咸阳地区近年苹果林地土壤含水量动态变化

利用人力钻采样法和烘干称重法, 研究了咸阳地区2002-2008年间苹果林地6 m深度范围土壤含水量的动态变化、土壤干层的等级、土壤干层水分恢复、动力机制与消耗过程。资料表明, 咸阳地区干旱年苹果林地土壤含水量较低, 发育了长期性土壤干层。2003和2007丰水年苹果林地土壤干层中的水分得到了显著恢复, 经过当年的水分补给, 土壤干层已经消失。丰水年土层中重力水含量较高, 并能到达2 m深度以下。持续时间较长的重力水的存在是土壤干层水分恢复的驱动力, 但干层水分恢复的直接动力是薄膜水的水膜压力。在年降水量800 mm或更多的条件下, 不论黄土厚度有多大, 土层水分完全能够满足人工林生长的需要。咸阳地区干旱年苹果林地土壤水分不足, 土壤水分收入量小于支出量, 土壤水分为负平衡, 没有剩余的水分通过入渗补给地下水;丰水年苹果林地土壤水分充足, 土壤水分收入量大于支出量, 土壤水分为正平衡, 有剩余的水分通过入渗补给地下水。在年降水量为800 mm左右的丰水年, 该区补给的土壤水分可维持苹果林地在3 a内不会出现长期性干层, 3 a之后一般还会出现长期性土壤干层。     

内蒙古希拉穆仁草原春季土壤水与水分平衡研究

为了揭示希拉穆仁草原土壤含水量, 水分存在形式, 水分有效性, 水循环和土壤干层等问题, 对该区不同地形草地进行了打钻取样, 对含水量及粒度进行测定与分析。结果显示: 研究区多数土壤剖面中含水量变化在2%-10%之间, 平均含水量多在3%-6%之间。高地采样区土壤水分垂向变化波动较大, 变化趋势不明显; 平地采样区土壤上中部含水量多于下部。研究区土壤水分大部分处于难效水状态, 土壤水分对植被生长具有明显的抑制作用, 但平地采样区在剖面上部0-0.5 m的平均含水量较高地采样区略多, 表明平地采样区植被生长受到土壤水分的胁迫性相对较小。研究区普遍有干层发育且等级较高, 干层分布接近地表。其中, 高地采样区剖面0-0.5 m全部为重度干层, 下部有轻度干层和中度干层发育; 平地采样区几乎全部为重度干层。该区春季5月份土壤水分几乎都以含量很低的薄膜水形式存在, 大气降水被蒸发与蒸腾等全部消耗, 没有剩余水分补给地下水。综上指示该区土壤水分为明显的负平衡, 水循环呈现土壤-植物-大气的水分循环模式, 属于不完整的水分循环类型。     

黄土丘陵区沙棘灌木林地土壤水分动态研究

采用生物与工程措施相结合的方法,定位研究了沙棘林地的土壤水分变化动态。结果表明：水平阶、水平沟和鱼鳞坑整地不同立体配置模式土壤水分大幅度提高,0～2．0m沙棘与豆科牧草立体配置的土壤含水量均高于沙棘与禾本科牧草的立体配置;2．0～5．0m沙棘与禾本科牧草立体配置的土壤含水量均高于沙棘与豆科牧草的立体配置。其提高幅度为3％～5％。未采用工程整地措施的沙棘林地,在沙棘生长的第3年,土壤干层的分布深度不甚明显;从第5年土壤干层厚度逐渐加深到1．8m;第7年土壤干层厚度为2．6m;第9年土壤干层厚度为3．1m;第11年土壤干层厚度为2．6m;第13年土壤干层厚度为2．2m。     

