白刺沙包浅层土壤水分动态及其对不同降雨量的响应

以乌兰布和沙漠典型白刺沙包为研究对象,使用EC-5土壤水分传感器对其浅层(0—50 cm)土壤水分进行长期连续监测,分析了白刺沙包不同深度土层对不同降雨量的响应及整个生长季的土壤水分动态特征。结果表明:降雨是乌兰布和沙漠白刺沙包土壤水分的最重要补给源,降雨量大小是影响浅层土壤水分补给深度的决定因素。小于10 mm的降雨完全被表层(0—10 cm)土壤吸收,无法补给10 cm以下土壤水分;10—20 mm的降雨对土壤水分的补给深度达到20 cm;20—30 mm的降雨对土壤水分的补给深度达到40 cm,大于30 mm的降雨补给深度可达到50 cm,甚至更深土层。在研究区降雨量以小于20 mm降雨为主的情况下,20 cm以下土层土壤水分逐步恶化,久之将有利于浅根系草本植物的生长,不利于白刺的生长繁殖。因此,这种降雨格局将对浅层土壤水分及植被演替产生重要影响。     

土石山区不同植物土壤水分利用方式对降雨的响应特征

植物的水分利用特征对浅层土石山区的植被恢复具有重要意义.本研究利用稳定同位素技术,通过采集降雨后丹江鹦鹉沟小流域侧柏和玉米的植物样及其植物根系周围的土壤样品,分析其氧稳定同位素特征,研究土石山区侧柏和玉米两种不同植物的土壤水分利用方式对降雨的响应特征.结果表明: 侧柏和玉米的土壤水分利用方式对降雨存在不同的响应特征.侧柏根系主要利用10～30 cm土层的土壤水分,而玉米主要利用0～20 cm土层的土壤水分.降雨量由29 mm减少至8 mm时,侧柏根系的主要吸水深度由20～30 cm减小到10～20 cm,玉米根系的主要吸水深度由10～20 cm转换为0～20 cm.降雨减少时,侧柏根系吸水的主要深度均由深层土壤向浅层土壤移动,而玉米的主要吸水深度由10～20 cm增加为0～20 cm.侧柏和玉米根系的土壤水分利用方式对降雨的响应特征较为明显.     

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。     

红壤坡地土壤水分时间序列分析

基于时间序列法,分析了2002—2004年3—9月茶园和农作区两种土地利用方式下土壤水分与降雨的相关关系.结果表明,降雨为不相关序列,而不同深度(10、30、50、70和90 cm)土壤含水量有高度自相关性,为自相关序列,相关时间域为30～45 d.降雨和土地利用方式是影响土壤水分与降雨相关关系的主要因素.降雨对土壤水分的影响强度由表层到深层不断减弱,其在土壤表层(10和30 cm)的有效性时间为7～8 d;在深层有效时间长短不一,但雨后2～3 d,降雨对土壤水分(0～100 cm)的影响最显著.旱季土壤含水量与降雨的相关时间比雨季短1～3 d,若持续5 d降雨量小于5 mm,土壤表层水分含量就会明显降低,可能引发季节性干旱.与农作区相比,降雨对茶园表层水分的影响较弱,但对深层水分的影响较强且持续时间长.     

油蒿灌丛群落浅层土壤水分对不同降雨格局的响应

以库布齐沙漠东缘典型分布的油蒿灌丛为对象,使用微气象观测系统连续监测2016—2018年生长季降雨及多层次土壤含水量(0～10、10～30、30～50 cm),研究不同降雨格局下荒漠土壤水分的时空动态变化,分析降雨事件对土壤水分的补给作用和水分入渗特征。结果表明: 油蒿灌丛浅层土壤含水量在降雨脉动下产生明显的季节和垂直变化,雨量和雨前土壤含水量是影响土壤水分补给和入渗的主控因素。0～10 cm土层土壤对降雨反馈迅速,>3.8 mm降雨对该层产生补给作用;10～30 cm土层土壤对降雨反馈稍显迟滞,需8.6 mm以上降雨才能产生有效补给;30～50 cm土层土壤对降雨反馈更加滞后,降雨量超过11.8 mm后才能达到该补给深度。水分入渗速率随雨量增大而升高,随土层加深而减弱,入渗深度与雨量和雨前土壤含水量均呈显著正相关。研究期间,降雨事件以<10 mm降雨为主,占总降雨次数的78.4%,降雨对土壤的补给主要作用于30 cm以内土层,对深层土壤的补给十分有限,不利于深根性植物生长,降雨格局直接影响和改变了研究区植物群落的构成、分布和演替。     

