水蚀风蚀交错区典型植被土壤水分消耗和补充深度对比研究

研究了黄土高原水蚀风蚀交错区六道沟小流域8种植被类型条件下植物消耗土壤水分深度与降水对应的补充深度。结果表明:裸地、农地、撂荒地、人工草(灌)地(苜蓿地、柠条地、沙打旺地)、当地典型草地(荒草地、长芒草地)在平水年及干旱年,土壤水分均表现为负平衡;丰水年部分样地土壤水分得到补充。平水年以及干旱年(2010—2011年)植物耗水深度依次为:柠条地撂荒地沙打旺地苜蓿地≈长芒草地≈荒草地农地裸地,降水补充深度为农地裸地撂荒地荒草地长芒草地沙打旺地苜蓿地柠条地。丰水年(2012年)裸地、苜蓿地、荒草地与沙打旺地土壤水分并未显示出明显负平衡过程,但柠条地耗水深度依然达到260 cm,其它样地依次为撂荒地农地长芒草地;降水入渗深度排序:农地裸地撂荒地=柠条地荒草地=苜蓿地长芒草地沙打旺地。水蚀风蚀交错区土壤蒸发(裸地蒸发)以及降水补充深度一般为0—120 cm范围内,丰水年土壤水分能得到恢复。农地的土壤水分消耗与补充深度略有增加。农地撂荒后耗水深度与撂荒地植被类型有密切联系,随植被盖度与丰度的增加,耗水有进一步加深的趋势,撂荒地土壤水分补充深度小于等于消耗深度。农地退耕还草所种植的深根性植被(苜蓿、沙打旺、柠条等)不仅会迅速消耗当季降水,同时会进一步消耗土壤深层储水,致使120 cm以下观测土层土壤含水量较低,造成土壤水分消耗深度较浅的假象。除撂荒地外,高生物产量的人工草(灌)耗水量高,耗水深度也深,因此在退耕还林(草)过程中,应该充分考虑不同植被类型的年度水分交换深度,采取措施降低消耗深度,增加入渗深度。     

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。     

黄土丘陵区不同土地利用方式下土壤水分变化特征

选择黄土丘陵区砖窑沟流域不同土地利用方式为研究对象,在2016年6月至11月对0—300 cm土层土壤含水量进行监测,分析刺槐林、草地、柠条灌木林、小叶杨林、海红林和撂荒地6种土地利用方式下土壤含水量的垂直剖面分布特征、土壤贮水量的季节变异特征。结果表明:(1)土壤含水量随深度的变化自上而下均呈"S"状分布,随着土层深度的增加,土壤含水量呈先增加后减小的趋势,具有明显的垂直变异特征。(2)不同土地利用方式具有不同的土壤湿度剖面,土壤水分活跃层、次活跃层、相对稳定层的深度范围不同。(3)6种土地利用方式下各土层的土壤贮水量均具有明显的季节变化特征,海红林的土壤贮水量最大,为258.21 mm,然后依次为小叶杨林、撂荒地、草地和刺槐林,柠条灌木林样地最小;监测期内土壤贮水量随时间呈增长趋势,在11月达到最大值。土壤含水量的变异系数均随着土层深度的增加逐渐递减,在100 cm以下土壤深层季节变异趋于稳定。研究认为,乔灌林消耗更多深层的土壤水分,柠条灌木林易引起土壤干燥化,海红林的土壤水分条件较好,撂荒地和草地土壤水分条件相对稳定。     

黄土塬区土地利用方式对土壤大孔隙特征的影响

土壤导水率及大孔隙数量是决定降雨-入渗的重要参数,对模拟土壤水分及溶质运移、建立流域水文模型具有重要意义.为确定黄土区土地利用方式对土壤大孔隙特征的影响,本文通过Hood入渗仪及土壤水分特征曲线,比较了该区刺槐林地、草地、小麦地、苹果林地土壤导水率、大孔隙度和大孔隙连通性的差异.结果表明: 研究区刺槐林地、草地、小麦地、苹果林地的平均饱和导水率分别为58.60×10^-6、54.90×10^-6、35.30×10^-6、23.40×10^-6 m·s^-1,存在显著性差异.不同土地利用方式下的单位面积有效大孔隙数目、大孔隙度及大孔隙连通性均依次为:刺槐林地≈草地>小麦地>苹果林地.植被恢复通过植物根系穿插、土壤动物活动等形成大孔隙,可显著提高土壤入渗性能.黄土区应坚持林草植被恢复措施.     