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。     

黄土高原不同降水量区苹果园土壤干燥化效应及生产水足迹模

为探明黄土高原地区旱作苹果园深层土壤干燥化效应和生产水足迹动态变化,选择半湿润区洛川和半干旱区米脂两个典型苹果种植区,采用WinEPIC模型定量模拟分析两个区域1980—2020年旱作苹果园0～15 m土壤水分动态变化和苹果生产水足迹演变规律。结果表明: 洛川和米脂成龄果园年产量大致呈“S”型趋势变化,年均值分别为24.64和18.42 t·hm^-2;年均蒸散量分别为623.82和458.97 mm,年均干旱胁迫日数分别为20.4和52.73 d,年均水分过耗量分别为167.94和121.15 mm。洛川1～25龄、米脂1～23龄果树土壤有效含水量下降趋势明显,土壤干燥化速率分别为64.6和68.03 mm·a^-1;洛川和米脂深层土壤干层形成的时间为第13年和第7年,并分别于第23年和第22年后达到稳定,降水量高的地区形成和达到稳定土壤干层的时间较晚,如果土壤水分长期处于亏缺状态,最终会形成不可逆转的土壤干层。洛川和米脂苹果生产水足迹均呈前期低后期高的特征,年均生产水足迹值分别为0.187和0.194 m³·kg^-1。苹果产量和生产水足迹受降水影响,在水资源短缺的黄土高原地区,为了苹果产业能够持续健康发展,建议苹果树最佳种植年限为23年左右,最多不应超过25年。     

苹果园改种粮食作物渭北旱塬深层土壤水氮变化特征

黄土高原退耕还林(草)工程实施20年来,长期苹果种植导致了普遍的土壤干层和大量的硝态氮累积,严重制约了农业和区域经济可持续发展。因此,明确不同树龄苹果园改种粮食作物后对深层土壤干层恢复(土壤水分变化)、土壤硝态氮累积与运移的影响,对于黄土高原土壤质量改善和农业可持续发展具有重要意义。以渭北旱塬为研究区,选取10、15、20、30 a树龄的苹果园以及对应树龄苹果园改种为2、5 a和6 a粮食作物为研究对象,通过对比分析各样地0—10 m剖面的土壤含水量、土壤储水量和硝态氮含量的差异,基于空间换时间的方法定量评估苹果园改种为粮食作物后对于深层土壤水氮的影响。结果表明：(1)不同林龄苹果园改种粮食作物后土壤水分迅速恢复,在2年之内均可恢复到7.0 m左右深度。(2)改种后土壤储水量对于改种后土壤硝态氮累积量的直接影响最显著,不同林龄苹果园改种粮食作物后,土壤剖面中硝态氮随着土壤水分的恢复发生了不同程度的淋失。改种前苹果园种植年限对于改种后土壤硝态氮累积量起决定性作用,改种前林龄越长,改种后硝态氮累积量越大、淋失深度越浅。(3)土壤累积硝态氮的淋失滞后于土壤水分的向下运动。可见,不同林龄苹果园...     

陕北刺槐林木生长及林下植被与土壤水分对种植密度的响应特征

以陕西省安塞县2000年左右退耕栽植的5种不同密度(830~3 330株/hm~2)刺槐林地为研究对象,分析不同栽植密度对刺槐林木生长、林下植被及土壤水分的影响,为黄土高原丘陵沟壑区刺槐人工林合理栽植密度的确定以及可持续经营提供理论依据。结果表明:(1)阳坡中不同密度间刺槐林木的胸径、树高、冠幅均差异显著;阴坡中2 500株/hm~2的刺槐林木平均胸径、树高与两个低密度林的差异显著,且平均冠幅与1 670株/hm~2差异显著,与2 000株/hm~2差异不显著。(2)当栽植密度为1 670株/hm~2时,刺槐林地水分含量相对较高,林下植被平均盖度及物种多样性也较高。(3)各栽植密度刺槐林地0~500cm土壤含水量均低于该地区土壤稳定湿度(12%)。(4)阳坡中3 330株/hm~2的林地0~500cm土层含水量仅为4.5%,土壤干旱化严重,而830株/hm~2的刺槐林地土壤水分为7.8%;阴坡中栽植密度为1 670~2 000株/hm~2的刺槐林地土壤含水量较高,为7.5%~8.2%。研究表明,在陕北黄土高原丘陵沟壑区,刺槐初始造林密度不宜超过1 670株/hm~2(株行距2m×3m),在进入刺槐生长高峰期后,应采取间伐管理以调整林分密度,使其维持刺槐人工林林地的稳定性与可持续性。     

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.     

