皇甫川流域柠条林地水分动态模拟——坡度、坡向、植被密度与土壤水分的关系

在皇甫川流域,随着林草覆盖度的增加,植被与水的矛盾日益突出,其中一个重要的问题就是植被密度与土壤水分之间的矛盾。土壤水分的降低影响了植被的生长,甚至导致了部分植被的死亡,因此对土壤水分与植被密度之间的关系进行研究非常重要,有助于合理造林密度的确定。在已有研究及实验观测的基础上,建立了柠条(Caragana intermedia)林地土壤水分动态模拟模型,模型考虑了主要的土壤、植物过程,包括土壤性状、降雨入渗、植物蒸腾、地表蒸发等;模拟了从1971至2000年,30年里各种立地条件(不同盖度、坡向和坡度)下的柠条林地土壤水分、蒸腾和蒸发等的日动态过程。通过比较不同立地条件下的土壤水分动态,研究了皇甫川流域典型柠条林地土壤水分与植被盖度、坡向和坡度之间的关系,并得出了它们之间的关系式。由得到的平地上柠条的适宜密度,同时结合上述关系式,得出了不同坡度、坡向的适宜密度。坡度小于10°时,适宜造林密度对坡度反应敏感,在10°~30°时,适宜盖度对坡度反应不敏感。对于小于10°的坡地,植被建设时要特别注意设计合理的植被密度。     

毛乌素沙地生物结皮覆盖区土壤水分收支变化特征

探究半干旱生态系统生物土壤结皮对土壤水文过程的影响,并量化生物结皮覆盖下土壤水分收支状况,可为荒漠地区植被恢复与重建提供理论依据。本研究基于2018—2020年生长季(5—10月)对毛乌素沙地不同类型生物结皮(如藻类和苔藓)覆盖区土壤水分的连续观测,以裸沙为对照,分析了生物结皮对0～40 cm土壤水分收支的影响。结果表明: 与裸沙相比,藻类结皮和苔藓结皮显著降低了降雨对40 cm以下土壤水分的补充,增加了土壤水分的蒸发损失。在相对湿润年份(2018年),裸沙和不同类型生物结皮覆盖土壤的水分支出量(渗漏量+蒸发量)均低于降雨量,土壤水分状况为收入;在相对干旱年份(2019和2020年),藻类结皮和苔藓结皮覆盖土壤的水分支出量高于降雨量,土壤水分产生亏缺,但是裸沙相反。可见,生物结皮导致其下覆0～40 cm土壤水分收支不平衡,在相对干旱年份出现了水分亏缺,这可能驱动该区域植被群落向浅根系植物演替。     

黄土丘陵沟壑区退耕地自然恢复植物群落的分类与排序

采用TWINSPAN分类和CA排序方法,对黄土高原皇随便沟壑区安塞33个退耕地自然恢复植被样方进行了分类与排序。结果表明,在40a的演替过程中,退耕地植被大体上经历了猪毛蒿（Ａrtemisia scoparia）为优势种的群落、达乌里胡枝子（Ｌespedeza davnrica）和长芒草（Ｓtipa bungeana）为优势种的群落、铁杆蒿（Ａrtemisia gmelinii）为优势种的群落和白羊草（Ｂothriochloa ischaemum）为优势种的群落,４个群落的物种组成表现出较强的延续性和递进性。排序轴与环境因子的相关分析表明,土壤养分、土壤水分以及地形因子或强或弱地影响着退耕地自然植物群落的变化,其中土壤有机质、氮磷钾、土壤水分以及坡度与植物群落变化之间的关系密切。     

喀斯特木论自然保护区旱季土壤水分的空间异质性

采用经典统计学和地统计学方法,分段研究了喀斯特木论自然保护区典型峰丛坡地和洼地旱季表层土壤水分（0～5 cm和5～10 cm）的空间异质性.结果表明：研究区旱季表层土壤水分仍然较高,总体上具有良好的半方差结构;坡地和洼地0～5 cm和5～10 cm土层土壤水分的空间分布均符合指数模型,同一立地条件下两土层土壤含水量具有相似的空间结构和分布格局,相同土层不同立地条件下的差异明显;坡地土壤水分含量的空间相关性中等且连续性好,具有明显的斑块分布格局,其Moran I值的变化相对缓慢;洼地土壤水分含量具有强烈的空间自相关,但变程很短,其Moran I值的波动较大,斑块比较破碎.地形、微地貌、降雨、人为干扰特别是植被是保护区土壤含水量空间变异的重要影响因素,保存完好的原始森林对土壤水分空间异质性具有良好的调控作用.     

