荒漠结皮层藓类植物死亡对表层土壤水分蒸发和入渗的影响

水分是荒漠植物生长最主要的限制因子,藓类结皮作为荒漠土壤表层重要覆被物,对土壤水分蒸发入渗具有重要影响。研究表明,在全球气候变化背景下,不确定的降水格局变化导致结皮层藓类植物出现集群死亡现象,但这一过程对荒漠地表土壤水分蒸发与入渗过程的影响及其机理尚不清楚。以古尔班通古特沙漠齿肋赤藓结皮为研究对象,利用便携式渗透计和蒸发仪,研究了结皮层藓类植物死亡对土壤水分蒸发与入渗的影响。结果表明,与裸沙相比,藓类结皮的存在显著抑制了水分入渗,而藓类植物死亡的结皮层抑制作用最大,其初渗速率、稳渗速率和累积入渗量分别是活藓类结皮的39.89%、85.91%及64.48%,仅为裸沙的5.96%、13.13%及20.42%。在水分蒸发初期,裸沙的水分蒸发速率明显高于活藓类结皮和藓类植物死亡的结皮层,但藓类植物死亡的结皮层维持相对稳定的蒸发速率的时间长于裸沙和活藓类结皮,这也导致最终累计蒸发量以藓类植物死亡的结皮层最高、裸沙最低。可见,荒漠生物土壤结皮中藓类植物死亡会明显减少土壤水分入渗、增大水分蒸发,进一步影响荒漠表层土壤水分格局,从而影响生物土壤结皮与维管植物的水分利用关系。     

黄土高寒区典型植被类型土壤入渗特征及其影响因素

为了研究黄土高寒区典型植被在不同坡位下土壤入渗性能差异及其影响因素,采用恒定水头法测定了不同植被类型的土壤入渗过程,并分析了土壤孔隙状况、机械组成、水稳性团聚体等与渗透速率的相关性。结果表明:(1)初渗速率和稳渗速率均表现为青海云杉>祁连圆柏>华北落叶松>荒草地,且差异性显著;同一植被类型的土壤入渗速率沿坡面向下逐渐增大,但差异性不显著;(2)对不同植被类型的土壤入渗过程模拟发现Horton模型拟合效果最好,决定系数均在0.8以上,通用经验模型拟合精度较差,决定系数在0.614—0.982之间;(3)土壤入渗性能与孔隙状况、水稳性团聚体质量分数、有机质含量均有极显著相关性;>0.25 mm团聚体质量分数是影响稳渗速率的主要决策因素;总孔隙度是影响初渗速率的最主要的决策因素,而毛管孔隙度是主要的限制因子。为高寒地区土壤入渗模拟以及植被配置等提供了科学依据。     

耕作对土壤入渗性能的影响

耕作影响降雨入渗、径流、土壤侵蚀过程。研究采用新型的坡地降雨条件下土壤入渗能力的径流-入渗-产流测量方法和仪器,野外观测宁夏南部山区坡耕地与撂荒地土壤入渗性能,揭示耕作对土壤入渗性能影响的规律。在坡度为20°、土壤表层含水量11.3%的坡地进行测量。采用的降雨强度为:20,40,56mm·h-1。结果表明,新型测量方法和仪器可以很好地测量坡面土壤入渗性能的全过程,并且具有省水、省工、操作方便的特点,且测量精度高。对比测量结果表明,坡耕地的初期土壤入渗性能在小雨强条件下略高于撂荒地的入渗性能,而在大雨强条件下则一直低于撂荒地的入渗性能。随雨强的增大坡耕地的入渗性能急剧减小,而撂荒地的入渗性能基本不受雨强变化的影响。坡耕地土壤的入渗性能(土壤结构)对降雨强度极为敏感,而撂荒地具有稳定的土壤结构和入渗性能。在3种雨强下,坡耕地的产流时间均比撂荒地提前。与撂荒地相比,各种雨强条件下坡耕地的稳定入渗率都较撂荒地明显降低。     

不同护坡草本植物的根系特征及对土壤渗透性的影响

为明确三峡库区植被边坡植物物种根系特征与土壤渗透性之间的关系,以裸地为对照,应用WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系统对香根草(Vetiveria zizanioides(Lin.) Nash)、百喜草(Paspalum notatum Flugge)、狗牙根(Cynodon dactylon (L) Pers.)和紫花苜蓿(Medicago sativa L.)等4种护坡草本的根系特征进行定量分析.结果表明:(1)紫花苜蓿和香根草的根长密度和根表面积密度显著大于狗牙根和百喜草;(2)不同草本类型和同一草本不同土层之间土壤渗透性存在较大差异,且各草本土壤渗透性随土层深度的增加而降低;相对于裸地而言,4种草本均能显著增强土壤渗透性,其土壤渗透性优劣表现为:香根草＞紫花苜蓿＞百喜草＞狗牙根;(3)土壤的初始入渗率、稳渗率、平均渗透率和渗透总量等各参数均随根长密度和根表面积密度增大而增强,且与直径介于0.5-5 mm不同径级的根系特征之间存在明显的相关性,故根系对土壤渗透性的增强作用主要归功于0.5-5 mm径级的根长密度和根表面积密度;(4)根长密度、根表面积密度对考斯加科夫入渗模型参数K和a有较大影响,随着根长密度和根表面积密度的增加,表征土壤初始入渗率的K值逐渐增大,而表征入渗能力衰减的参数a逐渐减小.     

