晋西北黄土区人工林土壤水分动态的定量研究

本文根据１９８８－１９９０年在定位观测资料,对晋西北黄土丘陵区河北杨林、刺槐林和柠条藻木林的土壤水分动态规律进行了定量分析。依次就水分分布分层、水分剖面特征、水分季节动态、水分循环模式与水分循环水分等问题进行了探讨。本文采用的新的分析途径和方法将有助于对黄土区不同植被类型土壤水分生态研究的进一步深化。     

Importance of soil-water relations in assessing the endpoint of bioremediated soils

This study was conducted to investigate water movement in hydrocarbon contaminated soils. Three soils were studied, a hydrocarbon contaminated soil, the same soil after 3 years of bioremediation, and a control soil from the same site. There was a critical soil water content around 18% (bioremediated soil) and 20% (contaminated soil), above which the sorptivity of the contaminated soil was near that of the control soil. For soils with water contents below this value, there was a strong divergence in sorptivity between contaminated and control or bioremediated soils. Results suggest that water availability in contaminated soils will be highly dependent on soil water properties as water potential approaches the permanent wilting point (-1.5 MPa matrix potential).Infiltration of water into air dry (2% m.c. w/w) hydrocarbon contaminated soils was up to three orders of magnitude slower than for the control soil. For air dried soils, the infiltration rate of the contaminated and bioremediated soils was constant with time. This was in contrast to the control soil where infiltration rate was a function of the reciprocal of the square root of time.     

液态地膜覆盖对土壤水分有效性的影响

采用田间微区试验方式,观测和分析了液膜地表覆盖下土壤含水量、花生植株伸长速率、叶面积指数、叶片光合速率、水分利用效率及产量等指标,并利用隶属函数法进行数值转换后,对液膜覆盖的土壤水分有效性进行了分析.结果表明,液膜覆盖提高土壤含水量103％ ～ 167％,且随液膜浓度的增大有效性提高;不同土层间,花生耗水量差异显著,其中以土层深度为20 ～ 40 cm差异最大;液膜覆盖也明显提高了光合速率,增幅为1.9％～15.6％;叶面积指数提高0.3％ ～26.4％,改善了植株光合形态.综合全部指标表明,液膜类型为3号,液膜浓度为高水平时,覆盖效应最为明显.     

沙丘多枝柽柳灌丛根层土壤含水量变化特征与根系水力提升证据

分析干旱区深根型荒漠植物的根层土壤水分是揭示荒漠植物与土壤水分关系机理的重要方面。在黑河中游一片风沙侵蚀区域的多枝柽柳(Tamarix ramosissima)人工林地中, 对表层0.3 m到3 m深的土壤不同深度的含水量进行了连续的动态观测。结果显示, 多枝柽柳根系层土壤含水量可以分为明显不同的3层: 浅层(0.2-1.7 m深)相对湿润层、中间(1.7-2.7 m深)相对干层和深层(2.7 m以下)有效含水层。在多枝柽柳生长盛期, 浅层相对湿润层土壤含水量呈现明显的昼夜变化特征, 同时, 在晚上植物根系与浅层土壤之间存在正水势梯度, 这说明存在根系水力提升现象。水力提升是干旱气候下根层浅层土壤含水量保持相对湿润的主要原因, 并因此维系浅层根系的发育, 也为多枝柽柳具备的防风固沙功能提供了可能的解释。据初步估算, 多枝柽柳根系水力提升占每天耗水量的5%-8%, 耗水的主要水分来源仍然是充足的土壤深层有效含水层。     

