不同放牧制度下呼伦湖流域草原植被冠层截留

冠层截留是降雨过程中的水量分配和流域水平衡的一个重要组成部分,通过水浸泡法和降雨模拟实验研究呼伦湖流域草原3种放牧制度下(休牧、轮牧、自由放牧(超载放牧))植被冠层截留量的变化规律,并利用遥感解译植被归一化指数(NDVI),确定3种放牧制度下草原面积,估算呼伦湖流域草原降雨截留量。研究表明:在休牧、轮牧、自由放牧3种制度下,水浸泡法测定的截留量分别是0.468、0.320、0.271 mm。降雨模拟实验法测得的结果分别是0.957、0.613、0.431 mm。休牧、轮牧、自由放牧草场叶面积指数、盖度、容重、生物量等指标差异显著(P0.05),且单株植被高度、鲜重对截留量影响显著呈线性正相关关系。呼伦湖流域草原一次降雨量为大于等于30 mm全流域降雨,其植被截留量为6.462×106m3。     

竹林坡地径流中泥沙及氮磷载荷特征模拟

采用人工模拟降雨的试验手段,设定6个降雨强度(31.8～114.0 mm·h-1),通过测试径流量、泥沙量、径流中总氮(TN)和总磷(TP)浓度,研究了浙江省2种不同经营方式竹林(用材竹林和笋竹林)坡地(坡度20°)径流的载荷特征及机理.结果表明:用材竹林地的总径流量和径流系数均高于笋竹林地;笋竹林地的径流含沙量和总产沙量远大于用材竹林地;相同雨强下,笋竹林地降雨径流中的TN浓度为用材竹林地的5～6倍,笋竹林坡地径流中TN浓度随雨强增大而减小;用材竹林地降雨径流中TP浓度高于笋竹林地,笋竹林地泥沙中TP流失量是用材竹林地的数百倍;在TN和TP随径流泥沙的流失过程中,产流前期浓度起主要作用,后期径流量和产沙量起决定作用.     

三峡库区典型小流域农业非点源氮磷流失特征

基于2007-2009年的野外观测数据对戴家沟小流域降雨径流与农业非点源氮磷流失的时间序列变化关系及其特征进行研究.结果表明:2007-2009年,戴家沟小流域降雨量和径流量峰值变化一致,二者相关系数为0.904.总氮和总磷浓度变化趋势吻合,但总氮对降雨径流变化响应的灵敏度高于总磷;氮流失浓度受降雨径流变化影响显著,而磷流失则表现出逐年递增的趋势;氮磷比的变化特征与总氮浓度的变化特征一致,且与径流波动有良好的耦合关系.2007-2009年,戴家沟小流域降雨径流量累积百分比峰值出现时刻与总氮、总磷流失量累积百分比峰值出现时刻不吻合,表明流域农业非点源污染具有较大的随机性和分散性,二者没有严格的对应关系.     

不同雨强下坡地氮流失特征

试验采用模拟降雨手段,对总氮、铵氮和硝氮流失量过程曲线及三者的浓度百分比变化规律进行分析总结,获得以下结论:(1)降雨过程中,随着降雨强度的增加,氮流失的浓度和流失总量都会相应增加,在覆盖度较小时,雨强对氮流失浓度和流失总量起决定作用。(2)径流量随时间延长的增加趋势十分明显,径流中流失的总氮浓度随着时间延长没有明显变化,但是流失量却呈上升趋势。铵氮和硝氮流失浓度随着时间的变化规律,主要表现为径流前期浓度较高,随着降雨时间的延长,浓度趋于稳定或减小,后期则又有所上升。(3)与"蓄满"、"超渗"两种径流方式相对应,氮流失类型也有两种:坡地产生"蓄满"径流时,氮流失中可溶性氮流失较多;坡地产生"超渗"径流时,则氮流失中不可溶性氮流失所占比例增加,但是两种情况下,均是以可溶性氮流失为主,其中又以硝氮流失所占比例最大。坡度较小的情况下,次降雨过程中,不溶性氮占总氮流失量的百分比随时间延长而增加。     

