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.     

宁南山区紫花苜蓿(Medicago sativa)土壤干层水分动态及草粮轮作恢复效应

以各类作物农田水分为对照,连续两年对宁南山区不同生长年限苜蓿深层土壤水分以及10年生苜蓿地耕翻后轮作不同年份作物农田的水分进行了测定.结果表明,随着苜蓿生长年限的增加,干层深度与厚度先增加后减小.3年生苜蓿干层深度为720cm,6年生干层最深可达1000cm以下,10年生干层深度为920cm,3～12年生苜蓿地0～700cm土层基本上均属于土壤干层范围.苜蓿地0～800cm土壤湿度随生长年限增加而降低,2004年测定的4、7年生和12年生苜蓿地0～700cm土层平均含水率分别为5.30%、5.22%和5.01%;2005年测定的3、6年生和10年生苜蓿地0～800cm土层湿度分别为6.26%、5.60%和5.27%;而800～1000cm土层湿度在一定年限后有恢复趋势.300cm为苜蓿地降水下渗的最大临界深度,300cm以下土壤干层一旦形成,将长期存在,7～12年生苜蓿300～700cm土层湿度仅维持在4.0%左右.苜蓿地和农田的土壤干层厚度与湿度有较大差异,草粮轮作可使苜蓿土壤干层水分基本恢复到农田湿度,而且轮作年份越长,土壤各层次水分恢复效果越好,10年生苜蓿轮作18年后土壤水分基本恢复到农田状态.     

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.     

封育对黄土高原草地深层土壤pH的影响

土壤酸碱度变化, 直接影响植被类型及植物对土壤养分的吸收效率, 同时在土壤有机碳和无机碳相互转化过程中起重要作用, 为明确草地封育过程中土壤酸碱度的变化特征。以黄土高原云雾山自然保护区放牧草地(封育0年)、封育15年草地、封育30年草地为研究对象, 采用空间代替时间方法, 研究封育过程中深层(0-500 cm)土壤酸碱度变化特征。结果表明: (1)3个封育年限草地土壤pH随着土层深度的增加而增加, 放牧草地土壤pH变化范围为8.54-9.26、封育15年草地土壤pH变化范围为8.56-8.97、封育30年草地土壤pH变化范围为8.12-8.74。(2)不同封育年限0-500cm土壤各粒级差异较大, 放牧草地在40-60 cm土层, 3-2 mm土壤团粒结构的土壤pH最低为8.38, 显著低于其它粒级(P˂0.05); 封育15年草地土壤pH各粒级差异较小; 封育30年草地土壤pH整体呈上升趋势, 0-20 cm各粒级土壤pH差异显著。(3) 在0-500 cm, 封育30年草地土壤pH显著低于放牧草地和封育15年草地(P˂0.05), 其平均值分别为8.50、8.94和8.87。因此, 长期封育显著降低土壤pH值。     

半干旱黄土高原苜蓿草地撂荒过程土壤水分变化特征

土壤水分是黄土高原植被恢复和生态建设的主要限制因子,明确土壤水分随植被演替的变化规律是阐明黄土高原植被与水分相互作用机制的重要基础。以半干旱黄土高原小流域苜蓿草地撂荒过程为研究对象,通过对2016-2018年生长季苜蓿群落、苜蓿+赖草群落、赖草群落和长芒草群落四种草地群落0-1.8 m土壤水分进行动态监测以及0-5 m深度土壤水分测定,分析不同演替阶段苜蓿草地土壤水分的动态特征,探讨土壤水分对苜蓿草地撂荒过程的响应。结果表明：（1）在苜蓿草地撂荒演替过程中,土壤水分随群落恢复时间的延长呈先增加后降低的变化,降水的年际动态显著影响不同演替群落的土壤水分响应;（2）0-0.4 m土壤水分主要受降水影响,使得各草地群落在这一层次没有显著差异（P>0.05）,而1 m以下的土壤水分含量则主要受植被类型的影响,各草地群落之间存在显著差异（P<0.05）;（3）0-5 m深层土壤水分随群落的演替,1 m以下各土层土壤水分含量逐渐增加,表明撂荒过程中使土壤水分得到了一定程度的恢复。研究结果揭示了苜蓿草地撂荒过程土壤水分的变化规律,可为黄土高原生态恢复提供理论依据。     

陕北黄土高原土壤干层的分布和分异特征

以人工刺槐林为研究对象,经大量野外调查和数据分析,研究了陕北黄土高原土壤干层的分布状况和分异特征,结果表明,土壤干层在陕北黄土高原从南到北大范围内普遍分布,根据干化程度可分为4个类型区：1)以宜君为代表的高原沟壑区南部;2)以富县、黄陵为代表的高原沟壑区北部;3)范围较广的丘陵沟壑区,该区又可分为南、西、北3个小区,南区以延安、延长为代表;西区以吴旗、安塞为代表;北区以绥德、米脂为代表;4)以神木为代表的风沙区,受降雨量的影响,土壤干化程度具有明显的水平分异规律,即随着降雨量从南到北的减少,干化程度亦随之加重;受海拔高度、降雨入渗能力的影响,土壤干化程度在小范围的山地呈现明显的垂直分异规律,海拔愈高,干化程度愈严重;因土地类型的不同,土壤干化程度在局地空间上呈现明显的分异规律。     

黄土高原水土保持林对土壤水分的影响

黄土高原植被恢复的限制因素主要是土壤水分,植被与土壤水分关系的研究对黄土高原植被恢复具有重要意义.2008年7月1日至2009年10月31日间采用EnviroSMART土壤水分定位监测系统以每30min监测1次的频度,对晋西黄土区刺槐人工林地、油松人工林地、次生林地的土壤水分变化进行了研究.研究得出:次生林地0-150 cm土层中平均蓄水量为331.95mm,刺槐人工林地为233.85 mm,有整地措施的油松人工林地为314.85mm,刺槐人工林比次生林多消耗的98.10mm土壤水分主要来源于80 cm以下土层.次生林主要消耗0-80 cm土层的水分,而人工林不但对0-80 cm土层水分的消耗量大于次生林,对深层土壤的消耗也较次生林大,这将有可能导致人工林地深层土壤的“干化”.在土壤水分减少期(11-1月)刺槐人工林土壤水分的日均损耗量为0.86mm、油松人工林为0.82 mm、次生林为0.84 mm.土壤水分缓慢恢复期(2-5月)刺槐人工林地土壤水分的恢复速度0.90mm/d,油松人工林地为0.53 mm/d、次生林地为0.79 mm/d.土壤水分剧烈变化期(5-10月)刺槐人工林地土壤水分含量的极差为95.71mm,油松人工林地为179.1mm,次生林地为72.03mm.在干旱少雨的黄土高原进行植被恢复时,应多采取封山育林等方式,依靠自然力量形成能够与当地土壤水资源相协调的次生林,是防止人工植被过度耗水形成“干化层”、保障水土保持植被持续发挥生态服务功能的关键.     

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.