散射辐射比例对华北平原杨树人工林生态系统能量分配的影响

【目的】在全球辐射总量及其组成显著变化的背景下,明确散射辐射比例（Fdif）对华北平原杨树人工林生态系统能量分配的影响,为准确评估杨树人工林的生态服务功能和进一步完善生态系统过程模型提供科学依据。【方法】利用涡度相关技术和小气候观测,对2019、2021年生长季（DOY 91～304）杨树人工林生态系统的能量通量和环境因子开展研究。【结果】华北平原杨树人工林生态系统能量分配在生长季中期（DOY 152～243）以潜热通量（LE）为主,在生长季初期（DOY 91～151）和末期（DOY 244～304）以显热通量（H）为主。Fdif与波文比（β）呈显著负相关（P<0.01）,与冠层导度（Gs;P<0.01)、冠层分离指数（Ω;P<0.05)和Priestley-Taylor系数（α;P <0.01）呈显著正相关。通径分析结果表明,Gs是调节华北平原杨树人工林生态系统能量分配的主要因子,Fdif下降时,Gs降低,饱和水汽压差（VPD）增大,生态系统的β显著增大,进而改变生态系统能量分配模式。【结论】Fdif变化影响华北平原杨树人工林生态系统能量分配,Fdif下降会导...     

径流曲线数(SCS-CN)模型估算黄土高原小流域场降雨径流的改进

径流曲线数(SCS-CN)是预测场降雨地表径流常用的水文模型之一,由于其基本假设合理、参数易于获得而被广泛应用。然而,由于流域径流的形成受广泛存在空间或时间异质性的地形、地貌、土壤、气象、植被以及土地利用等多种因素的影响,按照标准径流曲线数模型估算的场降雨径流与实测径流相差可能很大。因此,针对特定区域、特定流域对该模型进行相应的修正是提高其径流预测精度的有效途径。本文于晋西黄土区吉县蔡家川分别以农田草地、人工林和次生林为主的3个典型小流域为对象,将2004—2011年实测的场降雨径流数据分为模型参数率定期(2004—2009年)和验证期(2010—2011年),对比标准SCS-CN模型和修正的SCS-CN模型(包括降雨量修正,降雨量与降雨强度修正,降雨量、降雨强度和初损率优化修正)预测场降雨径流的可靠性。结果表明:1)标准SCS-CN预测小流域场降水径流时,精度极差,模型拟合效率系数(E)均小于0;2)采用降雨量修正CN值预测流域地表径流精度优于标准模型,但对于小径流事件而言,预测结果会偏大,对于大径流事件,预测结果会偏小;3)基于优化降雨强度修正因子β和初损率λ模型可以提高以农田草地和人工林为主2个小流域的径流预测精度。对于以次生林为主的流域而言,仅通过降雨量修正CN值即可提高模型的预测精度,E可达0.79。反映流域储水特征的初损率λ,人工林为主的流域最小,为0.069,农田草地为主的流域次之,为0.189,次生林为主的流域,为0.200,表明次生林流域具有较好的储水效果。      

不同水分调控对晋西黄土区苹果×大豆间作系统细根分布与耗水特性的影响

为探求适于晋西黄土区果农间作系统的水分调控措施,选取该地区典型的苹果×大豆间作系统为研究对象,结合覆盖与调亏灌溉2种节水措施,分析了不同水分调控措施对苹果和大豆根系空间分布、耗水量与水分利用等指标的影响。试验设置灌溉上限3个水平:田间持水量的55%(W1,低水),70%(W2,中水)和85%(W3,高水),2种覆盖材料:秸秆覆盖(M1)和地膜覆盖(M2)。结果表明:水分调控措施增加了苹果和大豆总根长密度,且扩大了苹果在水平和垂直方向上的根长分布。苹果根长密度与距树行距离呈负相关,而大豆则呈正相关,且均与垂直深度存在负相关关系。大豆鼓粒期土壤水分随距树行距离的增加先减后增,最小值为距树行1.5～2.0m,与清耕(CK0)和单一覆盖(CK1和CK2)相比,水分调控措施能显著提高0—60cm土层内的土壤水分。聚类分析表明水分调控下苹果和大豆主要水分竞争区域为距树行0.5～1.5m、垂直方向0—40cm土层范围内。M2W2处理苹果细根集中分布在20—40cm土层,大豆细根主要在0—20cm土层,根系错位分布缓解了种间水分竞争,其耗水量可较W3组减少40～50mm,且其产量和水分利用可分别较其他水分调控措施提高29.37%～41.92%,12.29%～53.35%,同时可使间作系统净收益最大,可达2 976.5元/hm~2。由此建议在未坐果的幼龄苹果树行间间作大豆时采用地膜覆盖措施,同时在分枝期灌水150m~3/hm~2,结荚期灌水400m~3/hm~2,鼓粒期灌水300m~3/hm~2,可显著提高间作系统水分利用水平和经济效益。     

