黄土丘陵沟壑区刺槐动态固坡效应

植被能够有效提升浅层坡体的稳定性和抗蚀性。为了初步定量评估浅层滑坡易发的黄土丘陵沟壑区植被固坡作用在自然条件下的动态变化结果,以黄土丘陵沟壑区主要造林树种刺槐为例,考虑植被固坡的根系机械作用和水文作用在2017年全年自然条件下的动态变化。通过挖掘根系剖面对根系截面积分布进行调查,单根抗拉试验测试根系抗拉强度,以利用Wu模型对刺槐根系的附加黏聚力进行计算;通过现场调查确定研究样地与植被水文作用相关的参数,室内入渗试验和土壤离心试验获取土壤的水力学参数,利用生态水文领域水分运移软件Hydrus-1D对刺槐植被坡体水分的运移进行瞬态分析;最终基于变饱和条件下的无限斜坡模型对坡体的稳定性进行分析,并分别计算刺槐根系机械作用和水文作用对坡体稳定性的动态贡献率。结果表明:(1)刺槐根系机械作用对20,40,60 cm深度处浅层坡体的稳定性提升196.56%±28.08%,106.74%±13.19%,20.61%±2.43%,同时机械作用的贡献率还具有一定波动性;(2)刺槐在生长期内,通过林冠截留拦截70.2 mm的降雨量,蒸腾耗水作用改变坡体土壤含水量和吸应力,有效地提升坡体稳定性;(3)根系机械作用的贡献全年均存在,且波动性较水文作用贡献率的波动性小,但水文作用的贡献主要发生在刺槐的生长期,且水文贡献率的部分峰值较机械作用的贡献率大。研究结果进一步揭示了黄土高原丘陵沟壑区刺槐植被坡体在自然条件下的动态变化过程。     

黄土丘陵区不同植被类型下土壤水分动态

[目的]探讨黄土丘陵区不同植被类型对土壤水环境分异规律的影响。[方法]以陕西省延安市燕沟鸡蛋卯小流域1997年退耕建造的样板坡面为对象,于2009年4—10月对其西坡面,自坡顶向下分布的7种植被类型(苹果园、刺槐林、沙棘灌丛、柠条林、紫穗槐灌丛、荒草地、农地(谷子)),采用土钻法每月中旬监测。[结果]生长季(4—10月)0—200cm深度平均土壤含水量大小呈现:紫穗槐灌丛荒草地农地(谷子)刺槐林柠条林沙棘灌丛苹果园。不同植被类型下土壤水分垂直剖面分布有较大差异,在浅层(0—40cm),恢复时段的紫穗槐灌丛、刺槐林下土壤含水量一般高于荒草地,沙棘灌丛、农地(谷子)、苹果园土壤含水量低于荒草地;在中层(40—120cm),荒草地土壤含水量最高,苹果园含水量最低,乔灌林地居中;在深层(120—400cm),只有紫穗槐灌丛、农地(谷子)土壤含水量高于荒草地,其他乔灌林地、苹果园含水量较低。[结论]延安地区植被恢复的乔灌林土壤含水量以紫穗槐灌丛偏高,柠条林、刺槐林、沙棘灌丛对深层土壤水分消耗较大,不利于土壤水环境及其永续利用。     

黄土区深层土壤干燥化程度的评价标准

黄土高原地区深层土壤干燥化是人工林草植被过度耗水导致土壤水分负平衡的结果。如何定量评价深层土壤的干燥化程度,有助于确定适宜的植被类型和密度,保证人工植被建设的顺利进行。将土壤水分的几个主要指标与水分特征曲线相结合,从能量的角度初步建立了黄土高原地区深层土壤干燥化程度的评价标准,并利用该标准评价了黄土高原沟壑区刺槐林地深层土壤水分的干燥化程度。     

