黄土高原不同植被恢复方式对土壤水分坡面变化的影响

在黄土高原大规模退耕还林(草)背景下,土地利用变化对土壤水分及其时空结构会产生极大影响。以坡面为研究对象,根据两种植被恢复类型(撂荒草地和人工刺槐林地)土壤水分坡面变化趋势的差异,探究不同植被恢复方式对土壤水分坡面空间结构影响。结果表明:所调查的两个区域(延安羊圈沟和长武烧盅湾)皆表现为人工刺槐林地坡平均土壤含水量显著低于撂荒草地坡;且人工刺槐林地坡的土壤水分的坡面差异性皆比撂荒草地坡低。虽然两种恢复类型的土壤水分沿坡底到坡顶皆呈现降低的趋势,但是该降低趋势在两种恢复类型间存在一定差异:撂荒草地坡土壤水分沿坡面的变化趋势随深度增加有加强的趋势,且总体上,长武烧盅湾撂荒草地坡土壤水分沿坡面变化趋势比延安羊圈沟更明显;相比之下,人工刺槐林地坡土壤水分沿坡面的变化趋势随深度增加有变弱的趋势,且该趋势明显比撂荒草地坡弱;两个地区刺槐林地坡土壤水分沿坡面变化趋势不存在明显差异。综上所述,虽然不同降雨背景下土壤水分会表现出一定差异,但土壤水分的坡面变化趋势及不同恢复方式对其影响是相似的,即人工刺槐林地坡对土壤水分的过度消耗不仅会导致土壤水分亏缺,而且削弱了土壤水分的坡面变化趋势;而撂荒草地对土壤水分及其空间结构的维持有相对积极的意义。通过分析不同植被恢复方式对土壤水分坡面变化趋势的影响,能够更深入的了解不同植被恢复方式的土壤水文效应,同时可为以坡面为单元的退耕还林中植被科学配置提供一定的参考。     

黄土高原羊圈沟小流域土地利用时空变化的土壤有机碳效应

土地利用变化是影响土壤有机碳储量和分布变化的重要驱动因素,为进一步探讨土地利用变化对土壤有机碳的影响,根据土壤样点数据、土地利用类型图,分析了黄土丘陵沟壑区羊圈沟小流域2006—2011年土地利用变化及其对表层土壤有机碳密度和储量的影响,主要结论如下:(1)小流域土地利用发生较大变化,主要集中在乔木林地和灌木林地面积的增加,分别为39.697、46.404 hm2;以及草地面积的减少,为64.030 hm2;(2)土地利用方式的变化会导致土壤有机碳密度及储量的变化,其中转变用地类型的土壤有机碳储量增加587.25 kg,以荒草地转出类型增加的土壤表层有机碳储量最多,为441.64 kg;灌木林地转出类型减少的土壤表层有机碳储量最多,为-21.01 kg。草地-灌木林地、草地-乔木林地、坡耕地-草地、坡耕地-灌木林地、坡耕地-乔木林地、坡耕地-坝地、梯田-草地、梯田-灌木林地、梯田-乔木林地、梯田-坝地、坝地-草地、坝地-灌木林地、坝地-乔木林地等转换用地类型的表层土壤碳密度增加值高于保持用地类型碳密度的增加值,说明这些地类的转换有利于表层土壤有机碳储量的增加,即有利于表层土壤碳汇的形成;而其他地类转换造成了表层土壤的碳排放,应该引起足够的重视;(3)土壤固碳应着眼于长期效应,频繁的土地利用类型转化可能会降低土壤碳截流效果,黄土丘陵区植被重建的长期利用和保持更有利于土壤有机碳的积累。     

晋西北黄土高原沟壑区不同乔木类型土壤水分变化

黄土高原沟壑区乔木截留蓄水、保持水土的作用在生态恢复重建中有着更加持久的意义。采用土钻法、烘干法对晋西北五寨县青杨(Populus cathayana)、旱柳(Salix matsudana)和油松(Pinus tabuliformis)3种典型乔木类型样地0~600 cm土壤水分动态进行了研究。结果表明:植物生长初期(4—5月),不同乔木类型土壤水分变化特征差异明显,土壤水分含量平均值为青杨旱柳油松;土壤水分随着土层深度的增加呈先上升后逐渐降低最后趋于稳定的趋势;3种不同乔木类型土壤干层情况由重到轻依次表现为油松旱柳青杨;3种不同乔木类型在不同土层中土壤含水量变异系数关系不同,在0~100 cm、400~500 cm处,油松青杨旱柳;在100~200 cm、500~600 cm处各乔木类型的土壤含水量变异系数关系表现为旱柳青杨油松;在200~400 cm的中层土壤,表现为青杨旱柳油松;结合乔木对土壤水量平衡和区域水循环的影响,研究区3种典型乔木均不能很好地适应晋西北黄土高原沟壑区半干旱的环境。     

