半干旱黄土区坡面尺度柠条生长状况及影响要素分析

以半干旱黄土丘陵区典型小流域坡面大规模人工种植柠条林为例,基于坡面不同部位柠条生长状况和生境条件调查,定量分析了地形变化、土壤水分及灌木密度对柠条生长的直接、间接影响及其贡献率。结果表明:(1)东坡大株柠条生长明显好于南坡,下坡位柠条生长状况略好于中上坡位,其他各坡位之间柠条生长状况差异较小;(2)大株柠条生长与浅层土壤水分有正相关关系,而与灌木密度和深层土壤水分则呈负相关关系;大株柠条灌木高度、灌木纵截面积和冠幅体积对浅层土壤水分的响应敏感,冠幅长度对坡向和坡位的响应较为敏感,冠幅宽度对灌木密度的响应较为敏感;(3)地形和土壤水分变化解释了59.9%的大株柠条生长变异,其中坡向、坡位和浅层土壤水分是影响大株柠条生长的主导环境因子,它们分别解释了21.1%、16.0%和13.1%的柠条生长变化。研究认为半干旱黄土区人工植被恢复既要重视空间布局,也要在后期实施必要的管理措施以维持人工林地的稳定性。     

平茬对半干旱黄土丘陵区柠条林地土壤水分的影响

半干旱黄土丘陵区多年生柠条人工林地发生土壤旱化,研究柠条林平茬对土壤水分影响对于防治土壤旱化具有重要意义。采用中子仪测定土壤水分,对未平茬和平茬柠条林地土壤水分进行测定,分析了平茬对土壤水分的影响。结果表明:未平茬和平茬柠条林地降雨补给量(R₁,R₂)同降雨量(P)显著正相关(P<0.05)。定义降雨耗损量(林冠截留量和地表径流之和)占降雨量的百分比为降雨耗损率,未平茬林地降雨损耗率(L₁)和平茬柠条林地降雨损耗率(L₂)分别与其降雨前土壤表层(0-20 cm)含水量(S₁,S₂)呈明显指数关系(P<0.05):L₁=2.54exp(0.22S₁),L₂=2.40exp(0.27S₂),表层含水量相同时,平茬林地降雨损耗率明显高于未平茬林地。平茬后,林地降雨最大入渗深度减小,土壤水分利用深度减小;短时间内(2个月左右)林地20-160 cm含水量增加,之后平茬林地土壤含水量与未平茬林地土壤含水量接近;丰水年和丰水年后的第一年,平茬林地含水量低于未平茬林地,0-400 cm土壤储水量比未平茬林地最多低45.9 mm。平茬后200-400 cm土层土壤水分有少量增加,但是0-200 cm土层土壤含水量损失更严重。平茬3a后,平茬对柠条林地土壤水分的影响减弱。     

黄土高原荒坡与林地土壤水分变化规律研究

为探讨黄土高原有、无林地土壤水分全年变化规律之异同,在黄土高原半湿润区,采用中子水分测定仪定位测定方法,对无林沟坡（荒坡）与林地土壤水分储量变化进行了连续３年的定点测定,结果表明,在０－３２０ｃｍ的测定深度内,阴坡上、下部与阳坡下部荒坡土壤储水增量分别为－１６５．７ｍｍ、－１１５．２ｍｍ和－７４．９ｍｍ;阴坡上部的油松林地,在０－３２０ｃｍ深度内,林地却在林木每年蒸腾消耗大量水分（达３８０ｍｍ以上     

热储通量对黄土高原北部柠条林地地表能量平衡的影响

地表能量平衡问题一直是陆面过程研究中的重点和难点问题。以2014年8—10月和2015年4—6月黄土高原北部水蚀风蚀交错带柠条林地涡度相关通量观测数据为依据,分析柠条林地热储通量变化特征,在此基础上分析热储通量对能量闭合度的影响。结果表明,柠条林地各热储通量均表现出明显的季节和日变化规律。在能量平衡方程中,考虑热储通量项后能显著提高柠条林地能量闭合度,平均提高幅度为11.91%。其中,土壤表层热储通量对能量闭合度的贡献最大,占总热储通量的95.63%;光合作用热储通量和大气感热存储通量占总热储通量的比例不足5%,光合热储通量略高于大气感热存储通量;而大气潜热存储通量则降低了能量闭合度,平均降低幅度为0.06%。因此,在分析黄土高原柠条林地能量平衡中热储通量项是不可忽略的。影响柠条林地各热储通量的因素主要有太阳辐射、大气温度、土壤温度和水分。植被生长状况是影响柠条林地热储通量各分量项季节和日变化的重要因素,并对能量闭合度产生影响。     