湖南乌云界自然保护区典型生态系统的土壤持水性能

土壤持水性能是决定生态系统水源涵养能力的关键,是自然保护区生态服务功能的重要方面。以湖南省乌云界自然保护区为研究区域,选取森林、灌丛、竹林和草地4个典型生态系统,采用野外调查采样和室内分析的方法研究了土壤的物理性质和持水性能。结果表明,乌云界4种典型植被下表层0—20cm土壤有机质含量普遍较高(>76 g/kg)、容重较低(<0.85 g/cm3)、团聚体稳定性较强(>5mm水稳性团聚体达22.7%—52.3%),表明保护区土壤的结构发育总体上较好。森林和竹林土壤具有较多的大孔隙和较高的饱和导水率,有利于天然降水向地下水的转化,而灌丛和草地土壤毛管孔隙度则相对较高,其土壤中能够保持更多的有效水分。乌云界自然保护区4个典型生态系统0—40cm土层土壤重力水容量为:森林(83.5 mm)>竹林(79.2mm)>灌丛(66.9 mm)>草地(43.8 mm),有效水容量为:草地(128.7 mm)>灌丛(111.6 mm)>森林(95.9 mm)>竹林(83.9mm)。在明晰土壤总蓄水容量(>0 MPa)、重力水容量(0—0.01 MPa)、有效水容量(0.01—1.5 MPa)、无效水容量(>1.5 MPa)等概念的基础上,建议用重力水容量和土壤有效水容量两个指标来评价生态系统土壤的水源涵养功能,其中土壤重力水容量可以反映生态系统补充地下水和调控河川径流量的能力,而土壤有效水容量可以反映生态系统本身保蓄水分的潜力,这些指标均可以通过土壤水分特征曲线进行求算。乌云界自然保护区森林和竹林土壤对于补充地下水和调控河川径流量的能力较强,而灌丛和草地土壤保蓄水分的能力较强。     

华北山区典型人工林土壤水势动态和水分运移规律

大规模植树造林工程有效缓解了我国北方水土流失等问题,但伴随植被生长和降水格局变化,水循环过程发生明显改变。土壤水分运动是水循环的关键过程,研究变化环境下人工林植被土壤水分运移规律,对植被生态恢复具有重要意义。基于2014-2018年多时间尺度（半小时、天、月和年）华北山区崇陵流域典型人工侧柏林和荒草土壤剖面水势监测数据,阐明不同植被覆盖下土水势动态变化规律,提出土壤水分运移和植被水分利用模式。研究结果表明：侧柏林土壤水势日变幅显著低于荒草植被,但土水势日变幅随土壤深度增加而减小的速率90 a侧柏依次大于60 a侧柏和荒草;月、年尺度侧柏林不同深度土水势变化对降水的响应大于荒草地,其中60 a侧柏林年均土水势与年降雨量显著线性相关（P<0.05）。由水势梯度和零通量面多年平均变化可知,90 a侧柏林0-50 cm土壤水呈下渗趋势,根系水力提升促使50-100 cm土壤水向上蒸散;60 a侧柏林0-20 cm、70-100 cm以及枯水年30-70 cm土壤水均以蒸散为主,根系可同时吸收利用表层和深层土壤水分;荒草地0-20 cm土壤水分蒸发强烈,且为根系主要吸水深度,20-100 cm土壤水稳定下渗。相比60 a侧柏林和荒草,90 a侧柏林的土壤调蓄能力增强,与荒草互被可减少植被间水分竞争,充分利用土壤水,从而减少流域内地表径流和土壤侵蚀量。     

子午岭次生植被下土壤蓄水性能及有效性研究

通过土壤水分特征曲线的测定,研究了子午岭北部黄土丘陵区不同次生植被群落类型下土壤蓄水性能及水分有效含量的变化。结果表明：撂荒地的土壤蓄水量最小,草地和灌木地的土壤蓄水量有所提高,增幅为17％～65％,而乔木林地土壤蓄水量最大,分别较撂荒地和草地、灌木地增加明显,其增加幅度分别达68％～79％、41％～50％和15％～20％;土壤田间持水量在0～20cm土层从撂荒地、草地、灌木林地到乔木林地,土壤田问持水量逐步提高,而20～50cm土层则变化不大;土壤有效水含量在两个土层中的变化均随着植被的进展演替呈现增加的趋势。讨论了植被与土壤互动关系中应进一步研究的问题。     