自然降雨下黄土丘陵区草灌植物垂直覆盖结构的减流减沙效应

黄土高原是我国水土流失和生态环境问题最为严重的地区之一,植被恢复是防治水土流失的重要措施。植物垂直覆盖结构包括地上冠层、地表枯落物和地下根系,各组分具有不同的水土保持作用,是研究植被与水土流失关系的基本单元。目前,关于植物垂直覆盖结构不同组分对土壤侵蚀影响的研究主要是基于人工模拟降雨,缺少自然降雨条件下不同植物的垂直覆盖结构对产流、产沙和入渗等多过程影响的系统研究。本研究以黄土丘陵区典型的草本(须芒草)、半灌木(铁杆蒿)和灌木(绣线菊)为研究对象,每种植物进行三种处理(自然状态、去除枯落物和仅留根系)以及裸地对照,观测2015—2016年降雨事件的产流产沙量和入渗量,分析植物不同垂直覆盖结构的减流减沙效益及其相对贡献。结果表明:三种植物均具有较好的减流(45.9%—73.2%)、减沙效益(87.5%—94.6%)和增加入渗作用(4.7%—10.8%),灌木的减流效果(73.2%)显著高于草本(45.9%)和半灌木(63.5%),但三种植物间的减沙效益没有显著性差异。冠层的减流作用最大,贡献率接近一半(48%—50%),草本枯落物的减流贡献率与根系基本一致,而半灌木和灌木枯落物的减流贡献...     

晋西黄土区土地利用对降雨入渗产流模式和优先流分布的影响试验研究

黄土高原退耕还林(草)工程显著改变了河川径流过程,但其作用机制尚不明晰。选取晋西黄土区4种典型下垫面(20年和30年刺槐人工林地、草地、休耕地)分别开展连续3场模拟降雨试验,观测坡面入渗产流过程,并结合染色示踪和图像处理软件技术,分析土地利用类型对坡面降雨入渗产流模式和优先流分布的影响。结果表明：(1)累积入渗量和优先流发育程度均表现为刺槐林地>草地>休耕地,刺槐林地优先流对总入渗的贡献是草地和休耕地的2.5—4.5倍,但优先流贡献均不超过10%,仍以基质流入渗为主。(2)4种用地类型降雨入渗主要补给地表60—70cm土层,前期降雨均匀增加表层土壤含水率,而后期降雨补给深层土壤水分的空间变异性显著增强。(3)刺槐林地产流量及径流系数均显著小于草地和休耕地,且前期含水量对20年刺槐林地的影响较小,而显著影响草地和休耕地径流系数。(4)直径d<1mm的细根显著促进降雨入渗和优先流发育,而d>5mm的粗根与入渗量和基质流量呈显著负相关。较高的土壤初始含水率、容重和粘粒含量会抑制入渗和优先流的发生。研究说明不同土地利用类型将改变降雨入渗产流过程及土壤水运动形式。     

宁夏河东沙地生物土壤结皮对土壤性质及入渗过程的影响

为了揭示沙漠化治理过程中生物土壤结皮覆盖对土壤入渗过程的影响规律,以宁夏河东沙地人工沙漠治理区4种典型地表覆盖类型：裸沙(BS)、藻类结皮(AC)、藓类结皮(MC)、草本-藓类结皮(H-MC)为研究对象,基于野外双环入渗试验与室内模拟,分析了3种生物土壤结皮覆盖下土壤性质的变化与土壤入渗特征。结果表明：(1)与BS相比,3种结皮覆盖下表层土壤砂粒含量减少2.0%—5.1%,粉粒含量增加3.6%—5.8%,有机质含量增加了5—6倍,AC和MC覆盖下土壤总孔隙度与饱和含水量降低,而H-MC与之相反;(2)平均入渗速率表现为BS>H-MC>AC>MC,1h累计入渗量表现为H-MC>BS>AC>MC,与BS相比,AC、MC和H-MC的初渗速率依次减少了14.3%、37.2%、11.8%,AC、MC的稳渗速率分别降低了14.4%和18.3%,H-MC的稳渗速率增加了4.5%;(3)三种模型中,Kostiakov模型最适用于模拟生物土壤结皮覆盖下土壤水分入渗过程。综上,研究区内不同发育程度生物土壤结皮改变了下层土壤的性质以及土壤的入渗特征,MC与AC阻碍水分入渗...     

