黄土丘陵区植被恢复对深层土壤有机碳的影响

以恢复9、15、24a和34a的刺槐林为研究对象,探究黄土丘陵区深层土壤有机碳(SOC)积累以及对植被恢复的响应。区域深层土壤(50-200cm)SOC含量高达1.35-2.39g·kg-1,约为浅层土壤(0-50cm)SOC含量的25%;深层土壤SOC储量高达26.28-46.50t.hm-2,占2m土层SOC储量的50%以上,显著高于浅层SOC储量;植被恢复20多年后与恢复9a相比,深层SOC含量和储量都有极显著提高。2m土层SOC含量随植被恢复20多年后较9a提高1倍左右;2m土层SOC储量增幅为43.02.thm-2(9-34a),明显高于1m土层SOC储量增幅34.65t.hm-2(9-34a)。浅层土壤中的0-30cm相邻土层间SOC含量差异显著,而深层SOC含量较稳定。深层SOC含量与刺槐盖度、基径、高度呈极显著正相关。在评价黄土丘陵区植被恢复的土壤固碳效应时应充分考虑深层土壤有机碳储量和变化。     

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。     

黄土高原不同植被恢复方式对土壤水分坡面变化的影响

在黄土高原大规模退耕还林(草)背景下,土地利用变化对土壤水分及其时空结构会产生极大影响。以坡面为研究对象,根据两种植被恢复类型(撂荒草地和人工刺槐林地)土壤水分坡面变化趋势的差异,探究不同植被恢复方式对土壤水分坡面空间结构影响。结果表明:所调查的两个区域(延安羊圈沟和长武烧盅湾)皆表现为人工刺槐林地坡平均土壤含水量显著低于撂荒草地坡;且人工刺槐林地坡的土壤水分的坡面差异性皆比撂荒草地坡低。虽然两种恢复类型的土壤水分沿坡底到坡顶皆呈现降低的趋势,但是该降低趋势在两种恢复类型间存在一定差异:撂荒草地坡土壤水分沿坡面的变化趋势随深度增加有加强的趋势,且总体上,长武烧盅湾撂荒草地坡土壤水分沿坡面变化趋势比延安羊圈沟更明显;相比之下,人工刺槐林地坡土壤水分沿坡面的变化趋势随深度增加有变弱的趋势,且该趋势明显比撂荒草地坡弱;两个地区刺槐林地坡土壤水分沿坡面变化趋势不存在明显差异。综上所述,虽然不同降雨背景下土壤水分会表现出一定差异,但土壤水分的坡面变化趋势及不同恢复方式对其影响是相似的,即人工刺槐林地坡对土壤水分的过度消耗不仅会导致土壤水分亏缺,而且削弱了土壤水分的坡面变化趋势;而撂荒草地对土壤水分及其空间结构的维持有相对积极的意义。通过分析不同植被恢复方式对土壤水分坡面变化趋势的影响,能够更深入的了解不同植被恢复方式的土壤水文效应,同时可为以坡面为单元的退耕还林中植被科学配置提供一定的参考。     

黄土丘陵区不同类型生物结皮下的土壤生态化学计量特征

生物结皮在土壤养分累积和循环中起着重要作用.本研究以黄土丘陵区浅色藻结皮、深色藻结皮、藻藓混合结皮、藓结皮、地衣结皮和普通念珠藻结皮6类典型生物结皮为对象,分析不同类型生物结皮土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其化学计量学特征,研究不同类型生物结皮对土壤养分的影响.结果表明:不同类型生物结皮土壤C、N、P、C/N、C/P、N/P差异显著;生物结皮层C、N、P、C/N、C/P、N/P均显著高于0~10 cm土层土壤.6类生物结皮土壤C、N含量均随土层加深而下降,P含量受土层深度影响较小.对于生物结皮层,藓结皮C、N、P含量分别为27.07、2.42、0.67 g·kg^-1,显著高于其他类型生物结皮.念珠藻结皮的0~2 cm土层土壤C、N、P、C/N、C/P、N/P显著高于其他类型生物结皮.     

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.     

