黄土丘陵区生物结皮坡面产流产沙与其分布格局的关联

生物结皮在黄土丘陵区退耕地广泛发育，并在干扰等因素下形成不同分布格局。为明确生物结皮分布格局对坡面产流产沙的影响，采用模拟降雨试验研究了生物结皮条带状、棋盘状和随机3种分布格局对坡面产流产沙的影响，借助景观生态学方法，计算了生物结皮斑块的分布格局指数，解析了生物结皮分布格局与坡面产流产沙的关联。结果表明，（1）生物结皮分布格局显著影响坡面初始产流时间、径流率和土壤侵蚀速率。相同盖度条件下，生物结皮坡面的随机分布格局较带状和棋盘式分布格局显著降低了坡面径流量和产沙量，其径流率与土壤侵蚀速率分别是带状格局的71.7%、12.9%，是棋盘格局的89.6%、31.8%。（2）坡面径流率与生物结皮斑块最大斑块指数、斑块连结度呈极显著负相关，与分离度呈极显著正相关，与景观分裂指数呈显著正相关。（3）土壤侵蚀速率与生物结皮斑块最大斑块指数、斑块连结度呈显著负相关，与景观分裂指数、分离度呈显著正相关。（4）坡面径流率（Y₁）和土壤侵蚀速率（Y₂）与分离度（SPLIT，Splitting Index）的关系式为：Y₁=1.116+0.017SPLIT，R²：0.957；Y₂=22.767+17.936SPLIT，R²：0.801。（5）以上结果表明分布格局主要是通过影响生物结皮在坡面的分离度进而影响坡面产流产沙，随着生物结皮斑块分离度增大，生物结皮斑块破碎度增大，坡面产流产沙增多。从分布格局的角度解析了生物结皮对产流、产沙的影响，量化了生物结皮坡面径流率与侵蚀率与格局指数之间的关系，为量化认识生物结皮的水土保持功能提供了科学依据。     

基于黄土高原关键带类型的土地利用与年径流产沙关系空间分异研究

区域植被恢复改变了土地利用类型,从而有效控制了水土流失,但土地利用与水土流失关系的空间分异尚未明晰。整合了黄土高原坡面径流小区试验观测研究文献59篇和1121条年径流产沙记录,以8大关键带类型作为空间分层依据,采用地理探测器分析了土地利用与年径流产沙关系的空间分异。结果显示：撂荒地的年均径流量和产沙量最高分别为35.99 mm和4208.82 g/m²,撂荒地、裸地和耕地的产流产沙能力显著高于人工草地、林地、自然草地和灌丛,灌丛和林地的年均产沙量显著低于人工和自然草地（P<0.05）;除了撂荒地的年均产沙量在山地森林关键带最高（16240.40 g/m²）外,在丘陵沟壑农林草交错关键带的撂荒地年均径流产沙显著高于丘陵农业-草地关键带,丘陵沟壑农林草交错关键带和丘陵农业-草地关键带裸地、耕地的产流产沙能力较高,人工草地和灌丛年均产沙量显著高于其他关键带类型（P<0.05）;在山地森林关键带的林地年均径流量、径流系数和产沙量最低,分别为1.56 mm、0.41%和307.36 g/m²,而自然草地在各关键带类型都有较高的年均产流量和较低的年均产沙量;坡面径流小区的局地特征（如土地利用、面积、坡度、坡长）是影响年径流产沙关键带分异的首要因素,且存在多因子互作、非线性增强的关系。这些结果表明植被恢复能有效地保持水土,但是区域植被恢复时需要选择合适的类型,黄土丘陵沟壑区应首选自然草地、灌丛和林地。研究可为黄土高原区域植被恢复的优化配置提供科学依据。     

