荒漠草原不同覆被类型土壤水分动态及其对降水的响应

干旱、半干旱区植被恢复与重建对降雨具有高度的依赖性,降雨格局的任何细微变化对其生态系统均会产生影响。以宁夏盐池县荒漠草原3种主要覆被类型（浮沙地、天然草地和柠条林地）为研究对象,使用自动气象站、土壤水分仪连续监测2015—2017年降水量和土壤水分数据,分析了3种覆被类型0—250 cm土层的土壤水分动态及其对不同量级降水的响应。结果表明：浮沙地土壤水分从表层至深层为增长趋势,天然草地和柠条林地为增加—减少—增加趋势;水分季节变化分为土壤水分稳定期（12月至翌年2月）、土壤水分积累期（3—5月）、土壤水分消退期（6—8月中旬）和土壤水分恢复期（8月下旬至11月）。5 mm以下的小降水事件对土壤水分几乎无影响;中等降水事件（5~25 mm）和大降水事件（25~40 mm）对0—20 cm或浮沙地0—40 cm土层土壤水分有补给作用;40—100 cm土层的水分补充需要特大降水事件。浮沙地对降水响应最敏感,柠条林地次之,天然草地最滞后。降水量、降水强度、雨前土壤含水量和土壤物理性质均是影响土壤水分入渗的因素,而在降水一致时,土壤类型是决定土壤水分动态的重要因素,植被对土壤剖面水分具有再分配的作用,这在干旱区生态系统中尤为重要,决定了植被类型与土壤类型的对应关系。     

气候变化对内蒙古中部草原气候生产潜力的影响

根据内蒙古中部草原各样点47a的气候数据,基于Miami和Thornthwaite Memorial气候模型,分析研究区域不同草原类型草地生产潜力和影响气候生产潜力的气候驱动力.结果显示,内蒙古中部草原的气候生产潜力由东向西表现出与地理分布和降水量分布趋势一致的差异性,农牧交错带草地＞典型草原＞荒漠草原＞草原化荒漠,其气候生产潜力在3000～7000kg·hm-2·a-1.研究区域的气候资源利用率在23.8%～62.3%,不同草原存在一定的差异性.分别采用草原样方取样实际产量数据、气候数据和气候生产力模型数据计算分析表明:与温度相比,降水量是影响研究区域牧草产量和气候生产潜力的主要气候驱动力,温度与降水对草原气候生产潜力都具有正效应,不同草原类型温度与降水变化对气候生产潜力的影响有差异性.温度每升高或降低1℃,草地气候生产潜力升高或降低6.75～29.07kg·hm-2·a-1,降水量每升高或降低1mm,草地气候生产潜力升高或降低0.83～1.86kg·hm-2·a-1.未来气候"干暖化"的趋势下,研究区域温度升高增加的气候生产潜力作用小于由蒸散量增加引起的减产作用,因而导致草地气候生产潜力下降,受水分限制作用越明显的草原,其气候生产潜力下降的趋势越显著.     

内蒙古自治区达茂旗荒漠草原土壤水分对降水的响应

[目的]研究不同降水模式土壤水分响应机制,为防治荒漠草原植被退化及土地荒漠化提供理论基础。[方法]以内蒙古自治区达茂旗为例,基于自动土壤水分观测站2016—2018年逐时土壤水分、降水量资料,利用统计学等方法,研究荒漠草原降水对土壤水分的影响。[结果]对于5.1～10.0,10.1～25.0 mm和大于25 mm降水事件,土壤水分响应深度分别为10,20 cm和50 cm,响应天数分别为6,7～9 d和10 d。5.1～15.0 mm和20.1～25.0 mm的降水,降水强度越大,土壤水分入渗深度越大;15.1～20.0 mm的降水,降水强度越大,土壤水分入渗深度越小。5.1～15.0,15.1～20.0,20.1～25.0 mm降水事件,0—10 cm土壤水分在降水强度较小时,土壤水分均在1 h后显著响应;在降水强度较大时,土壤水分分别在5,8 h及8 h后显著响应。[结论]土壤水分对降水响应主要依赖于降水模式,包括降水量、降水强度、降水时间等。5.1～15.0 mm和20.1～25.0 mm降水量时,降水强度对土壤水分入渗深度具有正反馈作用,对入渗速率具有负反馈作用;15.1～20.0 mm降水量时,降水强度对土壤水分入渗深度和速率均具有负反馈作用。     

