喀斯特灌丛坡地土壤-表层岩溶带产流及氮素流失特征

喀斯特二元结构发育,地表水大量漏失,养分表现出快速流失的特点,然而养分流失的途径和机制尚不清楚.本研究从喀斯特关键带三维空间的视角,通过监测喀斯特灌丛坡地雨季典型降雨产流和氮素流失特征,基于氢氧稳定同位素技术对主要水文路径“新旧水”比例进行划分,并探讨氮素流失的主要途径和机制.结果表明:深层渗漏和壤中流是喀斯特灌丛坡地主要水文路径,两者分别占降雨量的71%和9%,地表径流仅占2%;深层渗漏、壤中流均以“旧水”为主,“旧水”比例分别为85%、61%;硝态氮浓度在深层渗漏中最高(1.97 mg·L^-1),铵态氮浓度在壤中流中最高(1.18 mg·L^-1),深层渗漏对氮素流失的贡献率达89.4%,显著高于地表径流和壤中流;“旧水”比例与硝态氮、铵态氮浓度和流失总量均表现出显著正相关关系,“旧水”可能是喀斯特坡地土壤-表层岩溶带系统携带氮素迁移的主要介质.以上研究能够为西南喀斯特地区坡地水资源合理配置和养分流失阻控技术研发提供理论支撑.     

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。     

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.     

水文过程对缙云山径流盐基离子变化特征的影响

通过选取缙云山针阔混交林(马尾松×四川大头茶)和常绿阔叶林(四川大头茶×四川山矾)内2个标准径流小区,结合野外观测和室内分析研究降雨及径流的化学性质径流盐基离子变化特征,为该地区水环境保护提供依据。结果表明:1)针阔混交林与常绿阔叶林中p H值变化趋势相同均为:地表径流壤中流大气降水。p H与降雨量之间存在显著相关关系。2)在大气降雨-地表径流-壤中流过程中,NH+4的地表径流及壤中流输出总量小于降雨输入量,表明了土壤对NH+4有一定的吸附持留能力。其他盐基离子径流输出量均高于大气降雨的输入量,且主要以壤中流输出为主,元素发生流失。从盐基离子总量来看,径流输出量均增加:针阔混交林(2.86 kg/hm2),常绿阔叶林(2.47 kg/hm2),说明在两种林分内养分均流失。(3)K+、Ca2+、Mg2+和Na+盐基离子输出量与径流量之间存在相关关系,随着径流量的增大径流输出量增加。而NH+4输出量与径流量之间的相关性不明显,说明了NH+4的变化除受径流量的影响外,可能还受微生物、季节等其他因素的影响。     

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。     

典型农作措施对沙溪庙组壤质紫色土坡耕地径流氮流失的影响

明确典型农作措施对紫色土坡耕地径流氮(N)流失的影响可为优化面源污染防控措施提供科学依据。基于2019—2021年沙溪庙组发育的壤质紫色土坡耕地不同降雨等级次降雨产流事件,分析了常规施肥(CK),优化施肥(T1)和优化施肥+秸秆还田(T2)措施下径流、径流中总氮(TN)、硝态氮(NO₃-N)及铵态氮(NH₄-N)流失浓度和流失量的变化特征。结果表明,与CK相比,T1和T2的径流深分别减小了4.24%、12.71%,但减小程度不显著(P>0.05);CK与T1的径流系数相等,且比T2增加了12.5%(P>0.05);相比CK,T1和T2的TN浓度增加了19.35%、25.8%(P>0.05),TN流失量则均增加了11.54%(P>0.05),表明T1和T2的施用也有增加土壤N流失的潜在风险。与中雨、大雨和大暴雨事件相比,暴雨事件的径流深分别增加了6.5%—191.11%(P<0.05),而TN、NO₃-N及NH₄-N的流失量分别增加106.38%—177.14%(P>...     

加勒比松林凋落物对地表径流和氮、磷流失的影响

以佛山的加勒比松林(Pinus caribaea)为对象, 研究了其地表径流及N和P流失量特点。结果表明, 有凋落物加勒比松林和无凋落物加勒比松林的年径流量分别为12.6和51.8 mm, 其中夏季占90%以上。2种林分的地表径流量和降雨量的关系遵循线性方程。除2007年7月和2008年2月外, 各月地表径流N浓度为有凋落物加勒比松林大于无凋落物加勒比松林, 浓度的差异主要是因为年径流量不同引起的。总体来看, 有凋落物加勒比松林的地表径流P浓度高, 无凋落物加勒比松林低。地表径流N浓度与径流量之间存在着负指数关系。有凋落物加勒比松林和无凋落物加勒比松林的地表径流总N输出量分别为341和983 g·hm^-2, 夏季分别占其年N流失量的73%和64%。无凋落物加勒比松林的地表径流P流失量高达21.5 g·hm^-2, 而有凋落物加勒比松林为6.5 g·hm^-2。2008年6月为有凋落物加勒比松林和无凋落物加勒比松林的地表径流P流失高峰, 分别占其年流失量的46%和60%。因此, 保留林下凋落物可以降低加勒比松林的N和P的流失。     