黄土高原刺槐林地土壤水分垂直分布特征及其动态模型的建立

以位于黄土高原半干旱丘陵沟壑区的陕西省安塞县和半湿润残塬沟壑区的甘肃省泾川县为代表,研究了不同水分生态区刺槐林地土壤水分垂直分布特征;并在原有林地土壤水分入渗平衡模型的基础上,建立了林地土壤水分随时间、土壤深度变化的动态模型。结果表明:(1)不同水分生态区林地土壤水分垂直变化规律具有明显区别,泾川的土壤含水量峰值出现在20~40cm土层深处,后随着土层深度的增加逐渐降低,在200cm土层深度土壤含水量趋于稳定(11%左右);安塞的土壤含水量峰值出现在约60cm左右的土层,并在220cm深度土壤含水量趋于稳定(5.5%左右);说明泾川的土壤含水量高于安塞,安塞的降雨和林木根系耗水对土壤水分的影响程度和深度均大于泾川,且两地深层土壤水分含量不受降水和林木根系耗水等的影响。(2)利用降水在土壤中的入渗平衡模型能够很好地拟合黄土高原两地(泾川、安塞)刺槐林地的土壤水分垂直分布;并通过引入参数t(月份)建立了林地土壤水分随时间和土壤深度变化的动态模型,经验证该模型能够准确地刻画黄土高原不同水分生态区刺槐林地土壤水分的动态变化。     

黄土丘陵区不同土地利用类型土壤水分变化特征

土壤水分是制约黄土丘陵区生态建设和土地可持续利用的关键因子,认识不同土地利用类型的土壤水分状况对该地区植被恢复和土地资源的有效利用具有重要的理论和实际意义.本研究采用EC-5土壤水分传感器,对黄土高原园则沟流域坡耕地、梯田、枣园和草地生长季内(5—10月)0~160 cm土壤剖面含水量进行连续监测,探讨这4种典型土地利用类型的土壤水分变化特征.结果表明:在降水常态年和干旱年,不同土地利用方式土壤水分的季节变化、蓄水特征及垂直分布均存在差异.在2015年干旱年,梯田表现出良好的蓄水保墒效果,0~60 cm土层生长季平均土壤含水量分别比坡耕地、枣园和草地高2.6%、4.2%、1.8%(P<0.05),0~160 cm土层储水量分别比坡耕地、枣园和草地高43.90、32.08、18.69 mm.在2014年常态年,枣园0~60 cm土层生长季平均土壤含水量分别比坡耕地、梯田和草地低2.9%、3.8%、4.5%(P<0.05);在干旱年,0~160 cm土层有效水储量仅占土壤总储水量的35.0%.不同土地利用方式下均是表层(0~20 cm)与中层(20~100 cm)土壤水分的灰色关联度较大,且土壤水分变化态势的相似程度表现为梯田>草地>坡耕地>枣园.对于试验区内的坡耕地,可考虑改造为梯田,以提高雨水资源的有效利用、促进生态农业建设;而针对黄土丘陵区旱作枣园土壤缺水严重的现象,需采取适当水分管理措施以降低枣树自身耗水和其他无效耗水,实现枣园可持续发展.     

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。     

植被类型对晋西北地区土壤含水量的影响

晋西北地区是黄土高原及北方农牧交错带的重要组成部分和典型的生态环境脆弱区, 土壤水分是该区限制林草生长的主要因子, 其土地植被承载力实质上是土壤水分植被承载力。为确定晋西北地区土壤干层深度、了解不同植被土壤的水分差异, 对岚县5 种植被类型下0-600 cm 土壤深度的水分含量变化进行对比研究, 并得出以下结论: 不同植被类型下土壤含水量变化范围为沙棘>柠条>草地>落叶松>青杄, 数值分别为10.23%- 36.91%、11.28%-24.83%、10.69%-24.06%、11.12%-24.01%、10.07%-19.47%、5 种植被的土壤含水量均呈现上升趋势; 不同植被下土壤平均含水量大小为沙棘>草地>柠条>落叶松>青杄, 数值分别为(20.68±7.83)%、(18.41±3.47)%、(17.42±5.42)%、(16.71±4.32)%、(15.29±3.13)%; 土壤含水量与土壤深度的曲线拟合呈线性关系; 土壤含水量与植被类型呈极显著负相关(P < 0.01), 与土壤深度呈极显著正相关(P < 0.01)。     

