黄土高原不同降水类型区林地、草地与农田土壤干燥化效应比较

黄土高原人工林草地和旱作农田土壤干燥化问题十分突出,严重威胁着人工植被建设成效和旱作农业可持续发展。通过对黄土高原半湿润区、半干旱区和半干旱偏旱区53类林地、草地和农田深层土壤湿度的观测,分析比较了各类型区各类林地、草地和农田土壤湿度、土壤水分过耗量、土壤干燥化指数、土壤干层厚度等土壤干燥化效应指标。结果表明:(1)林地、草地和农田土壤湿度平均值依次为6.46%～12.57%、6.49%～11.52%和9.32%～16.00%,均以半湿润区最高,半干旱区居中,半干旱偏旱区最低,林地、草地和农田土壤水分过耗量平均值分别为521mm、491mm和30mm,林地土壤水分过耗量以半干旱区最高,草地以半湿润区和半干旱偏旱区最高,农田以半干旱偏旱区最高;(2)林地、草地和农田土壤干燥化指数平均值依次为39%、42%和96%,分别属于严重干燥化、严重干燥化和轻度干燥化强度,林地土壤干燥化程度以半干旱区和半干旱偏旱区最严重,草地以半湿润区和半干旱偏旱区最严重,农田以半干旱偏旱区最严重,林地、草地和农田土壤干层厚度平均值依次为881cm、836cm和336cm,林地土壤干层厚度以半干旱区和半干旱偏旱区最厚,草地和农田以半干旱偏旱区最厚。     

黄土高原生态林耗水深度和深层耗水量研究

【目的】探讨黄土高原生态林耗水深度和深层耗水量,以明确黄土高原生态林的耗水规律。【方法】选取延安地区16年生的侧柏、沙棘和刺槐三种常见的黄土高原生态林种,以土钻法获取不同生态林和草地的土壤水分含量。首先基于年际的土壤水分含量确定生态林的土壤水分活跃层;其次,基于> 25 m深剖面的土壤水分数据来确定三种生态林的耗水深度和深层耗水量,并分析不同土层的耗水速率。【结果】依据年际土壤水分含量变化,2 m土层为该地区土壤水分活跃层。侧柏、沙棘和刺槐的最大耗水深度分别为12.0 m、12.2 m和23.2 m,其16年内耗水总量分别为304 mm、664 mm和1763 mm。刺槐的深层土壤耗水速率最大,为110 mm a^-1;其次为沙棘,为42 mm a^-1;最小为侧柏,为19mm a^-1。在2～10 m土层刺槐的耗水量仅占总耗水量的44%。【结论】探究黄土高原生态林的耗水量需要根据生态林物种的耗水特性选择合适取样土层深度。     

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。     

晋西黄土区不同密度刺槐林地土壤水分补偿特征

为研究晋西黄土区不同密度刺槐人工林对土壤水分的影响,分别选取2 400株/hm2与1 300株/hm2刺槐人工林代表研究区高、低密度刺槐林分,以裸地为对照,分别利用Enviro-SMART土壤水分定位监测系统和翻斗式自记雨量计对0—150cm深度范围内各土层体积含水量与林外降雨进行定位观测。结果表明:(1)从不同降水年份来看,在干旱年和平水年,低密度刺槐生长季平均土壤储水量高于高密度刺槐,在研究年份中,低密度刺槐多年平均土壤储水量比高密度刺槐多年平均土壤储水量高6.80 mm。(2)在土壤剖面垂直方向,干旱年、平水年高密度刺槐对0—30cm土层土壤水分的消耗高于低密度刺槐,丰水年0—30cm土层土壤水分消耗各刺槐林间差异不显著(P0.05)。(3)综合分析降雨入渗深度、入渗量及雨季土壤水分补偿度等指标,研究区天然降雨可对低密度刺槐林分生长所消耗的土壤水分进行有效补充,不会出现人们所担心的黄土高原在植被恢复过程中会造成水分的不足而导致新的生态退化。但考虑到高密度刺槐林对土壤水分的消耗,建议在研究区进行刺槐林植被建设过程中多考虑采用低密度刺槐林的配置方式。     