平茬柠条的土壤水分动态及生理特征

平茬作为荒漠草原区柠条林优化管理的重要手段之一,深入探究平茬复壮阶段的土壤水分的恢复状况及其对生理特征的影响具有十分重要的意义。通过设置对比试验,研究了不同平茬年限柠条的土壤水分的时空分布及其周期性变化规律,并分析了其对净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率等光合作用生理特征的影响,结果表明:(1)生长季年内变化,PC1a—PC5a柠条在对土壤水分的保持能力均高于WPC柠条;对比不同平茬年限柠条土壤水分,PC3a增长迅速,PC4a水分条件最优,PC5a土壤水分消退逐渐向WPC柠条的土壤水分接近;土壤垂直剖面上,PC1a—PC4a柠条根系活跃区的土壤水分随着平茬年份的增加,深层的土壤水分得到有效改善,到PC5a时开始回落。(2)不同平茬年限土壤含水量变化剧烈程度分别为PC4aPC5aWPCPC2aPC3aPC1a,且平茬措施对非根系活跃区的深层土壤水分影响不大,平茬后,对0—180cm土层深度的影响显著,且以平茬PC4a和PC5a的土壤水分周期性变化最长,振动强度变化最明显。(3)平茬早期(PC1a—PC2a)的土壤水分并未迅速提高,此阶段柠条的光合作用受自身性状的影响大于对土壤水分的影响;平茬中期(PC3a—PC4a)的土壤水分对光合作用的影响大于柠条的补偿生长作用;平茬后期(PC5a),平茬柠条光合作用减弱及性状几乎不发生变化,土壤水分状况也开始接近WPC柠条。因此,对于荒漠草原平茬复壮阶段的柠条林的科学有效管理,PC5a柠条可作为饲草资源进行利用的最佳时段。     

枝条覆盖对半干旱黄土丘陵区平茬柠条林地土壤水分的影响

为了研究枝条覆盖对林地土壤水分的影响,提高土壤水分利用效率。2013年5—9月,以半干旱黄土丘陵区平茬柠条林为对象,采用中子水分仪对未覆盖和枝条覆盖林地土壤水分进行定位观测,研究了枝条覆盖对林地土壤水分的影响。研究期间共观测到降雨28次,总降雨量达495.9 mm。未覆盖和覆盖林地降雨补给量与降雨量之间均呈极显著正相关关系。枝条覆盖使林地降水入渗补给系数由0.50增加至0.70,明显提高了林地次降水补给量和入渗深度。覆盖林地各月土壤水分消耗量均高于对照林地,整个生长季,前者比后者多消耗了37.56 mm土壤水分,仅相当于所增加的降雨补给量的1/3。在丰水年,覆盖一直表现出对林地土壤水分的正效应,剖面0—260 cm范围内土壤水分条件有明显改善。     

半干旱黄土高原苜蓿草地撂荒过程土壤水分变化特征

土壤水分是黄土高原植被恢复和生态建设的主要限制因子,明确土壤水分随植被演替的变化规律是阐明黄土高原植被与水分相互作用机制的重要基础。以半干旱黄土高原小流域苜蓿草地撂荒过程为研究对象,通过对2016-2018年生长季苜蓿群落、苜蓿+赖草群落、赖草群落和长芒草群落四种草地群落0-1.8 m土壤水分进行动态监测以及0-5 m深度土壤水分测定,分析不同演替阶段苜蓿草地土壤水分的动态特征,探讨土壤水分对苜蓿草地撂荒过程的响应。结果表明：（1）在苜蓿草地撂荒演替过程中,土壤水分随群落恢复时间的延长呈先增加后降低的变化,降水的年际动态显著影响不同演替群落的土壤水分响应;（2）0-0.4 m土壤水分主要受降水影响,使得各草地群落在这一层次没有显著差异（P>0.05）,而1 m以下的土壤水分含量则主要受植被类型的影响,各草地群落之间存在显著差异（P<0.05）;（3）0-5 m深层土壤水分随群落的演替,1 m以下各土层土壤水分含量逐渐增加,表明撂荒过程中使土壤水分得到了一定程度的恢复。研究结果揭示了苜蓿草地撂荒过程土壤水分的变化规律,可为黄土高原生态恢复提供理论依据。     

