黄土丘陵区植被恢复的土壤碳水效应

黄土高原大规模植被恢复显著影响了这一区域土壤水分和有机碳(SOC),从而影响其承载的土壤水源涵养和固碳服务。明确深层土壤水分和有机碳对植被恢复的响应特征是当前黄土高原地区生态水文与生态系统服务研究的一个重要科学问题,其中植被类型以及生长年限是这一过程的重要影响因素。然而,目前关于深层土壤有机碳和土壤水分对植被恢复的响应及二者关系的研究较少。通过对陕北典型黄土丘陵区不同植被类型和生长年限下0—5 m土壤水分与有机碳的监测,分析了深层土壤水分和有机碳对植被恢复的响应及其特征。研究发现:(1)植被恢复后0—5 m土层均出现水分亏缺,土壤水分亏缺在表层1 m最低,2—3 m最高;对于不同恢复方式,林地土壤水分亏缺在恢复至21—30a时显著高于前一阶段(11—20a),而在恢复31a后水分开始恢复,而灌木、草地土壤水分亏缺程度则随恢复年限延长不断增加。(2)林地、灌木、草地0—5 m平均土壤有机碳含量为1.97、1.77、1.72 g/kg;林地土壤固碳量随恢复年限的增加而增加,并且在恢复20a时固碳量与对照农田相比出现净增;灌木土壤固碳量随恢复年限先增加后降低;草地土壤固碳量则随退耕年限增加呈下降趋势并且低于对照农田。(3)表层0—1 m土壤水分随恢复年限增加变化不显著,深层土壤水分则随恢复年限增加显著降低;相比而言,随恢复年限增加,土壤有机碳随年限的变化在各层土壤中均不显著。深层土壤水分与土壤有机碳呈现显著的正相关,且土壤有机碳的增加速率低于土壤水分,研究认为,深层土壤固碳与土壤水分关系密切,且深层土壤固碳需要充足水分参与。深层土壤水分亏缺可能限制植被细根的发展,使深层土壤有机碳输入减少。     

微尺度下城市公园人造绿地土壤水分的时空分异格局及其驱动机制

水是生态系统的基本非生物组成要素,土壤水分对生态系统结构和功能有重要影响。微地形改造被证明能有效涵养水源、防止水土流失,并被广泛应用在生态恢复工程中。然而,在微尺度下人造生态系统土壤水分的时空分异格局及其驱动机制仍不明确。选择北京奥林匹克森林公园一处集合了4种不同地形的草地作为研究对象,对表层(0—10 cm)和深层(10—25 cm)土壤水分开展了长期的研究工作。研究结果表明,不同地形上土壤水分的季节变化特征没有显著差异,土壤温度是影响土壤水分季节变化的主要因素。在植被覆盖均匀的条件下,微地形对土壤表层水分的空间分布格局有显著影响,除洼地和冲沟两种特殊地形外,坡度决定的生态水文过程是主要的驱动机制;土壤深层水分没有明显的空间分布格局。研究结果说明在微尺度下,微地形通过影响土壤水分的空间分布格局,可能会对生态系统结构和功能产生潜在影响,应当在景观改造和生态恢复相关研究和工程应用中给予更多的关注。     

陕北黄土高原植被恢复与生态系统服务的时空关系

陕北黄土高原作为退耕还林还草核心区域,是地表格局及植被显著变化的区域之一。评估植被恢复成果及其对生态系统服务的影响,对促进区域生态环境提升具有重要作用。本研究选择植被覆盖度作为指标评估区域植被恢复状况,以碳固定服务、土壤保持服务、生境质量及产水服务作为指标表征区域生态系统服务,分析权衡协同关系及不同尺度的时空变化,同时运用双变量空间自相关分析植被恢复对生态系统服务的影响。结果表明: 2000—2020年,陕北黄土高原植被覆盖度呈波动上升趋势,年均值由31.7%升至47.1%,植被改善显著;研究区碳固定服务、土壤保持服务呈明显上升趋势,生境质量几乎保持不变,产水服务先升后下降总体呈上升趋势,各生态系统服务时空变化存在明显的尺度效应;4种生态系统服务间的关系主要为协同;植被覆盖与生态系统服务之间存在显著的空间依赖性,相关程度存在一定差异,植被覆盖度对土壤保持服务影响最明显,其次为碳固定服务,而植被覆盖增强条件下林草耗水增多则导致区域产水量下降,造成一定的负效应。总的来说,陕北黄土高原地区植被建设已取得显著成效,生态环境得到明显改善。     