中国北方旱农地区农田水分动态变化特征

北方旱地区域农田水分特征的主要影响因子是自然降水和农田蒸散量。在区域尺度上，农田潜在蒸散量是半干旱偏旱区＞半湿润偏旱区＞半干旱区。半干旱偏旱区农田水分平均潜在亏缺量为517 mm，最大亏缺量为968 mm，最小亏缺量为162 mm。半干旱区旱地农田水分平均潜在亏缺、最大亏缺和最小亏缺量分别为274、688和－34 mm，半湿润偏旱区上述3个参数分别为157、469和－180 mm。由于降水的时空变化，不同类型地区农田土壤水分储存量也产生了区域分异，3种不同类型地区农田土壤水分在农作物不同发育期储存量的变化是半湿润偏旱区＞半干旱区＞半干旱偏旱区。旱地作物耗水主要来源于生育期间的有效降水和播种前的土壤蓄水。     

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。     

晋西北黄土丘陵区人工林地土壤水分亏缺评价

[目的]定量评价半干旱黄土丘陵区人工林地土壤水分亏缺现象,为科学指导该区域合理配置植被和生态恢复建设提供理论依据。[方法]以地处晋西北的五寨县为目标研究区域,通过构建土壤水分亏缺定量评价模型,对柠条林(Caragana korshinskii)、小叶杨林(Populus simonii)、油松林(Pinus tabuliformis)土壤水分相对亏缺指数和样地土壤水分相对亏缺指数进行计算。[结果]3种人工林地均有不同程度的土壤水分相对亏缺现象,小叶杨林和柠条林在0—200cm有轻微土壤水分亏缺,小叶杨林在200—600cm深度内没有土壤水分亏缺,柠条林在200cm深度以下土壤水分亏缺值随土层深度增加而升高;油松林在0—200cm土层深度内,土壤水分亏缺严重,在200cm深度以下土壤水分亏缺值随土层深度增加而有所降低;3种林地的样地土壤水分相对亏缺指数分别为0.16,-0.12和0.31,油松林的土壤水分亏缺程度高于另外2种林地;3种人工林地均有不同程度的干层分布,以轻度和中度干层为主,油松林在浅层土壤有重度土壤干层发育。[结论]晋西北黄土丘陵区3种人工林地中,油松林土壤水分亏缺最为严重。     

黄土高原苹果园深层土壤干燥化特征

为了评价黄土高原苹果产区深层土壤干燥化特征及其区域分布规律,测定了其半湿润黄土台塬区(Ⅰ)、半湿润易旱黄土旱塬区(Ⅱ)、半湿润偏旱和半干旱黄土丘陵区(Ⅲ)等不同气候和地貌类型区32块苹果园地0～1500cm土层土壤湿度,定量比较和分析了各类型区苹果园地深层土壤含水率、土壤湿度剖面分布及其土壤干燥化特征。结果表明:1)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区苹果园地0～1500cm土层土壤含水率依次为17.53%、13.44%和10.29%,土壤有效贮水量依次为1273.70、973.98和864.05mm,土壤水分过耗量依次为199.93、465.10和362.70mm,年均土壤干燥化速率依次为8.47、26.29和23.44mm/a。人工补灌、树龄、种植密度和地貌类型等因素影响果园土壤湿度和土壤干燥化程度。2)各区有补充灌溉的果园土壤剖面湿度显著高于旱作果园,不存在或部分土层存在干燥化现象;旱作果园土壤剖面均存在深厚的干燥化土层。3)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ区有补充灌溉的苹果园地土壤干燥化指数(SDI)分别为-8%、-11%和-34%;旱作果园土壤干燥化指数(SDI)分别为32%、50%和46%,各类型干层厚度分别达到或超过790、1297和910cm。研究结果为黄土高原苹果园地深层土壤水分可持续利用和苹果生产基地可持续发展提供参考。     