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。     

黄土区深层土壤干燥化与土壤水分循环特征

深层土壤干燥化是黄土高原地区植被建设过程中出现的重大生态环境问题。采用人工和天然降雨试验,研究了黄土高原沟壑区荒草地和裸地的土壤水分循环特征,并分析和探讨了深层土壤干燥化的成因。2002年天然降雨量为459.9mm(多年平均降雨量为584.1mm),属干旱年,土壤水分观测期间(2002年6月13日至11月24日)天然和人工降雨试验小区的天然降雨量分别为305.2mm和236.8mm。人工降雨试验主要在2002年6~8月进行,土壤水分观测期间荒草地和裸地的人工降雨量分别为360.7mm和418.5mm。试验结果表明:干旱年,荒草地和裸地土壤储水量处于负补偿,入渗雨量全为蒸发蒸腾作用所消耗。在强烈的蒸发蒸腾作用下,剖面内(0~200cm)土壤水分的整体移动性能较强,最大蒸发蒸腾作用层深度很快形成。荒草地土壤水分循环强度大于裸地,表现为荒草地最大蒸发蒸腾作用层深度较大,两者分别为200cm和180cm。雨季量少且分散的降雨极易为强烈的蒸发蒸腾作用所消耗,深层土壤由于缺乏降雨入渗的补给而逐渐干燥化。丰水年,荒草地和裸地土壤储水量处于正补偿,但入渗雨量的大部分(80%以上)为强烈的蒸发蒸腾作用所消耗。在相同的降雨量条件下,荒草地土壤水分循环强度高于裸地,表现为荒草地降雨入渗补给深度较小。连续降雨有利于土壤水分向深层的运移,从而部分缓减深层土壤的干燥化进程。近50a来黄土高原地区气候变暖和降雨减少可能是土壤干层形成的直接原因,而植被类型选择失当、群落密度过大和生产力过高则会加剧深层土壤的干燥化进程。     

半干旱地区不同森林类型土壤水分动态模拟

采用暖温带落叶阔叶次生林、油松人工林和华北落叶松人工林样地土壤水分的生长季内观测数据和其他辅助观测数据,检验了Georgakakos等提出的土壤水分模型在半干旱林地的适用性。结果表明,该模型用于模拟半干旱林地日尺度土壤水分动态具有一定的可信度,且能够较好的反映不同森林类型的水文效应。模型参数的敏感性分析表明,不同目标函数的参数敏感度信息反映了该模型"异参同效"现象不显著,模型结构不确定性也较小。各参数的敏感度结果揭示了各参数在降雨入渗、深层渗漏和蒸散部分中的控制作用。从模型模拟的土壤水分变化通量来看,油松人工林地实际年蒸散发量大于其他林地,落叶阔叶林地年入渗量大于其他林地,而3种森林类型林地深层渗漏所占生长季降雨量的比例都较小。研究半干旱地区多年生人工林土壤水分的情况,不仅有助于从根本上认清半干旱地区土壤-大气-植被连续体的复杂作用关系,也为半干旱地区树种选择及造林后的生态水文效应研究提供理论依据。     

Isolation and fractionation of hemicelluloses by graded ethanol precipitation from Caragana korshinskii

Caragana korshinskii hemicelluloses were isolated with 10% KOH at 25 °C for 10 h from the delignified materials. The alkali-extractable hemicelluloses were then successively sub-fractionated by graded precipitation at final ethanol concentrations of 10%, 20%, 30%, 45%, 60%, and 80%, respectively. Neutral sugars and molecular weight analyses of the six hemicellulosic subfractions revealed that the molecular weights and the distribution of branches along the xylan backbone are different among the hemicellulosic fractions obtained in various ethanol concentrations. The less branched hemicelluloses with large molecules were precipitated in lower ethanol percentages, while with the increasing ethanol concentrations, more branched hemicelluloses with low molecular weights were obtained. ¹H and ¹³C NMR studies revealed that the hemicellulosic subfraction precipitated at an ethanol concentration of 45% had a backbone of d-xylose residues and were branched mainly through 4-O-methyl-α-d-glucopyranosyl units.     