隔离降雨对亚热带米槠天然林土壤可溶性有机质数量及光谱学特征的影响

全球气候变化背景下区域降雨格局变化可能深刻影响土壤可溶性有机质(DOM)的数量和质量.为了解亚热带森林土壤DOM对降雨减少的响应,通过6年不同强度(对照、-30%、-60%)的隔离降雨模拟试验,采用光谱技术,研究了降雨减少对亚热带米槠天然林不同深度土壤DOM数量和结构的影响.结果表明: 与对照相比,隔离降雨使0～10 cm土层中可溶性有机碳(DOC)和可溶性有机氮(DON)含量显著降低,其中-30%处理DOC下降幅度小于DON, 而-60%处理DOC下降幅度大于DON,0～10 cm土层中DOC和DON含量都显著高于10～20 cm土层.-30%处理土壤DOM中源于微生物代谢的芳香类腐殖质和烷烃比例上升;-60%处理土壤DOM中微生物代谢产物的相对贡献率减少.除了隔离降雨后水分变化等直接影响外,微生物活性也是本试验区影响DOM数量和结构的重要因素.     

草地早熟禾草坪土壤水分动态与根系生长分布

对草地早熟禾草坪土壤水分动态和根系生长发育状况进行研究,结果发现不同土壤层次水分变化有所不同,0～15cm变化最大,15～30cm次之,30cm以下土层水分变化不大;草地早熟禾的根系生长呈现双峰曲线模式,5月中旬和8月中下旬总根量处于峰值;其主体根系主要分布在0～30cm土层内,占总根量的85%以上;根重密度随土层深度呈指数衰减关系,0～30cm土层下降幅度较大,30cm以下土层根重密度相差不大;在0～30cm土层内不同层次根量占总根量的比例在不同时期亦有差异,春秋季节10～20cm和20～30cm土层内根量比例较大,说明此时期主体根系分布在较深的土层;综合分析认为草地早熟禾草坪主要利用土壤浅层水分,在降雨较少的春秋季节,根系较深,适宜深层灌溉,在降雨频繁的夏季,根系较浅,适宜浅层灌溉。     

北京山区典型植被土壤水分对次降雨的响应

为了揭示北京山区不同植被类型土壤水分对不同强度降雨的响应过程,选取北京山区内侧柏、荆条灌丛、荒草地为研究对象,基于2022年6—10月降雨和土壤水分的连续观测数据,分析土壤水分对不同降雨事件的响应特征。结果表明：(1)观测期内研究区降雨事件主要由小雨构成,小雨事件的总降雨量占总降雨量的14.78%,小雨事件对土壤水分的响应深度可达到40—60 cm土层;中雨、大雨、暴雨事件的总降雨量占总降雨量的85.52%,中雨、大雨、暴雨事件对土壤水分的响应深度均可达到60—80 cm土层;大降雨事件对土壤水分的补给作用更明显,降雨量越大,降雨能补给的土层深度越深,土壤水分补给效果越好。(2)三种植被平均土壤水分补给速率大小依次为荒草地>侧柏>荆条灌丛,说明降雨对荒草地的补给效果最好;土层活跃程度对植被土壤水分有影响,土层越活跃,土壤水分波动越大,三种植被平均土壤水分变异系数大小依次为荒草地>荆条灌丛>侧柏,而三种植被平均土壤储水量大小则依次为侧柏>荒草地>荆条灌丛,说明侧柏的土壤水分最为稳定。(3)荒草地、荆条灌丛剖面上各层土壤水分逐渐减少,侧柏则增加,说明土壤...     