亚热带常绿阔叶林和杉木人工林有机碳流失动态特征对降雨的响应

揭示亚热带森林土壤有机碳流失规律是制定相应措施以巩固和维持森林生态系统碳汇的关键。然而已有研究存在的监测对象单一、频率过低、时间过短等问题,导致对这一规律的认识仍然不足。选择亚热带典型的常绿阔叶林和杉木人工林为研究对象,每次降雨过后监测其径流量、泥沙量,分析径流和泥沙中的可溶性有机碳（Dissolved organic carbon,DOC）含量以及颗粒有机碳（Particle organic carbon,POC）含量。旨在比较两种森林DOC和POC流失量的差异,并分析二者与降雨量、降雨强度、5 min最大雨强和降雨侵蚀力四个降雨特征值的关联。拟验证以下两个问题：（1）杉木人工林的DOC和POC流失量是否高于常绿阔叶林;（2）降雨侵蚀力对DOC和POC的解释是否优于降雨量、降雨强度和5 min最大雨强。研究结果发现常绿阔叶林径流量、泥沙量、径流水中DOC浓度和POC浓度、DOC和POC流失量均显著高于杉木人工林。回归分析表明常绿阔叶林和杉木人工林DOC和POC流失量与降雨量、降雨强度和降雨侵蚀力呈显著的线性或幂函数相关,其中降雨量与DOC和POC流失量之间的拟合关系最优。常绿阔叶林产流和产沙量高于杉木人工林可能与前者的林下植被生物量较低有关,前者径流水中DOC浓度和POC浓度较高可归因于其较高的总生物量和土壤有机碳含量。在未来森林经营过程中应合理管理林下植被,尽量减少和避免林下植被的抚育伐,从而能够降低有机碳的水土流失,达到巩固和维持森林碳汇的目的。在未来气候变暖导致降水变化背景下,利用降雨量作为预测指标能够较好评估我国亚热带森林有机碳流失的风险。     

赣江下游典型蔬菜地地表径流的氮磷流失特征

在赣江下游代表性蔬菜地设置径流小区, 研究常规施肥条件下蔬菜地生态系统地表径流中氮、磷的流失状况。结果表明, 在连续多次监测期内, 自然降雨条件下常规施肥蔬菜地地表径流总氮平均浓度为10.32 mg⋅L–1, 总磷平均浓度为4.71 mg⋅L–1, 硝态氮与溶解性正磷酸盐是该区域蔬菜地降雨径流中氮、磷的主要存在形态, 故而地表径流流入至附近水体存在富营养化的风险。此外, 蔬菜地降雨径流中氮、磷流失量与降雨量呈极显著的正相关关系。研究表明, 施肥和降雨量是影响地表径流氮、磷流失的主要因素, 针对赣江下游蔬菜地氮、磷流失特点需制定相应的氮、磷流失的防治措施。     

牧草覆盖对坡面土壤矿质氮素流失的影响

利用室内模拟降雨试验,探讨了降雨、地表径流以及土壤矿质氮素有效作用深度（effective depth of interaction, EDI）的确定方法,研究了牧草覆盖对土壤矿质氮素EDI和地表流失的影响.结果表明,牧草覆盖增加了地表径流与表层土壤的相互作用,导致水土混合体深度增加,较深土层的土壤矿质氮通过溶解和解吸作用、对流 扩散作用等方式进入到地表径流中,矿质氮EDI增加.覆盖度越大,EDI值越大.与裸地相比,60％、80％和100％覆盖度处理中径流矿质氮平均浓度分别增加了34.52％、32.67％和6.00％,地表径流量分别减少了4.72％、9.84％和12.89％,侵蚀泥沙量分别减少了83.55％、87.11％和89.01％.60％和100％覆盖度处理的矿质氮地表流失总量分别为裸地处理的95.73％和84.05％,而80％覆盖度处理则为裸地处理的109.04％.草地植被对矿质氮素地表流失有“双重效应”：加剧了矿质氮向地表径流中的释放,使径流养分浓度高于裸地浓度;不同程度地减少了地表径流量和泥沙量及其养分含量.两种效应共同决定了土壤矿质氮素的地表流失量.     

模拟降雨条件下含砾石红壤工程堆积体产流产沙过程

生产建设项目开发过程中形成的工程堆积体具有特殊的结构和复杂的物质组成,坡面侵蚀特征明显有别于一般农地.采用室内人工模拟降雨试验方法,研究降雨强度对红壤区不同砾石含量(0%、10%、20%、30%)工程堆积体产流产沙过程的影响.结果表明: 坡面产流开始时间随降雨强度和砾石含量的增大而减小,减幅分别为48.5%～77.9%和4.2%～34.2%,且与降雨强度呈显著的幂函数关系.坡面径流流速和径流率均随产流历时呈先上升随后趋于稳定的变化趋势,降雨强度是其主要影响因素,砾石含量对其影响不显著.砾石对径流量的影响存在一个10%左右的阈值,1.0 mm·min^-1雨强、10%砾石含量时坡面产流量最小;雨强＞1.0 mm·min^-1时,10%砾石含量坡面产流量最大.随雨强增大径流量增加10%～60%.坡面含沙量在产流前6 min急剧下降后趋于稳定,随砾石含量增大,降雨强度对含沙量的影响减小.雨强＞1.0 mm·min^-1时,砾石具有显著的减沙效应,产沙量与降雨强度和砾石含量呈显著的线性函数关系.     