生物质炭添加对喀斯特地区坡耕地黄壤水分入渗过程的影响

为探究生物质炭添加对喀斯特地区土壤水分入渗特性的影响,本研究以坡耕地黄壤为对象,采用室内土柱模拟的方法,研究不同添加量(质量分数为0、1%和2%)和不同粒径(粒径大小为<0.25、0.25～1和>1 mm)生物质炭添加下土壤水分累计入渗量、入渗速率及湿润锋进程的变化特征,并对入渗过程进行模拟。结果表明: 在定容重条件下,添加生物质炭后土壤的入渗过程明显受到抑制,添加生物质炭土壤的累计入渗量和入渗速率显著低于未添加生物质炭土壤,生物质炭添加量为1%和2%土壤的累计入渗量和入渗速率无显著差异。不同粒径生物质炭添加下,土壤累计入渗量从大到小依次表现为<0.25、0.25～1和>1 mm。与CK相比,当添加量为1%时,土壤300 min累计入渗量分别下降20.9%、35.2%和45.0%;当添加量为2%时,分别下降21.5%、37.5%和44.2%,说明大粒径生物质炭对土壤入渗的抑制作用显著强于小粒径生物质炭。土壤湿润锋进程对不同含量和不同粒径生物质炭添加的响应趋势与累计入渗量的变化趋势基本一致。Horton和Kostiakov模型能够用于模拟本研究中的土壤水分入渗过程,Horton模型拟合精度高,R²最大(0.91～0.98),均方根误差(RMSE)最小(0.14～0.21),而Kostiakov模型拟合得到的初始入渗速率更接近实测结果。研究结果可为生物质炭的合理施用提供科学依据,也可为喀斯特坡耕地土壤改良和水土保持提供有益参考。     

原油污染对黄绵土和风沙土水分入渗的影响

原油进入土壤后会堵塞土壤孔隙,影响土壤斥水性,改变土壤水分运动状况。本研究利用土柱模拟的方法,研究了不同原油污染程度(0、0.5%、1%、2%、4%)对黄绵土和风沙土水分入渗过程的影响。结果表明: 随着原油含量的增加,两种土壤湿润锋的推进速度和入渗速率均减小,土壤原油污染程度为4%时湿润锋运移到土柱底部的所需时间最长,污染程度为0时湿润锋运移到土柱底部的所需时间最短,黄绵土湿润锋达到土柱底部所需最长时间是最短时间的5倍,风沙土最长时间是最短时间的48倍;当湿润锋运移到土柱底部时,黄绵土的累积入渗量随原油含量的增加而减小,而风沙土的累积入渗量先增大后减小;在高浓度(2%、4%)原油处理下,风沙土的累积入渗量曲线出现“翘尾”现象。Kostiakov入渗模型和Philip入渗模型比Green-Ampt模型能更好地模拟不同原油处理下的黄绵土土壤水分入渗过程,但对风沙土而言,两种模型对低浓度(0、0.5%、1%)原油处理的土壤水分入渗过程拟合较好。原油污染能够显著影响土壤水分入渗过程,且对风沙土的影响更大。     

喀斯特坡面生物结皮发育特征及其对土壤水分入渗的影响

作为地表植被恢复的先锋种群和景观的重要组成部分,生物土壤结皮(BSCs)对地表过程具有重要影响。为探明喀斯特地区BSCs发育特征及其对土壤水分入渗的影响,本研究选取喀斯特代表性坡面开展了BSCs实地调查和人工模拟降雨试验,探究了BSCs覆盖土壤的水分入渗过程,试验设计了5个BSCs盖度水平(0、28%、40%、70%、97%)和2个雨强(42和132 mm·h^-1)。结果表明: 在不同土地利用条件下,BSCs发育水平存在显著差异,但在同一土地利用条件下,BSCs发育水平沿坡面的空间变化规律不明显。与裸地相比,地表发育BSCs可使地表粗糙度增大,显著延长初始产流时间,促进土壤水分入渗。在小雨(42 mm·h^-1)和强降雨(132 mm·h^-1)下,BSCs覆盖小区初渗速率分别为裸地小区的1.7～1.9和1.2～1.9倍,平均入渗速率分别为裸地小区的2.5～3.0和1.4～3.3倍。在试验雨强下,BSCs盖度与初始产流时间均呈显著正相关,BSCs促进水分入渗的临界盖度为65%～70%,在强降雨条件下,BSCs对地表径流的阻滞作用有所削弱。Horton模型对喀斯特坡面BSCs覆盖下土壤水分入渗过程模拟结果最优,其次为Kostiakov模型和Philip模型。综上,喀斯特坡面BSCs发育的空间变异程度高,对水分入渗过程影响显著。