南方丘陵区不同坡地利用方式土壤水分动态

土壤水分异质性的存在对各种水文过程和土壤形成过程均有显著的影响,了解土壤水分的异质性对理解和预测土壤水分过程具有重要意义.应用时域反射仪(TDR)土壤水分定位监测方法,研究了南方丘陵区不同坡地利用方式土壤水分动态及其影响因子.结果表明:3种坡地利用方式土壤水分变化具有明显的季节特征,杜仲人工林土壤蓄水量最高,荒山草坡次之,坡耕地最低.植物非生长季节土壤含水量均值高于生长季节,生长季节土壤水分消耗大于补给,非生长季节土壤水分补给大于消耗;干季和湿季两个时段3种坡地利用方式土壤含水量垂直变化趋势具有相似性,其土壤含水量差异不显著.3种坡地利用方式土壤蓄水量与太阳辐射量和大气温度表现为负相关性,与降雨量、大气相对湿度和饱和水气压差表现为正相关性,降雨量是其最直接的影响因子,其次是温度.雨季单次降雨后土壤蓄水量与雨后干旱天数存在显著的线性负相关性(P<0.05),土壤水分损失率与干旱天数存在双曲函数关系(P<0.05), 随着干旱天数的增加,土壤水分损失率趋于平缓.雨季单次降雨后持续干旱条件下3种坡地利用方式土壤剖面含水量呈递减的变化趋势,杜仲人工林土壤水分损失率系数最高,荒山草坡次之,坡耕地最低.     

不同土地利用方式下喀斯特峰丛洼地土壤微生物群落特征

基于对喀斯特峰丛洼地6种土地利用类型(坡耕地、草丛、灌丛、人工林、次生林、原生林)的土壤微生物、养分、矿物质和植被4组变量35个指标的调查分析,研究了不同土地利用方式下土壤微生物种群数量、微生物生物量C、N、P及其分形特征,以及土壤微生物与植被、土壤养分、矿物质的关系.结果表明:不同土地利用方式下喀斯特峰丛洼地的土壤微生物种群数量及组成不同.微生物种群数量均以原生林和坡耕地最高,人工林最低;3种森林土壤的细菌比率较大,坡耕地、草丛、灌丛的放线菌比率较大,真菌的比率均很小;土壤微生物生物量C、N、P的含量均很高,其中原生林最高;土壤微生物生物量碳与土壤微生物种群数量具有良好的分形关系,而土壤微生物生物量氮、磷与种群数量不存在分形关系;土壤微生物与植被、土壤养分、土壤矿物质显著相关,其中土壤微生物生物量碳与乔木层的Shannon指数、土壤速效氮、Fe₂O₃、CaO含量显著相关.     

土地利用方式对土壤有机质的影响

通过对地带性常绿阔叶林、杉木人工林、农田、竹林等不同土地利用方式下土壤有机质总量、活性有机质及其组分的研究,发现土地利用方式对土壤有机质和活性有机质各组分的影响差异显著,其中阔叶林含量最高,杉木人工林低于阔叶林,竹林和农田最低。这些差别主要是由于凋落物的数量、质量以及各种管理措施不同所致。     

苏北沿海不同土地利用方式土壤水溶性有机碳含量特征

土壤水溶性有机碳(WSOC)是土壤碳循环最活跃的组成部分之一。土地利用方式的改变可能显著影响土壤有机碳的组成和结构,进而影响到大气与土壤间的碳交换。本研究以苏北沿海地区农田、杨农复合经营、杨树纯林以及草地等4种不同土地利用方式土壤为研究对象,采用TOC-VCPN总有机碳仪测定了4种不同土地方式下土壤WSOC含量的变化。分析了土壤WSOC与土壤总有机碳(TOC)、易氧化碳(ROC)及理化性质的相关关系。结果表明:WSOC和TOC、土壤全氮(TN)、ROC呈显著正相关,与碳氮比、pH、土壤容重呈显著负相关;WSOC的含量随土层的加深而减少,与总有机碳的变化特征一致,在各个土层,不同土地利用方式WSOC含量差异不显著;农田和草地的WSOC含量在0～10cm土层与10～25cm土层之间差异显著(P<0.05),杨农复合经营的WSOC含量在10～25cm土层与25～40cm土层之间差异显著(P<0.05),其他3种类型差异不显著。     