不同封育条件下荒漠草原生态系统健康评价

为定量评价围封对草原生态系统健康的影响,以宁夏盐池柳杨堡封育区为研究区域,采用生态系统健康指数对该区不同封育条件下荒漠草原进行评价分析.结果表明：1）从封育时间上看,封育时间越长,生态系统健康水平并非越好.2）从放牧压力上看,早期封育期间,放牧不利于草原生态系统健康恢复;封育达到一定年限后,适度放牧有利于草原生态系统健康恢复.因此,在荒漠草原植被恢复研究中,有必要调整封育年限、适度放牧,不仅能获得一定的经济效益,还能促进荒漠草原生态系统健康恢复.     

阿勒泰地区不同草地类型植被特征

天然草原是新疆阿勒泰地区畜牧业生产赖以生存的主要物质基础之一,也是阿勒泰地区最大的生态屏障。为了弄清阿勒泰地区不同草地类型的植被特征,以及将阿勒泰地区草地生物量空间分布以遥感图形式来展现,利用阿勒泰地区162个草地监测样地(365个草地样方)生物量及其他植被因子监测数据,分析了阿勒泰地区9个草地类型的植被组成、海拔高度、植被高度、盖度、生物量;同时,借助ArcGIS软件制作了2014年的生物量分布图。结果显示:(1)不同草地类型的海拔高度大小排列为:高寒草甸山地草甸温性草甸草原温性草原温性荒漠化草原温性草原化荒漠温性荒漠沼泽低地草甸;(2)植被盖度排序为:沼泽低地草甸山地草甸高寒草甸温性草甸草原温性荒漠草原温性草原温性荒漠温性草原化荒漠;(3)地表生物量排序为:沼泽低地草甸温性草甸草原山地草甸温性草原高寒草甸温性草原化荒漠温性荒漠;(4)植被高度排序为:沼泽低地草甸温性草甸草原山地草甸温性草原温性草原化荒漠温性荒漠草原高寒草甸温性荒漠;(5)实测生物量与归一化植被指数NDVI的关系可用幂函数来模拟:y=7695.807x~(1.327)(R~2=0.421,p0.05);(6)阿勒泰草原生物量在空间上呈现自南向北增加的分布特征,这与该区水分自南向北递增的趋势一致。依据行政区划富蕴、福海、吉木乃县以南地表植被地上生物量水平较低,越向古尔班通古特沙漠方向生物量值越低。     

干旱区灌溉饲草料地载畜量计算方法

水分是制约干旱区荒漠草原草畜平衡管理的最关键因子,解决这一问题的关键在于如何合理实现"以水定草,以草定畜,实现水草畜平衡"的思路。鉴于传统理论载畜量计算方法在产草量估测和牲畜采食量计算中存在较大误差,该文从水量平衡角度出发,提出了基于水草畜平衡的理论载畜量计算方法,以内蒙古中部达尔罕茂明安联合旗为研究区域,根据不同降水量和灌溉水量条件下的水分生产率曲线,对1 a生优质牧草青贮玉米进行估产,在分析不同体质量下绵羊采食和饮水规律的基础上,分别计算出草量载畜量和水量载畜量,以此确定理论载畜量。计算结果表明,在丰水年情景,该文方法比传统方法多6只羊/万m2,有利于提高畜牧业的经济效益;在枯水年情景,该文方法比传统方法少7只羊/万m2,有利于保护草原生态,避免草原退化。该文提出的载畜量计算方法适用于达茂旗荒漠草原,对牧区畜牧业的可持续发展和草原生态环境保护具有重要的指导作用。     