植被格局对土壤入渗和水沙过程影响的模拟试验研究

合理的植被格局能够提高土壤入渗性能和抗冲性,有效阻蚀减沙,平衡土壤保持与土壤水分保蓄二者关系,进而促进生态环境的改善。基于径流小区人工模拟降雨,研究了多种植被格局生物量密度（0、50%、100%）和分布方式（坡上分布、坡下分布、均匀分布）的土壤入渗、产流、产沙特征以及土壤储水量变化。结果表明：使用Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型模拟坡面入渗过程,Horton模型的拟合结果最优。不同植被格局产流率的变化趋势基本一致,大体可分为两个阶段：初期阶段迅速增长,中后期阶段增长变缓并逐渐趋于稳定状态。产沙率的变化趋势随植被格局的不同而略有差异。相较于产流过程,产沙过程变化剧烈、规律性差。总体而言,降低生物量密度能够增加降雨期间的径流量（从19.21 mm到25.44-38.09 mm再到51.79 mm）和侵蚀量（从118.97 g/m²到237.57-597.90 g/m²再到1400.29 g/m²）,土壤水分得到更好的保蓄。从植被分布方式的角度来看,均匀分布的植被格局有利于更好地控制土壤侵蚀和径流,却促进了土壤水分的消耗。坡下分布的植被格局,例如植被过滤带的形式,能够最好地同时控制水土流失和土壤耗水。权衡考虑水土流失防治与土壤水分消耗,建议采用适宜密度（本研究为110 g/m²）且集中分布在出口附近的植被格局。     

黄土区森林植被对坡面径流和侵蚀产沙的影响

根据山西省吉县蔡家川流域198～2003年9个径流小区的降雨产流产沙的定位观测资料,分析了植被对流域坡面尺度降雨产流产沙的影响.结果表明,坡面自然更新的次生林比人工刺槐林具有更好的涵养水源和保持水土功能,场降雨产流量和产沙量分别减少约65%～82%和23%～92%;多元回归分析表明,场降雨产流量和产沙量与降雨量和雨强均呈良好的相关关系,但随着林分郁闭度增大,相关关系减小.不同地类的降雨产流产沙差异显著,虎榛子灌木林和天然次生林最少,而人工刺槐、油松林约是虎榛子灌木林的倍,果农复合经营模式的产流产沙量分别是虎榛子灌木林的17.14倍和3.96倍;果农复合经营模式在高质量、大工程整地后产流产沙明显减少.对坡面产流产沙的影响因子灰色关联分析,林分郁闭度和草本、枯落物生物量对坡面产流产沙影响显著,关联度值均大于0.6.     

黄土区次降雨条件下林地径流和侵蚀产沙形成机制

以黄土区两种常见森林植被(次生山杨林和人工油松林)长期定位观测试验为基础,从水量平衡和径流产沙机理出发,分析了次降雨条件下两种林地和荒地坡面产流产沙过程.结果表明,次降雨量在5.0～50.0 mm范围内,油松林和山杨林的林冠和枯枝落叶层总截留率分别为15.45%～56.80％和20.56%～47.81％,且随降雨量的增大而减小.与荒坡地相比,林地土壤入渗性能显著增强,尤其是0～20 cm土层.分析表明,在一般降水条件下林地无径流产生;而在降雨雨强为2.5 mm·min^-1和历时30 min条件下,山杨林地无地表径流产生,荒坡地的径流流速和径流挟沙浓度均为油松林地的23.5倍,而其径流剪切力和径流能量均为后者的8倍;油松林地的径流量和产沙量比荒地分别减少了87.6%和99.4%,与径流小区多年(1988～2000)观测平均值(分别为87.0%和99.9%)相近.     