黄土高原环境异质性与植被的恢复与重建

黄土高原是一个独特的地理区域,由于对其原生植被的不同认识,自然区划历来富有争议.为因地制宜地进行植被建设,在辨析植被属性有关论点(黄土无林、草原次生等)的基础上,主要由现代植被证据进一步讨论黄土高原的自然地带.分析了生物气候条件在不同地域之间的分异性,阐述了植被地带特征.为充分说明植被地带性,还从历史的角度探讨了植被建设的效果.表明黄土高原环境的非均质性可表征为森林、草原等地带,不能认为黄土高原不具有森林发育的地带性环境.相对于森林地带北界森林线,森林草原地带北界应为树木线.植被建设不应局限于一种土地利用模式,不能无视疏林及稀疏灌丛在森林草原地带的客观存在.     

黄土区次生植被恢复对土壤有机碳官能团的影响

以植被空间排列顺序推断时间演替顺序,采用同步辐射软X射线探讨子午岭林区典型植物样地白羊草(Bothriochlor ischaemum)狼牙刺(Sophora viciifolia)辽东栋群落(Quercus liaotungensis)演替过程中土壤有机碳官能团变化。图谱定性分析显示,恢复过程中各植被条件下0-5 cm和20-40 cm土层土壤脂肪-C、酮-C吸收强度明显增加;0-5 cm土层土壤脂肪-C吸收较20-40 cm强,而土壤酮-C吸收较20-40 cm弱。半定量分析结果显示,随植被演替进程,0-5 cm土层土壤各官能团相对百分含量都有所增加,如芳香-C、脂肪-C、酮-C呈现逐渐增加趋势,至辽东栎群落时,20-40 cm土层土壤脂肪-C相对百分含量明显增加。植被恢复过程中,各样地SOC官能团组成基本一致,但植被恢复影响土壤SOC官能团数量变化;植被恢复能促进0-5 cm和20-40 cm土层土壤脂肪-C、酮-C含量增加,并且这种作用随着植被恢复时间的延长逐渐增强,说明植被演替增强了土壤有机碳化学稳定性。     

黄土高原土壤水分-有机碳-微生物耦合作用研究进展

黄土高原植被恢复后土壤水分、有机碳和微生物群落发生了非同步性演变。土壤微生物是各种生命活动的载体,在土壤水-碳耦合过程中参与了一系列的氧化与还原反应,因此,土壤微生物在水-碳耦合关键过程中起着重要的调节作用,三者存在着密切的耦合关系。尽管关于植被恢复后土壤水分和有机碳变化的研究已开展较多,但是由于土壤微生物活动和群落结构复杂性和易变性,这给土壤微生物介导的水-碳耦合研究带来了相当大的困难。迄今为止,黄土高原植被恢复后土壤水、碳、微生物三者之间的耦合关系缺乏总体性的融合,大多数研究只能假设各个生物化学过程是相对独立的,对土壤水、碳、微生物耦合的认知仍存在局限性。由此,首先对黄土高原植被恢复进程、土壤水分过程和有机碳变化分别进行了综述,结合已有的理论和证据进一步概括了黄土高原土壤有机碳、微生物群落对降水格局的响应。最后整合植被、土壤和微生物界面等关键生态过程,总结了黄土高原土壤水-碳-微生物耦合界面过程,采用HYDRUS-2D模型(水文过程模型)和ORCHIDEE模型(生态系统碳模型),并融入土壤微生物种群生长动态,基于稳定碳、水同位素技术和DNA探针技术,初步构建了黄土高原土壤水-碳-微...     

