管草地和先锋草地在5～10cm深度有一强透水层.土壤饱和导水率在剖面上的平均值,从辽东栎、早期森林、灌丛、先锋草地、弃耕地到草地依次降低.灌丛与草地、弃耕地的差异达到显著水平,辽东栎顶级群落的饱和导水率最高,植被的恢复明显提高了土壤饱和导水率.土壤容重、毛管孔隙度、>0.25mm团聚体含量及粘粒含量直接影响土壤饱和导水率.土壤有机质含量的提高能够改善容重、毛管孔隙度、团聚体含量等物理性质.     

季节性干旱对中亚热带人工林显热和潜热通量日变化的影响

植被与大气间的显热和潜热通量的日变化是大气过程和植被生理过程的显著标志。本研究利用ChinaFLUX千烟洲站典型的夏季雨热不同季的季节性干旱的试验条件,探讨了2003年季节性干旱对该生态系统显热和潜热通量日变化变异幅度和峰值时间的影响。研究表明：显热通量的日变化变异幅度年平均值为176 W/m2。潜热通量的日变化变异幅度年平均值为171 W/m2。显热通量到达日变化峰值的时间平均为11:57。全年潜热通量的日变化都在午后达到峰值,平均值为12:33。季节性干旱造成显热通量的日变异幅度明显增大,从144W m-2增加到321 W m-2。而潜热通量的日变异幅度明显降低,从324 W/m2减小到198 W/m2。,显热和潜热通量日变异幅度的相对变化明显增大,从-165 W/m2增加到76 W/m2,气温和饱和水汽压差是影响显热和显热日变异幅度及其相对变化的主要控制因素。干旱胁迫期,深层水对显热通量日变化变异幅度及其与潜热通量日变化变异幅度的相对变化的作用更显著,而潜热通量日变化变异幅度与气象要素关系不显著。季节性干旱造成显热通量日变化的峰值时间和显热和潜热通量日变化峰值时间的相对变化明显向下午偏移,显热通量日变化的峰值从上午11:31到中午12:17,相对变化从1小时到1小时20分钟。季节性干旱对潜热通量日变化峰值时间没有显著的影响。非干旱胁迫期,显热通量日变化峰值时间和显热及潜热通量日变化峰值时间的相对变化均与气温负相关,而干旱胁迫期,则与气温正相关。潜热通量日变化峰值时间与气象要素关系均不显著。该生态系统显热和潜热通量日变化峰值的相对变化主要受降水量的季节分配控制,在干旱胁迫期降水的作用更加明显。潜热和显热通量日变化峰值时间的相对变化总体上都受植被与大气间的耦合程度控制。     

黄土高原典型小流域综合治理的水文生态效应

从流域产流规律及水土保持措施改变引起的土壤水分状况和流域蒸散发的变化等方面评价了黄土丘陵沟壑区泉家沟流域水土保持措施变化对流域水分生态环境的影响.结果表明:水土保持与生态建设过程改变了土地利用结构,对小流域水环境变迁具有很大的影响作用,主要表现在:减少地表径流量,径流模数1996～2000年平均较1980～1985年减少了36.1%;不同治理措施土壤水分状况不同,灌木林地、人工草地和乔木林地均存在深度和厚度不等的土壤"干层";不同地貌部位土壤储水差异很大,阴坡的水分环境优于阳坡,沟底优于峁顶,缓坡优于陡坡;林草措施对流域总蒸散量起着决定性作用,1991～1995年流域林草地面积达到最大,总蒸散量也达到最大,与治理初期相比,总蒸散量累计增加了56.3 mm.     

低丘红壤区农田水热通量变化特征及气候学足迹

农田水热通量的变化特征以及气候学足迹分析对加强区域气候资源管理和提高红壤地区水热资源利用率有重要意义.利用低丘红壤区的大孔径闪烁仪和自动气象站数据,在保证数据质量的基础上,详细分析了低丘红壤区农田在非雨季、作物生长旺期不同时间尺度水热通量的变化特征和观测通量的源区分布特征.结果表明: 水热通量的日变化呈单峰型,但与晴天相比较,多云天的日变化曲线波动更为复杂;无论是旬尺度还是月尺度, 8月的水热通量整体上都大于9月,且净辐射通量都更多地用于潜热交换,但9月潜热通量所占净辐射比例相较于8月有所减少,感热通量则相反;受气象条件(尤其是风)、稳定度和下垫面状况影响,不同时间尺度的观测通量源区特征不同;结合下垫面作物来看,不同时间尺度源区的通量贡献来源也不同.     

How does size and isolation affect patches of steppe-like vegetation on slumping hills in Transylvania,Romania?

The region of Southern Transylvania in Romania contains large expanses of species-rich grassland and mixed farmland. Within these landscapes, clusters of small, steep-sided slumping hills support mosaics of herbaceous vegetation caused by the heterogeneity in temperature and water supply and maintained by mowing or grazing. These are of conservation interest not only for the high species density, but also the relict steppe-like vegetation types especially found on their south-facing slopes. Usually surrounded by more intensively used mesic grassland, these hills can be considered patches of species-rich grassland vegetation. We therefore surveyed the vascular plants in 10 m² plots on the south- and north-facing slopes of 50 hills in 12 clusters in order to investigate the influence of their size and isolation on the species richness and composition of the vegetation. We found that larger hills had higher plot-scale species richness, a greater proportion of competitive species and a lower proportion of species of steppe-like vegetation, but only on their south-facing slopes where the conditions are more extreme. Both large and small hills should be considered as important habitats and potential sources of propagules for plant communities in the surrounding areas.     

坡向对暗紫贝母生长和繁殖特征的影响

在青藏高原东部的牛牛山和卡卡山,在其东、南、西、北4个坡面各设置一个海拔相同(3800m)的样地,每个样地中随机选择30株同龄级的暗紫贝母植株作为研究对象,然后比较各坡面的生态因子以及暗紫贝母的生长和繁殖特征。结果表明:1融雪时间、气温、土壤含水量在南北坡面间有显著的差异,但土壤p H在各坡面间无明显差异。2开始生长期、始花期和盛花期等物候阶段都是北坡最迟,南坡最早,而枯黄期在各坡面间无显著差异。3单叶面积、比叶面积和植株株高以北坡最大,南坡最小。4鳞茎生物量以南坡最大,北坡最小,东、西坡面的值介于南、北坡之间。5单粒果实的生物量在各坡面之间无明显的差异,果实生物量在地上部分中所占的比例以南坡最大,北坡最小。6单粒果实平均种子数以北坡最多,南坡最少;而种子千粒重则以南坡最重,北坡最轻。可见,坡面对暗紫贝母的生长和繁殖特征有显著的影响,尤其是在南北坡面之间大多数性状差异显著。