Water uptake profile response of corn to soil moisture depletion

The effects of soil moisture distribution on water uptake of drip‐irrigated corn were investigated by simultaneously monitoring the diurnal evolution of sap flow rate in stems, of leaf water potential, and of soil moisture, during intervals between successive irrigations. The results invalidate the steady‐state resistive flow model for the continuum. High hydraulic capacitance of wet soil and low hydraulic conductivity of dry soil surrounding the roots damped significantly diurnal fluctuations of water flow from bulk soil to root surface. By contrast, sap flow responded directly to the large diurnal variation of leaf water potential. In wet soil, the relation between the diurnal courses of uptake rates and leaf water potential was linear. Water potential at the root surface remained nearly constant and uniformly distributed. The slope of the lines allowed calculating the resistance of the hydraulic path in the plant. Resistances increased in inverse relation with root length density. Soil desiccation induced a diurnal variation of water potential at the root surface, the minimum occurring in the late afternoon. The increase of root surface water potential with depth was directly linked to the soil desiccation profile. The development of a water potential gradient at the root surface implies the presence of a significant axial resistance in the root hydraulic path that explains why the desiccation of the soil upper layer induces an absolute increase of water uptake rates from the deeper wet layers.     

黄土丘陵沟壑区不同植被类型土壤有效水和持水能力

以黄土丘陵沟壑区坊塌流域不同植被类型为研究对象,在野外调查的基础上,利用离心机法测定不同植被类型0—10、10—20 cm土层不同吸力下的土壤含水率,并利用Van Gennuchten模型对土壤水分特征曲线进行拟合,对比分析了不同植被类型不同土层土壤水分特征曲线、土壤水分有效性和持水性。结果表明:随着植被恢复的进行,不同植被类型土壤水分特征曲线出现了明显的差异,但是其斜率基本不变且不同植被类型0—10、10—20 cm土层土壤水分特征曲线都呈近似的"S"型;不同植被类型0—10、10—20 cm土层土壤有效水范围分别为22.65%—26.80%、23.97%—28.13%,除白羊草群落和刺槐林外呈现出多年生蒿禾类群落低于灌木群落而高于一年生草本群落的变化趋势;不同植被类型土壤持水能力在0—10 cm土层没有显著性差异,在10—20 cm呈现出多年生蒿禾类群落低于灌木群落而高于一年生草本群落,其中白羊草群落最大,刺槐林最低。刺槐林有效水分和土壤持水能力都较低,建议适当采取间伐并促进其近自然化恢复来实现土壤水分的可持续利用,尽量避免在阳坡缺水地区种植刺槐。对于研究地区土壤水分的可持续利用、植被恢复和科学合理的进行植被配置具有重要意义。     

黄土高原丘陵区生物结皮土壤的斥水性

采用滴水穿透时间法和酒精溶液入渗法,研究了黄土高原丘陵区浅色藻结皮、深色藻结皮、藻+少量藓结皮、藓+少量藻结皮、藓结皮5种不同发育阶段的原状生物结皮土壤的斥水性及其与土壤含水量的关系.结果表明: 生物结皮增加了土壤的斥水性,其斥水强度和持久性均显著增加.生物结皮土壤的斥水性随生物结皮的演替逐渐降低,当生物结皮中藓类植物盖度在20%以上时,斥水持久性显著低于藻结皮.生物结皮土壤的斥水性与土壤含水量及优势种密切相关,藓类生物结皮土壤的斥水性随着含水量的降低逐渐增加,藻类生物结皮土壤的斥水性随含水量的变化呈双峰曲线.     