黄土高原不同土壤微生物量碳、氮与氮素矿化势的差异

以采自于黄土高原差异较大的25个农田石灰性耕层土壤为供试土样,对黄土高原主要类型土壤中微生物量碳(Bc)、微生物量氮(BN)和氮素矿化势(NO)的差异性进行了比较研究.结果表明,Bc、BN和NO在不同类型土壤间存在显著差异,由关中平原至陕北风沙区,BC、Bn和NO总体呈现下降趋势,其中以土垫旱耕人为土最高,简育干润均腐土最低,黄土正常新成土和干润砂质新成土居中:土垫旱耕人为土、简育干润均腐土、黄土正常新成土和干润砂质新成土等各土类平均BC分别为305.2μg·g-1,108.4μg·g-1,161.7μg·g-1和125.4μg·g-1,BN分别为43.8μg·g-1,20.3μg·g-1,26.0μg·g-1和30.6μg·g-1,NO分别为223μ·g-1,75μg·g-1,163μg·g-1和193μg·g-1.土壤氮素矿化速率(k)则以简育干润均腐土最大,干润砂质新成土最低,土垫旱耕人为土和黄土正常新成土居中:土垫旱耕人为土、简育干润均腐土、黄土正常新成土和干润砂质新成土的k分别为0.039w-1,0.044w-1,0.031w-1和0.019w-1.不同类型土壤BC、BN与NO的差异,主要与土壤形成过程、输入土壤的植物同化产物和土壤有机质的差异等有关,从较大尺度进一步证明了在黄土高原,土壤有机质是影响BC、BN的主要因子.研究结果对分析黄土高原土壤生产力形成过程具有一定参考价值.     

Response of soil respiration to temperature and soil moisture: Effects of different vegetation types on a small scale in the eastern Loess Plateau of China

Soil respiration is affected by vegetation and environmental conditions. The purpose of this study was to investigate the effect of vegetation type on soil respiration, temperature and water content, and their correlations on a small scale. We measured soil respiration rate (R_s) over a 3-year period at biweekly intervals in three plots in the eastern Loess Plateau of China, with the same soil texture but different vegetation types: pine forest, grassland, and shrub land. Simultaneously, soil temperature (T_s) at 10 cm depth and soil water content (W_s) within 10 cm depth were measured. The seasonal course of R_s and T_s showed a similar temporal variation in the three plots, with higher values in summer and autumn and lower values in winter and spring. No significant differences (P>0.05) were found between plots, except for W_s. The mean cumulative release of CO₂ efflux from March to December was 962.5, 1027.5, and 1166.5 g C m^? 2 a^? 1 for plots 1, 2, and 3, respectively, with no significant difference between plots. The fitted exponential equations of R_s versus T_s from the 3-year data-set were significant (P < 0.05) with an R² of 0.72, 0.64, and 0.72 for plots 1, 2, and 3, respectively. The calculated Q₁₀ from the parameters of the fitted equation was 3.57, 3.52, and 3.61, and the R₁₀ was 2.36, 2.03, and 2.37 μmol CO₂ m^? 2 s^? 1 for plots 1, 2, and 3, respectively. Compared with the T_s, the correlations between R_s and W_s were not significant for the three plots. However, if the T_s was above 10°C, then their correlation was significant, and W_s had an impact on R_s. Four combined regression equations including two variables of T_s and W_s could be well established to model correlations between R_s and both T_s and W_s. Our study demonstrated that the exponential and power model fitted best and no significant different correlations of combined equations existed between the three plots. These results show that vegetation type had little impact on R_s, T_s, W_s, and their correlations, as well as on related parameters such as Q₁₀ and R₁₀. Therefore, while doing R_s research in a horizontal patchy vegetation conditions on a small area, the sampling location of measurements should focus on vertical dominant vegetation and ignore patch vegetation so as to reduce field work load.     

不同土地利用类型下土壤粒径分形分析——以黄土丘陵沟壑区为例

土壤粒径分布影响土壤的水力特性、土壤肥力状况以及土壤侵蚀等,是重要土壤物理特性之一。在水蚀严重的黄土丘陵沟壑区,不同的土地利用类型对水土流失的阻截作用不同,因而进一步导致其土壤粒径分布的差异。对不同土地利用类型下土壤粒径分布的分形和多重分形分析发现：黄绵土土壤粒径分布包含有3个无标度区间,分别为粘粒域、粉粒域和砂粒域;土壤粒径分布的分形维数D、粉粒域维数Dsilt、砂粒域维数Dsand、信息维数D1、信息维数/容量维数D1/D0与土壤细颗粒含量和有机质含量成显著的正相关关系;土地利用对分形维数D、粉粒域维数Dsilt、砂粒域维数Dsand、容量维数D0、信息维数D1、信息维数/容量维数比值D1/D0的影响较显著。这表明这些分形和多重分形参数可以作为反映土壤物理性质和土壤质量的潜在性指标,其实用性有待进一步探讨。     