青藏高原草地植被秋季物候动态及其对极端降水的敏感性分析

[目的]草地植物物候是陆地生态系统对气候变化响应的最显著和最敏感的指标,研究其变化对于理解和预测陆地生态系统的显著变化非常重要。[方法]基于1986—2015年的GIMMS NDVI提取了草地生长季末期(end of growing season,EOS),探究了30年间青藏高原草地EOS时空动态及其对不同极端降水指标的敏感性情况。[结果]近30年青藏高原西北边缘草地EOS集中在9月底,西南边缘和东南边缘集中在11月上旬。喜马拉雅山脉和横断山脉是整个区域EOS最晚地区,昆仑山脉以北和柴达木盆地及周围地区是EOS最早区域。EOS以推迟趋势为主,推迟速率集中在0～1.5 d/a。EOS变化相对稳定,但在唐都拉山脉以东、横断山脉和喜马拉雅山脉东部地区波动性相对较大。未来一段时间内草地EOS变化趋势与过去30年变化趋势相反。降雨强度(SDII)对高山亚高山草甸植被EOS负影响最大,低强度降雨天数(R10MM)对其正影响最大。高山亚高山草原EOS主要受到SDII、中度强度降雨天数(R20MM)的负影响和最长连续湿润天数(CWD)的正影响。荒漠草原植被主要受到CWD的正影响和R20 MM,SDII的负影响。平地草原EOS对SDII的负敏感性较高。山地草甸EOS对最大1 d降雨量(RX1DAY)正敏感性最高。[结论] 青藏高原不同草地植被秋季物候对不同极端降水事件变化的响应呈显著的空间异质性,如较高海拔的高山亚高山草甸和高山亚高山草原的EOS受SDII和R20MM的负影响较大,而干旱区域的荒漠草原与SDII和R20MM呈正相关。研究提供了植物秋季物候如何在未来气候变暖的情况下,极端降水事件增加的情况下青藏高原草地植被秋季物候可能会呈何种变化,可为青藏高原植被草地生长监测、应对气候异常保护策略制定和构建稳定生态屏障提供指导意义。     

不同放牧制度下短花针茅荒漠草原碳平衡研究

采用围栏封育、划区轮牧、禁牧休牧等措施进行退化草原修复和保护,是关系能否有效合理保护和利用草原、应对气候变化的一个重要命题.本研究以内蒙古短花针茅荒漠草原为对象,测定连续10年(1999～2009年)进行围栏禁牧、划区轮牧和自由放牧等不同放牧作用下的长久样区的草原碳输入、输出及平衡特征,旨在从碳平衡的角度为确定荒漠草原合理的放牧管理方式提供依据.采用野外调查法测定生物量季节动态,密闭气室法测定土壤呼吸动态.结果表明:(1)相较于自由放牧,划区轮牧能保持较高的凋落物量、家畜采食量以及地下生物量,在恢复地上植被方面无明显差别,禁牧保持较高的地上生物量、凋落物量及地下生物量;(2)土壤呼吸随着放牧的进行和季节水热条件的变化,呈现不同的变化趋势,自由放牧在干旱季节产生较小的土壤呼吸;(3)生长季内划区轮牧、自由放牧和围栏禁牧下的荒漠草原净生态系统生产力分别为413.78、401.45、416.80 g/(m2·a)C.短花针茅荒漠草原生态系统碳收支表现为碳汇,不同放牧制度对碳收支影响较小,相对而言,划区轮牧较自由放牧有微弱的碳积累优势.     

土壤水分变化对草原植被群落及其光谱特征的影响

以锡林郭勒典型草原为研究区,于2008年5月-2009年5月,分别对不同水分条件下草地的光谱反射率、覆盖度和地上生物量进行测定,以研究草原植被群落及其光谱特征对土壤水分的响应.结果表明,水分波动对典型草原植被结构以及光谱特征具有明显的影响,其中水分充足(丰水年型)能够明显改善典型草原植被结构,增加牧草种类,提高牧草地上生物量,其植被光谱特征在旺盛生长期呈现出显著优势,4种典型植被指数较平水年型、歉水年型显著增加;枯黄期不同水分处理草地植被指数RVI之间呈显著差异(P＜0.05),其余植被指数之间差异不显著;返青期不同水分处理草地植被指数DVI之间呈显著差异(P＜0.05),其余植被指数之间差异不显著.     