植被格局对土壤入渗和水沙过程影响的模拟试验研究

合理的植被格局能够提高土壤入渗性能和抗冲性,有效阻蚀减沙,平衡土壤保持与土壤水分保蓄二者关系,进而促进生态环境的改善。基于径流小区人工模拟降雨,研究了多种植被格局生物量密度（0、50%、100%）和分布方式（坡上分布、坡下分布、均匀分布）的土壤入渗、产流、产沙特征以及土壤储水量变化。结果表明：使用Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型模拟坡面入渗过程,Horton模型的拟合结果最优。不同植被格局产流率的变化趋势基本一致,大体可分为两个阶段：初期阶段迅速增长,中后期阶段增长变缓并逐渐趋于稳定状态。产沙率的变化趋势随植被格局的不同而略有差异。相较于产流过程,产沙过程变化剧烈、规律性差。总体而言,降低生物量密度能够增加降雨期间的径流量（从19.21 mm到25.44-38.09 mm再到51.79 mm）和侵蚀量（从118.97 g/m²到237.57-597.90 g/m²再到1400.29 g/m²）,土壤水分得到更好的保蓄。从植被分布方式的角度来看,均匀分布的植被格局有利于更好地控制土壤侵蚀和径流,却促进了土壤水分的消耗。坡下分布的植被格局,例如植被过滤带的形式,能够最好地同时控制水土流失和土壤耗水。权衡考虑水土流失防治与土壤水分消耗,建议采用适宜密度（本研究为110 g/m²）且集中分布在出口附近的植被格局。     

黄土高原不同植被类型土壤特性与植被生产力关系研究进展

针对黄土高原不同类型植被,不同立地条件下植被及不同的演替阶段的土壤特性进行了综述,包括土壤养分,土壤酸碱度和土壤水热条件与植被生产力的关系。众多的研究表明,土壤水分与营养供应是影响植被生产力的主要因素,而植被的根系分布和细根周转能够影响土壤有机质和理化性质,植被的演替过程改变着土壤的特性,土壤特性的改变驱动着植被演替。     

降雨及聚丙烯酰胺(PAM)作用下土壤的封闭过程和结皮的形成

封闭、结皮是土壤表面水土相互作用的结果,能显著减少土壤入渗、降低水资源的利用率;增加地表径流并导致土壤侵蚀。为深入理解封闭的作用过程和结皮的形成,利用PAM能缓解封闭作用并抑制结皮形成的特性,进行了一系列的人工降雨模拟试验,试验采用3个重复,包括3个雨强（50mm/h、100mm/h和150mm/h）、4个坡度（8.74%、17.63%、36.4%和46.63%）和3个PAM覆盖率（80％、60％和40％）。通过对比土壤表面的电子扫描显微镜（SEM）照片,可以认为土壤结皮是由结构结皮和沉积结皮构成,入渗量与时间的历时曲线反映了结皮的4个形成过程。     

干旱沙漠区土壤微生物结皮及其对固沙植被影响的研究

在腾格里沙漠东南缘人工固沙植被区,采用已有的数据和长期的定位观测,分析了固沙植被区生物结皮的形成特点及其对植被动态的影响。流沙经过沙障固定和种植植物后,沙土表层形成风积物结皮,再演化成以藻类为优势种的微生物结皮,而这一过程是因沙物质得到固定后,大气降尘和粉粒在沙表层堆积、下沉、再经雨滴的冲击等物理作用和土壤微生物的活动共同作用的结果。在降水不足２００ｍｍ的条件下,结皮的形成改变了土壤水分的传有限,     

