放牧对降雨条件下黄土高原退耕草地土壤水分补给的影响

降雨是影响土壤水分补给和坡面产流的关键因素,放牧可改变地表覆被特征和表层土壤结构,进而影响坡面产流和土壤水分补给。目前鲜有研究关注放牧对土壤水分补给的影响。本研究通过围栏放牧试验,定位监测自然降雨条件下土壤水分动态,对比了不同放牧强度(G1～G5:2.2、3.0、4.2、6.7、16.7羊·hm^-2)下地表覆被、土壤理化属性和降雨土壤水分补给特征。结果表明：放牧显著影响植被和生物结皮盖度,与不放牧样地(NG)相比,G1～G5放牧强度下植被盖度降低8.3%～16.4%,G2放牧强度下生物结皮盖度较NG增加106.9%。G1～G5放牧强度下地表粗糙度增加53.1%～152.5%,G5放牧强度下生物结皮厚度降低24.1%。土壤湿润锋速随降雨强度增加而降低,G2放牧强度下0～5 cm土层湿润锋速在不同降雨条件下(降雨量18.0～70.3 mm)与NG相比降低60.0%～83.3%。放牧对土壤湿润锋速的影响与生物结皮盖度和0～5 cm土壤容重显著相关。放牧未显著影响黄土高原降雨条件下土壤水分补给速率。综上,G2放牧可通过增加藻结皮盖度,延长土壤水分在表层土壤的运移时间,有益...     

三峡库区苔藓生物结皮对土壤水分入渗的影响

在三峡库区王家桥小流域选取以苔藓为优势种的生物结皮样地,以附近无结皮发育的裸地为对照,设计5个盖度水平(1%～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%和80%～100%),采用环刀法测定土壤入渗过程,研究生物结皮盖度对入渗过程的影响。结果表明: 与裸地相比,生物结皮发育可显著提高表层土壤粘结力、孔隙度、黏粒含量、水稳性团聚体和有机碳含量,显著降低土壤容重和砂粒含量。生物结皮促进了土壤水分入渗,初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和累积入渗量可达裸地的2.0倍及以上,土壤入渗性能随结皮盖度的增大呈先增加后减小的变化规律,在40%～60%盖度下最大。通径分析显示,土壤初始入渗率主要受结皮盖度、土壤容重和有机碳含量的影响,稳定入渗率主要受结皮盖度和土壤容重的影响。Horton模型对三峡库区生物结皮覆盖土壤的水分入渗过程拟合效果最佳。     

踩踏干扰对生物结皮土壤渗透性的影响

采用人工模拟降雨试验,研究了踩踏干扰对生物结皮土壤渗透性的影响.结果表明:踩踏干扰显著增加了土壤表面粗糙度,增加幅度与干扰强度有关,50%干扰度下表面粗糙度指数较不干扰增加91%.踩踏干扰延长了坡面产流时间,20%～50%干扰度范围内,随着干扰强度的增加,初始产流时间呈线性增加趋势,50%干扰度的初始产流时间较不干扰增加了169.7%.踩踏干扰增加了土壤渗透性,降低径流系数.50%干扰度的土壤累积入渗量较不干扰增加12.6%;去除生物结皮,土壤渗透性降低,累积入渗量较不干扰降低30.2%.50%以下的干扰度未显著增加土壤侵蚀模数.去除生物结皮,土壤侵蚀模数较不干扰增加10倍.生物结皮破碎度低于50%的干扰在不明显增加土壤流失量的前提下,可增加降水入渗,减小径流风险,改善土壤水分状况.     

黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮的地表粗糙度特征及其影响因素

增加地表粗糙度是生物结皮影响干旱和半干旱地区地表水文与土壤侵蚀过程的重要途径。本文针对黄土高原水蚀风蚀交错区典型小流域,使用链条法测定了裸沙、物理结皮以及不同发育阶段生物结皮(藻、藻-藓混生、藓)的地表粗糙度,比较了不同地形(坡度和坡向)和土壤条件(土壤类型和含水量)下生物结皮地表粗糙度的差异,分析了生物结皮对地表粗糙度特征的影响及其与地形因素和土壤属性的相关关系。结果表明:与裸沙相比,随着物理结皮、藻结皮以及藻-藓混生结皮的相继发育,地表粗糙度由0.67持续增加至16.76(F=194.31,P0.01);各发育阶段中,藻-藓混生结皮的地表粗糙度最高,为无结皮土壤的25倍,但由藻-藓混生结皮发育至藓结皮后地表粗糙度骤减了52.7%(仍大于裸沙和物理结皮);生物结皮的地表粗糙度在10°～30°坡度范围内差异不显著,但在30°～40°坡度下其地表粗糙度显著增加(F=10.05,P0.01),增加幅度达25.5%;且阳坡藓结皮的地表粗糙度显著高于阴坡(t=-5.70,P0.01),为阴坡的1.3倍;生物结皮的地表粗糙度随含水量变化波动较为剧烈,任意含水量下黄绵土上发育的藓结皮的地表粗糙度均高于风沙土上发育的藓结皮(F=187.16,P0.01),前者平均为后者的2.1倍;黄绵土上藓结皮的地表粗糙度与有机质含量呈显著负相关(r=-0.998,P=0.04),而与其他土壤属性的相关性不显著。综上,黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮的发育显著增加了地表粗糙度,其关键影响因素是生物结皮的发育阶段以及坡度和坡向。     

黄土丘陵区踩踏干扰对生物土壤结皮有机碳组分及碳矿化潜力的影响

以黄土丘陵区近20年的封禁地为研究对象,采用野外调查结合室内分析,研究了不同强度的踩踏干扰对半干旱生态系统下生物结皮盖度、有机碳、易氧化碳和有机碳矿化量、矿化速率的影响,并应用一级动力学方程模拟了踩踏干扰下各层次生物土壤结皮有机碳矿化潜力的变化特征.结果表明:干扰后藻结皮和藓结皮盖度呈现逐渐降低的趋势,干扰度间差异显著;与不干扰处理相比,藻结皮盖度降幅在264%~339%,藓结皮盖度降幅在46%~127%.与不干扰处理相比,干扰显著降低了生物结皮层有机碳含量,降幅在211%~300%,干扰度间差异不显著;干扰增加了生物结皮层易氧化碳含量,增加量在1.5~3.4 g·kg-1,30%、40%和50%干扰度处理与不干扰处理间差异显著.干扰显著增加了生物结皮层的有机碳累积矿化量,但未改变其日均矿化速率;40%干扰度下的累积矿化量较不干扰处理显著增加77%.干扰显著增加了生物结皮层的有机碳矿化潜力,对0~2和2~5 cm土层无显著影响;40%干扰度下有机碳矿化潜力较不干扰处理显著增加4.7 g·kg^-1;主成分分析结果显示,有机碳、易氧化碳、累积矿化量、矿化速率可以解释生物结皮层土壤有机碳矿化潜力变化的76.7%.干扰可能是诱发研究区生物结皮层有机碳矿化潜力增加的因素之一.     

黄土丘陵区生物结皮群落组成与水分入渗的关系

黄土丘陵区坡面尺度生物结皮多是由藻、藓和地衣等以不同比例、不同方式组合的一个复杂群落结构,显著影响水分入渗,但目前混合生物结皮水分入渗与其群落结构之间的关系仍不清楚,妨碍了对坡面尺度生物结皮土壤渗透性的评估。本研究测定了藻结皮、藓结皮及藓结皮盖度分别为<15%、15%～30%、30%～45%、45%～60%、＞60% 5个不同藻藓比例的混合生物结皮的稳定入渗速率,采用主成分分析和通径分析揭示混合生物结皮水分稳定入渗速率的影响因素,明确混合生物结皮水分稳定入渗速率与群落结构之间的关系。结果表明: 藻结皮和藓结皮土壤饱和导水率分别为0.66和2.40 mm·min^-1。藓结皮盖度从<15%到>60%的混合生物结皮的稳定入渗速率为0.80～2.30 mm·min^-1。混合生物结皮水分稳定入渗速率主要与藓结皮盖度和藓结皮改善的土壤孔隙结构密切相关,相关系数分别为0.636(P=0.011)和0.835(P=0.000)。通过藻结皮和藓结皮土壤饱和导水率与盖度加权预测的混合生物结皮水分入渗量(y)与混合生物结皮实测水分入渗量(x)具有极显著相关关系(r=0.945),二者拟合的线性函数为y=0.85x(R²=0.98,P<0.05)。本研究明确了混合生物结皮水分入渗与单一组成生物结皮水分入渗之间的关系,为准确评估该区生物结皮水文过程提供了科学依据。     