黄土丘陵沟壑区坡沟系统不同降雨类型的土壤入渗特征

黄土高原退耕还林草生态建设改变了区域覆被格局和下垫面环境条件，对流域地表水文过程产生了重要影响。研究黄土丘陵沟壑区坡沟系统不同降雨类型下的土壤水分入渗特征，对揭示植被恢复驱动下的降雨-入渗机制变化具有重要的科学意义。基于坡沟系统土壤水分入渗过程的定位监测，阐明了坡沟系统土壤水分入渗特征对不同降雨类型的响应，并采用Horton、Mezencev、Kostiakov、USDA-NRCS模型进行土壤水分入渗过程模拟，筛选特定降雨类型下最佳的入渗模型。结果表明：（1）0-60 cm是降水-入渗过程响应的关键层次，沟坡总入渗蓄存量较坡面高约42.67%；（2）坡沟系统土壤水分入渗量与深度成反比，且沟坡土壤水分入渗量较坡面平均高约9.75%；（3）不同降雨类型下坡面湿润锋深度均小于沟坡，且以极端暴雨、长历时小雨强降雨最深，短历时中雨强次之，短历时小雨强降雨最浅；（4）坡沟系统各降雨类型土壤水分入渗量对降雨的响应表现出一定的滞后性，沟坡响应快于坡面，沟坡湿润锋深度平均较坡面深约5-10 cm；（5） Mezencev入渗模型对四种不同降雨类型入渗量的模拟均具有较高精度（Adj-R²>0.96；NSE>0.92），Horton模型可用于模拟极端降雨类型（NSE>0.98），而Kostiakov模型、USDA-NRCS模型适于模拟短历时中强度降雨和短历时低强度降雨类型。     

太行山坡地不同管理措施植被-土壤系统耦合关系

植被和土壤的耦合协调关系可以用来衡量生态系统的一致性和协调性程度。研究以河北省临城县太行山东麓丘陵坡地为研究区，以原生灌草地、不管理的人工核桃林、人工核桃林下清除灌草、人工核桃林下清除灌草并施肥等4种不同管理措施的植被-土壤系统为研究对象，建立由4个植被因子（Shannon-Wiener、Simpson、Margalef、Pielou等指数）和7个土壤因子（土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、pH、电导率、含水率等）组成的评价指标体系，采用层次分析法和熵权法确定各因子权重，以耦合协调度模型评价二者的协调程度。结果表明：（1）不同管理措施下，除植被因子Pielou指数外，其余植被和土壤因子均存在显著差异性（P<0.05）。（2）土壤有机碳与Simpson指数呈显著正相关（P<0.05），与Shannon-Wiener、Pielou、Margalef指数呈显著负相关（P<0.05），土壤全氮与Shannon-Wiener和Margalef指数呈显著负相关（P<0.05）。（3）不同管理措施下植被-土壤系统耦合协调程度总体处于失调发展状态，原生灌草地为严重失调发展模式的植被-土壤同步发展型，不管理的人工核桃林和林下清除灌草并施肥均属于中度失调发展模式的土壤滞后发展型，林下清除灌草属于轻度失调发展模式的植被滞后发展型。综上，种植人工核桃林并清除林下灌草有利于提升植被-土壤系统耦合协调度，但尚未达到最佳的协调状态。     

基于遥感与实地调查对潜在可造林区乔木林和灌草地的比较

气候变化引起祁连山东部地区可适植被类型改变,探究植被类型转换的效果对生态环境可持续发展十分重要,但其转换方式及效果仍有待研究,此外传统植被调查的方法有诸多局限性,不能满足大尺度持续的监测,而遥感监测可以弥补这一劣势。基于遥感和样地调查以祁连山生态交错区甘沟小流域为研究地点,对原有灌草地和植树造林的乔木林进行比较,探究二者土壤理化性质、草本植物多样性及植被归一化指数（NDVI）,增强植被指数（EVI）,植被水分指数（NDMI）,水分胁迫指数（MSI）,叶绿素红外指数（CI）,陆地叶绿素指数（MTCI）的差异。结果表明仅有水分相关指标有显著性差异,其中造林造成浅层土壤水分显著降低（P<0.01）,4-5月份MSI和NDMI造林区植被水分高于灌草地（P<0.01）,7-8月份两种植被类型水分指数以及其余指数无显著性差异,另外造林后的土壤有机质出现了轻微下降（P>0.05）。遥感指数和样地调查指标相关性分析中,土壤有机质和Shannon多样性指数与CI成正相关（P<0.05）,植被覆盖度与NDMI成负相关（P<0.05）,由于覆盖度较低的灌草地EVI和NDVI被高估,覆盖度和EVI与NDVI相关性不显著。综合遥感指数和实地调查分析,短时间造林时间内乔木林牺牲了部分土壤水分,提高了植被盖度,且目前造林并未对当地环境产生胁迫,但对生态环境的改善并不明显。基于遥感和样地调查揭示了潜在植被类型转换区原有灌草地和植树造林区的差异,并探讨遥感在小尺度范围内植被监测上的适用性,为植被建设和遥感监测植被状况提供借鉴。     