三峡消落带不同坡度狗牙根及实生土壤生态化学计量特征

三峡库区消落带反季节水位波动驱使下植物的养分适应策略和内稳态特征研究对消落带植被恢复及生态功能调控有重要意义。然而,三峡消落带范围广、地形复杂,不同生境下植物适应特征仍存在不确定性。本研究以三峡消落带广泛分布的优势植物狗牙根为研究对象,选取28个地形差异较大的样地进行采样分析,重点探讨不同坡度（0-5°、5-10°、10-15°、15-20°、>20°）狗牙根及其实生土壤生态化学计量特征的变异关系,揭示坡度对狗牙根养分适应及内稳态的影响机制。结果表明：（1）坡度对狗牙根实生土壤的养分及化学计量特征具有显著影响,土壤有机碳（SOC）、全氮（STN）、速效氮（SAN）、全磷（STP）、速效磷（SAP）含量均随坡度增加而降低,<10°的缓坡消落带土壤养分显著高于10°以上的样地;土壤碳氮比（C ∶ N）、碳磷比（C ∶ P）均随坡度增加而降低,而氮磷比（N ∶ P）比相对稳定,表明坡度增大,土壤营养物的流失具有同步性,且流失速度较有机碳慢;（2）随坡度增加,狗牙根各营养器官C含量呈增加趋势,而氮（N）、磷（P）则呈降低趋势,且坡度变化改变了狗牙根各营养器官间的养分分配;植物根、茎C ∶ N、C ∶ P随坡度增加而增加,N ∶ P随坡度增加而降低,而叶片均没有明显变化,表明在坡度改变了土壤养分供应水平的情况下,狗牙根优先稳定其叶片化学计量比以提高适应能力;（3）坡度与土壤中SOC、STN、SAN含量呈现显著负相关,而土壤STN与狗牙根植物养分及化学计量特征均有显著相关关系,由此可见,坡度变化导致土壤氮素流失增加是影响狗牙根生态化学计量特征分异的主要机制;（4）狗牙根与实生土壤的碳氮磷元素内稳性整体表现为C>P>N,化学计量比内稳性表现为C ∶ P>C ∶ N>N ∶ P,随着坡度增加,狗牙根N、P的内稳性呈增强趋势,而C ∶ N、N ∶ P呈显著降低,表明坡度变化导致狗牙根形成了不同的适生策略。研究表明,在三峡库区复杂的地形条件下,狗牙根能有效维持体内化学计量平衡以响应不同的坡度条件,并且内稳性较好,是三峡库区消落带植被恢复与保护的优势植物物种。     

黄土丘陵区不同恢复年限人工刺槐林土壤水分时空动态及其时间稳定性

以空间代时间的方法研究不同恢复年限对人工刺槐林土壤水分时空动态及其时间稳定性的影响,对于了解人工刺槐林在生态恢复过程中的土壤水分动态特征具有重要意义。基于长期定位观测,选取黄土丘陵沟壑区15、20、30、35 a等4个恢复年限人工刺槐林,自2014年5月至2018年10月每年生长季（5-10月）开展土壤水分自动观测。研究结果如下：（1）不同恢复年限刺槐林土壤水分差异显著,刺槐林土壤储水量随恢复年限增加呈现先增加后降低的趋势,排序依次为30 a（184.9 mm） > 20 a（184.6 mm） > 35 a（150.8 mm） > 15 a（128.8 mm）;不同恢复年限刺槐林土壤水分的时空分布特征差异明显,土壤水分变异性随土层增加而降低,但不随恢复年限而有规律的变化;土壤水分主要受到降水以及植被生长的影响,其变异性的时空格局也说明随土壤深度增加土壤水分的稳定性随之增加;（2）通过相对差分分析不同恢复年限刺槐林土壤水分时间稳定性,确定15、20、30、35 a的代表深度分别为80、100、80、150cm土层,都属于与100cm相近的土壤深度;（3）Spearman秩相关分析显示,上土层与下土层的土壤水分的时间稳定性特征差异明显;（4）线性回归与纳什系数结果表明通过相对差分与时间稳定性指数得到土壤水分代表深度的结果是可接受的,其中15 a恢复年限刺槐林的结果最好,决定系数R²和纳什系数NSE分别可达0.91和0.82,但总体结果仍存在误差,在区域土壤水分模拟时需考虑这一不确定性。（5）灰色关联分析表明,土壤质地（砂粒）,土壤总氮、土壤容重、土壤有机碳、土壤总孔隙度以及坡度是不同恢复年限刺槐林土壤水分时间稳定性主要影响因素。     