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。     

施肥方式和园龄对洛川苹果园土壤钙素退化的影响

为明确黄土高原苹果产区施肥方式和园龄对土壤钙素含量和钙素贮量的影响,本研究以位于世界苹果优生区的陕西省洛川县苹果园为研究对象,分别研究不同施肥方式和不同园龄苹果园0～100 cm土层土壤碳酸钙、水溶性钙和交换性钙含量及其贮量的变化特征.结果表明: 洛川县苹果园土壤钙素递减式退化现象严重,长期大量单施化肥苹果园土壤钙素退化现象明显大于化肥与农家有机肥配施苹果园,单施化肥苹果园比化肥与农家有机肥配施苹果园0～100 cm土层土壤碳酸钙、水溶性钙和交换性钙平均含量分别减少38.8%、25.4%和5.6%,3种形态土壤钙素贮量依次减少36.4%、26.0%和4.3%;苹果园土壤钙素退化程度随园龄增加不断加剧,园龄>25年苹果园比园龄≤10年苹果园0～100 cm土层土壤碳酸钙、水溶性钙和交换性钙平均含量分别减少48.8%、69.4%和39.5%,3种形态土壤钙素贮量分别减少40.8%、64.1%和33.0%.长期大量单施化肥和长期种植苹果树均对土壤碳酸钙、水溶性钙、交换性钙有明显的耗竭作用,钙素递减式退化特征明显,化肥与农家有机肥配施能够有效减缓土壤钙素退化,对于园龄>25年的高龄苹果园应加强土壤钙素管理.施肥方式是苹果园土壤钙素递减的驱动因素,钙素递减呈现出明显的时(园龄)空(土层深度)效应.     

渭北旱塬苹果园不同水肥管理模式下的土壤水分差异

为了探究渭北旱塬苹果园不同水肥管理模式下的土壤水分差异,于2013—2016年在地处渭北旱塬的陕西省白水县田家洼村进行了田间试验,设置了3个不同果园水肥管理方式:农户模式(单施化肥,FM)、现有模式(推荐施肥配合地膜覆盖,EM)、优化模式(有机无机肥配施配合双元覆盖,OM),并对0~300 cm土层土壤水分进行了测定.结果表明:优化模式可以显著提高0~200 cm土层土壤贮水量,0~100 cm土层土壤含水量在干旱季节较农户模式和现有模式分别增加5.6%和15.3%,优化模式200~300 cm土层土壤水分相对亏缺指数低于现有模式,在干旱年份可以提高降雨入渗,降雨入渗达到300 cm,同时优化模式可以提高果园0~300 cm土层土壤降水补充量,稳定土壤水分变化,有效缓解了深层土壤干燥化程度.优化模式4年平均产量较农户模式和现有模式分别提高36.6%和22.5%.综上,优化模式可以通过提高土壤有效含水量,改善浅层和深层水分状况,提升土壤水分利用效率,在提高产量的同时,缓解土壤深层干燥化程度.     

黄土旱塬区土壤水分状况与作物生长、降水的关系

土壤水分研究是统筹农业生产和生态环境建设的关键环节.本研究结合4年田间定位试验,通过对黄土高原南部长武旱塬冬小麦和春玉米2012—2015年土壤水分状况的研究,分析农田土壤干层形成情况、土壤水分对作物生长的影响、降水对土壤水库的影响以及作物对土壤水分状况的影响.结果表明: 降水年型是冬小麦地土壤干层形成的主导因素,年内降水分布不均是春玉米地土壤干层形成的主导因素.长武旱塬区冬小麦和春玉米一年一季的种植制度不会导致永久性干层的产生;相较于春玉米,冬小麦根系生长习性更符合黄土旱塬区土壤水分循环特征,黄土旱塬区土壤水分有效性可保证作物产量稳定;降水作用下,冬小麦土壤水库充、放水过程呈现收获期、休闲期和苗期连续充水、缓慢消耗期和大量消耗期连续失水相互交替的特点.0～300和300～600 cm土层土壤水库不一致性现象明显,以最大根深作为野外监测试验中土壤含水量的取样深度时,由于深层土壤水库负反馈作用,不同降水年型下,休闲期和苗期的蒸散均会被高估,缓慢消耗期和大量消耗期的蒸散均会被低估.冬小麦田间过渡层存在的范围为140～360 cm;作物生长的时间跨度影响土壤水库效应的发挥,土壤水库对冬小麦供水表现为年际间的调节作用,土壤水库对春玉米供水表现为季节间的调节作用.     