黄土高原生物结皮对地表粗糙度和灌草植物种子二次扩散的影响

生物结皮是黄土高原常见的地表覆被物,在灌草群落下方及植被间空地上广泛发育,深刻影响着灌草植物种子的二次扩散和定居,但目前针对生物结皮对种子二次扩散影响的研究较少,且种子二次扩散的主导因素尚不明确。该研究以风沙土和黄绵土上的生物结皮(藻结皮和藓结皮)为对象,以无结皮为对照,利用倾斜摄影测量法测定了地表粗糙度,并通过风力扩散实验测定地表粗糙度对6种不同形态灌草植物种子的移位率、损失率和扩散距离的影响,继而结合Spearman相关性分析,研究灌草种子在生物结皮表面扩散的主导因素。研究结果表明:(1)与无结皮相比,风沙土藻结皮和藓结皮的地表粗糙度分别增加了6.69倍和6.13倍,黄绵土上分别增加了2.52倍和1.45倍。(2)风沙土上,干燥条件下的地表粗糙度比湿润条件下增加了26.56%,而在黄绵土上则降低了9.42%。(3)在干燥条件下,风沙土生物结皮的地表粗糙度比黄绵土上增加了16.84%,湿润条件下则降低了16.38%。(4)风沙土上,种子在生物结皮表面的移位率、损失率和扩散距离分别比无结皮降低了77.1%、95.4%和72.2%,在黄绵土上则分别降低了76.5%、93.8%和66.8%...     

黄土丘陵区生物土壤结皮表面糙度特征及影响因素

地表糙度是影响地表径流和侵蚀过程的重要属性.生物结皮在干旱半干旱区广泛分布,是地表糙度的影响因子之一.本文采用链条法测定了黄土丘陵区不同发育阶段生物结皮表面糙度特征,分析了不同发育阶段生物结皮表面糙度对坡向、土壤含水量和冻融作用的响应及其与各理化性质的相关性,初步探索了生物结皮对地表糙度的影响及其相关因素.结果表明: 生物结皮显著改变地表糙度,随着生物结皮从藻结皮向藓结皮演替,其糙度先降低后增加,生物结皮发育形成10年以后,其表面糙度基本趋于稳定;研究区早期形成的藻结皮表面糙度较裸土降低47.0%,深色藻结皮(藓类盖度<20%)较裸土降低20.4%,混生结皮(藓类盖度为20%～60%)和苔藓结皮(藓类盖度>70%)表面糙度与深色藻结皮基本一致;坡向对发育10年以上的生物结皮表面糙度的影响不显著;土壤含水量影响地表糙度特征.研究区浅色藻结皮表面糙度随水分变化较为剧烈;随着生物结皮发育,深色藻结皮、混生结皮和苔藓结皮表面糙度随水分的变化趋于平缓.冻融增加了生物结皮表面糙度.浅色藻结皮经两次冻融后表面糙度增加29.7%;深色藻结皮、混生结皮和藓结皮表面糙度的影响需经过反复冻融才有所体现.生物结皮表面糙度与藓结皮盖度呈显著正相关(P＜0.1).     

