陕西省靖边县沙地水分与植被建设

根据毛乌素沙地靖边县海则滩镇钻孔剖面沙层水分含量的测定,研究了该区沙地剖面水分分布特点、沙层水分存在形式、水分平衡、大气降水对地下水的补给以及植被建设等问题。结果表明,该区500 cm深度范围内沙层剖面含水量的变化特点是草地0-200 cm和灌木林地0-300 cm含水量较低,草地200-500 cm和灌木林地300-500 cm含水量较高;草地沙层含水量明显高于灌木林地,草地含水量变化范围为1.0%~6.0%,平均为3.4%;灌木地含水量变化范围为0.7%~2.8%,平均为1.5%。草地沙层剖面200 cm以下有含量大于3%的高含量薄膜水和含量大于5%的重力水存在,显示大气降水对地下水的补给较强。灌木林地沙层中一般缺少重力水和高含量薄膜水,指示灌木林地降水对地下水补给较弱。该区水分为正平衡,其原因除了降水较多之外,沙层入渗率高和受蒸发消耗较少也是重要原因。由于靖边县沙地区降水量较多,沙地水分活跃层分布深度在200~300 cm之间,较沙漠区分布深度增加了100-200 cm。沙层水分含量的剖面变化表明,该区沙层水分能够满足耐旱灌木林生长的需要,适于发展防风固沙效果好的灌木林。     

不同因素影响下层状土壤水分入渗特征及水力学参数估计

层状土壤是自然界常见的土体结构,其水分运移规律不同于均质土;大气降水、灌溉水等水分的入渗是土壤水文过程的一个重要环节,同时它也与地下水补给、污染物运移等过程紧密相关。土壤初始含水量、土体构型及供水强度等因素均会影响水分的入渗过程。为探究积水深度、土体构型、初始含水量三种因素对层状土壤水分运移的影响,通过室内积水入渗试验对湿润锋、累积入渗量、土壤剖面压力水头进行观测,并利用Hydrus-1D模型反演水力参数并对相应条件下的水分运移规律进行模拟和分析。结果表明,层状土壤中湿润锋随时间的推进方式由非线性过渡至线性,入渗率逐渐减小。三种因素作用下,层状土壤水分运移特征有明显差异:积水深度、土壤初始含水量增加时,湿润锋运移速率和入渗率均增大,且各观测点压力水头升高加快,土壤不饱和程度降低;上砂壤下粉砂壤构型较上粉砂壤下砂壤构型而言,整体湿润锋推进速率和入渗率较大,出流快,且入渗后期界面处的压力水头高于其他观测点。且结果表明,反演的水力学参数较拟合实测的参数更适用于层状土壤入渗的模拟和预测。该研究旨在揭示和掌握层状土壤水分运移规律和影响因素的作用机制,并进一步为农田灌溉措施的合理制定提供科学依据。     

西南山区农地土壤前期含水量对优先流的影响

在重庆四面山的4块农地上,通过前期洒水使样地具有不同的土壤前期含水量,应用优先流染色法和室内图像提取技术分析样地垂直剖面和水平剖面的土壤染色情况,并在染色过程中用TDR记录样地每层土壤含水量的变化,分析不同前期含水量下优先流的入渗深度及入渗速率,研究土壤前期含水量对优先流的影响。结果表明:(1)土壤前期含水量低的样地,湿润锋的渗透速率随土层深度的增加而增加,湿润锋平均入渗速率为1 520mm/h;土壤前期含水量高的样地,湿润锋的渗透速率随土层深度的增加而减小,湿润锋平均入渗速率为515mm/h;(2)土壤前期含水量较低的样地垂直剖面的染色示踪物平均最大入渗深度为56.00cm,大于前期含水量较高的样地的33.76cm,说明土壤前期含水量低的样地优先流渗透深度更大;(3)土壤前期含水量较高的样地,优先流主要发生在土壤A层和B层的20-30cm土层深度处,而前期含水量低的样地优先流在A层、B层和C层均有发生。而且土壤前期含水量较低的样地,垂直剖面每层的平均染色面积均大于前期含水量高的样地,说明土壤前期含水量较低的样地优先流现象更明显。     