洛川苹果园土壤水分变化特征

全面掌握洛川果园的土壤水分环境特征,不仅可为苹果的园址选择、砧穗组合和改进土壤水分管理措施提供理论依据,而且对我国苹果产区果园提质增效具有借鉴价值.采用定点土壤水分连续监测法,对洛川苹果园的总体土壤水分环境以及不同生长年限、不同立地类型和乔、矮化果园的土壤水分分异特征进行分析.结果表明： 苹果树根际区 (0～200 cm)土壤水分普遍亏欠,且0～60 cm土层的水分亏欠小于60～200 cm土层;生长季0～60 cm土层贮水量与降水量的变化一致,土壤相对含水量大多<60%,季节性旱象严重;果园剖面土壤含水量变异系数随土壤深度加深而递减;随果园生长年限的增大,土壤剖面贮水量下降;在栽培密度一致的条件下,矮化果园5 m土层土壤含水量均高于乔化果园,而栽培密度大的矮化果园的土壤贮水量低于栽培密度小的乔化果园;塬地成龄果园的土壤水分含量最高,川地次之,台地相对较低.密度对果园土壤水分含量有很大影响,在栽培密度一致的条件下,采用矮化栽培能减少土壤水分消耗,显著提高果园土壤含水量;挖株降低栽培密度是维持苹果园土壤水分平衡、实现可持续发展的有效途径.     

黄土塬区不同土地利用方式土壤水分消耗与补给变化特征

对黄土塬区不同土地利用方式下2012年3—10月7龄果园(挂果初期)、17龄果园(盛果期)、小麦地、玉米地土壤水文状况进行分析,结果显示,0—600 cm试验土层7龄果园土壤贮水量最高,其次为玉米地、小麦地,17龄果园最低,且不同土地利用方式下贮水量随着降水量的变化而上下波动,但其变化滞后于降水。不同土地利用方式均表现为随土壤深度增加土壤含水量变异程度减弱的特征,且其土壤剖面的水分含量变化存在季节变异。农田和7龄果园中不存在土壤干燥化现象,而17龄果园土壤剖面存在较厚的干燥化土层,其分布深度为320—600 cm。不同的土地利用方式的土壤水分的消耗和补充深度有较大差异,17龄果园消耗深度为500 cm,补充深度为200 cm;7龄果园、玉米地和小麦地消耗深度分别为200、300 cm和300 cm,且补充深度均超过了测定的土壤深度,大于600 cm。     

黄土丘陵区三种典型土壤地类造林技术

中国黄土高原丘陵沟壑区是世界上水土流失最严重的区域之一,由于长期水土流失的侵蚀切割作用,表层土壤流失殆尽,黄绵土母质、红胶泥土以及土壤与岩石过渡类型--风化岩沫土等土壤类型依次裸露了出来,形成了3种典型的土壤地类,增加了造林的难度.由于红胶泥与风化岩沫土土壤瘠薄,当地林业部门认为这两种土壤地类不能造林,因此,传统造林只在黄棉土进行.为此,提出了＂适土适树,因土制宜＂的造林原则和＂穴衬膜栽植技术＂,以扩大适宜造林的土壤类型.穴衬膜栽植技术是指树木栽植时,在挖好的栽树坑底部和四周衬贴一层防渗薄膜（厚度为0.0007 mm可降解塑料薄膜）,树木栽好覆土浇水后,再在地表面覆膜,防止栽树浇水（施肥）的渗漏和蒸发,使树根在较长时间内处于含水量较高、四周封闭的潮湿土壤之中,从而达到提高成活率和促进林木前期生长的目的.1997～2001年,我们在黄土丘陵区陕西省延安市下砭沟小流域采用田间对比试验法进行了5年试验,结果表明,穴衬膜栽植技术促进浅层根系的生长发育,保水作用可持续4个月以上,对各种树木成活率和生长量均有显著促进作用,在黄土丘陵地区这3种土壤地类采用穴衬膜栽植技术可达到良好的造林效果,特别是红胶泥和风化岩沫土地类主要位于沟谷两岸,地下水供给较为充裕,是浅根性植物生长发育的良好土壤类型,科学混交可获得更好效果.     

