黄土高原半湿润区苜蓿草地土壤干层形成及水分恢复

研究了黄土高原地区不同生长年限苜蓿草地0～1000 cm土层土壤水分消耗规律.结果表明,荒地与苜蓿草地土壤干层出现的区域及发生的程度不同:荒地在80～100 cm土层深度,出现轻度干层;生长年限低于8a(含8a)的苜蓿草地,在250～350 cm土层出现轻度干层,生长年限超过8a,出现中度干层,干层范围延至500 cm土层以下.苜蓿生长超过18a,0～200 cm上层土壤水分开始恢复,年均恢复1.49%;但在200～1000 cm土壤深层,18、26年生苜蓿草地土壤含水量仅为10.20%,深层土壤通体干化,水分难以恢复.     

黄土高原半干旱区苜蓿草地土壤干燥化特征与粮草轮作土壤水分恢复效应

实地测定了黄土高原半干旱区固原不同生长年限苜蓿草地和连作8a苜蓿草地翻耕轮作不同年限粮食作物后深层土壤水分特征,分析了苜蓿草地土壤干燥化特征和粮草轮作对土壤水分的恢复效应.结果表明:(1)苜蓿连作1a、5a、8a和12a等4类苜蓿草地0～1000cm土层平均土壤湿度值为6.6%,平均土壤水分过耗量702.8mm,平均土壤干燥化速率147.1mm/a,达到强烈干燥化程度,苜蓿连作5a土壤干层深度超过1000cm,苜蓿连作8a土壤干层深度超过1360cm,苜蓿草地合理利用年限为7a.(2)连作8a苜蓿草地翻耕并轮作4～7a和25a粮食作物等5类粮田0～1000cm土层土壤湿度介于6.74%～11.95%,土壤贮水量恢复值介于210.6～887.3mm,平均土壤水分恢复速率为80.8mm/a.轮作6a后粮田土壤干层轻度恢复程度以上深度达到1000cm.通过粮草轮作使苜蓿草地土壤湿度恢复到当地土壤稳定湿度需要13a以上.黄土高原半干旱区适宜的粮草轮作模式为:7a苜蓿→13a粮食作物.     

陇中黄土高原半干旱区苜蓿地土壤干燥化特征及适宜种植年限

研究了陇中黄土高原半干旱区不同种植年限紫花苜蓿地土壤水分特征及适宜种植年限.结果表明： 3、8、12和14年生苜蓿地0～300 cm土层土壤平均含水量均明显低于当地土壤稳定湿度值.12和14年生苜蓿地0～300 cm土层土壤含水量仅为9.2%和7.1%,甚至低于作物有效水分下限.1、3、8、12和14年生紫花苜蓿地0～300 cm土层干燥化指数分别为125.4%、30.5%、18.4%、-34.2%和-83.3%,除1年生苜蓿地土壤无干燥化现象之外,其余种植年限苜蓿地土壤均呈不同程度的干燥化.随苜蓿种植年限的延长,土壤干燥化程度加剧,但干燥化速率呈减缓趋势.综合苜蓿生产力动态和土壤水分状况,该区紫花苜蓿适宜的种植年限为8～10 年.     

黄土高原半干旱区土壤干层水分恢复研究

黄土高原土壤干层是一个重要的生态环境问题,研究干层土壤水分的恢复对正确指导黄土高原退耕还林还草,实现该区土地的可持续利用具有重要意义。研究在黄土高原半干旱区的固原县,选择了将紫花苜蓿翻耕后3a、12a的坡耕地,对其土壤干层的水分恢复状况进行了分析。发现二者土壤干层水分最大恢复深度分别为3m、4．8m,但土壤水分含量在中效水及其之上的主要恢复层深度分别为2m、2．2m。苜蓿翻耕3a和12a后2m以上土层土壤平均湿度都能恢复到易效水或极易效水的水平,可以满足1年生农作物的生长需求而不会进一步恶化土壤水分生态环境。但即使苜蓿翻耕12a后土壤水分,也不能满足林木和多年牛豆科牧草正常生长的水分需求。     

黄土高原半干旱偏旱区草粮轮作田土壤水分恢复效应模拟

采用实地调查和EPIC模型相结合的方法,模拟研究了黄土高原半干旱偏旱区不同草粮轮作模式的土壤水分恢复效应.结果表明：多年生苜蓿地和苜蓿翻耕后种植粮食作物农田0～10 m土层土壤湿度调查值与模拟值间的相关系数均超过0.9（P<0.01）,相对均方根误差在0.05～0.16,相对误差均低于10%;模拟与实测的土壤湿度剖面分布变化趋势一致.在黄土高原半干旱偏旱区,苜蓿地深层土壤干层恢复难度较大,在种植苜蓿期间应避免8～10 m土层土壤湿度降到5.7%以下.苜蓿地适宜种植年限为4～6 a,最长不应超过8 a.苜蓿翻耕后适宜采用马铃薯→马铃薯→春小麦轮作模式进行土壤水分恢复,32～33 a后可以再次种植苜蓿.     