降雨对柠条锦鸡儿固沙林土壤水分动态变化特征的影响

为探讨半干旱区柠条锦鸡儿林沙丘土壤水分对降雨的响应,采用WatchDog土壤水分传感器、HOBO U30小型自动气象站同步监测毛乌素沙地人工柠条锦鸡儿林0—110 cm层土壤含水量与2019年降水量,分析了沙丘土壤含水量动态变化与降雨入渗特征。结果表明:2019年5月1日—9月15日期间,柠条锦鸡儿林沙丘不同土层水分含量变化受降雨量、累计降雨以及降雨入渗效应等综合因素的影响。其中0—50 cm层土壤含水量对降雨的响应较敏感,累计降雨46 mm可对110 cm层土壤水分进行补给;降雨量5 mm时,湿润深度5 cm,降雨量10 mm左右时,湿润深度30 cm,降雨量20 mm左右时湿润深度30—50 cm,降雨量30 mm时,湿润深度50 cm,降雨量50 mm时湿润深度可达110 cm土层,说明降雨对柠条锦鸡儿林沙丘水分状况有补给作用,但是对90 cm以下土层水分状况的补给能力有限;当降雨量基本相等时,降雨强度与土壤初始含水量对入渗深度及进程有明显影响,即降雨强度越大,土壤初始含水量越高,降雨入渗深度越深,入渗历时越短。     

基于稳定同位素的土壤水分运动特征

土壤水分受降雨和地下水的共同补给作用,是陆地水循环的重要环节。通过模拟试验,结合土壤水同位素特征,以黄土高原黄绵土为研究对象,研究降雨入渗和地下水补给方式下土壤水分的运移变化特点。结果表明:土壤体积含水量随时间的延长而增大,最终趋于稳定,土壤水分的运移有明显滞后效应;土壤水氢同位素受补给水源、交换混合以及蒸发的影响,随时间的延长,补给水源的影响逐渐减弱,水分的交换混合和蒸发作用逐渐显现,土壤水最终达到动态平衡状态;两种补给条件下,土壤水运移方式均为活塞式推进,降雨入渗方式土壤水δD随土层深度的增加先减小后增大最终趋于稳定,表层0~5cm土壤水由于蒸发富集重同位素,5~20cm土壤水滞留时间最长,保水能力最强,地下水补给方式下土壤水δD随土层深度的增加而减小,上层土壤水δD由于蒸发富集重同位素,下层受地下水补给影响贫化;两种补给方式下土壤水δD与δ18O有良好线性关系,降雨入渗方式土壤水蒸发分馏作用大于地下水补给方式,地下水补给具有较好的保水效果。     

黄土高原水蚀风蚀复合区人工植被土壤水分状况

采用烘干法及WP4水势仪对黄土高原水蚀风蚀复合区人工林下土壤重量含水量及水势进行测定,从土壤水分数量和能量两方面分析该区土壤水分时空分布和动态变化特征,并且通过实测数据对不同树种土壤水分特征曲线进行拟合,旨在为该区今后植被建设及生态用水提供理论参考。结果表明,各树种在0-300 cm土层土壤含水量随深度增加而逐渐降低,并趋于稳定。0-30 cm土层土壤含水量变化剧烈,30 cm以下土层土壤含水量逐渐降低,并趋于稳定在3.00%~5.00%。土壤水分受降雨量及其分配影响显著,观测期内土壤储水量盈余26.7 mm。土壤水势与土壤含水量变化规律一致,土壤水分特征曲线拟合结果较好。在丰水年,降雨只对浅层土壤水分起到补给作用,深层土壤水分亏缺严重,存在土壤干层。在特殊降水年份对该区土壤水分进行研究具有重要意义。     