不同生态修复措施和环境因素对亚热带红壤区针叶纯林坡面水土保持功能的影响

使用"地理探测器（GeoDetector）"对亚热带红壤区水土流失影响因素的定量分析结果可为当地森林生态修复和侵蚀模型完善提供科学依据。基于福建省龙岩市新罗区龙门溪小流域森林调查数据和径流小区监测数据,利用地理探测器探测不同生态修复措施和环境因素对针叶纯林坡面水土保持功能的影响及交互作用,结果表明：（1）对比中幼龄针叶纯林,补植阔叶树使针阔混交比例为7 ： 2可减少46%的径流量和76%的泥沙量,生态修复效果较好。对重侵蚀区"老头树"少量施肥难以产生效果。（2）影响坡面径流的因素由强到弱依次是：降雨因子（0.53）,土壤容重、林分密度、灌草层盖度、树高和针阔比（均在0.08左右）;影响泥沙流失的因素依次是：地表径流量（0.84）,降雨因子（0.2）,林分密度、土壤容重、灌草层盖度、土壤含水率、灌草层生物量（均在0.12左右）。（3）各影响因素交互后主要呈增强作用;林分密度、灌草层盖度和土壤容重还可与其他因子产生强烈非线性增强作用（交互后影响力>0.9）,是在森林修复和模型参数优化时需重点关注的对象。     

Evaluation of different soil and water conservation measures suitable for expressway construction in arid areas in northwest China

Abstract

In order to determine the most efficient soil and water conservation measure for different engineering units, the volume weight of soil (VWS), soil water content (SWC), soil porosity, soil erosion resistance (SER), anti-scour coefficients (ASC), and vegetation coverage of 12 protective measures and four unprotected measures were investigated. In addition, 16 water conservation measures were evaluated using the gray correlation method. Our results suggest that SWC, SER, ASC, and vegetation coverage of a square grid area were higher than those of other measures on the filling slope (p < 0.05). However, in the excavated slope, SWC, SER, ASC, and vegetation coverage of the unprotected measures area were higher than those in the protected measures (p < 0.05). Our results also indicate that the gray comprehensive evaluation value of arch framework measures in the fill slope and unprotected natural recovery measures of the excavated side slope were significantly greater than those of other measures (p < 0.05). This finding indicates that the effect of soil and water conservation on these measures were better than others. Our findings provide an indication for the implementation of soil and water conservation measures for expressways situated in arid areas in China.     

岷江干旱河谷土石混合边坡不同种植处理下乡土植被的生态效益

岷江干旱河谷生态环境脆弱,植被恢复困难,大规模的公路建设极易对当地生态环境造成破坏。筛选适宜的植被恢复措施对干旱地区道路边坡的乡土植被恢复重建和生态功能提升尤为重要。以岷江干旱河谷极端退化的土石混合的道路边坡为案例,选取乡土灌木和草本植物构建植物群落,进行裸地播种、播种后覆盖纤维毯和添加腐殖土后播种并地表覆盖纤维毯3种不同的种植处理,揭示了不同处理下群落结构、土壤改良以及水土保持效益的差异。发现,乡土灌草群落是干旱河谷适宜的道路边坡植被恢复模式,种植后第3年群落特征趋近于岷江干旱河谷区自然生态系统的多年生灌草植被。纤维毯覆盖+覆土处理在促进植物生长和群落构建,水土流失防治上效果最好,群落总盖度为74%,群落总生物量为506.35 g/m²;生长季内,与自然恢复相比小区径流量减少了87.8%,泥沙流失量降低了92.1%。土壤改良效应在3种处理之间差异不明显,但是与自然恢复样地相比,各处理均提升了边坡0—20 cm土层土壤养分。不同种植处理下植物群落结构差异是影响干旱河谷土石混合的道路边坡水土流失的关键因子。     

环境因素变化对冬小麦气孔阻力的影响

本文据同步观测到的气孔阻力和土壤水势、净辐射能、气温、叶温、水汽压、饱和差、风速等环境因素变化值,用统计方法分析了小麦叶片气孔阻力与环境因素的关系,结果表明：冬小麦叶片的气孔导性主要受土壤水势影响。叶片正反两面的气孔对环境因素变化的反应不同,正面气孔导性主要受土壤水势影响,而反面气孔导性则与气温、水汽压和饱和差关系较大。     