晋西黄土残塬沟壑区刺槐人工林土壤水分植被承载力研究

为明确在干旱缺水地区,植被对深层土壤水分的过度消耗以及水资源的承载能力,在晋西黄土残塬沟壑区选取林分密度1 300株/hm~2的刺槐人工林为研究对象,以裸地为对照,利用Enviro-SMART土壤水分监测系统(FDR)和热扩散探针(TDP)技术对当地刺槐人工林地0—150 cm范围内各土层体积含水量与树干液流量进行长期连续定位观测,采用土壤有效水与单株刺槐耗水量的比值来衡量研究区刺槐人工林土壤水分植被承载力。结果表明:(1)月降水量和月土壤储水量是决定刺槐人工林土壤水分植被承载力的主要环境因子,且二者与土壤水分植被承载力之间均呈现显著的正比例关系(P0.05)。(2)根据构建的刺槐人工林土壤水分植被承载力模型,计算出当地林龄为19年的刺槐人工林0—150 cm土层深度的土壤水分植被承载力为1 224株/hm~2,稍小于研究区实际林分密度(1 300株/hm~2),为保证当地刺槐人工林分耗水深度控制在0—150 cm土层范围内,同时也为促进当地林分生产力处于最优水平,建议在今后的营林造林过程中将刺槐人工林密度控制在当地土壤水分植被承载力范围之内,在减少林地深层水分消耗、调整林地土壤水资源平衡的同时,促进当地林业产业的合理发展。     

黄土高原丘陵区不同植被恢复方式下土壤水分特征——以桥子沟流域为例

为研究黄土高原丘陵沟壑区不同植被恢复方式下的土壤水分特征,以天水典型对比小流域——桥子西沟(自然恢复的荒草地)和桥子东沟(人工恢复的刺槐林地)为例,基于2流域5-8月0～ 100 cm深度土壤质量含水量和氢氧同位素浓度,定量分析不同植被恢复方式下降水和坡向对土壤水分影响.结果表明:以刺槐林地为主的流域土壤含水量低于以荒草地为主的流域(16.72％)约3.70％,对降水量的响应较弱,各土层含水量变异系数较高.土壤水分存在临界变化深度,刺槐林地为主的流域在10 cm以下含水量趋于稳定,最大蒸发深度为55 cm,荒草地为主的流域在30 cm以下含水量开始增加,最大蒸发深度为30 cm.两流域含水量均遵循阴坡＞半阴坡＞半阳坡,δo18的分布不符合这一规律.以刺槐林地为主的流域含水量随坡向变化较小,而以荒草地为主的流域受坡向影响较大,坡向对土壤水分的影响受植被因子的制约.以自然恢复荒草地为主的恢复方式可以较好的增加土壤水库蓄水量,有利于流域生态的可持续发展.     

晋西黄土区不同退耕年限刺槐林对土壤水分和养分的影响

[目的]探讨人工刺槐林植被恢复对土壤水分和养分的影响,为半干旱黄土丘陵区植被恢复与生态建设提供理论依据。[方法]选择山西省黄河中游典型黄土丘陵沟壑区的人工刺槐林为研究对象,评估不同退耕年限刺槐林地土壤水分和养分特征。[结果]刺槐林地能够有效改善土壤水分条件,尤其在造林初期,土壤有机质和全氮平均含量显著提高,且具有明显的表聚性;刺槐林地对浅层土壤水分和养分的改善作用较大,土壤水分在40cm以上土层坑内平均水分比坑外提高了3.97%,在40cm以下土层仅提高了2.74%;土壤养分在20cm以上土层,坑内土壤有机质、全氮、全磷和全钾平均含量分别比坑外提高了6.61%,6.14%,1.55%和1.98%;在20cm以下土层,对土壤全磷和全钾无明显改善作用。[结论]刺槐林地不同程度地改善和提高了于浅层坑内土壤水分和养分状况。     