黄土高原北部人工灌草植被土壤干燥化过程研究

黄土高原北部水蚀风蚀交错区是典型的生态脆弱区,人工灌草植被土壤干燥化发生频繁。土壤干化层的形成影响生物小循环并削弱水文大循环,严重制约植被建设成效和区域生态稳定。为阐明人工灌草植被土壤干燥化过程,并确定适宜的种植年限,选择该区典型人工灌草植被—柠条和苜蓿为研究对象,分析两种植被土壤水分和地上生物量随生长年限的变化特征。结果表明:2—8年生柠条和1—7年生苜蓿对剖面土壤水分消耗强烈,并随生长年限呈快速下降趋势,9—12年生柠条和8—11年生苜蓿1.0—4.0 m剖面含水量分别降低至8.2%—9.0%和8.5%—10.5%之间,并处于相对稳定状态。4—5年生柠条地1—1.4 m开始产生干层,6年生柠条地干层深度达2.4 m,干层厚度为1.4 m;9—12年生柠条地干层深度超过4.0 m。2—4年生苜蓿地无干燥化;5年生苜蓿生长季末土壤干层深度达3.6 m,干层厚度为2.6 m,且7年生以后土壤干层的深度超过4.0 m。因此,为调控土壤干层,减少深层土壤干化的发生,建议柠条和苜蓿的生长年限分别不要超过6年和5年,其对应的地上最大干生物量分别为5050 kg/hm~2和1980 kg/hm~2。研究结果可为黄土高原北部生态脆弱区人工灌草植被管理与土壤干层调控提供科学依据。     

黄土塬区深剖面土壤水分垂直分布特征及其时间稳定性

研究土地利用方式对深剖面土壤水分时空动态的影响,对于了解区域水循环在变化环境下的表现特征具有重要意义.本研究基于长期定位监测数据,对2012年9月至2015年12月黄土塬区4种土地利用方式0～15 m剖面土壤水分状况进行分析.结果表明: 苜蓿草地(>7年)、休闲地、高产农田和低产农田平均土壤含水量分别为15.1%、22.0%、19.6%和21.1%(0～15 m、年度平均值);干湿交替层季节性失水和蓄水分别出现在3—6月和7—10月,其深度范围分别为0～2、0～4.6、0～3和0～4.2 m.深层土壤水分具有较好的时间稳定性,其垂直分布受土地利用方式的影响.观测年份内苜蓿产量和耗水量均呈逐年增加趋势,造成深层土壤的干燥化程度加大,2～10 m土层形成稳定土壤干层,阻断了降水补给地下水的途径.对于其他3种土地利用方式下的土壤水分平衡,冬小麦生长季农田与休闲地均表现为负平衡;玉米生长季高产农田表现为负平衡,而低产农田与休闲地表现为正平衡;在作物休闲期,农田与休闲地均表现为正平衡.通过施肥处理所形成的高产农田的作物水分利用效率是低产农田的3倍以上.     

黄土丘陵半干旱区土壤水资源利用限度

以柠条为对象,采用中子水分仪对黄土丘陵半干旱区人工植被恢复过程中土壤水分与植物生长进行长期定位观测.结果表明:撂荒地播种后,随着时间推移,植物群落保持水能力增强,根系吸收利用水分的土层深度增加、土壤含水量下降.林地土壤出现干层,且干层土壤的深度和厚度逐年增加.植物对土壤水资源的利用限度为干层土壤深度等于最大补给深度时的土壤储水量.在黄土丘陵半干旱区人工柠条林地土壤水资源利用限度是0～290 cm土层的土壤储水量为249.4 mm.当人工林地土壤水资源接近或等于土壤水资源利用限度时,需要采取措施降低土壤水分消耗,或增加土壤水分补给,维持根系吸收利用水资源的相对稳定.     