干热河谷区不同坡位土壤水分对降雨的响应特征

研究干热河谷地区土壤水分在降雨过程中的短时动态变化,有助于揭示该地区的土壤水文功能。本研究选取贵州花江干热河谷作为研究区,运用原位监测法,获取不同坡位的高频土壤水分监测数据,分析土壤水分对降雨的短时动态响应特征。结果表明: 在整个监测期间,无论是坡上还是坡中,研究区各层土壤水分均为中等变异水平(15.2%≤变异系数CV≤29.7%),坡上土壤水分的波动幅度(CV=21.1%)大于坡中(CV=19.1%),0～5 cm土层(CV=26.2%)大于20～40 cm土层(CV=16.5%)。与坡中相比,坡上土壤水分对降雨的响应速度更快,降雨对土壤水分的补给量大、补给速率快;坡上的土壤水分补给速率与消退速率之差(2.3%·h^-1)大于坡中(1.8%·h^-1)。随土层深度增加,下层土壤水分对降雨的响应早于或同步于上层,降雨对土壤水分的补给量减少、补给速率减慢,土壤水分的消退速率也减慢。与坡中相比,坡上土壤水分入渗能力更强,保水能力更优。干热河谷的微观环境和小气候影响土壤水分对降雨的响应特征,而岩-土界面优先流的快速补给则会加快下层土壤水分对降雨的响应速度,使得该地区的坡面更容易形成混合产流机制。     

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。     

太湖流域丘陵区两种土地利用类型土壤水分分布控制因素

为探究太湖流域丘陵区典型土地利用类型(如竹林地和茶园)土壤水分的控制因素,在不同深度土壤水分定期观测的基础上,根据前7d降雨量将研究时段划分为干旱状态和湿润状态,利用分类与回归树(CART)方法得出不同干湿状态下土壤水分分布的主控因子,并借助典范对应分析(CCA)定量分析不同土地利用类型、不同土壤深度土壤水分格局与环境因子关系。结果表明:(1)高程、土地利用类型和土层厚度对土壤水分分布的相对贡献率最大,但在不同干湿状态下其影响程度存在差异;(2)干旱状态时土壤水分主要受高程、坡度、地形湿度指数(TWI)和剖面曲率等地形因素的作用,而土层厚度和粘粒也分别为0—20 cm和20—40 cm深度土壤水分的主控因子;(3)在湿润状态下,茶园0—20 cm土壤水分的主控因素为地形因子,在20—40 cm则以土壤性质为主,竹林地两个深度的土壤水分受地形和土壤性质的作用都很强,其中20—40 cm深度土壤水分与环境因子的关系较0—20 cm深度更为复杂。     

黄土丘陵沟壑区坡沟系统不同降雨类型的土壤入渗特征

黄土高原退耕还林草生态建设改变了区域覆被格局和下垫面环境条件,对流域地表水文过程产生了重要影响。研究黄土丘陵沟壑区坡沟系统不同降雨类型下的土壤水分入渗特征,对揭示植被恢复驱动下的降雨-入渗机制变化具有重要的科学意义。基于坡沟系统土壤水分入渗过程的定位监测,阐明了坡沟系统土壤水分入渗特征对不同降雨类型的响应,并采用Horton、Mezencev、Kostiakov、USDA-NRCS模型进行土壤水分入渗过程模拟,筛选特定降雨类型下最佳的入渗模型。结果表明：（1）0-60 cm是降水-入渗过程响应的关键层次,沟坡总入渗蓄存量较坡面高约42.67%;（2）坡沟系统土壤水分入渗量与深度成反比,且沟坡土壤水分入渗量较坡面平均高约9.75%;（3）不同降雨类型下坡面湿润锋深度均小于沟坡,且以极端暴雨、长历时小雨强降雨最深,短历时中雨强次之,短历时小雨强降雨最浅;（4）坡沟系统各降雨类型土壤水分入渗量对降雨的响应表现出一定的滞后性,沟坡响应快于坡面,沟坡湿润锋深度平均较坡面深约5-10 cm;（5） Mezencev入渗模型对四种不同降雨类型入渗量的模拟均具有较高精度（Adj-R²>0.96;NSE>0.92）,Horton模型可用于模拟极端降雨类型（NSE>0.98）,而Kostiakov模型、USDA-NRCS模型适于模拟短历时中强度降雨和短历时低强度降雨类型。     

茶叶锌、硒含量变化与种植土壤差异的研究

以贵州4个茶叶产地(贵定、都匀、凤冈、湄潭)生产的新鲜茶叶(贵定云雾茶、都匀毛尖、凤冈锌硒茶、湄潭翠芽)及种植土壤为材料,研究了不同茶树叶片及种植土壤的锌、硒含量,研究不同土壤类型及不同深度土壤锌、硒含量的差异;茶树当年生新叶(一芽二叶)和生长1年以上老叶的锌、硒含量变化;土壤锌、硒含量与新老叶片锌、硒含量之间的关系。结果显示,随着茶园土壤深度(0~20 cm,20~40 cm)的增加,锌含量增加了2.0%~18.0%,而土壤硒含量则没有明显变化;不同样地土壤和同一样地土壤不同深度的锌、硒含量差异均达显著水平(Sig.0.01),但差异未见明显规律;茶树新叶锌、硒含量比老叶分别高2.3~4.0倍和1.2~3.0倍;新叶的锌、硒含量与土壤锌、硒含量呈正相关关系,且新叶中的锌、硒含量之间也呈正相关关系。表明土壤中的锌、硒含量来源于成土母岩并直接影响茶叶的品质,因此合理选择土壤类型对种植优质茶和规划发展茶产业具有重要意义。     