黄土丘陵区坡面林-草边界土壤水分特征

研究了黄土高原丘陵区林-草边界上旱季和雨季土壤水分的空间分布变化特征.结果表明,旱季林地土壤水分的变异系数都小于草地,林地内各个层次土壤含水量差异不大,草地内各个层次土壤含水量差别较大;雨季林地土壤水分的变异系数都大于草地,林地内各个层次土壤含水量差别较大,而草地内各个层次土壤含水量差异不显著;林-草边界各个层次土壤水分的变异程度为弱变异或中等变异.林-草边界在旱季和雨季具有不同的影响域,旱季边界影响域为从林外0.4倍树高距离到林内0.4倍树高距离;雨季边界影响域为从林外0.4倍树高距离到林内0.8倍树高距离.因此,可将林-草景观划分为3个区：草地区,即由距林缘0.4倍树高距离处向草地方向延伸;林缘区,即由林外0.4倍树高距离到林内0.4倍树高距离(旱季)或0.8倍树高距离(雨季);林地区,即由林内0.4倍树高距离(旱季)或0.8倍树高距离(雨季)处向林内方向延伸.林-草边界水平方向上3个分区的土壤水分垂直分布呈现出不同的变化规律,而且旱季的规律特征与雨季相反.     

子午岭次生植被下土壤蓄水性能及有效性研究

通过土壤水分特征曲线的测定,研究了子午岭北部黄土丘陵区不同次生植被群落类型下土壤蓄水性能及水分有效含量的变化。结果表明：撂荒地的土壤蓄水量最小,草地和灌木地的土壤蓄水量有所提高,增幅为17％～65％,而乔木林地土壤蓄水量最大,分别较撂荒地和草地、灌木地增加明显,其增加幅度分别达68％～79％、41％～50％和15％～20％;土壤田间持水量在0～20cm土层从撂荒地、草地、灌木林地到乔木林地,土壤田问持水量逐步提高,而20～50cm土层则变化不大;土壤有效水含量在两个土层中的变化均随着植被的进展演替呈现增加的趋势。讨论了植被与土壤互动关系中应进一步研究的问题。     

黄土丘陵沟壑区坡面尺度土壤水分空间变异及影响因子

土壤水分空间分布特征及其影响因子是土壤前期含水量模拟和小流域产流机制研究的重要内容,也是半干旱地区进行生态建设的重要参考。通过对黄土高原典型坡面雨季前后100 cm深度内土壤含水量进行观测,分析地形、植被和雨季对土壤水分空间分布的影响。基本统计分析显示,土壤水分的空间异质性在上层(<20 cm)较小,在下层(>40 cm)较大。坡面尺度上,土壤含水量的空间差异主要表现在不同植被类型之间,而不是坡位之间。各覆被类型的土壤含水量相对大小为荒草地>8年生刺槐林>20年生刺槐林>沙棘林。即使沙棘林和刺槐林位于更利于获取土壤水分的地形条件下,其土壤含水量仍然明显低于荒草地。地形对土壤水分的影响被植被类型的影响所掩盖。上述规律在雨季前后都有明显表现。因此,完全基于地形指数的土壤水分预测模型在黄土高原应该慎用,植被类型应该作为土壤水分空间预测的一个重要参数。雨季使土壤含水量整体提高,但是土壤水分空间分布格局并没有根本改变,高处仍高,低处仍低,各样点处的土壤含水量在雨季前后达到显著相关水平,说明土壤水分空间格局并不是瞬时状态,而具有明显的时间稳定性。     

黄土高原水蚀风蚀交错区植被地上生物量及其影响因素

采用野外调查的方法,于2009年9月下旬测定了六道沟小流域不同土地利用方式下的地上生物量以及土壤水分含量和养分含量,研究了水蚀风蚀交错区典型小流域植被地上生物量水平及其影响因素.结果表明:六道沟小流域主要植被地上干生物量在177～2207g·m-2;其中,玉米、谷子、弃耕地、人工草地、天然草地和灌木地的地上干生物量分别为2097～2207、518～775、248～578、280～545、177～396和372～680 g·m-2.农田平均土壤含水量(0～100 cm土层)最高,达14.2%,灌木地最低,为10.9%;弃耕地土壤水分含量的变异系数最大,为26.7%,说明弃耕地土壤水分有很强的空间异质性.土壤平均储水量大小顺序为:农田>人工草地>弃耕地>天然草地>灌木地,苜蓿地和柠条地出现土壤干化现象.植被地上干生物量与0～100 cm土层土壤储水量存在显著正相关关系(r=0.639,P<0.05),地上鲜生物量与植被的株高呈极显著正相关,较高植被的地上生物量可以间接控制水蚀风蚀交错区土壤侵蚀.植被地上生物量与土壤水分、养分具有很高的相关性,但与海拔、坡度、坡向、容重等的相关性不显著.     