黄土区露天煤矿排土场不同微地貌土壤种子库特征

黄土区露天煤矿排土场边坡水力冲刷强烈，不同植被恢复模式与水力作用耦合形成的不同微地貌可通过对种子的不同拦截作用而影响植被的恢复及发展。为了探讨排土场不同微地貌对种子的拦截效益及不同植被恢复模式的恢复潜力，选取不同恢复模式下形成的细沟、丛岛和草带三种微地貌为研究对象，以邻近裸坡为对照，研究不同微地貌土壤种子库特征及其拦截力。结果表明：（1）在不同微地貌中土壤种子库均以一年生藜科和禾本科植物为主；丛岛微生境的土壤种子库中有较丰富的物种和较高的多样性指数。（2）各微地貌的土壤种子库均具有表层聚集现象；草带微地貌中的土壤种子库总储量最大，且草带的0-2 cm土层处的土壤种子库密度显著高于各微地貌的各个土层（P<0.05）。（3）细沟和丛岛在上坡位对种子的拦截效果更好，草带在下坡位对种子的拦截效果更好。综上所述，沙蒿恢复模式形成的丛岛有利于增加土壤种子库的物种多样性，草带有利于增加土壤种子库的储量，故在黄土区排土场进行植被恢复时可以利用不同微地貌对土壤种子库分布特征的优势构建适宜的复合植被恢复模式。     

黄土丘陵区SCS-CN模型径流曲线数的计算与校正

由美国农业部土壤保持局开发的SCS-CN模型在其他国家地区使用过程中的适用性仍存在争议,直接采用其给定的初损率λ来计算CN值易出现问题,尤其对于中国黄土高原这样具有复杂自然环境的干旱半干旱生态系统来说,有必要针对CN模型参数做进一步校正。基于地处黄土丘陵区的定西共计47个径流小区连续五年生长期的观测数据,采用平均值法计算典型植被和整地类型下的CN值,并结合前人在不同坡度下对初损率λ的率定结果进行校正,同时运用经验公式法计算土壤饱和导水率、确定土壤水文组。结果表明：①陇中地区土壤质地以壤土、粉砂壤土为主,饱和导水率介于18-180mm/h之间,最小渗透率介于3.81-7.26mm/h之间;②土壤前期含水量、植被种类、植被盖度、土地利用、坡度以及整地工程措施等均对CN值存在影响,依照坡度校正后的CN值与之前计算的存在较大差异;③典型植被覆盖类型下的CN₁值为：灌木林地（沙棘） < 撂荒地（冰草） < 人工草地（苜蓿） < 坡耕地（小麦） < 乔木林地（油松）,相同坡度的同类型植被措施下,CN值随植被覆盖度增加而减小;④水平沟、水平阶和反坡台等整地措施在不同土壤湿度条件下均降低了CN值,有效提高了土壤饱和导水率。     

Sediment Delivery Ratio of Single Flood Events and the Influencing Factors in a Headwater Basin of the Chinese Loess Plateau

Little is known about the sediment delivery of single flood events although it has been well known that the sediment delivery ratio at the inter-annual time scale is close to 1 in the Chinese Loess Plateau. This study examined the sediment delivery of single flood events and the influencing factors in a headwater basin of the Loess Plateau, where hyperconcentrated flows are dominant. Data observed from plot to subwatershed over the period from 1959 to 1969 were presented. Sediment delivery ratio of a single event (SDR _e) was calculated as the ratio of sediment output from the subwatershed to sediment input into the channel. It was found that SDR _e varies greatly for small events (runoff depth <5 mm or rainfall depth <30 mm) and remains fairly constant (approximately between 1.1 and 1.3) for large events (runoff depth >5 mm or rainfall depth >30 mm). We examined 11 factors of rainfall (rainfall amount, rainfall intensity, rainfall kinetic energy, rainfall erosivity and rainfall duration), flood (area-specific sediment yield, runoff depth, peak flow discharge, peak sediment concentration and flood duration) and antecedent land surface (antecedent precipitation) in relation to SDR _e. Only the peak sediment concentration significantly correlates with SDR _e. Contrary to popular belief, channel scour tends to occur in cases of higher peak sediment concentrations. Because small events also have chances to attain a high sediment concentration, many small events (rainfall depth <20 mm) are characterized by channel scour with an SDR _e larger than 1. Such observations can be related to hyperconcentrated flows, which behave quite differently from normal stream flows. Our finding that large events have a nearly constant SDR _e is useful for sediment yield predictions in the Loess Plateau and other regions where hyperconcentrated flows are well developed.     