黄土高原半干旱区柠条(Caragana korshinskii)树干液流动态及其影响因子

应用热脉冲技术在黄土高原神木县六道沟小流域于2006年6月13至25日测定了两种不同密度柠条(Caragana korshinskii)群落的树干液流动态.同时测量了土壤水分、太阳辐射、大气温度、相对湿度、风速、水汽压亏缺和作物参考蒸散等环境因子,并根据植物蒸腾的P-M公式,反推计算冠层导度.结果表明,除风速外,柠条树木液流与太阳辐射、大气温度、相对湿度、水汽压亏缺、作物参考蒸散均显著相关,且可用太阳辐射的线性表达式来估测.不同密度群落的日蒸腾量随叶面积指数增大而增加,叶面积指数为2.3的群落平均日蒸腾为3.83mm d-1m-2,而叶面积指数为1.1的林分平均日蒸腾1.64mm d-1m-2.冠层导度与气象因子关系复杂,当土壤水分不存在亏缺时,冠层导度与太阳辐射、大气温度、作物参考蒸散因子显著相关,与水汽亏缺和相对湿度因子无相关性;当土壤水分存在亏缺时,冠层导度与太阳辐射、大气温度、作物参考蒸散因子无相关关系,而与水汽亏缺和相对湿度因子显著相关.     

风沙区柠条沙堆土壤有机质及酶活性特征研究

为探索柠条(Caragana korshinskii)沙堆土壤有机质及土壤酶活性的空间异质性,选取不同大小的柠条沙堆,对其顶部、中部及底部的有机质含量、土壤酶活性变化情况进行分析研究。结果显示:(1)土壤pH值及含水量与柠条灌丛沙堆的大小没有明显的规律,在沙堆不同部位之间差异不显著;土壤有机质随沙堆的增大而减少,且10~20cm土层沙堆顶部的有机质含量显著高于中部和底部。(2)土壤脲酶与蔗糖酶活性随沙堆的增大而降低,磷酸酶与过氧化氢酶活性随沙堆的增大表现为先升高后降低,4种土壤酶活性基本上由沙堆的顶部向底部递减,随着土壤深度的增加,土壤酶活性显著降低。(3)沙堆的大小、土壤pH值及土壤含水量与蔗糖酶活性均存在显著负相关关系,与磷酸酶活性之间存在极显著负相关关系;土壤有机质含量与过氧化氢酶活性之间无明显相关性,与其他3种酶活性之间呈极显著正相关关系。研究表明,柠条能够改善沙堆上的土壤养分,提高土壤酶活性,对荒漠区退化土壤具有改善作用,但随着沙堆的发育这种作用逐渐降低。     

柠条平茬处理后不同组织游离氨基酸含量

选择12株30年生的老年柠条作为研究对象,之后随机对6株进行平茬处理,其余6株未破坏的植株为对照,在植物旺盛生长期,对平茬后当年生萌蘖株与未破坏对照株根、茎、叶中17种常见游离氨基酸含量进行了分析比较,以期从氨基酸的角度对柠条萌蘖的再生生长进行认识。结果显示,游离氨基酸含量在对照和平茬萌蘖柠条叶和根中处理间的差异远大于茎间差异;在生长季的座荚期,萌蘖株叶中天门冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、酪氨酸、组氨酸、精氨酸,根中天门冬氨酸、丝氨酸、缬氨酸、胱氨酸含量为对照株的1.5倍以上;成熟期,萌蘖株叶中天门冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、精氨酸、胱氨酸,根中天门冬氨酸、丝氨酸、缬氨酸、组氨酸、精氨酸的含量也达到对照的1.5倍以上。脯氨酸在座荚期对照株叶和茎中含量显著高于萌蘖株,成熟期处理间差异不显著,其含量受降雨和叶含水量影响显著,在植株体内起着重要的渗透调节作用。若不计脯氨酸含量,萌蘖株的根和叶中其余16种游离态氨基酸含量之和分别是对照株的2.0和2.7倍之多。由此可见,生长季叶和根中较高的游离氨基酸含量为萌蘖柠条快速合成其地上组织和实现生物量积累提供了较好的物质条件,是平茬后柠条萌蘖株迅速再生生长的重要机制之一。     