黄土丘陵沟壑区林地水文生态效应

根据安塞水土保持试验站1993～2002年林地径流小区的降雨产流产沙的定位观测资料及2002年土壤含水量资料,分析了不同树种对坡面尺度降雨产流产沙及土壤水分的影响.结果表明:场降雨径流小区的产流量、产沙量与降雨量具有较好的相关性;多元回归分析表明,场降雨产流量和产沙量与降雨量和最大30 min 雨强的乘积呈正相关,与植被覆盖度呈负相关,场降雨产沙量回归方程复相关系数为0.253,各处理场降雨产流量回归方程复相关系数的变化范围为0.465～0.723,均达到了极显著的水平(P＜0.01).同时,各树种均具有良好的减流减沙功能,与农地相比,年均产流量和产沙量分别减少4.8%～52.9%和26.8%～86.0%;沙棘纯林及其混交林的减流减沙效益优于油松纯林.同时,沙棘纯林及其各混交林在造林初期就表现出良好的减流减沙效益,随着树龄的增长,其作用更加明显;而油松纯林在造林初期作用不明显,甚至出现产流量和产沙量大于农地的现象,但随着树龄的增长,减流减沙作用逐渐呈现并增大.沙棘纯林及其混交林30 cm 以下土壤含水量在整个生长季中均呈递减趋势,生长季初(4月份)土壤含水量最高,而生长季末(10月份)降到最低值.2002年沙棘纯林的耗水深度为220 cm,而其混交林的耗水深度达到300 cm.同时,在整个生长季节中,沙棘纯林及其混交林整个剖面平均土壤含水量存在着显著的差异,表现为:沙棘×杨树＜沙棘＜沙棘×油松.     

黄土丘陵半干旱区柠条林密度对土壤水分和柠条生长的影响

研究密度对土壤水分和植物生长的影响对森林植被恢复和生态建设具有重要的意义。以黄土丘陵半干旱区人工柠条为研究对象,对相同立地条件下不同密度柠条林生长与林地土壤水分进行了长期定位观测和分析。研究表明,1—5年生柠条不同密度林地土壤水资源量差异显著,从第3年开始,土壤水资源量随着密度增加而增加;10—12年生柠条密度越低土壤水资源量越高(Treatment4除外,T4),不同密度之间水资源量差异不显著。1—3年生柠条密度越高会促进其株高生长;从第四年开始,柠条密度过高会抑制其株高生长;1—5年生柠条密度越高基径生长越快,不同密度生长差异不显著;10—12年生密度过高(Treatment1,T1)或过低(T4)均会抑制柠条株高与基径生长。在柠条播种后第5年,高密度试验小区(T1和Treatment2,T2)柠条林地最大入渗深度土壤水资源量降到水资源利用限度,此时需要依据土壤水分植被承载力通过平茬来降低林分密度,以达到减少土壤水分消耗和可持续利用土壤水资源之目的。     

森林流域非饱和土壤水与饱和土壤水转化研究进展

阐述了森林流域几种土壤水分运动方式(入渗、潜水蒸发、潜水补给以及壤中流)中非饱和土壤水与饱和土壤水之间转化的研究进展,并对土壤水分运动参数中的土壤水分特征曲线、非饱和导水率和饱和导水率的研究现状作以简要介绍,最后提出了未来的发展方向.     

Effects of biological soil crusts on profile distribution of soil water,organic carbon and total nitrogen in Mu Us Sandland,China

Aims Biological soil crusts (BSCs) can affect soil properties including water dynamics and cycling of soil carbon and nitrogen in dryland ecosystems. Previous research has mostly focused on effects of BSCs on soil water distribution or carbon and nitrogen fixation in the surface soil layer. Thus, little is known about effects of BSCs on properties throughout the soil profile. In the current study, we assessed the effects of BSCs on the distribution of soil water content (SW), soil organic carbon content (SOC) and soil total nitrogen content (STN) throughout the soil profile as well as the influence of water conditions on the effects of BSCs.Methods In a field investigation in Mu Us Sandland, North China, soil samples were taken from plots with and without BSCs on 13 and 28 September 2006, respectively. On the two sampling dates, average soil gravimetric water content was 3.83% (±1.29%) and 5.08% (±0.89%), respectively, which were regarded as low and high water conditions. Soil samples were collected every 5 cm to a depth of 60 cm, and SW, SOC and STN were measured in the laboratory.Important findings (i) BSCs affected profile distribution of SW, SOC and STN. In addition, water conditions within the plots significantly modified BSCs' effects on the profile distribution of SW, but marginally affected the effects on SOC and STN. (ii) Under high water conditions, SW in the surface soil layer (0–10 cm) was higher in soils with BSCs compared to those without BSCs, while the opposite was true in the deep soil layer (30–55 cm). (iii) Under low water conditions, SW was lower with BSCs compared with no BSCs in near-surface (5–20 cm) and deep (25–40 cm) soil layers. (iv) BSCs affected SOC and STN only in the surface soil layer (0–5 cm) and were modified by plot water conditions.     