平茬对半干旱黄土丘陵区柠条林地土壤水分的影响

半干旱黄土丘陵区多年生柠条人工林地发生土壤旱化,研究柠条林平茬对土壤水分影响对于防治土壤旱化具有重要意义。采用中子仪测定土壤水分,对未平茬和平茬柠条林地土壤水分进行测定,分析了平茬对土壤水分的影响。结果表明:未平茬和平茬柠条林地降雨补给量(R₁,R₂)同降雨量(P)显著正相关(P<0.05)。定义降雨耗损量(林冠截留量和地表径流之和)占降雨量的百分比为降雨耗损率,未平茬林地降雨损耗率(L₁)和平茬柠条林地降雨损耗率(L₂)分别与其降雨前土壤表层(0-20 cm)含水量(S₁,S₂)呈明显指数关系(P<0.05):L₁=2.54exp(0.22S₁),L₂=2.40exp(0.27S₂),表层含水量相同时,平茬林地降雨损耗率明显高于未平茬林地。平茬后,林地降雨最大入渗深度减小,土壤水分利用深度减小;短时间内(2个月左右)林地20-160 cm含水量增加,之后平茬林地土壤含水量与未平茬林地土壤含水量接近;丰水年和丰水年后的第一年,平茬林地含水量低于未平茬林地,0-400 cm土壤储水量比未平茬林地最多低45.9 mm。平茬后200-400 cm土层土壤水分有少量增加,但是0-200 cm土层土壤含水量损失更严重。平茬3a后,平茬对柠条林地土壤水分的影响减弱。     

The WEPP Model Application in a Small Watershed in the Loess Plateau

In the Loess Plateau, soil erosion has not only caused serious ecological and environmental problems but has also impacted downstream areas. Therefore, a model is needed to guide the comprehensive control of soil erosion. In this study, we introduced the WEPP model to simulate soil erosion both at the slope and watershed scales. Our analyses showed that: the simulated values at the slope scale were very close to the measured. However, both the runoff and soil erosion simulated values at the watershed scale were higher than the measured. At the slope scale, under different coverage, the simulated erosion was slightly higher than the measured. When the coverage is 40%, the simulated results of both runoff and erosion are the best. At the watershed scale, the actual annual runoff of the Liudaogou watershed is 83m³; sediment content is 0.097 t/m³, annual erosion sediment 8.057t and erosion intensity 0.288 t ha^-1 yr^-1. Both the simulated values of soil erosion and runoff are higher than the measured, especially the runoff. But the simulated erosion trend is relatively accurate after the farmland is returned to grassland. We concluded that the WEPP model can be used to establish a reasonable vegetation restoration model and guide the vegetation restoration of the Loess Plateau.     

Distinguishing the effects of vegetation restoration on runoff and sediment generation on simulated rainfall on the hillslopes of the loess plateau of China

Aims

Since the 1970s, extensive croplands were converted to forest and pasture lands to control severe soil erosion on the Loess Plateau of China. We quantify the direct and indirect effects of vegetation restoration on runoff and sediment yield on hillslopes in the field to improve environmental governance.

Methods

An artificial rainfall experiment at a rainfall intensity of 120 mm h⁻¹ and a slope gradient of 22° were used to distinguish the effects of vegetation restoration on runoff and sediment yield.

Results

Compared to the farmland slopes, vegetation restoration directly prolonged the time-to-runoff by 140%, reduced the runoff rate by 20%, and increased the soil infiltration capacity by 15%. Vegetation restoration indirectly delayed the time-to-runoff by 120%, reduced the runoff rate and sediment yield rate by 50% and 94%, respectively, and increased the soil infiltration capacity by 58% on the hillslopes with vegetation restoration.