生态退耕与植被演替的时空格局

综述了多重尺度上生态退耕的时空格局及其对植被演替时空变异影响的研究进展,提出了生态退耕与植被演替的时空格局研究方向.在自然和人文等因子的驱动下,全球兴起了生态退耕的热潮,生态退耕类型正在由人工恢复为主向自然弃耕为主发展.尽管国内外很多学者开始关注不同尺度上生态退耕的时空格局及其影响因子,但是生态退耕的时空变异性研究仍然比较薄弱,尤其缺乏多重尺度上生态退耕时空格局及其驱动因子的综合研究,在很大程度上限制了研究结果外推.研究表明,受到多因子的综合影响,生态退耕后植被演替呈现出复杂多样的时空变化特征;退耕植被演替研究从植物群落结构特征分析为主向群落功能分析发展,从传统的演替过程规律分析转向退耕植被演替的时空变异性分析;相对来说,生态退耕后植被演替的时空分异、影响因子和机制方面的研究比较薄弱.加强多重尺度上生态退耕时空格局与植被演替时空变异的综合研究是将来的研究重点.     

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...     

半干旱区人工林草地土壤旱化与土壤水分植被承载力

近年来在黄土高原地区多年生林草地。出现了以土壤旱化为主要特征的土壤退化现象。退化土壤反过来影响植物的生长和发育,最终将导致植物群落衰败和生态系统的退化,从而影响到林草植被的长期稳定,经济效益和生态效益的持续稳定发挥,这已成为当前林草植被建设的重大问题之一。分析了土壤旱化现象与土壤干层的关系,探讨了土壤干层的划分标准。认为防止土壤旱化的主要措施就是控制林草地密度和生产力,而控制林草地密度和生产力的理论依据就是土地植被承载力。在黄土高原大部分地区植物吸收和利用的土壤水分主要依靠当地的天然降水。土壤水分是限制植物生长的决定因子,该类地区土地植被承载力实质上为土壤水分的植被承载力。作者定义土壤水分植被承载力为土壤水分承载植物的最大负荷。它是指在较长时期内,在现有的条件下,当植物根系可吸收和利用土层范围内土壤水分消耗量等于或小于土壤水分补给量时,所能维持特定植物群落健康生长的最大密度。探讨了土壤水分植被承载力的确定方法和影响因素,认为凡是影响林草地土壤水分的补给和消耗,植物群落生长发育和植物水分利用效率的因素,包括地理位置、地形、气候、植被类型及其发育阶段,抚育管理措施都影响土壤水分植被承载力数值。开展土壤水分植被承载力研究对于林草地合理经营与管理具有重要意义。     

黄土高原植被恢复的水分生态环境研究

水分是制约黄土高原地区植被恢复与生态环境重建的决定性因子,在分析现有关于该区植被建设中的水分生态环境的各项研究的基础上,从水资源,土壤水分背景,土壤水分动态,土壤干层,土壤水分的林草生产力,水分性质分区,林草对策等7个方面,对黄土高原的土壤水分环境进行了阐述,针对该问题的研究现状,指出其中存在的问题,并对今后的研究进展了展望。     

土壤水分时空变异及其与环境因子的关系

土壤水分的时空变异是指在一定的景观内,不同时间、地点和土层的土壤水分特征存在明显的差异性和多样性。土壤水分时空变异是由多重尺度上的土地利用（植被）、气象（降雨）、地形、土壤、人为活动等诸因子综合作用的结果,但就其某一具体地区而言存在着重点尺度和主控因子,土壤水分时空变异的重点尺度与主控因子的时空关系因时间、空间和尺度而异。本文综述了土壤水分（尤其是黄土高原地区）的时空变异与其环境因子时空关系的研究进展,并提出了广眨开展多重时空尺度上土壤水分的时空变异与其诸因素的时空关系,研究土壤水分时空变异性的尺度转换规律,确定重点尺度及其相应的主控因子。     