昭苏山地草甸4种典型土地利用方式下的土壤呼吸特征

为探讨不同土地利用方式对新疆昭苏天山北坡山地草甸土壤呼吸速率的影响, 于2015年和2016年的4月底至9月初, 用土壤呼吸测量仪对补播草地(RG)、豆禾混播草地(LG)、围封草地(NG)和农田(CR)的土壤呼吸进行测定, 并分析了影响土壤呼吸速率的土壤生物和水热因子。结果表明: 1)土壤呼吸速率在2015年NG和CR呈现双峰值, RG和LG呈现单峰曲线, 各处理均在8月达到最大值。2016年各处理峰值出现的时间不同, RG和LG在6月底达到最大值, NG和CR在7月底达到最大值; 监测期内平均土壤呼吸速率由大到小依次为: NG > RG > CR > LG。2)各样地土壤呼吸速率与土壤温度呈指数正相关关系; 土壤含水量与土壤呼吸的关系可能由于此地段常年湿润, 土壤含水量较高, 从而抑制土壤呼吸, 土壤呼吸与土壤体积含水量呈线性负相关关系; 土壤呼吸的温度敏感指数(Q₁₀)大小为NG > CR > RG > LG。3)不同处理的土壤微生物以细菌为主, 放线菌次之, 真菌居第三, 各样地总微生物生物量为: NG > RG > CR > LG, 与各样地平均土壤呼吸速率大小一致, 拟合分析显示RG土壤呼吸与放线菌呈显著的线性相关关系, LG土壤呼吸与细菌和放线菌呈显著线性相关关系。不同处理微生物生物量碳平均含量为CR > NG > LG > RG, 拟合分析显示RG与CR的土壤呼吸速率与微生物生物量碳呈显著线性相关关系, 其中CR的土壤呼吸速率与微生物生物量碳极显著相关; 4)各样地酶活性与土壤呼吸的相关关系分析显示, 只有蛋白酶和蔗糖酶与土壤呼吸有相关关系, 而蔗糖酶对土壤呼吸的影响更大。豆禾混播草地和补播草地相对于围封草地和农田, 土壤呼吸速率显著降低, 草地土壤的固碳能力显著提高。     

黄土高原不同土地利用类型土壤含水量的地带性与影响因素

通过对黄土高原南北样带大面积(北纬34°05'—40°75'、东经107°14'—111°09')土壤含水量(0—500 cm剖面)测定和相应植被类型调查,研究了黄土高原农田、草地、灌木林地和乔木林地4种土地利用类型土壤含水量的空间变化及它们之间的差异性。结果表明:黄土高原4种土地利用类型的土壤含水量皆呈现南北向地带性变化,自南向北土壤含水量有明显递减趋势,与多年平均降雨量、潜在蒸散量、土壤质地等的分布具有一致性;同一地点不同土地利用类型下土壤水分含量具有显著差异(农地草地灌木和乔木林地),不同植被类型根系分布、蒸散耗水量的不同是造成含水量差异性的原因。植被建设应遵循土壤水分分布规律,研究结果对黄土高原植被恢复建设具有一定参考价值。     

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.     

不同土地利用方式下沙地土壤水分空间变异规律

利用地统计学的方法 ,研究了科尔沁沙地甸子地不同土地利用方式草地和玉米地春季土壤含水量的空间变异规律。结果表明 ,草地表层、亚表层土壤含水量的变异函数均可很好地拟合成球状模型 ,具有明显的空间结构特征 ,其空间相关度分别为 0 979、0 999,变程分别为11 5 7m、19 4 1m ,分数维分别为 1 5 71、1 5 35 ,Moran’sI系数表现为在近距离内 (0 5～ 2 5m)为较强的正相关 (I=0 3～ 0 8) ,随着距离的增大 ,相关性变小 ,>5m后表现为较弱的负相关(I =0 2 )的变化趋势 ,克立格制图均表现出中央和四周高 ,西北角存在明显过渡带的空间分布格局 ,表层和亚表层具有很大的相似性。而耕地表层、亚表层土壤含水量变异函数分别拟合成线性和球状模型 ,其空间相关度分别为 0 344、0 914 ,变程分别为 7 6 7m、9 31m ,分数维分别为 1 92 8、1 6 81,Moran’sI系数分析和克立格制图表明表层、亚表层土壤含水量存在明显的差异。因此草地和耕地土壤含水量变异函数模型及参数、分数维、Moran’sI系数和克立格制图均存在明显的区别。同草地相比 ,玉米地土壤含水量空间格局特征表现为空间依赖性小 ,随机性大 ,空间自相关作用范围小 ,破碎化程度高。所以有必要采取退耕还草的措施来保护和恢复沙地生态系统的健康。     