黄土高原六道沟流域不同土地利用方式下土壤水力特性及其对土壤水分的影响

采用地统计学中交互相关系数方法,对黄土高原六道沟流域农田、荒草地、林地、苜蓿地4种土地类型土壤剖面水力特性及其对水分分布的影响进行了分析.结果表明：研究区农田与荒草地的土壤特性相似,苜蓿地与林地相似;相同吸力条件下,土壤水分以农田最大、林地最小,而饱和导水率则相反;除土壤水分消耗期的林地和苜蓿地土壤水分随土层深度增加呈上升趋势外,其他时期各土地利用方式下土壤水分均随土层深度的增加而降低.土壤剖面饱和导水率与土壤含水量之间的影响程度依土壤水分条件而异：水分补偿期,剖面土壤饱和导水率对滞后其空间距离0～40 cm土层内的土壤含水量具有显著影响,而土壤水分含量对饱和导水率的影响范围为0～50 cm;水分稳定期,饱和导水率与土壤含水量的相互影响范围均在0～60 cm;水分补偿期和稳定期,二者之间为正相关;土壤水分消耗期,农田和荒草地饱和导水率与水分含量呈正相关,饱和导水率对土壤水分含量的影响范围在滞后其空间范围0～80 cm土层内,而土壤水分含量对饱和导水率的影响范围在0～60 cm内,林地和苜蓿地则呈负相关,相互影响范围均在0～60 cm土层内.     

黄土旱塬区苹果园土壤水分动态

选取黄土旱塬区盛果期果园,于2009-2013年对0～500 cm土层土壤含水量进行连续监测,了解其土壤水分动态变化规律.结果表明： 平水年,苹果园耗水主要发生在0～300 cm土层;年降水量小于400 mm时,果树主要消耗300 cm以下土层土壤水分;受年降水量和苹果耗水的共同影响,200～300 cm土层是土壤水分的最大波动层;苹果园4-6月底季节性干旱明显,土壤水分的蓄积主要发生在7-10月中旬,该期的土壤蓄水能有效缓解下一年的春季干旱.     

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.     

黄土丘陵区紫花苜蓿生长与土壤水分变化

研究了黄土丘陵区紫花苜蓿生物量变化规律和土壤水分过耗与恢复特征.结果表明,紫花苜蓿在退耕地生长年限一般为10年,生长的高峰期为第4年～第5年,到第6年,由于土壤水分过耗严重,生物量开始逐年下降,草地开始衰败.紫花苜蓿茎叶生物量的垂直变化,在距地面0～35 cm之间,茎生物量远大于叶生物量,茎叶比为1.7∶1;在40 cm高时茎叶比相等,在45～90 cm之间叶生物量远大于茎生物量,叶茎比为1.42∶1.紫花苜蓿土壤干层在生长的前两年不甚明显,随着生长年限的延长,干层厚度不断增大,由第3年的110 cm扩大到第7年的260 cm,含水量仅为4.6%～6.2%,土壤水分严重亏缺.紫花苜蓿退化草地土壤水分的自然恢复过程一般需5年,且随着恢复年限的延长,土壤水分逐年提高.     

黄土高原不同干旱类型区苜蓿草地深层土壤干燥化效应

田间实地测了黄土高原不同干旱类型区不同生长年限苜蓿草地0～1000cm土层土壤湿度,分析和比较了各类苜蓿草地深层土壤干燥化效应特征。结果表明,在半湿润区、半干旱区和半干旱偏旱区,各类苜蓿草地土壤湿度平均值分别为10．84％、7．07％和5．45％,明显低于当地土壤稳定湿度值和荒草地土壤湿度值,土壤水分过耗量分别为540．2、641．1mm和455．0mm,平均土壤干燥化速度分别为61．2、101．9mm/a和99．0mm／a;3种类型区各类苜蓿草地年降水入渗深度分别为187．8、144cm和173cm,降水入渗深度以下深层土壤湿度保持稳定的干燥化状态;土壤干燥化强度随苜蓿草地生长年限延长而加剧,3年生苜蓿草地为中度干燥化强度,土壤干层厚度达到500～760cm,4年生以上苜蓿草地已达到严重干燥化和强烈干燥化强度,土壤干层厚度超过940～1000cm;通过粮草轮作使苜蓿草地土壤湿度恢复到当地土壤稳定湿度分别需要6、11a和18a以上。     

黄土高原不同类型旱区苜蓿草地水分生产潜力与土壤干燥化效应模拟

在模型验证和数据库组建基础上,用WinEPIC模型定量模拟研究了黄土高原半湿润区长武、半干旱区固原和半干旱偏旱区海原20～30年内苜蓿草地水分生产潜力、10m土层土壤有效含水量和土壤湿度剖面分布特征的动态变化.结果表明:长武、固原和海原苜蓿草地水分生产潜力模拟值随降水量变化而呈现波动性降低趋势,其平均值分别为8.81、3.83和2.48t.hm-2;长武、固原和海原苜蓿草地10m土层逐月土壤有效含水量模拟值均呈现明显的波动性降低趋势,模拟初期,4～8年生苜蓿草地土壤干燥化趋势十分强烈,此后,随降水量变化长期在较低水平上波动;随着苜蓿生长年限的延长,苜蓿草地土壤干层逐年加深、加厚,长武、固原和海原土壤干层分布深度达到10m所需时间依次为6、6和4年,此后苜蓿草地降水渗深以下土层长期维持较为稳定的干燥化状态;苜蓿草地水分持续利用的合理年限为半湿润区8～10年,半干旱区6～8年,半干旱偏旱区4～6年.     