Measuring very negative water potentials with polymer tensiometers: principles,performance and applications

In recent years, a polymer tensiometer (POT) was developed and tested to directly measure matric potentials in dry soils. By extending the measurement range to wilting point (a 20-fold increase compared to conventional, water-filled tensiometers), a myriad of previously unapproachable research questions are now open to experimental exploration. Furthermore, the instrument may well allow the development of more water-efficient irrigation strategies by recording water potential rather than soil water content. The principle of the sensor is to fill it with a polymer solution instead of water, thereby building up osmotic pressure inside the sensor. A high-quality ceramic allows the exchange of water with the soil while retaining the polymer. The ceramic has pores sufficiently small to remain saturated even under very negative matric potentials. Installing the sensor in an unsaturated soil causes the high pressure of the polymer solution to drop as the water potentials in the soil and in the POT equilibrate. As long as the pressure inside the polymer chamber remains sufficiently large to prevent cavitation, the sensor will function properly. If the osmotic potential in the polymer chamber can produce a pressure of approximately 2.0 MPa when the sensor is placed in water, proper readings down to wilting point are secured. Various tests in disturbed soil, including an experiment with root water uptake, demonstrate the operation and performance of the new polymer tensiometer and illustrate how processes such as root water uptake can be studied in more detail than before. The paper discusses the available data and explores the long term perspectives offered by the instrument.     

陕北黄土区雨季后山地枣林土壤水分动态变化研究

选取陕北延川县齐家山红枣试验基地枣林地、苹果林地和撂荒草地为研究对象进行土壤水分动态变化研究，结果表明：①不同坡位、不同坡向和不同整地方式的枣林地土壤水分存在显著差异；其中，研究区下坡位土壤水分最高，为14.19%；阴坡土壤水分最高，为14.19%；水平阶整地枣林土壤水分显著高于原状坡。②研究区不同植被类型间土壤水分垂直变化趋势基本一致。枣林地土壤水分最高，为11.49%；不同植被类型0~100 cm土壤贮水量依次表现为枣林地（144.76 mm） > 苹果林地（124.19 mm） > 撂荒草地（72.20 mm）。③不同植被类型土壤贮水亏缺度存在差异。雨季前，0~20 cm土层亏缺度最小，平均亏缺度表现为撂荒草地 > 枣林 > 苹果林；雨季后，土壤水分亏缺度表现为撂荒草地 > 苹果 > 枣林，除枣林地外均高于雨季前土壤水分亏缺度。④雨季后，研究区3种植被类型0~20 cm土层土壤水分亏缺加剧；20~100 cm土层中，枣林土壤贮水补偿度为正值，土壤水分得到补偿，但最高仅为22.95%，枣林土壤水分仍处于亏缺状态并未完全恢复；苹果林地土壤贮水补偿度则为负值，表明土壤水分亏缺进一步加剧；撂荒草地土壤水分补偿度基本维持在0左右，土壤水分亏缺没有持续恶化。     

南方红壤丘陵区油桐人工林土壤水分动态

利用时域反射仪(TDR)定位监测方法,研究了南方红壤丘陵区油桐人工林土壤水分动态规律.结果表明:不同月份间土壤蓄水量差异达极显著水平,研究时段内土壤水分动态变化可划分为土壤水分积累期、土壤水分消耗期和土壤水分稳定期3个时期;油桐人工林土壤水分垂直变化显著,且不同季节的变化规律各异;土壤蓄水量与大气相对湿度(RH)、大气温度(t)、饱和水汽压差(VPD)、降雨量(R)等气象因子显著相关(P<0.05); 次降雨后,土壤水分损失率与干旱天数呈显著的双曲函数关系,土壤蓄水量与雨后干旱天数呈显著的线性负相关(P<0.05);在次降雨后的持续干旱条件下,土壤水分损失随着土层深度的增加逐渐趋于平缓.     

