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。     

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。     

半干旱黄土丘陵区不同人工植被恢复土壤水分的相对亏缺

土壤水分是制约半干旱黄土丘陵区植被恢复和生态建设的关键因子。而缺乏科学指导的人工植被恢复会加剧土壤水分耗竭,造成土壤水分亏缺,从而严重阻碍该区生态系统恢复和脆弱生境的有效改善。本研究以典型半干旱黄土丘陵区甘肃定西龙滩流域为例,对比不同植被恢复模式下土壤储水状况,并通过构建土壤水分相对亏缺指数CSWDI（Compared Soil Water Deficit Index）和样地土壤水分相对亏缺指数PCSWDI（Plot Compared Soil Water Deficit Index）进行定量化分析与评价,发现各人工植被均存在不同程度的土壤水分亏缺。其中,柠条、油松、山杏林地PCSWDI分别达到0.65、0.62、0.62,土壤水分亏缺严重,尤其是100 cm以下土层;山毛桃林地和苜蓿草地PCSWDI分别为0.38和0.17,在100—200 cm土层有一定程度的水分亏缺,但相对较轻;侧柏林地土壤水分的亏缺主要集中在20—100 cm这一层次,100 cm以下则随深度增加而降低;0—200 cm土层内,杨树林地、撂荒草地和马铃薯农地无显著水分亏缺,且在0—100 cm内土壤水分有一定的补充。CSWDI和PCSWDI能有效反映不同层次和样地土壤水分相对亏缺状况,可用于同一地区不同植被恢复模式土壤水分响应的定量化分析与评估。     

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。     

半干旱黄土丘陵区撂荒坡地土壤水分循环特征

为深入了解半干旱黄土丘陵区土壤水分循环特征和为开展荒地造林工作提供背景数据,在宁南上黄生态试验站,选取典型多年撂荒坡地,进行土壤水分的长期定位观测,分析其土壤水分补给、消耗特征与时空变异性。结果表明:研究区降雨入渗量和入渗深度随降雨量增加而增加,入渗补给系数约为0.44,雨水资源化率有待提高。定义全年一半以上的次降水事件中能被有效补给的土层深度为降水普遍入渗深度,则研究区降水普遍入渗深度为0—40 cm,观测期内最大入渗深度不超过300 cm。同时,土壤水分的蒸散发量在丰水年平水年干旱年,主要蒸散发作用层位于0—200 cm土层范围内,最大蒸散发深度达到300 cm以下。该区土壤储水量的季节变化为"V"型,剖面土壤平均含水量的垂直变异则呈现反"S"型。土壤水分的变异系数随土层深度的增加表现出幂函数递减趋势,结合有序聚类法的分层结果,可采用0.20和0.05两个CV值将撂荒地土壤剖面划分为水分活跃层(0—40 cm)、次活跃层(40—200 cm)和相对稳定层(200 cm以下)3个层次。     

黄土丘陵区紫花苜蓿生长与土壤水分变化

研究了黄土丘陵区紫花苜蓿生物量变化规律和土壤水分过耗与恢复特征.结果表明,紫花苜蓿在退耕地生长年限一般为10年,生长的高峰期为第4年～第5年,到第6年,由于土壤水分过耗严重,生物量开始逐年下降,草地开始衰败.紫花苜蓿茎叶生物量的垂直变化,在距地面0～35cm之间,茎生物量远大于叶生物量,茎叶比为1.7:1;在40cm高时茎叶比相等,在45～90cm之间叶生物量远大于茎生物量,叶茎比为1.42:1.紫花苜蓿土壤干层在生长的前两年不甚明显,随着生长年限的延长,干层厚度不断增大,由第3年的110cm扩大到第7年的260cm,含水量仅为4.6%～6.2%,土壤水分严重亏缺.紫花苜蓿退化草地土壤水分的自然恢复过程一般需5年,且随着恢复年限的延长,土壤水分逐年提高.     

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.     

黄土丘陵区坡耕地与撂荒地土壤水分对降雨的响应特征

为了揭示黄土丘陵区不同土地覆被方式下土壤含水量对不同强度降雨的响应过程,选取山西省冯家沟小流域农耕地和撂荒地为研究对象,基于2019年4—10月降雨和土壤含水量以小时为单位的观测数据,分析了土壤含水量对不同强度降雨的响应规律。结果表明:(1)小雨、中雨、大雨和暴雨对土层的影响深度分别为20、20、60 cm和60 cm,研究区降雨最主要的形式—小雨对土壤水分的补给作用较小。(2)各强度降雨过程中,除0—10 cm土层外,农耕地土壤含水量均大于撂荒地,且大雨条件下农耕地各土层土壤含水量变化较显著,而撂荒地仅0—10 cm和10—20 cm土层土壤含水量有所增加。(3)不同土层土壤含水量对降雨的响应不同,表层响应相对明显而深层相对减弱;农耕地土壤平均含水量最大值出现在50—60 cm土层,而撂荒地出现在30—40 cm土层。(4)本地区农耕地土壤含水量高于撂荒地,表明在该地区适当的作物种植有较好的储存土壤水分的作用。本研究的结果对地区水资源的高效利用和水土流失防控提供了一定的科学依据。     