平衡施肥及雨强对紫色土养分流失的影响

利用人工降雨装置模拟3种不同强度的降雨,采用模拟径流小区,研究了四川紫色丘陵区玉米净作条件下雨强及平衡施肥对土壤养分损失量及载体的影响.结果表明:雨强是影响地表径流量、径流总量及土壤侵蚀量的最主要因素.在小雨强条件下,无地表径流及土壤侵蚀发生;随着雨强的增大,地表径流量、径流总量及土壤侵蚀量都急剧增加.磷素和钾素流失总量也随雨强的增加而增加,而雨强对氮素流失的影响不大.在3种雨强条件下,3种施肥处理的氮素流失总量表现为:高氮施肥>农户习惯施肥>平衡施肥,平衡施肥能减少氮素流失,而高氮施肥增加氮素的流失.农户习惯施肥处理的磷流失总量和钾流失总量均高于平衡施肥和高氮施肥两种施钾处理,在紫色土坡耕地增施钾肥能减少磷、钾养分的流失.     

湘南红壤丘陵区不同生态种植模式下土壤磷素流失特征

以湖南省祁阳县红壤坡地大型标准径流场为例,研究了湘南红壤丘陵区8种不同生态种植模式下土壤磷素的地表流失特征.结果表明: 总磷流失量以撂荒处理(T₁)最严重,顺坡种植模式处理(T₂、T₃)其次,5种梯田模式处理(T₄～T₈)均能有效减少土壤磷的流失,磷流失量分别是T₁处理的9.9%、37%、0.7%、2.3%和1.9%.生态种植模式直接影响红壤坡地土壤磷素的地表流失形态,研究区流失的磷素以颗粒磷为主.暴雨(日降雨量＞50 mm)情况下,降雨量对不同生态种植模式下磷流失量影响差异不大,但磷流失量随降雨强度增大而增加.红壤坡地土壤磷素地表流失主要集中在6-9月,降雨量和降雨强度是影响湘南红壤丘陵区土壤磷素地表流失时间分布的直接因素.
     

赤红壤植蔗坡地坡面径流及溶解态氮磷流失特征

为探究南方高强度、高频次降雨下赤红壤区坡耕地土壤侵蚀及氮磷养分流失的特征,基于野外径流小区原位观测试验,通过测定自然降雨下赤红壤植蔗坡地坡面径流和溶解态氮磷流失量,探讨自然降雨下甘蔗种植对赤红壤坡面径流及溶解态氮磷流失的影响。结果表明：(1)2019年和2020年,径流量分别为1111.3 m~3/hm~2和3269.4 m~3/hm~2,硝态氮(NO~-₃-N)流失量分别为1.39 kg/hm~2和15.60 kg/hm~2,铵态氮(NH~+₄-N)流失量分别为0.37 kg/hm~2和1.02 kg/hm~2,可溶性磷流失量分别为0.20 kg/hm~2和0.27 kg/hm~2。2019年和2020年植蔗坡地径流及溶解态氮磷流失量均集中在6月份,占流失总量的45%以上,硝态氮(NO~-₃-N)是径流氮素流失的主要形式,占79%以上。此外,2019年和2020年5月至8月,侵蚀性降雨场次分别为18次和23次,侵蚀性降雨量分别为407.8 mm和668.0 mm。(2)不同侵蚀性降雨条件下,植蔗坡地溶解态氮磷流失量及其...     

施氮和减水对中亚热带壳斗科三种幼树生物量及其分配的影响

土壤氮素和土壤含水量是森林生态系统中限制植物生长的重要因子。为探讨常绿阔叶树种对模拟氮沉降增加和降水减少的响应,以同质园中自然生长的壳斗科(Fagaceae)丝栗栲(Castanopsis fargesii)、大叶青冈(Cyclobalanopsis jensenniana)和麻栎(Quercus acutissima)五年生幼树为对象,比较了对照(CK)、施氮(+N,施氮60 kg hm~(-2) a~(-1))、减水(-W,减少自然降水的50%)以及施氮和减水(+N-W,施氮60 kg hm~(-2) a~(-1)和减少自然降水的50%)对总生物量、各器官生物量及其生物量分配的影响。研究表明:(1)施氮显著增加了三种幼树的总生物量及各器官生物量(P0.05)。(2)减水未引起三种幼树的总生物量及各器官生物量的显著下降(P0.05)。(3)除麻栎树叶生物量、树枝生物量外,施氮和减水交互作用对三种幼树总生物量及各器官生物量没有明显影响(P0.05)。(4)施氮显著提高了丝栗栲幼树的干重比、大叶青冈幼树的干重比和枝重比(P0.05),降低了大叶青冈的叶重比和根重比(P0.05)。(5)减水导致丝栗栲幼树和麻栎幼树的根重比、麻栎幼树的根冠比显著增加(P0.05),引起丝栗栲幼树的枝重比、麻栎幼树的叶重比、枝重比和干重比显著降低(P0.05)。(6)施氮和减水交互作用显著提高了丝栗栲幼树的根重比(P0.05),降低了麻栎幼树的干重比(P0.05)。     