毛乌素沙地杨柴灌木林土壤水分对不同降雨格局的响应

[目的] 研究不同降雨格局下,土壤水分的动态变化特征,对判断群落结构的稳定性和为群落结构进行优化调控提供理论依据。[方法] 选择毛乌素沙地典型飞播杨柴灌木林地不同深度土壤为研究对象,使用Watchdog自动水分监测系统连续监测不同深度土壤水分含量动态变化,研究不同降雨事件下10,30,50,70,90和110 cm土层水分的时空变化,分析土壤水分入渗、再分配及水分补给特征。[结果] ①杨柴群落0—110 cm深度土壤水分含量变化受降雨的影响具有明显的垂直特征,10 cm深度土层为变化剧烈层,30 cm深度土层为弱变化层,50 cm以下深度土层为稳定层。②10 cm深度土壤水分对降雨和温度的响应明显,降雨强度和土壤初始含水量对浅层土壤的补给影响较大同时对入渗的深度有一定影响。30 cm以下土层随着深度的增加对降雨的响应滞后,30—50 cm土层主要受初始含水量和降雨量影响较大,50 cm以下深度水分变化主要受降雨量的影响。③>8.8 mm的降雨对10 cm及以下土层具有补给作用,>40 mm的降雨量可通过降水再分配至少达到110 cm深度土层。[结论] 杨柴群落根系主要分布在0—40 cm深度处,>8.8 mm降雨可供杨柴群落有效利用,>40 mm的降雨量可有效对地下水进行补给,有利于群落结构的稳定性和应对下一年度植被生长初期需水时降雨量较小的干旱月份。     

黄土沟壑区砂石覆盖果园土壤剖面水分分布

以黄土高原沟壑区砂石覆盖苹果园为研究对象,对600 cm范围内土壤剖面水分含量的时间分异和空间分布状况进行了研究.结果表明:600 cm土层范围内,一周年内可划分为冬季增墒期和夏季失墒期两个阶段;土壤剖面水分空间分布随土壤深度的增加呈现波动性变化且稳定性不同,土壤含水量变化幅度随土层深度增加而变小,据此可将600 cm范围内的土壤剖面划分为速变层、相对稳定层、缓变层和稳定层;土壤水分在不同层次上的分布差异,8月土壤剖面不同层次含水量差异最大.11月次之,5月再次之.1月土壤不同层次含水量差异最小.综合看来,除土壤表层因砂石覆盖水分增加外,土壤剖面含水量随土壤深度的增加而减少且趋于稳定,水分下渗能力减弱;冬季土壤含水量多且分布均匀,夏季土壤水分减少且主要集中在上层,此时土壤不同层次水分含量差异大.     

干旱区重度和轻度盐碱地包气带水分运移规律

为揭示干旱区不同灌溉模式下的包气带水分运移规律,该研究综合使用原位观测、同位素示踪和数值模拟等方法,对跨流域调水背景下,克拉玛依农业开发区重度和轻度盐碱地棉田的土壤水势、土壤含水率和土壤水同位素组成特征,包气带水量平衡以及水分运移规律进行了研究。研究表明,土壤基质势调控的滴灌模式下,重度和轻度盐碱地的灌溉入渗主要影响深度是地表以下0~150 cm,土壤含水率和土壤水势对灌溉和蒸散发动态变化的响应明显,具有前期土壤水和观测期内灌溉入渗水的混合特征。深层(重度盐碱地150~260 cm;轻度盐碱地250~350 cm)受地下水毛细作用影响,土壤水势和土壤含水率对地下水埋深动态变化的响应明显,具有前期土壤水与地下水的混合特征。轻度盐碱地中间层(150~250 cm),几乎不受灌溉入渗和地下水毛细作用的影响,土壤水势和土壤含水率处于动态平衡,主要为前期土壤水的特征。HYDRUS-1D数值模拟结果表明,深层土壤水与地下水之间存在双向交换,地下水对土壤水以补给作用为主,重度和轻度盐碱地地下水补给占包气带水分来源的比例分别为7.9%和15.0%。该灌溉模式对农业开发区地下水补给有一定的抑制作用,但观测期内区域地下水位抬升幅度在50~60 cm之间,说明存在一定的土壤次生盐渍化和地下水咸化的潜在风险。     