云雾山自然保护区环境因素对土壤水分空间分布的影响

选取黄土高原云雾山自然保护区天然草地,研究分析了地形因素、植被类型、降雨和封育措施对土壤水分的影响,研究结果表明:在0～100 cm土壤,单点季节平均土壤含水量的空间变化主要受坡向、坡位、群落类型和封育措施的影响;在深层土壤100～300cm,相对海拔、坡位、坡向、群落类型和封育措施在控制土壤水分的再分布中具有重要作用.不同的环境因素对土壤水分空间分布影响的季节变化存在明显差异,坡度、相对海拔、坡位与土壤湿度的关系依赖于前期降雨量,土壤湿度和坡度、海拔、坡位和封育措施的相关性一般随前期降雨的增加而增大.群落类型对土壤湿度的影响与群落盖度和蒸腾速率有关,在植被盖度差异较大的5月份和蒸腾速率差异较大的7月份影响显著.坡向对土壤湿度的影响依赖于太阳辐射的变化,在太阳辐射较强烈的7月份差异显著.由于长期自然封育,草地覆盖度不断增加,其蓄水保水能力增强,对土壤水分的调节能力得到提高,从而能在一定程度上改善土壤水分条件.     

基于水源涵养的流域适宜森林覆盖率研究

适宜森林覆盖率的研究是流域防护林空间布局的基础研究,对流域内防护林林种和林分结构调整有着重要的指导意义。以对土壤饱和蓄水量的贡献大小为依据,人力可控和可测为原则进行流域有林地水源涵养功能评价指标筛选。采用群组AHP法剔除因子间相关性较大的指标,筛选出了地形-土壤因子、林分因子、干扰强度因子共计12个指标;用层次分析法(AHP)计算各指标对土壤饱和蓄水量的权重,以此权重计算各有林地小班水源涵养的等级值以及每个等级对应的面积。以流域历年(40a)最大日降雨量147.2 mm计算流域适宜森林覆盖率。结果表明:林分因子 (0.637)>干扰强度因子(0.258)>地形-土壤因子(0.105),即影响平通河流域有林地水源涵养功能最大的因子是林分因子,其次是干扰度因子;流域基于水源涵养的适宜森林覆盖率为57.09%,变幅为43%-73%。     

基于功能与空间格局的区域生态系统保管策略

本研究以位于长江流域的湖北省兴山县为研究区域,着重讨论了基于功能与空间格局的生态系统保育策略,即以改善生态系统功能为评价指标,以调整生态因子的空间格局为手段的生态系统保育策略。根据该县的地理位置,我们以生态系统功能中的水源函养为森林生态系统保育的评价指标。利用基于地理信息系统的水涵养能力。利用生态系统中水涵养能力的空间异质性和变化－位置效应在生态因子改变中的作用,我们提出了“基于空间格局的森林扩展”的策略。将该策略应用于兴山县的生态系统保育,以期达到保育森林与改善水涵养能力的双重目的。本研究为保育,管理和持续利用长江流域和其他遭遇同样问题的区域的生态系统提供了有价值的信息。     

坡度和植被盖度对粉砂质河岸带坡面流侵蚀水动力特征的影响

揭示坡面水流水动力参数特征对于深入了解坡面土壤侵蚀的内在机制具有重要意义.本试验在黄河下游河岸带原生坡面上,采用野外模拟径流冲刷的方法,研究了4个坡度(5°、10°、15°、20°)和3个植被盖度(0%、15%、30%)在特定放水量(15 L·min^-1)条件下坡面薄层水流剥蚀土壤的水动力学过程,分析了径流剪应力(τ)、水流功率(ω)、径流能量(F)等水动力学参数的变化及其对坡度、植被盖度以及二者交互作用的响应差异.结果表明: 在坡度和植被盖度的影响下,τ、ω和F变化规律明显,坡度不变情况下,τ随着植被盖度的增加而增加,ω和F随着植被盖度的增加而减小;植被盖度不变情况下,τ、ω和F均随坡度的增加而增加.坡度小于10°时,坡度和植被盖度的变化对坡面土壤侵蚀的影响不明显;坡度大于10°时,相同坡度条件下植被盖度越大减蚀效果越明显,相同植被盖度下坡面侵蚀量随坡度的增大而增加.τ、ω均与土壤剥蚀率呈显著的线性关系,在土壤侵蚀发生时均存在临界剪应力和临界功率;F与土壤剥蚀率则呈现良好的对数关系.双因素方差分析表明,坡度和植被盖度对τ、ω和F的影响显著,两者的交互作用对ω影响显著,但对τ、F的影响不显著.