黄土丘陵区不同植被土壤氮素转化微生物生理群特征及差异

采用最大或然计数法(most probable number, MPN)对黄土高原洞子沟流域不同植被恢复阶段土壤氮素微生物生理群(氨化细菌、亚硝化细菌、反硝化细菌)数量分布特征进行了测定,结果表明:1)土壤氨化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌数量随植被恢复而增加,三者最大值分别为最小值的74、4和31倍,其中氨化细菌和反硝化细菌的数量在铁杆蒿群落最低,辽东栎群落最高,亚硝化细菌数量在丁香群落最低,辽东栎群落最高;2)植被恢复对各氮素生理群影响不同,对氨化细菌影响最大,其次分别为反硝化细菌和亚硝化细菌;3)各氮素生理群数量差异较大,氨化细菌>反硝化细菌>亚硝化细菌。研究区氨化细菌占总数的75%-80%,反硝化细菌占20%-25%时,生态系统最为稳定;4)土壤理化性质与各功能菌关系紧密,其中,土壤容重和硝态氮含量与微生物数量相关性最大,全钾、矿化氮和微生物量氮也表现出很大的相关性。     

黄土高原不同土地利用类型土壤含水量的地带性与影响因素

通过对黄土高原南北样带大面积(北纬34°05'—40°75'、东经107°14'—111°09')土壤含水量(0—500 cm剖面)测定和相应植被类型调查,研究了黄土高原农田、草地、灌木林地和乔木林地4种土地利用类型土壤含水量的空间变化及它们之间的差异性。结果表明:黄土高原4种土地利用类型的土壤含水量皆呈现南北向地带性变化,自南向北土壤含水量有明显递减趋势,与多年平均降雨量、潜在蒸散量、土壤质地等的分布具有一致性;同一地点不同土地利用类型下土壤水分含量具有显著差异(农地草地灌木和乔木林地),不同植被类型根系分布、蒸散耗水量的不同是造成含水量差异性的原因。植被建设应遵循土壤水分分布规律,研究结果对黄土高原植被恢复建设具有一定参考价值。     

黄土丘陵区三种典型土壤地类造林技术

中国黄土高原丘陵沟壑区是世界上水土流失最严重的区域之一,由于长期水土流失的侵蚀切割作用,表层土壤流失殆尽,黄绵土母质、红胶泥土以及土壤与岩石过渡类型--风化岩沫土等土壤类型依次裸露了出来,形成了3种典型的土壤地类,增加了造林的难度.由于红胶泥与风化岩沫土土壤瘠薄,当地林业部门认为这两种土壤地类不能造林,因此,传统造林只在黄棉土进行.为此,提出了＂适土适树,因土制宜＂的造林原则和＂穴衬膜栽植技术＂,以扩大适宜造林的土壤类型.穴衬膜栽植技术是指树木栽植时,在挖好的栽树坑底部和四周衬贴一层防渗薄膜（厚度为0.0007 mm可降解塑料薄膜）,树木栽好覆土浇水后,再在地表面覆膜,防止栽树浇水（施肥）的渗漏和蒸发,使树根在较长时间内处于含水量较高、四周封闭的潮湿土壤之中,从而达到提高成活率和促进林木前期生长的目的.1997～2001年,我们在黄土丘陵区陕西省延安市下砭沟小流域采用田间对比试验法进行了5年试验,结果表明,穴衬膜栽植技术促进浅层根系的生长发育,保水作用可持续4个月以上,对各种树木成活率和生长量均有显著促进作用,在黄土丘陵地区这3种土壤地类采用穴衬膜栽植技术可达到良好的造林效果,特别是红胶泥和风化岩沫土地类主要位于沟谷两岸,地下水供给较为充裕,是浅根性植物生长发育的良好土壤类型,科学混交可获得更好效果.     