不同树龄单株苹果树树冠遮阴范围分析

通过晋西黄土区苹果农林间作系统不同树龄果树的遮阴范围、重复遮阴区域和遮阴时长的研究,遵循平行光线下的相似性原理,将果树按其树体缩小50倍,根据实测苹果树体形状,制作不同林级的苹果树3D模型,利用树体模型在研究区现地进行果树遮阴范围的测定实验。结果表明:1)对于研究区果树种植配置而言,4~7年生果树株间存在遮阴重叠,而行间不存在遮阴重;2)根据对树冠遮阴区域的分析,提出4~7年生果树的合理间作距离;3)随着苹果树树龄的增长,果树与作物的争光明显增强;间作作物距果树越近,果树与作物争光越明显。在果农复合系统中,间作作物的种植应该依据果树遮阴区域而定,并且不同林龄果树的果农复合系统,其间作作物种植区域是不同的。该研究为果农复合系统中,间作作物合理种植间距的确定提供支撑。     

HEC——HMS分布式水文模型在黄土高原小流域的可应用性

场降雨条件下小流域水文模型的研究是水文学的热点问题之一。该文利用山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站2004—2006年的实测资料,在分析了HEC--HMS分布式水文模型参数敏感性的基础上,进行了参数率定和检验,然后利用率定好的参数,对HEC--HMS分布式水文模型在黄土高原小流域中的可应用性进行了评价。研究得出:参数Cn对洪峰流量和径流总量敏感,Cn的取值是决定模型模拟精度的关键;洪峰滞时对洪峰出现时间为一般敏感;模型率定期的确定系数在0.75～0.87之间,模型验证期的确定系数在0.73～0.82之间;HEC--HMS分布式水文模型适用于黄土高原地区。      

滴灌水肥调控对苹果-大豆间作系统光合特性和水分利用的影响

为探究适于晋西黄土区果农间作系统滴灌水肥一体化管理制度,以典型的苹果-大豆间作系统为研究对象,设置灌水和施肥两因素,分析不同水肥调控措施对土壤含水量分布、苹果和大豆光合生理特征、大豆生长和产量以及间作系统水分利用等指标的影响。试验在大豆4个关键需水期进行灌水,肥料随灌溉水施入,每次设置不同灌水上限和施肥水平,4个灌水量上限水平分别为:田间持水量(Fc)的60%(W1),70%(W2),80%(W3)和90%(W4),3个施氮水平:纯N 59.40 kg/hm^2(F1),92.00 kg/hm^2(F2),124.32 kg/hm^2(F3),对照处理(CK)整个生育期不灌水不施肥,仅在播种前施入基肥。结果表明:各水肥处理土壤含水量在水平和垂直方向上具有显著差异,灌水量对土壤含水量的影响程度高于施肥量和水肥交互作用。苹果和大豆的净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)的日变化特征相似,均为单峰型曲线,最大值均为W3F2处理。各处理大豆株高、茎粗和叶面积指数(LAI)分别较对照组提高了1.3%~32.3%,2.8%~33.9%和3.4%~125.9%,其中最大值均出现在W3F2处理,该处理大豆产量和间作系统水分利用效率(WUE)也最优,较其他处理分别提高了10.9%~99.3%和8.0%~70.0%。在播种至出苗期、幼苗期至分枝期、开花结荚期和鼓粒期可以设置80%Fc的灌水上限,同时在大豆幼苗期至分枝期、结荚期和鼓粒期分别施加92.00 kg/hm^2的氮肥,该水肥管理方式使苹果—大豆间作系统获得较高的作物产量及水分利用效率,可为该地区间作系统滴灌水肥一体化管理提供参考。     

指数平滑法在林地水分动态模拟和预测中的应用

指数平滑法是广泛应用的基于时间序列进行预测的方法之一,但是目前该方法在土壤水分动态模拟与预测方面的应用较少。采用指数平滑法中的Simple模型,对晋西黄土区人工刺槐林地2009年6月1日至9月30日间每日土壤含水率和土壤蓄水量进行了模拟和预测。结果表明,该模型能够以一定精度对土壤含水率和土壤蓄水量进行模拟和预测;在0—150cm土层内的7个不同观测土层中,随着土层深度的增加,该模型的预测准确性增大。100—150cm土层预测值最大误差<5%,并且120—150cm土层的预测在7个观测土层中最为准确,其平均误差率仅为0.101 1%。对预测值与实测值进行比较后得出,降雨、蒸发蒸散、地表径流、植物根系吸收等影响因素可能对人工刺槐林地的土壤含水率和土壤蓄水量的影响深度可至120cm。     