黄土高原沟壑区人工植被类型对土壤水分和碳氮的影响

以黄土高原沟壑区人工建造的典型植被油松、侧柏、刺槐、沙棘、苹果为研究对象，研究分析了不同植被类型对土壤水分含量、土壤碳氮累积等的变化影响。研究表明，旱季刺槐林地表现出了强烈的耗水特征，200cm以下土壤含水量具明显减少趋势。200—300cm处水分含量仅为5．8％～7．1％，而油松林地200cm以下与荒草地含水量基本相一致，土壤水分含量保持在15％左右，侧柏、沙棘、苹果土壤水分利用主要在20-200cm范围内。雨季，天然降雨虽对林地水分含量有所补充，但只表现在0-50cm表层，且各个植被类型间表现不明显；与荒草相比，油松群落土壤有机碳氮提高了9．3％，果园土壤有机碳含量显著降低，而沙棘、侧柏和刺槐群落的土壤有机碳含量虽低于荒草群落，但尚未达到显著水平。     

晋西黄土残塬沟壑区土壤水分的时空变化研究

干旱半干旱黄土区土壤水分的研究对该区植被恢复与重建具有重要意义,对晋西黄土残塬沟壑区荒草坡、刺槐林地、虎榛子林地的土壤含水量进行时空变化分析后发现:不同降水年份各地类土壤含水量的季节变化和垂直变化差异显著.偏涝年各地类土壤含水量的季节变化呈凹型曲线,正常降水年各地类土壤含水量的季节变化呈W型曲线;无论偏涝年还是正常降水年,各地类生长季内土壤水分一直处于消耗状态;虎榛子林地正常降水年的土壤含水量在垂直剖面上的变化幅度远小于偏涝年,刺槐林地在正常降水年深层土壤水分的亏缺比偏涝年更大.经多重比较得出,荒草坡各层土壤含水量差异不显著,林地表层(0-20,20-40 am)与深层(60-100 cm)土壤含水量差异显著.     

陕北黄土丘陵沟壑区剌槐林水分生态条件及生产力研究

本文通过对陕北黄土丘陵沟壑区刺槐林进入中、壮龄期后,蒸腾耗水、降水和土壤贮水量的季节变化,以及刺槐在生长过程中不同时期水分条件的变化和刺槐生长反应的分析,认为本区基本适宜刺槐生长。但是本区刺槐林对水分的有效利用率铰低,据估算其年有效耗水只占年降水量的46%左右,并且土壤水分经常处于亏缺状态,这将对今后刺槐生长产生不利的影响。据此作者提出了如下建议:1.本区应以营造水土保持林为主,并把刺槐作为重点推广树种;2.加强造林整地工作,合理布设造林水保工程,加强林地管理,提高水分利用率。     

黄土丘陵区小流域植被恢复的土壤养分效应研究

研究了安家坡小流域荒草地、山杏林地、农地、油松林地、灌木林地、弃耕地等地类的土壤养分特征。结果表明,植被系统具有较强的养分表层富集功能;不同植被恢复类型对土壤养分含量有明显的影响,主要表现在不同土层土壤有机质、速效磷、速效钾、硝态氮和铵态氮含量在不同植被类型间存在显著的差异性;人工灌木植被对土壤的培肥作用高于乔木植被;农地弃耕(撂荒)有一定的土壤培肥作用;对水土流失极为严重的黄土丘陵沟壑区来说,在退耕还林还草时应优先考虑恢复灌木和草本等先锋植被;在土壤质量改善到一定程度时,再进行乔木的间植;农地弃耕是一种节省人力物力而其生态环境效应又很好的双赢途径。     

黄土高原丘陵沟壑区不同植被类型土壤水分动态

在黄土丘陵沟壑区选择典型植被油松林（Pinus tabulaeformis）、柠条（Caragana microphylla）、人工草地（Clover）、农田、荒地和裸地,对其土壤水分进行观测分析。得出结论:观测期内林地和草地的土壤储水量最低,农田和灌木的储水量较高。与荒地和裸地相比,灌木的耗水量少,其次是草地、农田,林地最次。灌木和草地的水分补偿程度较高,其次是农田,而林地是负补偿。这些结果为该地区植被恢复中的植被选择提供了科学依据。     