植被与水土流失关系研究进展

水土流失是世界性的环境问题之一,对人类社会可持续发展构成威胁,控制水土流失成为迫切需要,有许多水土流失控制措施,而生物措施尤其植被一直是人们研究的焦点.根据前人的研究,从斑块、坡面和流域/区域尺度总结了植被与水土流失的关系.斑块尺度植被对降雨和径流侵蚀能量具有很大的减弱或消除作用,可以改变植株底部的土壤性质,改善其结构,进而降低土壤可蚀性,增加入渗能力,从而减轻土壤侵蚀程度.不同植被类型、植被的不同层次结构,不同植被的形态结构具有不同的土壤侵蚀控制作用.坡面尺度主要从坡位、坡度、坡向对植被生长和分布格局的影响、对水土流失过程和格局的影响以及裸地-植被镶嵌格局、植被的条带格局对水土流失的影响和反映水土流失过程的景观格局指数的构建等方面进行了研究.更多是从植被恢复及其水土流失效应方面进行了探讨,为退化生态系统恢复和格局设计提供了极其有用的信息.流域/区域尺度植被与水土流失的关系更大程度上受到气候、地貌特征的影响,因此研究多从一定气候条件控制的土地覆盖（植被覆盖）及其格局的水土流失效应方面进行的.由于大尺度监测非常困难,研究多从遥感监测、GIS集成和模型模拟方面开展,是流域、区域等大尺度生态安全格局设计的有力支持.前人的研究为生态环境建设和保护提供了大量参考信息,但仍有一些问题需要进一步探讨,对此进行了初步的概括和归纳,希望能够对植被和水土流失关系的研究起到一定促进作用.     

黄土高原植被恢复与生态系统土壤保持服务价值增益研究——以延河流域为例

为探究黄土高原地区退耕还林（草）工程（1999）实施后植被恢复的生态效益,选择黄土高原延河流域为研究区,利用趋势线分析法、SWAT（Soil and Water Assessment Tool）水文模型和生态系统服务价值评价方法（市场价值法、机会成本法、恢复费用法和影子工程法等）,重点分析2000-2015年该区域植被恢复状况及其对土壤保持的作用,并评估生态系统服务价值的提升效应。研究结果表明：（1）退耕还林（草）工程实施后,延河流域植被覆盖均呈增加趋势,植被恢复显著;（2）植被恢复对土壤侵蚀的抑制作用明显。在没有植被覆盖的条件下,土壤极易发生侵蚀,且侵蚀模数大;从该工程实施以来,2001-2014年土壤保持量具有不同程度的增幅,表明多年来流域治理取得一定的成效;（3）流域植被覆盖以中覆盖为主,土壤保持量以低保持为主。不同植被覆盖下土壤保持量存在差异。其中,中低、中、中高覆盖能有效保持土壤;（4）生态系统土壤保持服务价值时空分布特征明显。流域年均（2000-2015）土壤保持服务价值为3.64×10⁸元,生长季月均土壤保持服务价值为6.06×10⁷元,生态系统土壤保持服务价值显著提升。时间尺度上,生态系统土壤保持服务价值受降水因素影响;空间尺度上,流域生态系统土壤保持服务价值空间差异大,具体表现为下游残塬平梁沟壑区最高,上游山地区次之,中游梁峁丘陵沟壑区最低。通过研究延河流域植被恢复状况以及定量评估土壤保持服务价值,不仅阐明了退耕还林（草）工程带来的巨大生态效益,同时也为流域乃至黄土高原的水土流失治理工作提供一定的参考作用。     

黄土高原植被恢复成效及影响因素

黄土高原是退耕还林还草工程背景下地表格局及植被变化最为显著的地区之一,评估黄土高原的植被恢复成效及影响因素是促进区域植被恢复政策优化的关键环节。基于不同时间尺度植被覆盖度和植被净初级生产力趋势变化,提出了量化区域植被恢复成效的新方法,采用结构方程模型研究社会经济因素对植被恢复成效的影响及其随时间产生的变化,通过地理加权回归探索气候和关键社会经济因子对植被恢复成效的空间非平稳影响。研究结果刻画了2000-2015年黄土高原植被恢复的持续改善过程：截止2015年,黄土高原88.20%的面积植被恢复成效明显,高值区集中于陕北地区及山西省各县区。农村劳动力的下降使得植被恢复所受人口压力减缓,负影响由-0.95变为-0.86;农业生产力的提升是黄土高原植被恢复成效改善的重要社会经济因素。气候及社会经济因子对黄土高原植被恢复成效的影响呈现显著的空间差异：多年平均降水对黄土高原东部29.30%的地区影响最大,且为促进作用,平均温度是北部和西部风沙草地植被恢复成效的主导影响因子（占总面积20.93%）;黄土高原中西部47.02%的地区则受社会经济因素的影响更加明显。当前研究揭示了黄土高原的植被恢复效果及关键影响因子,可为区域植被恢复政策的优化提供科学支撑。     