综合干旱指数构建及其在不同草原类型中的应用

干旱指数是评估旱情等级、制定防旱减灾对策的重要指标。该研究从干旱发生的物理机制出发,基于CRITIC(Criteria Importance Through Inter-criteria Correlation)客观赋权法,综合考虑气象标准化降水蒸散指数(Standard Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)、植被供水指数(Vegetation Supply Water Index,VSWI)和日光诱导叶绿素荧光指数(Solar-induced Chlorophyll Fluorescence,SIF)在干旱发展过程中的作用机制,构建融合多源信息的综合干旱指数,探究其在不同草原类型干旱中的适用性和敏感性,进而分析干旱的时空分布及演化特征。结果表明:综合干旱指数既能敏锐捕捉气象干旱的早期开始,亦能从水文和牧业干旱角度综合反映旱情的持续过程和时间,相比单一干旱指数,具有综合表征多尺度干旱演化特征的优势;2007—2018年,内蒙古锡林郭勒草原干旱频率呈波动中下降趋势,干旱强度主要以轻中旱为主,重旱及以上干旱集中在春秋两季;空间分布上从西北向东南逐渐降低,呈现荒漠草原典型草原草甸草原,典型草原中北部旱情严重的特征。该研究对蒙古高原不同草原类型干旱事件精准监测及旱灾防御具有重要意义。     

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。     

科尔沁地区不同类型沙地土壤水分的时空异质性

应用半干旱区科尔沁沙地2006-2010年5-9月份土壤水分定点观测资料,研究农田、沙质草地和固定沙丘土壤水分的时空变异性。结果表明:2006年5月-2010年9月,(1)农田、沙质草地和固定沙丘土壤水分都在7月份最高;农田7月份土壤水分与5、6月份的差异显著,沙质草地7月份的与8、9月份的差异显著,而固定沙丘7月份的与生长季其他月份的都有显著差异;(2)3个样地土壤水分随年份有逐渐增加的趋势;(3)农田、沙质草地和固定沙丘0-160cm平均土壤含水量分别为20.69%,7.63%,3.61%,农田土壤水分明显高于沙质草地和固定沙丘,而且3种样地间土壤水分差异显著;(4)3个样地土壤水分随土层厚度增加呈"先增加后减少,最后又增加"的趋势;农田0-20cm土壤水分与20-40cm,40-60cm,120-140cm及140-160cm的差异显著;沙质草地0-20cm土壤水分除与140-160cm有显著差异外,与其他土层均无显著差异;固定沙丘土壤水分只有100-120cm与140-160cm的差异显著;(5)研究区降雨的季节分配极不均匀,主要集中在4-10月的生长季,占全年降雨量的92.58%;0～5mm降雨占全年降雨事件的73.29%,但其降雨量只占全年降雨量的25.1%;降雨间隔期以0～10d为主,占全年无降雨期的37.6%;0～10d降雨间隔期出现的频数最高,占全年间隔期频数的86.9%;(6)当土壤水分较高时,其变异性会随着土壤水分的增加而减小,而当土壤水分较低时,其变异性随土壤水分的增加而增加。     

延河流域不同植被带土地利用方式的土壤水分分析评价

以延河流域不同植被带上的三个小流域为研究对象,引用土壤湿度综合指数作为土壤水分评价指标,结合不同植被带土地利用分布特征与相应土壤含水量对延河流域土壤水分进行评价分析,为该区域不同植被带水土资源的合理利用提供科学依据。结果表明:三个植被带均处于极干旱状态,土壤湿度森林草原带 > 森林带 > 草原带;其中森林带以林地为主,森林草原带以林地和草地共同起主导作用,草原带以草地为主;不同植被带土壤含水量差异显著,森林带最高,其次为森林草原带,草原带最低;对不同植被带土壤水分的剖面变化分析表明,0—200 cm土层中土壤含水量随着深度增加呈现增长趋势。4种土地利用方式中,耕地的土壤含水量显著高于其他三种土地利用方式,这主要是与耕地坡度较小和修建梯田有关,同时还与农作物的耗水量相对较小有关。林地和草地土壤含水量无显著差异,灌木地土壤含水量最小。     