黄土丘陵区小流域土地利用和植被恢复对土壤质量的影响

土壤质量的维护和提高是全球生物圈可持续发展的重要因素之一．对黄土丘陵小流域持续利用25年后的荒草地、山杏林地、农地、油松林地、灌木林地和撂荒地土壤性状的研究结果表明,不同土地利用方式和植被恢复类型对土壤质量有很大影响;植被恢复重建和农地撂荒将增加土壤有机质含量,提高土壤质量;粗放的农业耕作措施将降低土壤质量并引起土壤退化;灌丛有明显的肥力岛屿作用;撂荒在一定程度上可以培肥土壤。随着“西部大开发”、“退耕还林还草”和生态重建工程的开展,在半干旱黄土丘陵沟壑区,建植灌木、种植牧草、农地撂荒和自然恢复是较好的生态重建和植被恢复方式。     

黄土丘陵区植被类型对土壤微生物量碳氮磷的影响

选择黄土丘陵区延河流域4种典型植被类型下的土壤为研究对象,测定了土壤微生物量碳、氮、磷和相关基本理化性质。结果表明,在此流域的典型天然草地、人工灌木林、人工乔木林和农地中土壤微生物量碳(MBC)的含量范围分别为315.15-400.89、246.56-321.25、267.76-347.05和118.96-245.14 mg/kg,土壤微生物量氮(MBN)的含量范围分别为35.87-47.63、27.63-42.89、24.66-36.20和15.64-22.56 mg/kg,土壤微生物量磷(MBP)的含量范围分别为14.14-22.96、12.89-19.75、11.54-14.40和7.23-11.59 mg/kg;土壤微生物量总体呈现出天然草地最高、人工乔、灌木林次之,且均显著高于农地的趋势,表明退耕还林还草对土壤微生物生物量有明显的促进作用。不同植被类型下,土壤微生物量碳氮比和碳磷比的变化范围分别为7.49-10.87和16.27-24.11,土壤微生物量碳、氮、磷占土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)百分比的范围分别为2.70%-4.85%、2.56%-4.45%、2.08%-5.34%。其中天然草地、人工灌木林和农地土壤的微生物量碳氮比、碳磷比均显著小于人工乔木林(P < 0.05); MBC/SOC在不同植被类型下的差异不显著,MBN/TN和MBP/TP均呈现出天然草地>人工灌木林>人工乔木林和农地的趋势,且差异显著(P < 0.05)。微生物量碳、氮、磷与土壤有机碳、全氮和土壤含水率呈现极显著或显著相关性,与土壤pH值呈现出不同程度的负相关性,表明植被类型对这些与土壤微生物量紧密相关的理化性质也有显著影响。     

不同植被类型对土壤水蚀的影响

不同植被类型对土壤水蚀的影响因子是计算土壤水蚀速率以及选择适当土地利用方式的基本参数.本文以土壤侵蚀模型中的植被因子(C因子)为指标,研究不同植被类型对土壤水蚀的影响.根据6个水土保持试验项目33个小区共195个小区年的资料,计算了剌槐、柠条、沙棘、沙棘-杨树,沙棘-油松、沙打旺、红豆草、苜蓿和草木樨等9种林草植被因子值.林地植被因子介于0.004到0.164之间,以刺槐林的C值最低.草地植被因子介于0.071到0.377之间,以第一年的草木樨C值为最高.定量对比说明林草植被的水土保持效益明显优于农作物.本项研究结果可以用于定量比较不同植被类型覆盖下的土壤流失速率,对于北方农牧交错带退耕还林还草政策的实施具有参考价值.     