黄土高原生物结皮对SCS-CN模型初损率的影响

水文模型是水文过程研究的有效工具,初损率(λ)是径流模型SCS-CN模型的参数,对模拟流域水文过程具有重要意义。为了确定生物结皮对λ的影响,提高该模型在黄土高原生物结皮广泛分布的退耕地的预测精度,本研究以陕西省定边县鹰窝山涧流域不同盖度的生物结皮坡面为对象,采用模拟降雨试验,分析土壤潜在最大入渗量(S)与实际入渗量(F)的关系,以及生物结皮盖度对λ的影响,并修订了λ;在此基础上,采用陕西省安塞县纸坊沟流域生物结皮径流小区的模拟降雨试验数据校验了参数修订后的模型。结果表明: 生物结皮坡面S与F的关系式为: S/F=2.5×60/T(其中T为降雨历时);模型参数λ与生物结皮盖度(C_BSC)呈极显著负相关关系,二者关系式为: λ=0.0791×e^{(-0.015×C_BSC}),R²=0.60;较λ取标准值,依生物结皮盖度修订λ后,SCS-CN模型Nash效率系数提高338.7%,合格率提升16.1%。研究结果为黄土高原生物结皮坡面λ的确定提供了科学依据,对准确评估黄土高原退耕还林(草)工程的水文效应具有重要意义。     

黄土丘陵区草本植物覆盖下生物结皮对坡面径流流速的削减作用

生物结皮是干旱半干旱地区的常见地被物,与植物共同影响坡面径流及流速。迄今鲜有研究关注植物和生物结皮共同覆盖对流速的影响,是干旱半干旱地区坡面侵蚀驱动因素研究的薄弱环节。本研究以黄土丘陵区退耕草地为对象,通过野外模拟降雨试验,研究草本植物覆盖下有无生物结皮及不同组成生物结皮(多藻少藓、多藓少藻和藓)对径流流速的影响。结果表明: 植物和植物+生物结皮覆盖显著降低了流速,植物覆盖较裸土降低70.7%,植物+生物结皮覆盖较裸土降低83.1%;植物和生物结皮共同覆盖下,植物和生物结皮对径流流速的削减效益分别为70.7%和12.4%。植物覆盖下生物结皮对流速的影响程度与其组成有关,多藻少藓结皮、多藓少藻结皮和藓结皮对流速的削减效益分别为11.5%、12.4%和19.4%。流速与藓盖度呈显著负相关,与藻盖度呈显著正相关,藓结皮盖度(x)与流速(y)的关系式为:y=-2.081x+0.03(R²=0.469)。当植物盖度一定时(40%±10%),生物结皮组成中藓盖度是影响共同覆盖坡面流速的关键因子。综上,草本植物覆盖下生物结皮有显著减缓流速的作用,且作用程度与其组成有关。表明在研究退耕草地坡面侵蚀动力机制时,生物结皮的作用应予以考虑。     

黄土高原封禁林地藓结皮呼吸速率对放牧踩踏干扰强度的响应

放牧踩踏造成的土壤属性变化是引起土壤呼吸速率和碳固排波动的重要原因,但目前有关不同强度放牧踩踏对生物结皮呼吸的影响尚不明确。本研究针对黄土高原风沙土发育的藓结皮,以未干扰为对照,分别进行强度为10%、30%、50%和70%的模拟放牧踩踏干扰,连续测定了藓结皮呼吸速率的变化,分析了藓结皮呼吸速率对不同干扰强度的响应规律。结果表明: 1)适度干扰会激发藓结皮呼吸速率,而重度干扰则会抑制其呼吸速率。与未干扰相比,干扰10%和30%的藓结皮呼吸速率分别增加了41.1%和22.2%,而干扰50%和70%的藓结皮呼吸速率则分别降低了8.9%和15.3%。2)踩踏干扰显著改变了土壤温度,但对土壤含水量的影响不显著。与未干扰相比,干扰10%和30%的土壤温度分别显著降低了0.4和1.2 ℃,干扰50%和70%则分别显著增加了1.1和1.0 ℃。3)不同干扰强度下藓结皮呼吸速率与土壤温度和含水量分别呈显著指数和线性正相关关系,但与藓结皮基本特性无显著相关关系,土壤温度和水分可分别解释藓结皮呼吸速率动态变化的70.6%～96.3%和49.1%～70.0%。综上,放牧踩踏显著影响了藓结皮呼吸速率,短期适度放牧踩踏会激发藓结皮呼吸速率,而过度放牧踩踏则会抑制其呼吸速率。因此,在未来黄土高原地区土壤碳收支平衡研究中应考虑不同强度放牧踩踏对生物结皮呼吸的影响。     