Conclusions

The direct effects of vegetation restoration on runoff and sediment yield were lower than its indirect impacts. Vegetation cover, decreases in soil bulk density, and increases in belowground root biomasses and > 0.25 mm aggregate stability were the primary causes of runoff and sediment yield reduction on the slopes with vegetation restoration.

     

黄土高原人工苜蓿草地固碳效应评估

苜蓿草地作为黄土高原草地的重要组成部分,在黄土高原草地生态系统碳循环占有重要地位。同时由于苜蓿具有固氮和固碳的双重作用,使它在低碳农业的发展中具有重要意义。本文以一年生（建植初期）、三年生（盛产期）、五年生（稳产期）和十年生（衰败期）的人工苜蓿草地为研究对象,利用地上地下生物量和土壤碳贮量,定量分析了人工苜蓿草地不同发育阶段的固碳能力;结合种植面积,对黄土高原区人工苜蓿草地的总固碳效应进行了评价。研究结果表明：苜蓿草地地上生物固碳能力以三年生和五年生最强,并显著高于其他年限;地下生物固碳和土壤固碳量均以十年苜蓿草地最高,且显著高于其他年限。总体而言,人工苜蓿草地以土壤固碳为主,并集中在0~80cm土壤,各年限0-80cm土层土壤固碳量分别占到总固碳量的41.02%、39.43%、41.56%、39.59%;而地下生物固碳主要发生在0~20cm土层,各年限该层生物固碳量分别占到地下生物总固碳量的45.74%、 55.68%、53.12%和 43.28%。苜蓿草地在整个生命周期中总固碳量随生长年限逐年增长,但增长速度不明显,各年限单位面积总固碳量分别为12.69kg/m2、13.49 kg/m2、13.31 kg/m2和14.83 kg/m2。估算得到黄土高原的人工苜蓿草地年总固碳量为1.430?1011 Kg（143.0 Tg）,其中地上、地下、土壤分别为5.43Tg、1.15Tg和136.4Tg。本研究结果为正确分析区域碳循环和发展低碳大农业提供了重要理论参考。     

黄土高原半干旱草地地表能量通量及闭合率

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站)2008年的湍流、辐射、土壤温度和通量梯度观测资料,分析了地表能量通量的日变化、季节变化及能量分配特征,讨论了典型黄土高原沟壑区土壤热量储存对地表能量闭合率的影响.结果表明:黄土高原半干旱草地全年获得的净辐射约为2.269×103 MJ/m2,感热、潜热和土壤热通量年总量分别为1.210×103 MJ/m2、1.117×103 MJ/m2和0.069×103 MJ/m2;能量平衡各分量季节变化明显,日变化呈单峰型.从各能量分量占净辐射的比例来看,黄土高原半干旱草地净辐射主要以感热形式加热大气.草原生长期的能量闭合率为86.8％,非生长期的能量闭合率为76.5％.与未考虑0-5cm深度的土壤热量储存相比,草原生长期能量闭合率提高了11.3％,非生长期能量闭合率提高了12.0％.     

黄土高原典型坝系流域碳氮湿沉降与水体碳氮流失特征

本研究通过对黄土高原坝系流域的碳(C)、氮(N)湿沉降过程、降雨径流过程及其基流过程的动态监测,揭示C、N湿沉降对流域水体碳氮流失的贡献,探讨C、N流失负荷在降雨-径流中的分布,进一步评估黄土高原雨季水体碳氮流失状况。结果表明,研究区域碳、氮湿沉降通量分别为173.95 kg km~(-2)mon~(-1)和43.01 kg km~(-2)mon~(-1),而通过径流的碳、氮流失量为11.52 kg km~(-2)mon~(-1)和2.19 kg km~(-2)mon~(-1)。雨季C、N湿沉降对该地区水体C、N流失的贡献率分别为65.81%和100%,其中流水侵蚀引起的C、N流失贡献率为59.20%和56.16%。黄土高原主要以流水侵蚀为主,C、N主要集中在降雨径流后期,因此截留后期径流可以有效控制养分流失。