黄土丘陵小流域土壤水分时空分异与环境关系的数量分析

采用ＤＣＣＡ排序,研究了流域尺谍上土壤水分的时空分异类型及环境因子的关系。研究结果表明,丰水年土壤水分垂直的分布呈降低型、波动型和增长型３种类型,主要影响因子为土地利用与地形（地貌类型、坡度、坡位与海拔高度）;土壤水分的季节变化表现为三峰型、四峰同步型与四峰滞后型３种类型,主要影响因子为降雨与地形（坡度、海拔高度、坡向与坡位）。分析得出,降低型与波动型的土壤水分利用率较高;从丰水年到欠水年,降低型     

黄土丘陵区地形、土壤水分与草地的景观格局

在黄土丘陵区,地形因素和土壤水分是决定草地景观格局的主要因素,同时草地景观格局在不同尺度上影响着景观中的流.地形因素、土壤水分和草地结构在不同尺度上有着密切的联系,研究它们之间的关系对于了解生态系统的过程十分重要.针对黄土高原异质化的草地群落结构,选取黄土丘陵区经过20多年自然封育形成的天然草地,从坡面尺度对景观格局进行了调查研究,在地形因素、土壤水分和草地结构中选取了有代表性的指标14个,用多元统计分析对选取的指标进行了主成分分析和聚类分析.聚类分析将样方分成3种植被类型,不同植被类型的海拔、坡度、20～140cm土壤含水量以及物种丰富度和生物多样性存在显著性差异.相关分析表明：海拔对0～300cm土壤含水量影响显著;海拔对草地群落盖度,坡位、坡向对草地群落的物种丰富度和生物多样性有着重要影响;而草地群落的物种丰富度和生物多样性与0～100cm土层的含水量关系密切.     

陇中黄土区坡面整地和植被类型对土壤化学性状的影响

合理的坡面整地和人工植被恢复能够改善土壤状况,进而促进植被生长和生境改善。在半干旱黄土高原地区,研究不同植被类型和整地方式下的土壤属性变化规律,对于揭示整地-植被-土壤之间的相互作用机制有重要意义。基于外业采样和室内测定的方法,测定了样品的有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效钾、有效磷和酸碱度,对比和分析黄土高原小流域不同整地方式和植被类型下的土壤养分特征。结果表明:(1)土壤养分变化的总体规律是明显的表聚性,土壤养分含量随土层的增加而减少,0—1m养分平均含量只有表层含量的43.1%—86.8%,除此之外全磷、全钾养分含量还具有波动性、富集性等特点;(2)整地和植被类型对土壤养分的影响:整地方式下养分含量依次为:水平沟、水平阶鱼鳞坑反坡台,植被类型养分对比结果:柠条油松山杏侧柏,同时发现整地方式对速效养分的影响较大,而植被恢复对全量养分的影响占主导优势;(3)植被对不同土壤养分的吸收利用响应:分析植被的养分利用特点,发现侧柏对磷素的消耗较大,柠条对钾素的消耗较大,并且发现有机质含量存在波动层、渐变层和稳定层等分布特征。     

湘南红壤丘陵区不同植被类型下土壤肥力特征

以自然植被恢复长期定位试验为基础,通过分析自然恢复31a后形成的6个植被类型区(樟树、枫树、梓树、白檵木、唐竹、白茅草)、2个同期种植的人工植被区(湿地松、板栗)以及相邻裸地区0—100 cm土层pH值、有机质及主要养分含量的变化,明确了湘南红壤丘陵区不同植被类型对土壤肥力的影响。结果表明:(1)白茅草和唐竹区的土壤pH值显著高于裸地区,但枫树和白檵木区的土壤酸化明显。(2)土壤有机质、活性有机质、全P、速效P等指标表现为乔木草本灌木,碱解N、全K、速效K表现为灌木乔木草本,全N表现为乔木灌木草本。(3)土壤综合肥力优劣为:枫树区梓树区白檵木区樟树区唐竹区白茅草区湿地松区板栗区裸地区,自然恢复植被比人工植被更有利于土壤肥力的提高。     

祁连山浅山区不同植被类型土壤水分时间异质性

资源供给的时间异质性与环境异质性对植被群落动态甚至景观格局的形成有着同等重要的意义.干旱区山地生态系统植被通常具有明显的空间自组织特征,土壤水分时间异质性可能在这种自组织格局的形成和稳定过程中扮演了重要角色.以祁连山排露沟小流域林草复合景观为例,通过连续监测林线附近草地、灌丛及林地对应的土壤水分状况,比较不同植被类型降水截留以及植物根系提水作用对土壤水分的影响,发现在生长季内典型月时间尺度上草地、灌丛及林地之间土壤水分时间异质性(变异系数CV)具有显著差异(5cm深度,F2,27 =11.25,P <0.01;20cm深度,F 2,27 =5.51,P<0.01),草地与灌丛5cm深度土壤水分时间异质性(CV=0.65、0.61)明显高于林地(0.52),灌丛与林地20cm深度土壤水分时间异质性(CV=0.84、0.84)明显高于草地(0.72).灌丛5cm深度土壤水分具有较高的时间异质性是因为其较高的冠层截留率,而草地表层5cm深度具有相对较高的时间异质性是因为强烈的土壤蒸发;20cm深度土壤水分时间异质性差异则主要由植被截留差异所致.不同植被类型5cm深度土壤水分时间异质性均明显低于20cm深度(P<0.01),土壤湿度变异系数最大值并不一定发生在表层.     