黄土高原水土保持林对土壤水分的影响

黄土高原植被恢复的限制因素主要是土壤水分,植被与土壤水分关系的研究对黄土高原植被恢复具有重要意义.2008年7月1日至2009年10月31日间采用EnviroSMART土壤水分定位监测系统以每30min监测1次的频度,对晋西黄土区刺槐人工林地、油松人工林地、次生林地的土壤水分变化进行了研究.研究得出:次生林地0-150 cm土层中平均蓄水量为331.95mm,刺槐人工林地为233.85 mm,有整地措施的油松人工林地为314.85mm,刺槐人工林比次生林多消耗的98.10mm土壤水分主要来源于80 cm以下土层.次生林主要消耗0-80 cm土层的水分,而人工林不但对0-80 cm土层水分的消耗量大于次生林,对深层土壤的消耗也较次生林大,这将有可能导致人工林地深层土壤的“干化”.在土壤水分减少期(11-1月)刺槐人工林土壤水分的日均损耗量为0.86mm、油松人工林为0.82 mm、次生林为0.84 mm.土壤水分缓慢恢复期(2-5月)刺槐人工林地土壤水分的恢复速度0.90mm/d,油松人工林地为0.53 mm/d、次生林地为0.79 mm/d.土壤水分剧烈变化期(5-10月)刺槐人工林地土壤水分含量的极差为95.71mm,油松人工林地为179.1mm,次生林地为72.03mm.在干旱少雨的黄土高原进行植被恢复时,应多采取封山育林等方式,依靠自然力量形成能够与当地土壤水资源相协调的次生林,是防止人工植被过度耗水形成“干化层”、保障水土保持植被持续发挥生态服务功能的关键.     

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。     

陕西黄土高原刺槐枯落叶生态化学计量学特征

生态系统元素平衡是当前全球变化生态学和生物地球化学循环研究的焦点和热点,生态化学计量学结合了生物学、物理学和化学等基本原理,是研究生物系统能量平衡与多重化学元素平衡的科学,为研究元素在生物地球化学循环与生态过程中的规律及其之间的计量关系提供了一种综合的方法。以陕西黄土高原人工刺槐林为研究对象,结合纬度和坡向两个因素,分析了三原、淳化、耀州区、宜君、黄陵、洛川、富县、甘泉、宝塔区、安塞、米脂、神木12个县区的刺槐枯落叶生态化学计量学特征。结果发现,阳坡刺槐枯落叶C、N、P含量的变化范围分别为318.34—428.01 g/kg、13.27—24.07 g/kg、1.66—2.57 g/kg;阴坡刺槐枯落叶C、N、P含量的变化范围分别为306.70—433.68 g/kg、12.55—24.39 g/kg、1.62—2.99 g/kg。阳坡刺槐枯落叶C∶N、C∶P、N∶P的变化范围分别为14.23—24.61、148.67—215.92、7.37—14.47;阴坡刺槐枯落叶C∶N、C∶P、N∶P的变化范围分别为16.87—26.54、130.06—234.41、7.05—13.22。随着纬度的升高,刺槐枯落叶C、N显著下降,刺槐枯落叶P、C∶N、C∶P、N∶P无明显差异。刺槐枯落叶C、N、P之间呈显著正相关。刺槐枯落叶C、N、P、C∶N、C∶P、N∶P在阴坡和阳坡之间无明显差异。研究区,阴坡和阳坡的刺槐枯落叶N∶P均较低,刺槐林土壤的全氮平均含量也低于全国平均水平,推测陕西黄土高原刺槐林的生长可能主要受到氮素的限制。