黄土高原水蚀风蚀交错带沟岸灌木林地土壤水分变化

选择黄土高原水蚀风蚀交错带典型切沟，采用人工取样和中子仪测定研究了柠条坡地不同坡位土壤水分变化，明确了切沟对沟岸柠条林地土壤水分的影响范围，建立了土壤储水量与距沟沿不同距离之间的关系。结果表明：在黄土高原雨季(7～10月)，天然降水对柠条坡地下位的补给深度达到了220 cm，对坡地上位和中位的补给深度分别为180 cm和160 cm。在土壤剖面200 cm深度范围内，坡下位土壤水分含量始终高于坡上位和坡中位，200 cm深度以下，坡地上、中、下位土壤水分趋于一致。切沟对柠条林地土壤水分影响水平宽度达到3～4 m，垂直深度达到6 m以下。沟岸柠条坡地距沟沿不同距离土壤剖面储水量与沟沿距离间的关系可以用线性函数来表达。研究沟岸地距沟沿不同距离的土壤水分变化规律对沟岸地植被的恢复具有重要的科学意义。     

长武塬区降雨入渗特征

为了深入理解深厚黄土层的降雨入渗机制,在黄土高原塬区的长武试验站,应用TDR监测天然降雨下大型土柱土壤含水率的动态变化,并结合土柱底部出流量测定数据,分析天然降雨的入渗特征。结果表明:降雨对土壤含水率的影响主要集中在160 cm深度以上,且随深度增加而递减,至240 cm土层降雨峰值信息几近消失;湿润锋运移速率与降雨强度呈正相关关系,与土壤初始含水率成负相关关系,湿润锋运移深度同降雨量和降雨强度正相关;降雨对300 cm土壤水的补给行为普遍存在,入渗补给以活塞流方式为主;降雨入渗补给土壤水的滞后作用表现出对100～200 cm土壤水的补给滞后时间为15～18 d,对300 cm深度土壤水的补给滞后时间为30～45 d。研究结果对明确黄土塬区水循环机制具有一定参考意义。     

自然降雨对干化土壤水分恢复有效性分析

研究自然降雨对干化土壤水分恢复的有效性,有利于合理利用降水资源,加强干化土壤水分管理,促进土壤干层得到有效恢复。在陕北米脂试验站设置野外地下大型土柱,通过2014—2019年连续定位监测降雨、土壤含水率状况,分析自然降雨对干化土壤水分恢复的有效性。结果表明:(1)从深层干化土壤水分恢复角度考虑,黄土丘陵半干旱区降雨可以分为3种类型:表层入渗快速蒸发型、浅层入渗缓慢蒸发型和深层入渗补给型。其中深层入渗补给型降雨为有效降雨,该类型雨量>26 mm,能够对深层干化土壤产生有效水分补给。2014—2019年发生深层入渗补给型降雨仅16次,累积雨量791.8 mm,降雨次数、降雨量的有效率分别为4.64%和35.19%。(2)月尺度条件下,降雨量(P月)与逐月入渗深度(Z逐月)、月累积入渗深度(Z累积)均呈二次函数关系变化,Z逐月=-0.0102P月2+3.955P月-6.7335(R^2=0.9639),Z累积=-0.0003P月2-0.1331P月+191.71(R^2=0.9208)。(3)年尺度条件下,2014—2019年雨量分别为187.6,391.6,590.8,337.6,342.4,400.0 mm,降雨逐年引发的入渗深度依次为160,220,400,260,260,120 cm,累积入渗深度依次可达180,220,400,700,1000,1400 cm。研究结果对揭示自然降水恢复干化土壤机理,加强土壤干层人工蓄水保墒技术,合理选择保墒措施,以及促进当地生态环境建设具有积极的推动作用。     

黄土高原藓类生物结皮对表层土壤水分运动参数的影响

生物结皮普遍存在于干旱和半干旱地区土壤表层,对土壤水分有重要影响。为了进一步探究生物结皮对表层土壤水力学特性和水分运动过程的影响,该研究以黄土高原风沙土和黄绵土上发育的藓结皮为研究对象,通过野外采样与室内试验相结合,测定了藓结皮覆盖土壤和无结皮土壤的Boltzmann变换参数、土壤水分扩散率、入渗过程、比水容量和非饱和导水率,对比分析了有无藓结皮覆盖对表层土壤水分运动参数的影响。结果表明:藓结皮覆盖抑制了表层土壤水分的扩散,藓结皮覆盖土壤的Boltzmann变换参数和水分扩散率分别比无结皮土壤降低7.9%～27.3%和99.2%～99.6%;藓结皮覆盖后表层土壤渗透性显著降低,其水分入渗参数(初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率、累积入渗量)和非饱和导水率分别降低了17.1%～55.4%和84.8%～92.3%;藓结皮显著提升了表层土壤的持水和供水能力,藓结皮层的水分常数(田间持水量、萎蔫系数、重力水含量、有效水含量和易利用水含量)比无结皮土壤高40.9%～1 233.3%,土壤水吸力在100k Pa时的比水容量比无结皮土壤高7.4%～1 540.5%;相比黄绵土,藓结皮覆盖对风沙土的渗透性影响较小,而对土壤持水和供水性的影响较大。综上,黄土高原藓结皮覆盖降低了土壤渗透性,同时显著提高了表层土壤的水分有效性,这可能导致土壤表层在雨后截留较多水分,进而使土壤水分分布趋于浅层化,并改变该地区的土壤水分有效性和植物水分利用策略。     