间作经济作物对黄土丘陵区旱作红枣土壤水分的调控效应

研究行间种植经济作物饲料油菜和黄花菜对黄土丘陵区旱作红枣林地土壤水分的调控效应.结果表明： 饲料油菜和黄花菜处理0～180 cm土层土壤含水量较无作物对照分别提高6.2%和10.1%;枣树生育期内土壤水分变化主要集中在0～60 cm土层,饲料油菜和黄花菜处理均明显增加了0～60 cm土层土壤含水量,保证枣树生育期内正常生长;持续干旱条件下,各处理土壤水分消耗主要在0～60 cm土层,其中0～20 cm土层土壤含水量与次降雨后干旱天数存在显著指数负相关,雨后18 d干旱期饲料油菜和黄花菜处理0～60 cm土层土壤水分含量均高于对照.该间作系统显著改善了红枣林土壤水分环境,是黄土丘陵区克服季节性干旱的有效措施.     

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。     

黄土丘陵区辽东栎树干液流特征对边材面积和土壤水分的响应

运用Granier热扩散探针法对半干旱黄土丘陵区不同胸径辽东栎进行树干液流测定,并对太阳辐射、空气温湿度、降水量、土壤水分等环境因子进行同步观测,分析不同土壤水分条件下不同胸径辽东栎的树干液流变化特征及其对环境因子的响应.结果表明:辽东栎液流日变化特征总体上与太阳辐射和空气水汽压亏缺呈相同趋势,但液流峰值出现时间早于两个气象环境因子的峰值时间.同一树木个体在土壤水分条件较高时期的树干液流通量高于土壤水分较低时期.在相同土壤水分条件下,大径级样本液流通量显著高于小径级样本.采用指数饱和曲线函数对液流通量与太阳辐射和空气水汽压亏缺以及两因子的综合指标进行拟合,效果良好,可以反映液流通量对气象环境因子的响应规律.不同胸径辽东栎在不同土壤水分条件下的拟合曲线特征和拟合参数差异表明,在土壤水分较高时段,液流通量可快速上升至饱和值;在土壤水分较低时段,液流通量上升缓慢.小径级样本对土壤水分变化的反应更加剧烈.单位空气水汽压亏缺的日液流通量值(日液流通量与空气水汽压亏缺的比值)在两种土壤水分条件下的比值与边材面积呈线性相关,且小径级样本的斜率高于大径级样本,说明小径级样本对土壤水分的变化较为敏感,在土壤含水量较低时段,大径级样本较厚的导水组织对土壤水分供应不足起到了缓冲作用.     

Soil moisture ecological environment of artificial vegetation on steep slope of loess region in North Shaanxi Province, China

By means of fixed-point monitoring and comparative analysis, soil water deficient situation, soil moisture dynamic variation laws, soil aridization and soil water compensation features under condition of different artificial vegetations were studied on 35–45° steep slope of loess region in North Shaanxi Province, China. The results showed that soil water was extremely deficient under condition of perennial artificial vegetation on steep slope, soil water storage (0–10 m) was only equal to 26.2%–42.0% of the field capacity in dry years, and in rainy years it was also only equal to 27.0%–43.3% of the field capacity. The order of soil water deficit was Caragana microphylla > locust > alfalfa > Chinese arborvitae > poplar > Chinese pine > wild land > apricot > Chinese date > farm land. Annual variations of soil moisture with the same vegetation were weakened with soil depth increasing, and occurred mainly in 0–200 cm soil layers. In the same growth season, all CVs (coefficients of variation) of soil moisture under condition of different vegetations were bigger and concentrated comparatively in 0–120 cm soil layers, but difference of CVs in different vegetations was small. Below 120 cm soil layers, CVs were smaller, but difference of CVs in different vegetations was bigger. Permanent dry soil layers always occurred under condition of perennial vegetation on steep slope, but the difference of soil aridization intensity was obvious among different vegetations and growth years. Soil water compensation and recovery depths in rainy seasons were 1.0–1.4 m, but the soil water storage increment and compensation degree in different vegetations were dramatically different. Soil water compensation depth in the same vegetation in rainy years was over 60 cm more than that in dry years, while the soil water storage increment in 5 m soil layers increased over 3 times. Under natural precipitation, the soil water deficit in artificial vegetation on steep slope cannot be ameliorated, and the soil aridization also can't be relieved.