论毛乌素沙地基本农田建设的条件与发展前景

半于旱地区的沙漠地带，大气降水基本全部入渗。由于风沙土缺乏土壤毛细管，干沙层可有效防止水分的蒸发，故风沙区的大气降水作为浅层地下水被储存起来，并以海子、湖泊、沼泽、草句和河川基流的形式出露。风沙区的浅层地下水资源，不仅是影响沙丘形态、植被状况、治理难易的关键因子，更是沙漠绿洲形成的主导因素。毛乌素沙地基本农田的发展途径，一是利用河川引水拉沙，缩河造田；二是在支毛沟修筑沙坝，拦蓄径流，下游缩河造田，目流灌溉，并利用提灌，就近在固定或半固定沙地形成沙漠绿洲；三是利用天然海子或沙井，治理固定或半固定沙地，形成小多成群的绿洲农业。     

黄土丘陵缓坡风沙区不同土地利用类型土壤水分变化特征

为研究黄土丘陵缓坡风沙区不同土地利用类型下的土壤水分变化规律,采用时域反射仪TDR在山西省五寨县分别对玉米农地、柠条林地、苜蓿草地0-100 cm土层进行连续3年的土壤水分观测,掌握不同土地利用类型土壤含水量的季节变化规律和垂直分布特征。结果表明:(1)农林草地土壤水分随时间的变化曲线基本呈"M"形分布,三者季节变化规律相似,但土壤含水量差异达到极显著水平(P<0.01),表现为苜蓿草地>柠条林地>玉米农地;(2)玉米农地与柠条林地土壤含水量随土层深度的增加呈"S"形分布,苜蓿草地的变化趋势与两者完全相反,玉米农地仅土壤表层0-20 cm含水量与降水存在显著相关性,柠条林地和苜蓿草地0-60 cm土壤含水量均与降水显著相关;(3)土壤含水量具有明显的垂直分布特征,在0-100 cm土层层中,随着土层深度的增加,玉米农地CV先逐渐降低后保持稳定,柠条林地CV始终持续降低,苜蓿草地CV先呈现波动变化后明显降低,三者整体表现为表层土壤含水量变异系数大于深层;(4)0-100 cm范围内,玉米农地的土壤层自上而下依次可划分为速变层、活跃层2个层次,柠条林地和苜蓿草地的土壤层划分为速变层、活跃层和次活跃层3个层次。本研究结果表明林地和草地在涵养土壤水分方面优于农田,林地和草地为黄土丘陵缓坡风沙区适宜的土地利用方式,为该区域土壤水分管理及水土资源的合理开发利用提供理论依据。     

基于颗粒模型的风积砂层降雨入渗深度计算及验证

为了研究沙漠干旱区降雨对砂层非饱和带水分的贡献,该文对风积砂层水分入渗过程中的水分存在形式和运移机理进行了理论和力学分析。通过以触点水为主要储水单元的立方布局颗粒模型推导出水分入渗过程中湿润深度的解析表达式,并进行验证。物理和力学分析表明,砂颗粒表面很难形成较厚的薄膜水,砂层非饱和带水分大部分以触点水的形式存在。模型计算结果表明,水分入渗的湿润深度与入渗水量和触点水湿润角有关。模型验证表明,水分入渗湿润深度的解析表达式在风积砂层入渗深度计算中具有一定的适用性,但触点水湿润角与砂颗粒粒径的函数关系还有待进一步研究当设定触点水湿润角为π/4时,比例常数为11.5。该研究可为干旱区农业规划提供依据。     