川西平原灌区不同水旱轮作模式周年土壤呼吸特征

水旱轮作是川西平原灌区重要的稻田种植模式,为探究本区域不同水旱轮作模式对周年土壤呼吸的影响,在四川崇州设置蒜-稻(GR)、麦-稻(WR)和油-稻(RR)三种水旱轮作模式,采用静态箱-气相色谱法测定不同模式周年土壤呼吸,并同步测定温度、水层高度等水热生态因子。结果表明:三种轮作模式周年土壤呼吸累积排放量表现为GRRRWR,分别为193.36、160.27、157.28 kg/hm~2;土壤呼吸速率日动态规律基本一致,均表现为单峰型变化趋势,最高值出现在12:00—15:00,6—8月的日变幅高于其余月份;土壤呼吸速率季节动态均呈双峰型变化趋势,在6月和9月达到峰值,其中GR模式土壤呼吸速率年均值最高;三种模式土壤呼吸速率均受0—10 cm、10—20 cm土壤温度的显著影响,而与土壤含水量无显著相关性。土壤温度是旱季土壤呼吸速率季节变化的主要影响因素,土壤水层深度和土壤温度共同作用影响了稻季土壤呼吸速率的变化。     

黄土高原四种人工植物群落土壤呼吸季节变化及其影响因子

以黄土高原侧柏、柠条、沙棘和油松人工植物群落为对象,土壤呼吸日动态和季节变化及其与环境因子之间的关系,结果表明:4种植物群落土壤呼吸速率具有典型的日变化和季节变化模式, 4种群落中,以侧柏6月土壤呼吸日变幅最大,沙棘6月土壤呼吸日变幅最小,大部分群落不同月份最大土壤呼吸与最小土壤呼吸倍数在1.1～1.6之间.4种群落中,以柠条土壤呼吸季节变幅最大,侧柏最小,最大土壤呼吸与最小土壤呼吸的倍数为1.5～2.2倍之间.同一植物类型土壤呼吸具有明显的季节变化特征,其具体变化趋势因植物类型而异.4种植物群落土壤呼吸速率与土壤和大气温度以及土壤含水量的关系在不同季节表现为不同的关系,其中侧柏和柠条土壤呼吸与土壤温度均呈乘幂关系,与大气温度为指数关系.沙棘土壤呼吸与土壤温度和大气温度均为乘幂关系,油松土壤呼吸与土壤温度和大气温度均为线性关系.这表明土壤呼吸与土壤和大气温度之间的关系及其紧密程度因植被类型而异.综合分析表明,同一气候区相同环境因子对不同植物群落土壤呼吸的影响作用不同,且因其自身具有明显的季节变化,从而导致对土壤呼吸的调控作用也具有明显的季节变异模式.     

土地利用变化对海南土壤水源涵养功能的影响

热带地区已有大量原始林转变为其他土地利用类型,影响了陆地生态系统的水源涵养功能.为了明确热带原始林转变为其他土地类型对土壤水源涵养功能的影响,在海南中部山区选择4种典型土地利用类型,包括林龄大于100年的原始林(VF)、10年生次生林(SF)、12年生槟榔林(AF)和35年生橡胶林(RF),评估土地利用变化对土壤持水性能和水源涵养功能指数(SWI)的影响.结果表明: 与原始林相比,表层土壤(0～10 cm)中,其他土地类型土壤持水性能指标均降低,12年槟榔林各土层指标均最低.土壤含水量和最大持水量与植被郁闭度、土壤有机质和土壤容重显著相关,表明郁闭度、土壤有机质和紧实度的改变是土壤持水性能变化的重要原因.与原始林相比,次生林、槟榔林和橡胶林土壤水源涵养功能分别减少27.7%、54.3%和11.5%,不同土层的差异各异,橡胶林仅表层土壤水源涵养功能显著降低.植被郁闭度、土壤有机质和土壤容重可解释土壤水源涵养功能变量的83.3%.土地利用转变显著改变了土壤持水性能和土壤水源涵养功能,相比12年槟榔林,35年橡胶林能更好地保持土壤水分,土地管理中增加土壤有机质和减少土壤紧实度可改善土壤持水性能及水源涵养功能.