基于AnnAGNPS模型的三峡库区秭归县非点源污染输出评价

非点源(NPS)污染已成为全球关注的环境问题。由于NPS特点、实验手段和监测数据的局限,其研究多采用数学模型进行时间和空间模拟。模型模拟提供了一种成本低效率高的手段来评定区域非点源污染。选择连续农业非点源污染AnnAGNPS(Annualized AGricultural Non-Point Source)模型,构建该模型数据库,模拟秭归县黑沟、兰陵溪、杉木溪等3条典型流域和县域径流、泥沙和营养物质的输出。结果表明：AnnAGNPS模型对3条典型流域的径流模拟能力高于对泥沙和养分的模拟,径流模拟误差均在可接受范围之内,说明模型中采用的径流预测(SCS曲线)法对研究区的地理气候条件是适用的;对3条典型流域泥沙输出模拟误差较高,对氮磷等养分输出模拟的误差最高,通过调整RUSLE和HUSLE等子模型的输入参数来减小泥沙模拟误差;对小型降雨径流事件,模型泥沙、养分模拟误差有偏大趋势,对较大降雨径流事件,模型泥沙和养分模拟误差有偏小趋势;2006年秭归县县域模型模拟的地表径流量为363 mm,泥沙输出为19.6 t/hm2,总氮输出为122 kg/hm2,总磷输出为28 kg/hm2,有机碳输出为581 kg/hm2,模拟结果与相关文献研究和政府统计数据较为相符;AnnAGNPS模型对NPS污染物输出模拟具有一定的不确定性,但作为一个较好的高级农业流域管理工具,该模型可以在三峡库区地理气候条件下使用。     

渭河源流域源汇景观演变对径流泥沙的影响

探讨源汇景观演变特征与径流泥沙的关系对定量识别源汇景观功能对生态过程的影响具有重要的科学意义。以位于黄土高原和西秦岭山地交错区域的渭河源为例,分析了流域源汇景观格局演变与降雨耦合驱动对径流和泥沙的影响,结果表明:(1)研究区1982—2017年汇景观比例逐渐增加并超过源景观,源汇景观功能演变主要发生在黄土丘陵区,源汇景观负荷比指数呈逐年下降趋势;(2)影响流域径流和泥沙的主要因素不同,洪峰流量与含沙量主要受源景观面积比例和源汇景观负荷比的影响,呈显著的下降趋势,而径流量仅与降水量存在相关性;(3)基于信息理论方法的相对重要性分析表明,降雨对流域径流量的相对重要性高于源汇景观负荷比,而源汇景观负荷比对洪峰流量和含沙量的相对重要性较高,传输距离和海拔分布对径流泥沙和洪峰流量具有重要影响。在长时间尺度上,源汇景观格局演变影响了径流及泥沙特征,并且对泥沙影响的相对重要性高于径流。源汇景观合理的时空分布可以有效调控水土流失过程,对黄土高原生态可持续发展具有重要意义。     

模拟降雨下喀斯特坡耕地土壤养分输出机制

喀斯特区坡耕地水土及养分流失不仅是该区土地质量退化、土地生产力衰退主要原因,同时也是该区地下水质污染的重要因素。为揭示喀斯特坡耕地地表和地下二元空间结构下的土壤养分流失机制,以喀斯特坡耕地为研究对象,通过模拟其地表微地貌及地下孔(裂)隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究不同雨强下喀斯特坡耕地地表及地下水土及其氮、磷、钾流失特征。结果表明:(1)小雨强(50mm/h)和中雨强下(70mm/h),喀斯特坡耕地坡面产流主要以地下产流为主;大雨强下(90mm/h),地表径流高于地下径流;产沙方式则表现为由小雨的地表和地下产沙并重到中大雨强的地表产沙为主的一个转变过程。(2)在降雨侵蚀过程中,径流各养分输出浓度均表现出一定的初期冲刷效应,受土壤吸附作用影响,雨强对全钾(TK)和全氮(TN)的影响较全磷(TP)明显。(3)地表径流、地表泥沙和总泥沙各养分输出负荷均随雨强增大而增加,坡面径流泥沙总的TK输出负荷以泥沙为主,而TN和TP输出负荷则以径流为主;TP和TN在径流的输出负荷上以地下径流输出为主(其中TP地表负荷比在11.6%—46.2%,TN在7.0%—48.5%之间),而TK则以二者并重(地表负荷比在43.5%—57.0%之间);各养分在泥沙的输出负荷上则均以地表泥沙流失为主,其负荷比均在54.5%以上。研究结果可为喀斯特区坡耕地水土流失及养分流失的源头控制提供基本参数和科学依据。     