喀斯特峰丛洼地区坡地不同土地利用方式下土壤水分的时空变异特征

基于典型喀斯特峰丛洼地坡面土地利用方式试验火烧、刈割、刈割除根、封育、种植桂牧1号、种植玉米(面积分别为20m×70m)控制性试验建设,通过网格法(5 m×5 m)采样,用经典统计学和地统计学方法,分析了6种土地利用方式下(火烧、刈割、刈割除根、封育、种植桂牧1号、种植玉米)表层土壤水分在不同季节的空间变异特征。结果表明:喀斯特峰丛洼地土壤含水量均很高,雨季显著大于旱季,雨季为火烧封育、刈割除根玉米、桂牧1号刈割,旱季为刈割、火烧、刈割除根桂牧1号、封育玉米,均呈中等至强度变异,且含水量越低变异越大;不同土地利用方式土壤水分的自相关函数均呈由正向负方向发展的相同趋势,但拐点不同,且旱季大于雨季,不同土地利用方式旱季、雨季土壤水分的最佳拟合模型不同,但均呈中等或强烈的空间相关性,变程为6.8—213 m,且旱季大于雨季;同一土地利用方式旱季、雨季表层土壤水空间格局相似,不同土地利用方式空间格局则不同,因此在该区域进行植被恢复和生态重建时应采取不同的水资源利用策略。     

晋西北黄土高原丘陵区不同土地利用方式下土壤碳氮储量

对晋西北黄土高原丘陵区杨树-小叶锦鸡儿人工林、小叶锦鸡儿人工灌丛、杨树人工林、撂荒地和农田5种土地利用方式下土壤碳氮储量进行研究.结果表明: 不同土地利用方式下土壤碳氮含量、碳氮密度和碳氮储量存在显著差异.5种土地利用方式0～20 cm表层土壤碳氮含量和碳氮密度均显著大于20～40 cm和40～60 cm土层.5种土地利用方式同一土层碳氮含量和碳氮密度大小为: 杨树-小叶锦鸡儿人工林>小叶锦鸡儿人工灌丛>杨树人工林>撂荒地>农田;0～60 cm土层土壤有机碳储量大小为:杨树-小-叶锦鸡儿人工林(30.09 t·hm^-2)>小叶锦鸡儿人工灌丛(24.78 t·hm^-2)>杨树人工林(24.14 t·hm^-2)>撂荒地(22.06 t·hm^-2)>农田(17.59 t·hm^-2);土壤氮储量与有机碳储量变化规律相似,杨树-小叶锦鸡儿人工林0～60 cm土层土壤氮储量(4.94 t·hm^-2)最高,其次是小叶锦鸡儿人工灌丛(3.53 t·hm^-2)、杨树人工林(3.51 t·hm^-2)和撂荒地(3.40 t·hm^-2),农田土壤氮储量(2.71 t·hm^-2)最低.杨树-小叶锦鸡儿人工林和小叶锦鸡儿人工灌丛是晋西北黄土高原丘陵区植被建设和生态恢复过程中较好的两种土地利用方式.     

黄土塬区几种典型土地利用类型的土壤水稳定同位素特征

对陕西省长武县黄土塬区降水及主要土地利用方式下0～20 m剖面土壤水进行采样和稳定同位素测定,研究了该区深层土壤水稳定同位素特征及土壤水运动机制.结果表明：长武塬区大气降水线方程为δD=7.39δ18O+4.34（R2=0.94,n=71）,其降水稳定同位素值具有明显的冬春高、夏秋低的季节变化特征.土壤水稳定同位素值落于当地大气降水线下侧,且高于7-10月降水稳定同位素值,该区土壤主要接受同位素值偏负的夏秋降水的补给.土壤剖面上,不同土地利用方式之间土壤水同位素值随土壤深度增加而趋于一致;相同土地利用条件下,浅层土壤水同位素组成随时间推移而变化的程度剧烈,随土壤深度增加,土壤水同位素值的变化程度减弱,甚至无变化.对比降水和土壤水的稳定同位素值变化发现,在黄土塬区,活塞流和优先流并存于降水入渗过程中,但优先流入渗的发生与土地利用方式存在一定关系.通常情况下,高耗水型人工林草因水分负平衡形成的土壤干层将减小优先流发生的可能性,而农田、荒草地等土地利用方式均易发生优先流形式的降水入渗,从而对深层土壤水分或地下水形成补给.     

黄土丘陵区植被的土壤水文效应

采用定位监测与普查相结合方法,对黄土丘陵区主要降水量级地区不同植被下土壤水分状况进行了系统的总结分析。研究认为：农林草地土壤水分剖面有较大差异,土壤水分由高到低依次为农地、草地、灌木地、乔木。部分地区灌木林土壤水分可能不如乔木林地。在特旱年份,不同植被下的土壤水分严重亏缺,但不同植被利用引起的土壤水分差异变小。森林带土壤水分明显好于过渡带,该带刺槐生长正常;在过渡带,特旱年份油松、刺槐林不能正常生长,且乔、灌、草均引起土壤干层。所以在林草植被建设中需要一些辅助措施来保证土壤水分供应的可持续性。