黄土丘陵区退耕坡地植被自然恢复过程及其对土壤入渗的影响

生态系统自我修复是黄土高原植被恢复的重要途径。以永久性天然草地和三龄沙打旺人工草地为对照,在对黄土丘陵区坡地退耕植被自然恢复过程群落演替、地上部分生物量的增长及其组成动态变化特征调查的基础上,定量分析了不同恢复阶段主要群落下土壤的入渗能力。研究表明,随着植被演替的进展,群落生物量逐步增加,土壤入渗能力显著改善。退耕草地土壤表层0-20cm土壤渗透能力(K10℃)每年可提高0.10mm。植被改善土壤入渗能力的有效深度达40cm。说明黄土丘陵区通过坡地退耕还林还草恢复植被可以改善土壤渗透性能,强化降雨就地入渗,减少水土流失。     

土地利用格局对半干旱黄土区土壤水分的影响

半干旱黄土区不同土地利用的土壤水分效应是农业生产、植被恢复和土地合理利用的重要依据.通过对孙家岔流域不同土地利用格局实测土壤水分资料分析,结果表明,梯田区阴坡的土壤含水率高于阳坡;梁峁顶区封闭荒地不同累积深度的土壤含水率均高于农地;缓坡区(＜15°)农地土壤平均含水率高于荒地;灌木林地表层(0-80 cm)土壤含水率高于荒地,而较深层(80-180 cm)低于荒坡;松树林地平均土壤含水率高于杏树林地.说明在半干旱黄土区,梯田的保水效益最好;杏树林相对于松树林耗水量更大,不适宜在无灌溉条件的半干旱黄土区大面积种植;柠条灌木林改善地表土壤水分状况的效应明显,并且能充分利用较深层的土壤水分;缓坡区种植农作物比荒地更有助于土壤水分的改善.     

黄土丘陵沟壑区退耕地植被恢复中的土壤水分变化研究

选择了黄土高原安塞县境内的纸坊沟、县南沟、西沟、郭阳湾等不同流域,对黄土丘陵沟壑区退耕地植被恢复过程中的土壤水分变化规律进行了研究.研究结果表明,随着退耕年限的增长,60 cm以下土层的土壤水分含量逐渐减少;对于不同地形条件的土壤含水量,阴坡＞半阴坡＞阳坡,坡下＞坡中＞坡上,并且随着坡度的增大,土壤含水量减小;不同的植被类型土壤水分含量也不同,在选择的草地、灌木地、林地3种植被类型中,以草地的土壤含水量最高,林地最小,灌木地介于两者之间;从恢复方式看,自然恢复的土壤水分含量相对较高,人工恢复的土壤水分含量相对较低,自然+人工恢复介于两者之间.另外,对于同一种植被类型,生物量越大,土壤水分含量越小.     

The effect of land cover/vegetation on soil water dynamic in the hilly area of the loess plateau,China

Severe soil and water loss has lead to widespread land degradation in China's loess plateau. During the past decades, a great deal of effort was made on vegetation restoration to reduce soil and water loss in the loess plateau. However, due to water shortage the efficiency of vegetation restoration was not as satisfactory as expected. As part of a vegetation restoration project, we conducted research aiming to understand the relationship between vegetation pattern and soil water dynamics. The goal was to find vegetation types appropriate for the loess plateau with scarce water resources. In 1986, fifteen plots of land were planted with five vegetation types: pine woodland, shrubland, sloping cropland, alfalfa and semi-natural grassland. Soil water content, runoff, soil erosion were measured for each plot. Environmental variables, such as rainfall, evaporation and temperature, were recorded simultaneously by an automated meteorological station. The relationship between land cover pattern and soil water dynamic was evaluated by using statistical models. We found that: (1) soil water loss occurred during the growing season, and it reached the maximum in the second half of July; (2) soil water was not fully replenished from rainfall during the rainy season; (3) pine woodland induced the largest water loss to surface runoff, followed by sloping cropland, alfalfa, semi-natural grassland and shrubland; the poor capability of pine woodland for water conservation may be attributed to soil compaction and poor ground coverage under the tree; (4) in most cases, soil water of the five vegetation types was low except for shrubland and semi-natural grassland where it was moderate-high during a few periods. These conditions inhibit sustainable vegetation growth in the semi-arid loess hilly area of the loess plateau, China.     