黄土高原植被覆盖与水热时空通径分析

探究黄土高原地区气象因子对植被覆盖的影响作用以丰富生态修复理论。基于黄土高原2001—2017年归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)与气象数据,采用通径分析方法分别从时间和空间尺度上,分析黄土高原气温和降水对植被覆盖变化的直接及间接影响作用,为该地区生态建设提供科学依据。结果如下：黄土高原地区年际间植被明显波动增长,降水变化大体上与植被变化相似;降水整体较气温对植被覆盖变化的作用大。黄土高原植被与水热空间关系的最优分析尺度为80km,在80km空间尺度上,植被与气温有最大相关性,植被、降水由东南到西北递减,而气温分布规律不显著;降水整体呈现促进作用,气温的抑制作用较强,且空间差异明显。在时间与空间尺度上,植被主要受水热促进尤其是降水促进影响,且降水对植被生长的直接作用远大于通过气温的间接作用;不论生态区还是植被类型,气候因子作用均以促进类型为主,但存在明显差异。水热作用在时空尺度上具有明显空间差异性,不同地区影响植被变化的主控因子不同。     

Assessing the Ecological Success of Restoration by Afforestation on the Chinese Loess Plateau

Afforestation has been accepted as a key measure for preventing soil erosion on the Chinese Loess Plateau for 40 years. In this study, we assessed the ecological success of afforestation by comparing afforested with pre‐afforested (croplands) and natural recovery sites in a typical watershed on the Loess Plateau. We evaluated the ecosystem response in terms of vegetation structure, plant diversity, and several key ecological processes of soil moisture, soil nutrients, and soil anti‐erodibility. Compared with the croplands, we found that the following indexes were significantly enhanced in afforested sites: vegetation structure and species diversity (species richness, Margalef index, Shannon–Wiener index, and Sorensen's similarity index), soil nutrients (organic carbon, total nitrogen, extractable ammonium nitrogen, available potassium, and available phosphorous), and soil anti‐erodibility indexes (water‐stable soil aggregates, mean weight diameter, and the ratio of soil structure dispersion). Afforestation offered few additional advantages when compared with natural recovery sites. More importantly, afforestation had significant negative effects on soil desiccation, with negative impacts on the long‐term sustainability of these ecosystems. In order to develop self‐sustaining and functional ecosystems, our results suggest that natural revegetation offers a more adaptive and appropriate method of ecological restoration on the Loess Plateau.     

黄土丘陵沟壑区坡面尺度土壤水分空间变异及影响因子

土壤水分空间分布特征及其影响因子是土壤前期含水量模拟和小流域产流机制研究的重要内容,也是半干旱地区进行生态建设的重要参考。通过对黄土高原典型坡面雨季前后100 cm深度内土壤含水量进行观测,分析地形、植被和雨季对土壤水分空间分布的影响。基本统计分析显示,土壤水分的空间异质性在上层(<20 cm)较小,在下层(>40 cm)较大。坡面尺度上,土壤含水量的空间差异主要表现在不同植被类型之间,而不是坡位之间。各覆被类型的土壤含水量相对大小为荒草地>8年生刺槐林>20年生刺槐林>沙棘林。即使沙棘林和刺槐林位于更利于获取土壤水分的地形条件下,其土壤含水量仍然明显低于荒草地。地形对土壤水分的影响被植被类型的影响所掩盖。上述规律在雨季前后都有明显表现。因此,完全基于地形指数的土壤水分预测模型在黄土高原应该慎用,植被类型应该作为土壤水分空间预测的一个重要参数。雨季使土壤含水量整体提高,但是土壤水分空间分布格局并没有根本改变,高处仍高,低处仍低,各样点处的土壤含水量在雨季前后达到显著相关水平,说明土壤水分空间格局并不是瞬时状态,而具有明显的时间稳定性。     

植被恢复对黄土区煤矿排土场土壤团聚体特征的影响

目前关于植被恢复对排土场土壤团聚性的影响还不清楚,以植被恢复下黄土区露天煤矿排土场为研究对象,采用湿筛法测定了排土场土壤水稳性团聚体组成,研究了植被恢复类型(草地、灌木)和排土场地形(平台、边坡)对土壤团聚体特征的影响。结果表明:植被恢复促进了排土场水稳性团聚体的形成,平台0—20 cm土层水稳性大团聚体数量(R_(0.25))、平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)分别达到31.1%,0.70 mm和0.26 mm,边坡分别达到13.3%,0.37 mm和0.17 mm,均显著高于裸地,分形维数(D)在平台和边坡分别为2.91和2.96,均显著低于裸地;平台土壤团聚性要好于边坡,草地对于平台土壤团聚结构改良效果较好,而灌木对于边坡改良效果较好;排土场土壤有机碳和粘粒含量均与土壤团聚体指标有显著相关性。植被恢复提高了排土场土壤团聚性,植被恢复类型和地形对排土场土壤团聚体特征有显著影响。     