模拟降雨条件下生物结皮坡面产流产沙对雨强的响应

生物结皮是黄土丘陵区退耕地广泛存在的地被物.本研究通过人工模拟降雨试验分析了雨强对生物结皮坡面产流产沙的影响.结果表明: 生物结皮坡面产流产沙随降雨历时的延长先增加、10~18 min趋于平稳.相对于裸土坡面,生物结皮显著延长了坡面初始产流时间,抑制了坡面产流产沙,可降低21%~78%的坡面径流量和77%~95%的产沙量.雨强主要通过影响生物结皮坡面径流而影响其产沙.随着雨强的增加,生物结皮坡面产流产沙与雨强的相关性出现了由不显著相关向显著相关的转折,雨强＞1.5 mm·min^-1时,生物结皮坡面的减流减沙作用随着雨强的增加而降低.本研究结果为降雨条件下生物结皮坡面产流产沙过程的模型模拟奠定了基础.     

黄土高原丘陵区生物结皮土壤的斥水性

采用滴水穿透时间法和酒精溶液入渗法,研究了黄土高原丘陵区浅色藻结皮、深色藻结皮、藻+少量藓结皮、藓+少量藻结皮、藓结皮5种不同发育阶段的原状生物结皮土壤的斥水性及其与土壤含水量的关系.结果表明: 生物结皮增加了土壤的斥水性,其斥水强度和持久性均显著增加.生物结皮土壤的斥水性随生物结皮的演替逐渐降低,当生物结皮中藓类植物盖度在20%以上时,斥水持久性显著低于藻结皮.生物结皮土壤的斥水性与土壤含水量及优势种密切相关,藓类生物结皮土壤的斥水性随着含水量的降低逐渐增加,藻类生物结皮土壤的斥水性随含水量的变化呈双峰曲线.     

黄土丘陵区生物结皮对土壤可蚀性的影响

在采样分析生物结皮对土壤理化属性影响的基础上,采用EPIC模型估算与模拟降雨试验相结合的方法,研究了黄土丘陵区不同生物量、不同土壤质地和不同季节的生物结皮对土壤可蚀性(K值)的影响.结果表明： 生物结皮显著降低了土壤可蚀性,生物结皮层土壤可蚀性较下层土壤降低17%;土壤可蚀性随生物结皮生物量的增加呈降低趋势,藓结皮土壤可蚀性K值较藻结皮土壤降低21%;生物结皮土壤可蚀性在不同季节因其生物活性不同而存在差异,雨季中显著高于雨季前和雨季末;不同质地土壤上生物结皮对可蚀性的影响不同,可蚀性K值为砂壤>粉壤>砂土;模拟降雨条件下测定表明,生物结皮的发育使土壤可蚀性较对照（下层5~10 cm土壤）降低约90%.
     

黄土丘陵区不同演替阶段生物结皮对土壤CO2通量的影响

生物结皮是土壤表面具有光合活性的致密复合层,是土 气界面CO₂通量的影响因子之一.本文采用改进的Li-8100土壤碳通量测量系统,研究了黄土丘陵区退耕地上不同演替阶段生物结皮对土壤CO₂通量的影响.结果表明: 光照条件下,生物结皮土壤CO₂通量较除去生物结皮显著下降,其中藻结皮和藓结皮分别下降了92%和305%;生物结皮对土壤CO₂通量的降低程度与其生物组成和生物量有关,深色藻结皮和藓结皮土壤CO₂通量较裸地分别降低了141%和484%.生物结皮土壤CO₂通量的日变化呈降低-升高-降低的趋势,而裸地CO₂通量日变化趋势为单峰曲线,藻结皮、藓结皮的碳吸收峰值分别出现在8:00和9:00前后,其CO₂通量分别为0.13和-1.02 μmol CO₂·m^-2·s^-1;藻结皮24 h CO₂通量排放总量较裸地增加7.7%,而藓结皮减少了29.6%.生物结皮对土壤CO₂通量的影响显著,在评价退耕地土壤碳循环时,应考虑生物结皮的影响.