黄土塬区不同土地利用方式下深层土壤水分变化特征

利用长期定位监测数据,对陕西省长武黄土塬区裸地、高产农田、苜蓿草地和苹果林地下0—15 m黄土剖面土壤水分环境进行了研究。结果表明,不同土地利用方式下,干湿交替层内土壤水分具有明显季节性波动变化特征,但其深度范围有别。裸地、高产农田、苜蓿草地和苹果林地分别约为0—5 m,0—4 m,0—2 m和0—3.5 m。干湿交替层以下深层土壤水分状况主要受土地利用方式的影响,其影响大小依次为苜蓿草地苹果林地高产农田裸地,各土地利用方式下表现出不同的时间变化特征。黄土塬区土壤水量平衡计算中土层厚度大小的确定非常重要,这不仅与土地利用方式相关,也与林草植被的生长阶段相联。裸地和高产农田土层厚度选择不宜小于5 m和4 m;未形成深厚稳定土壤干层的苜蓿草地和苹果林地,土层厚度选择不宜小于15 m和10 m;对于已经形成稳定土壤干层的林草地来说,进行年尺度的水量平衡分析时,其计算深度可取降水入渗深度。研究可从土壤水资源的保持及利用的角度上服务于黄土塬区旱作农业的持续发展和土地利用方式的优化配置。     

黄土丘陵区植被恢复的土壤碳水效应

黄土高原大规模植被恢复显著影响了这一区域土壤水分和有机碳(SOC),从而影响其承载的土壤水源涵养和固碳服务。明确深层土壤水分和有机碳对植被恢复的响应特征是当前黄土高原地区生态水文与生态系统服务研究的一个重要科学问题,其中植被类型以及生长年限是这一过程的重要影响因素。然而,目前关于深层土壤有机碳和土壤水分对植被恢复的响应及二者关系的研究较少。通过对陕北典型黄土丘陵区不同植被类型和生长年限下0—5 m土壤水分与有机碳的监测,分析了深层土壤水分和有机碳对植被恢复的响应及其特征。研究发现:(1)植被恢复后0—5 m土层均出现水分亏缺,土壤水分亏缺在表层1 m最低,2—3 m最高;对于不同恢复方式,林地土壤水分亏缺在恢复至21—30a时显著高于前一阶段(11—20a),而在恢复31a后水分开始恢复,而灌木、草地土壤水分亏缺程度则随恢复年限延长不断增加。(2)林地、灌木、草地0—5 m平均土壤有机碳含量为1.97、1.77、1.72 g/kg;林地土壤固碳量随恢复年限的增加而增加,并且在恢复20a时固碳量与对照农田相比出现净增;灌木土壤固碳量随恢复年限先增加后降低;草地土壤固碳量则随退耕年限增加呈下降趋势并且低于对照农田。(3)表层0—1 m土壤水分随恢复年限增加变化不显著,深层土壤水分则随恢复年限增加显著降低;相比而言,随恢复年限增加,土壤有机碳随年限的变化在各层土壤中均不显著。深层土壤水分与土壤有机碳呈现显著的正相关,且土壤有机碳的增加速率低于土壤水分,研究认为,深层土壤固碳与土壤水分关系密切,且深层土壤固碳需要充足水分参与。深层土壤水分亏缺可能限制植被细根的发展,使深层土壤有机碳输入减少。