重牧退化草地的植被、土壤及其耦合特征

重牧退化的肃南高山草原和环县典型草原,群落的α多样性,Cody指数描述的β多样性,营养功能群多样性和生活型功能群多样性随牧压下降呈上洚趋势,固N功能群多样性和高山草原Bray-Curtis指数描述的β多样性呈相反变化趋势,2种草地0-40cm土壤全N,速效N,有机质含量和高山草原土壤速效P含量与牧压呈负相关,高山草原土壤全P含量与牧压呈正相关。典型草原土壤全N,速效N和速效P含量以及速效P/全P和C/N比值低于高山草原,但速效N/全N比值和全P含量高于后者,重牧草地土壤要素与群落活根生物量的垂直分布格局之间的灰色关联系数与牧压呈正相关,土壤要素与毒杂草和劣质牧草的关系密切,草地退化不仅是植被与土壤的衰退,也是2个子系统耦合关系的丧失和系统相悖的发展,可用耦合度与相悖度定量,综合分析,环县草原退化较肃南严重。     

模拟践踏和降水对高寒草甸土壤养分和酶活性的影响

为明晰牦牛和藏羊践踏对高寒草甸的分异影响,通过2年模拟践踏和降水双因子控制试验,研究了践踏和降水对高寒草甸土壤养分和酶活性的影响。研究结果表明,践踏处理提高了0—20 cm土层土壤速效氮和速效钾含量,降低了0—20 cm全磷、脲酶和0—10 cm速效磷、碱性磷酸酶和有机质含量,且适度践踏促进了全氮的矿化。随降水强度的增加,0—30 cm土层土壤全氮和0—20 cm全磷和脲酶活性呈单峰曲线的变化态势,在平水下达到峰值;降水显著降低了0—30 cm土层土壤速效氮、磷、钾和0—10 cm土层土壤全钾含量,对土壤有机质含量无显著影响(P0.05)。同一放牧强度下,藏羊践踏区的土壤养分和酶活性优于牦牛践踏区,但差异不显著(P0.05)。综合可得,家畜的践踏作用促进了土壤氮和钾的矿化,抑制了磷的累积且加速了表层土壤有机质的耗竭,降低了土壤脲酶和碱性磷酸酶活性;适度降水提高了土壤全氮、全磷含量及酶活性,降水过多则相反。适度的家畜践踏与降水相耦合下草地土壤的养分循环和酶活性要优于重度践踏和不践踏小区。在对草地的适度放牧利用前提下,应注重土壤含水量和放牧畜种对草地的影响。草地干旱或土壤含水量过高时,应适当减少放牧畜种中牦牛比例增加藏羊比例,以期使草地得到健康可持续发展。     

模拟降雨条件下生物结皮坡面产流产沙对雨强的响应

生物结皮是黄土丘陵区退耕地广泛存在的地被物.本研究通过人工模拟降雨试验分析了雨强对生物结皮坡面产流产沙的影响.结果表明: 生物结皮坡面产流产沙随降雨历时的延长先增加、10~18 min趋于平稳.相对于裸土坡面,生物结皮显著延长了坡面初始产流时间,抑制了坡面产流产沙,可降低21%~78%的坡面径流量和77%~95%的产沙量.雨强主要通过影响生物结皮坡面径流而影响其产沙.随着雨强的增加,生物结皮坡面产流产沙与雨强的相关性出现了由不显著相关向显著相关的转折,雨强＞1.5 mm·min^-1时,生物结皮坡面的减流减沙作用随着雨强的增加而降低.本研究结果为降雨条件下生物结皮坡面产流产沙过程的模型模拟奠定了基础.     