黄土区坡地和坝地土壤电阻率分布特征及应用

土壤水分的准确高效测定是土壤水文学研究的重要基础,以土壤电学性质为基础的电阻率成像法(ERT)为土壤水分信息获取提供了新的技术手段.为探究E RT在黄土区土壤水文过程研究中的可行性,利用高密度电法仪测定了陕北六道沟小流域典型坡地和坝地剖面土壤电阻率(ρ),分析了不同土地利用方式下ρ二维分布特征,探讨了E RT在黄土区土...     

降雨入渗条件下厚包气带土壤水流通量的模拟与分析

降雨较少的半干旱半湿润地区大范围的厚包气带中土壤水运动的研究越来越受到关注,其中厚包气带对降雨补给浅层地下水特征的影响是重要的研究问题。探究厚包气带情形下降雨对浅层地下水的补给作用和机理可为分析人类干扰情况下水文循环规律的变化、合理地制定水资源开发利用规划提供理论依据。本文以北京市大兴区新凤河流域采育镇由GEOPROBE钻机获得的9.6m厚包气带土壤样品为研究对象,在室内详细测得土壤特性数据的基础上,运用HYSRUS-1D软件模拟55a降雨入渗条件下的一维土壤水流动态过程,分析土壤水流通量的时空变异特征,探讨用较浅层位(2m深度附近)的土壤水流通量来估算深层土壤水渗漏量的可行性,旨在为野外裸地厚包气带条件下评价降雨入渗对浅层地下水的补给提供简捷实用的方法。研究结果表明:该地区多年自然降雨条件下的平均土壤水分深层渗漏量为131.03mm,多年平均降雨入渗补给系数约为0.21。其中,平水年对应的平均降雨入渗补给系数约为0.18。当模拟时段达到55年时,土壤剖面2m以下的入渗通量几乎不随深度变化而变化。这一实际案例的研究结果对该区域宏观水资源管理和评价具有一定的参考价值。     

黄土半干旱区白榆和侧柏夜间液流动态分析

 利用TDP茎流计研究了黄土半干旱区白榆和侧柏夜间液流的特征,结果表明:与白天相比较,2树种夜间液流通量密度较小;夜间水分补充的时间段主要在前半夜;受干旱胁迫的影响,白榆的夜间水分补充量雨天要远大于晴天;白榆的夜间液流通量密度及其对日蒸腾量的贡献率对环境因子较为敏感,主要影响因素为降雨量;侧柏由于本身极强的保水能力和抗旱性,其夜间液流通量密度及其对日蒸腾量的贡献率受环境因子的影响不显著。在黄土半干旱区侧柏具有比白榆更强的适应能力。     

黄土高原人工林对区域深层土壤水环境的影响

通过对典型黄土区 1 0m土层土壤水分的分析表明 :黄土高原土壤深层具有丰富的土壤水资源 ,3～ 1 0m土层内土壤水资源从南部的 1 0 86.8mm逐渐降低到北部的 5 2 4.1mm ,各地土壤水资源量约相当于当地多年平均降水量的 2倍。在 1 0m土壤水分剖面内 ,随土层深度的变化土壤含水量具有波动性和相对稳定性的特征。以荒坡地或低产农田为对照 ,通过对比分析发现 ,黄土高原目前主要的造林树种可利用 9～ 1 0m以下土层的土壤水资源。在黄土高原半干旱气候背景下 ,人工林植被的耗水主要使黄土区中北部地区 3～ 8m土层土壤含水量降低到长期接近或低于凋萎湿度 ,形成难以恢复的深厚土壤干层。人工林大量耗水形成的难以恢复的土壤干层是黄土高原特殊的生态水文现象 ,是目前区域人工植被生态系统不稳定性的体现。同时表明 ,黄土高原营造的人工林尚不能达到涵养水源之功能。     