基于遥感的土地利用与退耕还林时空变化研究--以延河流域下游地区为例

随着退耕还林草政策的实施,我国的退耕还林工程取得了很大的成效。利用中巴卫星数据CBERS对陕北延河流域下游近10a的土地利用变化进行动态监测,并对其空间结构的变化进行了量化。研究结果表明,延河下河地区林地面积增加了8%,草地增加了20%,耕地减少了38%,并且有1.03%的耕地变为林地,57.49%的耕地变为草地。实现了对区域生态环境变化的动态监测,为黄土丘陵地区退耕还林还草、生态环境调查及动态监测提供了可行的方法。     

黄土丘陵区枣林地土壤水分时空变化研究

为探索枣树种植对黄土丘陵沟壑区土壤水分的影响,在陕西省米脂县,以5 a和15 a枣林地及14 a更新枣林地(与15 a枣林同年栽植,14 a时截枝截干更新)为研究对象,对枣林地土壤水分进行长期定位观测,分别研究了不同树龄枣林地的土壤水分差异、土壤水分与土壤质地关系、枣树耗水深度以及土壤干燥化问题。结果表明:1)不同树龄枣林地土壤水分存在显著差异,随树龄增加,枣树年耗水量增大,枣树耗水深度增加。2)枣林地枣树根系吸水影响范围内的土壤水分与粉粒含量呈显著正相关关系。3)不同树龄枣林地的耗水深度分别为5 a枣林地440 cm、14 a更新枣林地800 cm、15 a枣林地840 cm。4)5 a枣林地在根系吸水影响范围内出现了100 cm深的重度干燥化土层(土层深度为400~500 cm),14 a更新枣林地在根系吸水影响范围内出现了300 cm深的重度干燥化土层(土层深度为300~600 cm),15 a枣林地在根系吸水影响范围内分别出现了100 cm深的重度干燥化土层(土层深度为200~300 cm)和300 cm深的极度干燥化土层(土层深度为300~600 cm)。枣林地土壤水分状况与树龄、土壤质地相关,截干更新具有减少耗水的作用。研究结果可为今后半干旱山地枣林可持续经营及防治林地土壤干层研究提供一定理论依据。     

Soil desiccation in the Loess Plateau of China

Soil desiccation usually takes place below the depth of soil affected by rainfall infiltration (about 1–3 m) with relatively low water content, and is one kind of particular hydrological phenomena in semi-arid and semi-humid regions of the Loess Plateau in China. This desiccation results from the excessive depletion of deep soil water by artificial vegetation and long-term insufficient rainwater supply, which is difficult to disappear with land use change. Due to the influence of global warming during 1950–2000, large-scale vegetation rehabilitation aggravated water scarcity and led to soil desiccation in the deep soil layer in the Loess Plateau. From southeast to northwest, soil desiccation becomes more intensive with lower water content and bigger range in depth due to drier climate and lower water holding capacity. The range of soil desiccation has a close relationship with root distribution of plant, and its intensity varies with the types and ages of vegetation. The climate drought, soil properties and soil water cycle characteristics might be the precondition for the occurrence of soil desiccation, and artificial vegetation with improper type and exorbitant productivity could have accelerated this process in range and intensity. Soil desiccation has obviously negative effects on water cycle in soils, greatly reduces the anti-drought capacity of plants, and heavily influences the growth and natural succession of vegetation. In order to reduce the range, intensity, and negative effects of soil desiccation, proper types of vegetation should be selected according to rainfall and soil water conditions, and the control of vegetation density and productivity should be considered together with soil-water conservation measures.     

黄土高原生物利用型土壤干层的水文生态效应研究

对黄土高原高产农、林、草、灌、果5种植被1000cm土层土壤剖面含水量多点测定结果表明,各植被类型均存在不同程度的生物利用型土壤干层,该土壤干层的水文作用表现为增强土壤-植被-大气间垂直水分交换,阻碍入渗降雨转化为地下径流,削弱植被对枯水季节低径流量的补偿能力,其生态效应是恶化植物生长的土壤水分环境,削弱土壤水库对年际干旱的调节能力。