Temporal heterogeneity of soil moisture under different vegetation types in Qilian Mountain, China

Field observations were conducted near the forest boundary in Qilian Mountain to test the differences in temporal variability of soil moisture between grassland, shrubland and forest habitats, and to examine the contributions of canopy rainfall interception and plant uptake to any observed differences. It was found that considerable differences of the temporal heterogeneity of soil moisture do exist between the three habitats. The coefficient of variance (CV) in soil moisture content at 5 cm depth was significantly higher in grassland and shrubland than in forest, while that at 20 cm was significantly higher in shrubland and forest than in grassland. High canopy rainfall interception of shrubs and intense soil moisture evaporation in grassland should be responsible for the higher temporal variability of soil moisture content at 5 cm depth in the two habitats, respectively, while the differences at 20 cm depths are most likely only due to the differences in canopy rainfall interception. Water uptakes provide little contribution to the differences in CVs of soil moisture at both 5 cm and 20 cm depths. It was also found that the CV at depth of 20 cm is significantly higher than that at depth of 5 cm, suggesting that the most active depth of soil moisture does not necessarily happen on the surface.     

Temporal heterogeneity of soil moisture under different vegetation types in Qilian Mountain, China

Field observations were conducted near the forest boundary in Qilian Mountain to test the differences in temporal variability of soil moisture between grassland, shrubland and forest habitats, and to examine the contributions of canopy rainfall interception and plant uptake to any observed differences. It was found that considerable differences of the temporal heterogeneity of soil moisture do exist between the three habitats. The coefficient of variance (CV) in soil moisture content at 5 cm depth was significantly higher in grassland and shrubland than in forest, while that at 20 cm was significantly higher in shrubland and forest than in grassland. High canopy rainfall interception of shrubs and intense soil moisture evaporation in grassland should be responsible for the higher temporal variability of soil moisture content at 5 cm depth in the two habitats, respectively, while the differences at 20 cm depths are most likely only due to the differences in canopy rainfall interception. Water uptakes provide little contribution to the differences in CVs of soil moisture at both 5 cm and 20 cm depths. It was also found that the CV at depth of 20 cm is significantly higher than that at depth of 5 cm, suggesting that the most active depth of soil moisture does not necessarily happen on the surface.     

半干旱黄土区苜蓿退化对坡面草本植物分布及多样性的影响

半干旱黄土丘陵区土壤水分亏缺引起人工苜蓿草地退化会显著影响其他草本植物的分布及多样性,然而地形驱动下的苜蓿草地退化及植被群落多样性响应还尚不清楚。以典型半干旱黄土丘陵区龙滩小流域为研究区,对不同地形条件下退化苜蓿草地地上生物量、草本多样性及生长季内0—200 cm土壤水分进行了定位监测,利用方差分析、相关分析和典范对应分析(CCA)明确坡面地形、苜蓿生长状况和土壤水分与其他草本植物分布及多样性之间的关系。结果表明:(1)地形显著影响植被群落特征,西坡、东坡和北坡样带苜蓿地上生物量明显不同,西坡和东坡样带中、下坡位苜蓿地上生物量明显高于上坡位,而其他草本的生物量、物种丰富度和多样性指数的变化趋势则与苜蓿相反;(2)苜蓿地上生物量与80—200 cm土壤水分显著正相关,而与0—20 cm和20—80 cm土壤水分的相关性较小;(3)地形特征、不同深度土壤水分和苜蓿地上生物量解释了退化苜蓿草地其他草本群落变异的87.8%,其中坡向、苜蓿地上生物量、0—20 cm和20—80 cm土壤水分4个因子解释了79.3%的群落变异。研究认为,半干旱黄土丘陵区不同地形条件引起坡面土壤水分变化,进而影响退化苜蓿草地地上生物量,使得苜蓿退化程度不同,而苜蓿退化程度和0—80 cm土壤水分决定了不同部位草本分布及多样性。