采煤扰动下潜水位及包气带水分变化特征

为更好地了解采煤扰动下潜水位及包气带水分变化规律,在陕北典型矿区开展了降雨、潜水位、包气带土壤含水率等水循环要素的野外原位观测试验,基于观测数据,采用Spearman秩相关系数检验、小波分析等方法,分析了未开采区及采空区潜水位和包气带水分的变化特征。结果表明：未开采区地下水位对于降水的响应明显且时间上存在4、5个月的滞后,采煤扰动后,地下潜水位持续下降,与降水响应关系微弱;在垂向上,未开采区较大降水可对100 cm以下埋深的土壤含水率产生影响,采空区土壤含水率总体减小,且同降水的响应程度不显著,含水率最大值相对于未开采区出现时间提前,50 cm以下埋深的土壤含水率对小强度降水无响应。采煤扰动潜水位下降后造成包气带增厚,包气带损耗的水量增加,随之造成降雨入渗补给地下水减少,进一步加剧了潜水位下降。     

黄土高原不同林龄苹果树根系吸水策略对降水的响应

在黄土高原陕西省长武塬区选取品种和管理手段均相同的3种林龄果园(尚未结果的5年幼龄果园、已结果的8年初果园和13年壮果园)苹果树,采用空间换时间的试验设计,分别于2015年7月12日和8月19日对0—500cm深度土壤及对应取样处的苹果树枝条取样,测定土样和枝条样中水分的稳定氢氧同位素,并利用贝叶斯模型量化降水前后不同土层对苹果林耗水的贡献。结果表明:(1)不同林龄苹果树降雨前后的主要水分来源深度不同。干旱时,13年壮龄果树的主要吸水深度比5年和8年果树深;而生长旺季,雨季降水只能补充未挂果的5年幼龄果园土壤水分消耗,即使降水量很大,也无法满足已经开始挂果的8年和13年果园土壤水分消耗。(2)在干旱期,5年和8年果树50%以上的水分来自表层0—100cm土壤,而13年果树50%的水分来自100—300cm土层。而降水后,5年和8年果树的主要水分来源变为100—300cm土层,贡献值在40%左右;13年果园的主要水分贡献层为0—100cm土层,贡献了近50%的水分。(3)3种林龄果树根系对300—500cm土层土壤水分的吸收对降雨的响应非常弱,降雨前后贡献率始终保持在30%。     

A State‐Space Analysis of Soil Organic Carbon in China's Loess Plateau

An accurate estimation of soil organic carbon (SOC) is important for the evaluation and management of carbon (C) flux in terrestrial ecosystems. However, there is little work on the spatial variability of SOC in deep soils and its driving factors. Thus, the objective of the study was to derive the primary factors dominating the spatial distribution of SOC in different soil layers with the use of the autoregressive state‐space approach. The concentration of SOC was measured to the depth of 500 cm (n  = 86) along a south–north transect of China's Loess Plateau. The mean SOC of the 500‐cm soil profile generally decreased from south to north following the decreasing rainfall gradient. Based on the investigated factors, the state‐space model was able to capture 90.3–99.9% of the spatial variability of SOC in the various soil layers. According to the coefficients in the optimal state‐space model for each soil layer, climatic factors such as precipitation and temperature had a dominant control over the spatial distribution of SOC at shallow depths. However, both climatic and edaphic (e.g. soil texture) factors, and to a small extent land use, influenced the spatial behavior of SOC at the 40–200 cm soil depth. For soil layers below 200 cm, the importance of land use was revealed, and the spatial characteristics of SOC were together driven by land use, climatic and edaphic factors. This is critical for the management of soil C flux in deep soils and the C stock and cycle in terrestrial ecosystems. Table SI. Basic properties of soils and climate and elevation under three land uses along the south–north transect on the Loess Plateau (mean ± standard deviation). Note that SWC is gravimetric soil water content. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.