黄土丘陵沟壑区土壤水分环境及植被生长响应——以燕沟流域为例

调查了黄土丘陵沟壑区燕沟流域刺槐(Robinia pseudoacacia)林地、辽东栎(Quercus liaotungensis)林地、荒草地、农地等不同植被类型条件下7种地类的土壤水分环境,分析不同植被类型对水分环境的生长响应.结果认为,各地类均存在一定程度的水分亏缺,亏缺量由大到小依次为:阳坡刺槐林地991.57mm、阳坡荒草地941.21mm、阴坡刺槐林地866.53mm、阳坡辽东栎林地815.89mm、阴坡荒草地790.27mm、阴坡辽东栎林地745.20mm、农地325.55mm.土壤水分的交换深度农地达320cm,阴坡荒草地为240cm,阴坡辽东栎林地为200cm,阴坡刺槐林地和阳坡辽东栎林地均为160cm,阳坡荒草地为140cm,阳坡刺槐林地为120cm.试验期间,林地、荒草地和农地分别约有10%、14%、30%的降水储存于土壤中,林地、荒草地600cm深土壤水库可利用水量62.6～309.0mm,与农地728.6mm相比土壤水库的调节能力很有限.受林木耗水量和土壤供水能力的双重影响,阳坡刺槐林枯梢现象严重,有整株枯死林木;阴坡刺槐林有明显的枯梢,但没有整株枯死的林木;辽东栎林也存在枯梢现象,但较刺槐林轻微,林木生长仍然十分旺盛.人工林地植被较高的截留和蒸腾耗水是造成土壤干燥化的主要原因,在植被建设中应遵循区域植被的演替规律,以水定植,尽量选择低耗水的适生乡土树种,采取自然修复为主、人工栽植为辅的措施,同时实施好水土保持措施.黄土丘陵区天然辽东栎林是当地植被演替的顶级群落,林地土壤的干燥化是黄土高原气候整体趋于旱化造成的,并不是人为干扰导致植被过度耗水造成的,这种土壤干燥化不宜归属于干层的范畴.判别土壤干层应以当地稳定天然植被群落的生物量水平和土壤水分状况为基准.     

黄土高原半干旱和半湿润地区刺槐林地生物量与土壤干燥化效应的模拟

 黄土高原人工刺槐(Robinia pseudoacacia)林地深层土壤干燥化现象普遍发生, 日益严峻地威胁着人工植被建设成效。分析和比较半干旱和半湿润地区刺槐林地生物量演变趋势、深层土壤干燥化发生规律和区域分布特征差异, 能够为黄土高原因地制宜地营造刺槐林提供科学依据。在WinEPIC模型气象、土壤和作物参数数据库组建与模拟精度验证的基础上, 应用WinEPIC模型模拟研究了1957–2001年黄土高原半湿润地区洛川和长武、半干旱地区延安和固原等地1–45年生刺槐林地生物量演变规律和深层土壤干燥化效应。结果表明: 洛川、长武、延安和固原的刺槐林地连年净生产力模拟值在5–8年生时达到最大值后, 随着降水量年际波动呈现出明显的波动性降低趋势, 其平均值分别为5.33 × 10³、4.56 × 10³、4.03 × 10³和3.35 ×10³ kg·hm^–2·a^–1; 1–7年生刺槐林地年耗水量高于同期年降水量, 导致林地0–10 m土层土壤强烈干燥化, 洛川、长武、延安和固原刺槐林地年均土壤干燥化速率分别为164.3、165.7、187.1和190.0 mm·a^–1, 8–45年生刺槐林地有效含水量在0–250 mm的较低水平上随降水量变化而波动; 1–9年生刺槐林地0–10 m土层土壤湿度剖面分布变化剧烈, 土壤湿度逐年降低且土壤干层逐年加厚, 7–9年生时土壤干层厚度已经超过10 m, 8–45年生刺槐林地2–10 m土层土壤湿度保持相对稳定的干燥化状态; 洛川和长武刺槐林地水分生产力较高且相对稳定, 刺槐林地生长期可以超过45年; 而延安和固原刺槐林地水分生产力较低且稳定性差, 刺槐林稳定生长期不超过40年。