植被覆盖度和综合治理对纸坊沟流域土壤氮素流失的影响

同小流域土壤侵蚀一样,小流域土壤氮素随洪流流失也受到植被覆盖度的影响,通常经过调整小流域内土地利用结构以达到控制水土流失。该研究以8.27 km2纸坊沟流域和1:400比例流域模型为研究对象,研究植被覆盖度和综合治理对纸坊沟流域土壤氮素流失的影响。结果表明:在模拟降雨下,当流域植被覆盖度分别为60%、40%、20%和0时,流域模型铵态氮流失量分别为87.08、44.31、25.16和13.71 kg/km2,硝态氮为85.50、74.05、63.95和56.23 kg/km2,全氮为0.81、1.18、1.98和7.51 t/km2;在自然降雨下,1998年与1992年相比,全流域年土壤侵蚀量为1 086 t/km2和1 119 t/km2,氮素流失量为8 758.5和7 562.2 kg,减少了15.8%,其中农地减少了52.0%。流域对降水中的矿质氮具有过滤作用,硝态氮的过滤作用明显高于铵态氮。洪流泥沙中<20 mm微团聚体富集造成了泥沙有机质和全氮的富集。植被覆盖虽能有效地减少流域土壤侵蚀和全氮的流失,却能增加土壤矿质氮的流失。坡地退耕还林草可显著减少流域土壤氮素流失。     

腾格里沙漠东南缘沙质草地灌丛化对地表径流及氮流失的影响

以腾格里沙漠东南缘沙质草地和灌丛生境为研究对象,采用人工模拟降雨实验对草地样方、灌丛间裸地样方及含灌丛斑块样方的产流及氮流失过程进行观测,揭示了地表径流及其引起的氮流失对沙质草地灌丛化的响应.结果表明:(1)草地样方出现表面积水和地表径流的时间及开始产流需要的降雨量均大于含灌丛斑块样方和灌丛间裸地样方,裸地样方最小;灌丛生境径流系数为34.46％,显著小于裸地样方,大于含灌丛样方,产流量是沙质草地生境的2.26倍;表明灌木入侵造成的植被盖度下降引起了土壤水分入渗率的减小和地表产流的增加.(2)含灌丛样方单位体积径流含氮量瞬时值大于裸地样方,小于草地样方,三类样方瞬时值与单位时间径流量均呈线性负相关;草地样方单位时间氮流失量略小于含灌丛样方,两者均显著小于灌丛间裸地样方;灌丛生境氮流失总量为0.23 g/m2,是草地生境的2.09倍,灌丛和草地生境单位体积径流含氮量总体平均值分别为0.011 g/L、0.012 g/L;表明沙质草地灌丛化引起了养分流失的显著增加.     

放牧对松嫩平原农牧交错区防护林下草地的影响

针对当前防护林草地已成为松嫩平原农牧交错区牲畜主要放牧场的实际情况,分析了不同放牧强度对防护林草地的影响．结果表明,未放牧防护林草地严重退化,与极度放牧防护林草地最为相似．未放牧和极度放牧均抑制了防护林草地的生长,轻度放牧和中度放牧却促进了防护林草地的生长,草地产量和质量均明显提高,并合理地利用了杨树叶资源．未放牧防护林草地质量指数仅为15．51。属严重退化草地范畴;轻度放牧草地质量指数为86．4,随着放牧强度的增加,草地质量逐渐下降．因此,应提倡轻度放牧、中度放牧,防止未放牧和极度放牧现象出现,促进防护林草地生长,并充分利用杨树叶资源增加畜牧业牧草的来源．     

轮牧时间对荒漠草原土壤种子库特性的影响

探讨季节性放牧下土壤种子库的特性对荒漠草原合理利用具有重要作用。以宁夏荒漠草原为对象,通过封育(FY)、传统时间轮牧(FG)、延迟开始轮牧(YG)、提前结束轮牧(TG)、延迟开始并提前结束轮牧(YT)和自由放牧(ZY)处理,研究了0～5、5～10、10～15 cm土层土壤种子库物种组成、种子库密度、垂直分布、多样性及其与地上植被的关系,探讨了种子库与土壤环境因子的关系。结果表明: 研究区土壤种子库物种组成共有9个科21个种。土壤种子库物种组成以TG种子库种类最多,达13种,而FY和ZY土壤种子库种类最少,各8种。ZY土壤种子库密度显著高于FY、YG、TG、YT;FY的土壤种子库中多年生植物种子数量最多,达32.0%;ZY种子库中多年生植物种子数最少,仅为12.4%,主要以有性繁殖的一年生杂类草种子为主;土壤种子库主要集中于0～5 cm表层土壤,随着土层深度的增加,土壤种子库大小降低。土壤种子库的优势度和多样性均以FY最高,优势度、多样性和均匀度均以ZY最低。土壤种子库与地上植被的相似性总体较低,相比之下FG及ZY种子库与地上植被相似性较高,FY最低。土壤水分、有机质、全氮、全磷、土壤容重是影响土壤种子库的主要土壤因子。与传统全年自由放牧相比,季节性四区轮牧能使荒漠草原土壤种子库多年生植物种类、密度以及种子库物种丰富度、多样性和均匀度增加,虽作用不及长期封育草地,但对荒漠草原的利用与保护具有重要意义。