晋西黄土区典型林分枯落物层水文生态特性研究

选择山杨栎类次生林（以下简称次生林）、刺槐林、侧柏林、油松林为研究对象，通过样地调查，结合室内浸泡方法，对比分析枯落物（未分解层、半分解层）的水文特征指标，研究典型林分枯落物层水文生态特性。结果表明：（1）枯落物厚度为3.93~4.95 cm，刺槐林最大，油松林最小；蓄积量为次生林最大（19.28 t/hm²），侧柏林（18.03 t/hm²）和刺槐林（17.57 t/hm²）次之，油松林最小（14.73 t/hm²），未分解层蓄积量小于半分解层。（2）枯落物最大持水量（率）为30.92~61.31 t/hm²（197%~320%），次生林最大，依次为刺槐林、侧柏林，最小为油松林。（3）枯落物有效拦蓄存在显著差异（P>0.05），表现为次生林（31.29 t/hm²） > 刺槐（22.20 t/hm²） > 侧柏（18.19 t/hm²） > 油松（13.94 t/hm²），有效拦蓄率为107%~173%。（4）在浸水2 h内，枯落物持水量和吸水速率变化以次生林与刺槐林最为迅速，半分解层较未分解层变化迅速；持水过程中，两者与时间分别呈对数函数（R²>0.89）和幂函数关系（R²>0.99）。在4种林地中，次生林林下枯落物水文生态潜力最优，油松纯林最差，表现为次生林 > 刺槐 > 侧柏 > 油松。刺槐是除次生林外的3种人工林中最优林种。建议研究区内合理优化恢复树种配置，以提高水文生态功能。     

土壤含水量对探地雷达探测植物根系构型精度的影响

根系是评价植被生态服务功能的关键基础要素,但快速、精确、无损确定根系的测量技术和方法是目前生态系统评估中的瓶颈。探地雷达是一种高效无损的地球物理学技术,可以在无损状态下获取土壤中的根系信息。但是探地雷达检测和识别根系的精度受土壤含水量、根系含水量、根径大小、根系埋藏深度等诸多因素影响,导致其在野外根系探测中适用性受限,为了探究土壤含水量对探地雷达探测根系精度的影响,本研究采用野外预埋根系的控制实验,根据探地雷达波速、振幅和根点反射系数的变化,分析了不同土壤含水量条件下根点识别率及根点距离均方根误差。结果表明：（1）根系探测中,探地雷达波速和振幅是判断土壤含水量变化的重要参数;（2）随着土壤含水量的增大,探地雷达波速减小,雷达振幅趋于平缓;（3）不同土层深度上随着根系直径的增大,探地雷达波速增大,雷达振幅趋于激烈;（4）根点识别率与土壤含水量成负相关（P<0.05）,土壤含水量为15%～25%时探地雷达对活根的识别效果最佳。本研究表明探地雷达可以作为植物根系生物量无损和快速测定、评估的方法,但在利用探地雷达测定土壤中根系时,应在土壤含水量相对较低的时间段进行。     

1951—2020年黄河上中游径流变化特征及归因分析

【目的】河川径流是地表重要的水资源,对其变化特征和原因进行解析,是流域水资源科学管理规划的前提。【方法】本文采用Mann-Kendall趋势检验、Pettitt突变检验、Budyko弹性系数法等方法分析了黄河上游和中游近70年（1951—2020年）径流变化的趋势和成因。【结果】（1）1951—2020年黄河上游年降水量呈不显著增加趋势（4.04 mm/（10 a）,P> 0.05）,中游呈不显著减少趋势（4.90 mm/（10 a）,P> 0.05）;上游、中游年潜在蒸散发均呈不显著增加趋势（1.77、2.23 mm/（10 a）,P> 0.05）;(2)黄河上游和中游1980—2020年土地利用/覆盖变化明显,主要表现在林草面积的增加,上游、中游年NDVI分别以0.025/（10 a）、0.042/（10 a）的速率显著增加（P <0.01）;(3)1951—2020年,上游和中游年径流量分别以3.46、7.46 mm/（10 a）的速率显著减少（P <0.01）,并分别在1986年、1990年发生突变;（4）上游和中游径流对降水变化最为敏感,其次是土...