植被恢复对黄土区煤矿排土场土壤团聚体特征的影响

目前关于植被恢复对排土场土壤团聚性的影响还不清楚,以植被恢复下黄土区露天煤矿排土场为研究对象,采用湿筛法测定了排土场土壤水稳性团聚体组成,研究了植被恢复类型(草地、灌木)和排土场地形(平台、边坡)对土壤团聚体特征的影响。结果表明:植被恢复促进了排土场水稳性团聚体的形成,平台0—20 cm土层水稳性大团聚体数量(R_(0.25))、平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)分别达到31.1%,0.70 mm和0.26 mm,边坡分别达到13.3%,0.37 mm和0.17 mm,均显著高于裸地,分形维数(D)在平台和边坡分别为2.91和2.96,均显著低于裸地;平台土壤团聚性要好于边坡,草地对于平台土壤团聚结构改良效果较好,而灌木对于边坡改良效果较好;排土场土壤有机碳和粘粒含量均与土壤团聚体指标有显著相关性。植被恢复提高了排土场土壤团聚性,植被恢复类型和地形对排土场土壤团聚体特征有显著影响。     

不同植被类型对土壤水蚀的影响

不同植被类型对土壤水蚀的影响因子是计算土壤水蚀速率以及选择适当土地利用方式的基本参数。本文以土壤侵蚀模型中的植被因子(C因子)为指标，研究不同植被类型对土壤水蚀的影响。根据6个水土保持试验项目33个小区共195个小区年的资料，计算了刺槐、柠条、沙棘、沙棘一杨树，沙棘一油松、沙打旺、红豆草、苜蓿和草木樨等9种林草植被因子值。林地植被因子介于O．004到O．164之间，以刺槐林的C值最低。草地植被因子介于O．071到O．377之间，以第一年的草木樨c值为最高。定量对比说明林草植被的水土保持效益明显优于农作物。本项研究结果可以用于定量比较不同植被类型覆盖下的土壤流失速率，对于北方农牧交错带退耕还林还草政策的实施具有参考价佰。     

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.     

不同尺度下土壤粒径分布特征及其影响因子——以黄土丘陵沟壑区为例

土地利用方式和环境因子是影响土壤粒径的重要因素,尺度不同其影响效应差异明显。研究不同尺度表层土壤粒径与土地利用、环境因子的关系对评价黄土丘陵沟壑区土壤物理性质具有积极意义。选择黄土丘陵沟壑区安塞集水区和沐浴小流域作为研究区,探讨两个尺度上表层土壤粒径含量、分布特征及其与土地利用类型和环境因子的关系。研究结果表明:(1)研究区域内表层土壤颗粒主要为砂粒和粉粒,在小流域和集水区尺度上,各粒径百分含量属于中等变异,D值为弱变异,但随着研究区由沐浴小流域变化到安塞集水区,粒径和D值的空间变异性均有所提高;(2)尺度不同,土地利用对土壤粒径的影响效应不同,在沐浴小流域不同土地利用类型的砂粒含量从高到低依次为荒草地农用地林地灌木林地园地,在集水区的变化顺序依次为荒草地灌木林地林地农用地园地,粉粒含量的次序均与砂粒相反,小流域土壤粒径分形维数D依次为灌木林地荒草地林地园地农用地,在安塞集水区为灌木林地荒草地农用地林地园地;(3)在沐浴小流域和安塞集水区,土壤颗粒分形维数与土壤砂粒、黏粒百分含量呈极显著正相关关系,与土壤粉粒百分含量呈极显著负相关关系,且砂质壤土D值高于壤土和粉壤土;(4)在沐浴小流域,植被盖度、相对海拔和坡位相对于土地利用类型、坡向和坡度对土壤粒径影响较大;而在安塞集水区植被盖度、土地利用类型和坡度对土壤粒径影响较大。     

红砂灌丛对土壤和草本植物特征的影响

研究了黄土高原西部荒漠草原区天然红砂灌丛内外土壤水分、养分的差异及植物萌动期红砂灌丛对草本植物生长和植被组成的影响.结果表明:红砂灌丛下土壤水分状况明显好于灌丛外空地,尤其是在30～110 cm土层最为显著;灌丛内土壤粘粒和粉粒含量明显高于灌丛外,而沙粒含量低于灌丛外,尤其是0～10 cm土层;土壤有机质、全效氮、磷、钾及速效氮、磷、钾均在灌丛下富集,富集率分别达到1.40、1.25、1.04、1.05、1.37、1.77和1.49;从灌丛内到灌丛外草本植物的盖度和高度逐渐减小,而植物丰富度增大;红砂灌丛对草本植物密度、盖度和高度的相互作用强度均呈现正值,而植物丰富度的相互作用强度为负值.说明红砂灌丛具有明显的沃岛效应,并对草本植物的生长有促进作用.