黄土地区不同覆被下土壤无机碳分布及同位素组成特征

土壤无机碳在剖面上的分布在评估区域碳库储量、陆地碳循环以及全球变化的研究中具有重要作用.本文通过测定黄土地区不同植被类型覆盖下土壤pH值、碳酸盐含量、δ13C和δ18O值,探讨了黄土地区植被类型对碳酸盐在土壤剖面中分布和同位素组成特征的影响.结果表明:各剖面碳酸盐含量为5.7％ ～ 14.1％,其均值大小为荒地＞草地＞林地;林地中,阔叶林＞灌木林＞针叶林,针叶林变化最明显;受成土母质影响,各剖面土壤pH值在7～8,呈弱碱性;土壤碳酸盐δ13C值分布为-6.2‰～-1.8‰,各剖面δ13C均值大小为荒地＞灌木林＞针叶林＞草地＞阔叶林;植被类型主要是通过向土壤输入有机质来影响土壤无机碳同位素组成;不同覆被下土壤剖面碳酸盐δ18O值差异明显,其可能受土壤物理性质如孔隙度、湿度等影响;黄土地区不同覆被下土壤无机碳含量和δ13C、δ18O值明显不同,因此,在植被演替过程中,植被类型的改变会影响到土壤无机碳库的储量和区域碳循环过程.     

Soil microbial parameters and stability of soil aggregate fractions under different grassland communities on the Loess Plateau,China

Over-grazing and large-scale monocultures on the Loess plateau in China have caused serious soil erosion by water and wind. Grassland revegetation has been reported as one of the most effective counter measures. Therefore, we investigated soil aggregation, aggregate stability and soil microbial activities as key parameters for soil remediation through grassland revegetation. The results showed that soil microbial biomass carbon (Cmic) and microbial biomass nitrogen (Nmic) increased under revegetated grass communities compared to cropland and overgrazed pastures and were higher in surface layers (0–10 cm) than in the subsurface (10–20 cm). Although there are variations between the four investigated grassland communities, their values were 10 to 50 times higher in comparison to the cropland and overgrazed pastures, similar to the increase in soil enzyme activities, such as β-glucosidase and β-glucosaminidase. Soil aggregate stability (SAS) showed clear differences between the different land uses with two main soil aggregate fractions measured by ultra sound: < 63 μm and 100–250 μm, with approximately 70% and 10% of the total soil volume respectively. We also found positive correlations between SAS and soil microbial parameters, such as Cmic, Nmic, and soil enzyme activities. From this, we concluded that revegetation of eroded soils by grasses accelerates soil rehabilitation.     

Effects of deep soil desiccation on artificial forestlands in different vegetation zones on the Loess Plateau of China

Deep soil desiccations are increasingly threatening artificial forests on the Loess Plateau of China. Soil moisture in 0–1000 cm soil layers of 23 kinds of tree and shrub forestlands was measured. Average soil moisture in 0–1000 cm soil profile of the forestlands was 10.84%, obviously lower than soil moisture in local natural grasslands and soil stable moisture. Average soil desic-cation intensity reached a medium level. Maximum soil water use depth was close to or over 1000 cm, and the thickness of desic-cated soil layers in forestlands reached or passed 800 cm.     

黄土高原不同人工林叶片-凋落叶-土壤生态化学计量特征

为探究“退耕还林(牧)”工程对陕西省子午岭林区的影响,分析3种典型的人工林(刺槐林、油松林和侧柏林)叶片-凋落叶-土壤的C、N、P含量及其生态化学计量特征.结果表明: 3种人工林不同组分中C、N、P含量大小均为叶片>凋落叶>土壤,刺槐林叶片N、P含量显著高于油松林和侧柏林.刺槐林、油松林和侧柏林叶片N∶P分别为12.2、5.4和6.1,油松和侧柏较刺槐林存在N亏损,C∶N和C∶P大小均为凋落叶>叶片>土壤,N∶P为叶片>凋落叶>土壤.油松林叶片C∶N与凋落叶C∶N间存在显著正相关关系.刺槐叶片在生长周期内吸收利用的N和P存在比例关系,且其凋落叶在元素再吸收后N和P的残留量也存在比例关系.与油松和侧柏相比,刺槐是黄土高原南部森林带最适宜的造林树种.