黄丘区典型灌木和荒草地土壤含水量变化对降雨的响应

为了研究不同土地利用方式下土壤水分的变化特征及其对降雨的响应,以黄丘区辛店沟流域坡面径流小区灌木和荒草地为研究对象,利用多探头土壤水分监测仪对研究对象0—50 cm土层土壤水分进行了连续定位观测,对不同下垫面下土壤水分的变化特征进行了系统的分析和研究。结果表明:(1)不同土地利用方式土壤水分表现出明显的季节变化特征,观测期内荒草地的平均土壤含水量为0.099,大于灌木地0.091,荒草地的土壤含水量总体要高于灌木地。(2)不同土地利用方式土壤含水量垂直变化趋势相似,总体上随着土层深度的增加而减少,具有明显的垂直变异性,灌木地对深层土壤含水量的消耗比荒草地多。(3)土壤含水量在垂直方向上对降雨的响应程度随着土层深度的增加而减小,灌木地和荒草地垂直方向上0—30 cm土层与30—50 cm土层对降雨响应表现为相反的规律。研究认为相比荒草地,灌木地土壤水分消耗更严重,且深层土壤水分受降雨补给有限,易引发土壤干层。     

Soil Moisture Variations with Land Use along the Precipitation Gradient in the North–South Transect of the Loess Plateau

Knowledge of soil moisture spatial variation with land use along the precipitation gradient is necessary to improve land management and guide restoration practice in the water‐limited Chinese Loess Plateau. This study selected 45 sampling points at 11 sites across the north–south transect of the Loess Plateau based on the precipitation gradient and land use. Results showed that the vertical profiles of soil moisture revealed large variations with the precipitation gradient changing, especially in the surface layer (0–100 cm). Significant linear correlation existed between the average soil moisture of the profile and the mean annual precipitation (MAP) for each land use type (p < 0·05). Hereinto, the soil moisture under the grassland was affected more greatly by precipitation. The soil moisture under each land use commonly revealed the trend as farmland > grassland > shrubland > woodland, while it might be higher under the woodland than the shrubland in the surface layer in regions with MAP <500 mm. The soil moisture of woodland or shrubland at the selected points was below or approximate to the permanent wilting point in regions with MAP <520 mm. Covariance analysis confirmed the effects of land use and MAP on the soil moisture in depth of 100–300 cm, and it showed land use did not pose significant effects in the surface layer. In addition, our study indicated that it is necessary to reconsider and re‐evaluate the current vegetation restoration strategy in the perspective of vegetation sustainability and soil water availability, in which woodland and shrubland were selected on a large scale in the arid and semi‐arid regions. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于综合干旱指数的毛乌素沙地腹部土壤水分反演及分布

为了克服单一干旱监测指数在复杂覆盖类型的适用性问题,以复杂覆盖类型的毛乌素沙地腹部乌审旗为例,在传统归一化干旱指数(normalized difference drought index,NDDI)、土壤湿度监测指数(soil moisture monitoring index,SMMI)、温度植被干旱指数(temperature vegetation drought index,TVDI)3个单一干旱监测指数的基础上,通过层次分析法确定各指数的权重,结合野外不同覆盖类型实测的土壤含水率数据,分别进行回归分析,建立多指数综合干旱监测模型,基于此模型分析研究区表层土壤水分的空间分布。结果表明:3个单一干旱指数在一定程度上均能客观反映旱情特征,与表层土壤含水率呈现不同程度的负相关,温度植被干旱指数相关性最好为0.604。引入结合多指数的综合干旱监测指数模型,在8月、9月草地和沙地与表层土壤含水率指数模型的决定系数R2均在0.7以上,高于基于单一指数模型的拟合精度。基于该模型,研究区研究区表层土壤含水率整体较低,体积含水率不高于0.15 cm~3/cm~3的面积分别占96.47%(8月)和94.8%(9月)。总体上从东到西,由北到南土壤含水率逐渐降低,与实测表层土壤样本的描述性统计结果有较好的空间一致性。