放牧制度对草地产流产沙及氮磷流失的影响

研究不同放牧制度草场水土流失过程,对草原生态环境保护和治理具有重要的理论意义。以内蒙古呼伦贝尔草原不同放牧草场为研究对象,设置选取三种放牧制度草场(自由放牧、轮牧、休牧),采用人工模拟降雨的方法进行0.74mm/min和1.5mm/min雨强的降雨模拟试验,测定径流量,含沙量,径流和泥沙中总氮,总磷浓度,并探讨植被截留对径流的影响规律。结果表明:植被截留对减少降雨径流具有明显的作用,休牧草场径流系数减小最多,自由放牧草场减小最少,产沙量显示为自由放牧草场轮牧草场休牧草场。降雨强度对径流中的氮磷浓度影响显著,自由放牧草场总氮浓度和休牧草场总磷浓度受雨强影响最大,氮磷流失过程浓度变化曲线更符合幂函数分布。休牧草场泥沙氮含量和泥沙磷含量均为最高,自由放牧草场与休牧草场的总氮富集率基本相等且均大于轮牧草场,总磷富集率为自由放牧休牧轮牧,三种放牧草场氮磷和泥沙流失主要影响因素为径流量和含沙量。因此,适当的将呼伦贝尔草原自由放牧草场向休牧和轮牧草场转变,将有利于减少草场水土营养元素流失及草原生态可持续发展。     

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．     

桥山栎林群落结构特征与物种多样性相关关系分析

为了解森林群落结构特征与物种多样性之间的相关关系,以黄土高原桥山林区典型麻栎纯林、麻栎阔叶混交林和麻栎油松混交林为研究对象,调查分析了群落结构特征,计算物种重要值及物种多样性,并进行了冗余分析,结果表明:(1)麻栎油松混交林主要以乔木层胸径、树高、枝下高等最高;麻栎阔叶混交林以灌木层盖度、地径、冠幅、高度等最高;麻栎纯林以草本地径、草本盖度及草本冠幅最高。(2) 3种类型林分乔木层重要值最高的均为麻栎(Quercus acutissima),灌木层为狼牙刺(Sophora viciifolia)、南蛇藤(Celastrus orbiculatus)、胡枝子(Lespedeza bicolor),草本层为苔草(Carex tristachya)。(3)麻栎油松混交林乔、灌层物种多样性较高,麻栎阔叶混交林以草本层物种多样性最高。(4)不同类型麻栎林群落结构特征与物种多样性关系有差异。松栎混交林中,对物种多样性影响最大的为乔木胸径、新稍长及灌木高度;麻栎阔叶混交林对物种多样性影响最大的为灌木层高度及冠幅;麻栎纯林中,对物种多样性影响最大的为乔木胸径。(5)麻栎油松混交林、麻栎阔叶混交林的胸径、树高、物种多样较麻栎纯林高,具有较高木材生产能力和生态防护功能,是未来森林经营培育的方向。     

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。     

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。     

麻栎和闽楠幼苗叶功能性状及生物量对光照和施肥的响应

光照和养分条件是影响植物生长的重要环境因子,不同生活型植物对环境异质性的响应机制不同。以落叶阔叶树种麻栎和常绿阔叶树种闽楠幼苗为研究对象,设置2个光照梯度（全光照和45%全光照）和4个施肥梯度（不施肥、氮磷供应比为5、15和45）共8种处理,研究光照和施肥及其交互作用对麻栎和闽楠生物量和叶形态、生理及化学性状的影响,并探讨了叶功能性状和生物量的关系。结果表明：（1）光照、施肥及其交互作用对光合气体交换参数（除水分利用效率外）、叶绿素荧光参数、叶形态指标（除比叶面积外）、单位质量叶氮含量和根冠比影响显著（P<0.05）。此外,光照和施肥对地上生物量和总生物量影响显著（P<0.05）。（2）全光照显著增加了麻栎和闽楠单株总叶面积和地上、地下生物量及总生物量（P<0.05）,而遮荫降低了非光化学猝灭系数、光合氮利用率和根冠比,增加了单位质量叶氮含量。（3）在全光照处理中,施肥显著增加了麻栎和闽楠水分利用效率（P<0.05）;在遮荫处理中,氮磷供应比45显著增加了麻栎和闽楠净光合速率和水分利用效率（P<0.05）。（4）麻栎和闽楠在全光照中倾向于资源获取策略,在遮荫中偏向于资源保守策略。在光照和施肥处理中,麻栎和闽楠单株总叶面积与地上生物量均显著正相关（P<0.05）。总之,单株总叶面积是预测麻栎和闽楠幼苗地上生物量变化的稳定指标,施肥有助于增加低光环境下麻栎和闽楠幼苗的生态适应能力。     

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.