人工林和农田对东北地区土壤碳、氮含量及相关指标垂直分布的影响

以兴安落叶松(Larix gmelinii)人工林及其附近农田为研究对象,选取8组配对样地不同土层进行相关指标测定。结果发现:多数样地(8组中的7组)0～20 cm土层有机碳含量林地高于农田37%,但深层(20～80 cm)农田高于林地8%～58%;土壤无机碳中所有样地平均显示林地高于农田(林地:1.33 mg·kg-1;农田:1.17 mg·kg-1);表层(0～20 cm)林地土壤全氮和碱解氮多高于农田,平均高出20%和34%,而深层土壤中(20～80 cm)多表现为相反趋势,这使得0～80 cm土层平均林地(6%)<农田(4%)。0～20 cm土层多为林地pH值>农田,林地电导率、容重<农田,而深层多(4～5组样地)多表现为相反趋势,0～80 cm土壤平均显示pH值差异不大,农田电导率>林地约2.22μs·cm-1,而容重差异仅0.02 g·cm-3(1%)。上述结果说明,土地利用对表层和深层影响差异明显,甚至趋势相反,农田和林地土壤碳及相关理化指标发生了明显垂直分布特征变化。过分强调土壤表层而得出的农田使SOC大量减少、土壤肥力下降的结论,在考虑深层土壤后能够明显降低上述数据的大小。这一发现说明需要同时考虑表层和深层土壤碳和氮等指标变化,以得出更科学的结论。     

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.     

紫色土坡耕地土壤属性差异对耕层土壤质量的影响

坡耕地是一个区域最易发生水土流失的土地利用类型,其严重的水土流失、面源污染和耕层退化现象直接威胁着坡耕地持续利用以及当地粮食安全、生态安全;耕层土壤质量对自然因素和人为耕作活动的影响较为敏感。以南方3个地点紫色土坡耕地耕层土壤质量为研究对象,从土壤属性角度,对比分析了重庆合川、江西兴国、云南楚雄不同耕层垂直深度土壤养分特征、土壤物理性质、土壤水库特征、耕作性能差异性及其形成原因。结果表明:(1)坡耕地耕层土壤有机质表现为云南楚雄(28.80g/kg)江西兴国(9.03 g/kg)重庆合川(8.80 g/kg);除全钾含量外,土壤全量养分和速效养分的含量表现为云南楚雄江西兴国重庆合川;坡耕地耕层速效养分垂直分布变化规律基本一致,主要表现为土壤速效养分主要在0—20 cm土层富集,而20—40 cm和40—60 cm土层无显著差异。(2)不同地点紫色土坡耕地耕层土壤物理性质差异明显,以重庆合川坡耕地土壤物理质量最差,表现为土壤砂粒含量60%、土壤容重最大(1.43 g/cm3)、土壤总孔隙度(45.97%)和毛管孔隙度(34.36%)最小;从坡耕地耕层土壤物理性质垂直变化特征看,耕作层(0—20 cm)优于心土层(20—40 cm)和底土层(40—60 cm)。(3)紫色土坡耕地耕层土壤初始入渗率以江西兴国坡耕地耕层最大(0.32 mm/min),而以重庆合川坡耕地耕层最小(0.19 mm/min);土壤稳定入渗率和平均入渗率均表现为云南楚雄重庆合川江西兴国;坡耕地耕层土壤最大有效库容以云南楚雄最好(873.311 t/hm~2),说明云南楚雄紫色土坡耕地耕层土壤具有较好的抵御季节性干旱能力;不同地点坡耕地耕层土壤总库容、死库容、兴利库容、滞洪库容、最大有效库容在垂直方向变化表现为耕作层(0—20 cm)大于心土层(20—40 cm)和底土层(40—60 cm)。(4)不同地点紫色土坡耕地耕层土壤抗剪强度和贯入阻力均呈现出相同变化规律,土壤抗剪强度表现为重庆合川(15.39 kg/cm~2)云南楚雄(14.74 kg/cm~2)江西兴国(10.66 kg/cm~2),而土壤贯入阻力值为重庆合川(424.83 k Pa)云南楚雄(252.50 k Pa)江西兴国(188.87 k Pa),这种土壤力学性能的变化说明重庆合川紫色土坡耕地耕层土壤具有较好抵抗剪切破坏的能力和较大耕作阻力。上述研究结果可为不同地点紫色土坡耕地耕层土壤质量诊断、坡耕地合理耕层评价提供理论依据和数据支持。