晋北风沙区人工林土壤水分及粒度特征

以位于晋北风沙区右玉县贾家窑6种人工林地(11 a油松林、21 a油松林、23 a华北落叶松林、17 a油松+柠条混交林、柠条林和沙棘林)为研究对象,通过测定土壤含水量及粒度、计算粒度参数等分析比较不同林地土壤水分和粒度的变化及分布。结果表明:1)在0~100 cm深度,6种林地平均土壤含水量由大到小依次为:沙棘林11 a油松林柠条林17 a油松+柠条混交林23 a华北落叶松林21 a油松林;0~20 cm土层土壤含水量相对较低,较深土层土壤水分受植物蒸腾耗水、根系分布深度及密度等因素影响;2)6种林地的粒度组成以极细砂和粉粒为主。7个粒级中,柠条林和沙棘林粉粒占比最大,其他林地极细砂含量占比最大;3)在0~100 cm深度,6种林地土壤平均粒径大小依次为:23 a华北落叶松林11 a油松林21 a油松林17 a油松+柠条混交林沙棘林柠条林;4)沙棘林和柠条林有较强的水土保持能力,在晋北风沙区植被恢复过程中可以优先选择沙棘和柠条进行造林;5)研究区经过多年植被恢复,人工林耗水量增加。认为有必要根据土壤水分状况结合植被耗水特性和生长阶段开展人工林的科学管护,如适当调整植被盖度,加强林下草本和枯落物保护。     

黄土剖面土壤颗粒组成对土壤含水量的影响

土壤水资源是影响黄土高原土地利用和生态建设的重要因子,而土壤颗粒组成又是影响黄土高原土壤含水量的重要因素之一.为了分析黄土丘陵半干旱区深层剖面土壤颗粒组成对土壤含水量的影响.选择陕北绥德县境内的人工柠条林地和农地为研究对象,测定0-18 m土壤含水量及颗粒组成,分析深层土壤含水量与颗粒组成的关系.结果表明,人工柠条林耗水深度以下、农地3 m以下的土壤含水量主要受黏粒含量的影响,且土壤含水量与黏粒含量之间呈极显著的对数关系.人工柠条林在其耗水深度内,颗粒组成对含水量的影响不显著.     

晋西黄土区人工林地土壤水分特征及其对降雨的响应

为了研究黄土区人工林地土壤水分特征及其对降雨的响应,以晋西黄土区人工刺槐林地、人工侧柏林地、人工刺槐侧柏混交林地为研究对象,利用EnviroSMART土壤水分定位监测系统和翻斗式雨量计对其2014年3月1日—2015年3月31日0—200cm土层的土壤含水量和降雨量进行了连续观测。观测结果表明:(1)人工侧柏林地0—200cm土层蓄水量为496.67mm,刺槐侧柏混交林地为349.88mm,人工刺槐林地为307.48mm。人工刺槐林地较人工侧柏林地和混交林地多消耗189.19mm和42.40mm土壤水分,且多消耗的水分主要来源于深层土壤,这可能导致人工刺槐林地深层土壤"干化"。(2)3种林地0—200cm土层土壤水分的年内变化可以划分为土壤水分消耗期(3—5月)、土壤水分积累期(6—8月)、土壤水分消退期(9—11月)、土壤水分稳定期(12月至翌年2月)。在土壤水分消耗期、积累期和消退期,3种林地土壤水分变化量存在显著差异。(3)在小雨、中雨、暴雨3种降雨条件下,人工侧柏林地对降雨的响应深度最深,人工刺槐林地最浅;对于同一林地而言,降雨的响应深度随降雨量的增加而增加;土壤含水量对单场降雨的响应程度随土层深度的增加而减弱。     

甘肃省不同气候类型区土壤水分特性

为揭示甘肃省不同气候区不同质地土壤的容重、田间持水量和凋萎湿度的差异,对观测资料的适用性和推广价值进行评价。通过对77个站点10—100 cm土壤水分资料的分析,结果表明:甘肃省全省的土壤容重范围为0.89～1.79 g/cm~3,平均值为1.36 g/cm~3,表层土壤容重与深层土壤容重差异显著(P0.05),半湿润区、半干旱区浅层土壤容重更易受到外界环境及人为活动的干扰。甘肃省大部田间持水量由西北向东南呈增加趋势,田间持水量的最大值为36%～40%,分布在高寒湿润区10—50 cm土层,全省10 cm与20 cm土层田间持水量差异较小,相关系数为0.96,与其他层次差异较大,50 cm土层很可能是甘肃地区土壤田间持水量的分界层。各土层凋萎湿度最大值均出现在冷温带干旱区、高寒半干旱半湿润区中部,不同层次间田间持水量与凋萎湿度呈极显著相关。甘肃省全省大部分地区主要以壤土为主,除此之外干旱区主要以砂壤土为主,半干旱区主要以砂壤土与黏壤土为主,半湿润区主要以粉壤土与黏壤土为主。探讨不同气候区不同层次间土壤容重、田间持水量和凋萎湿度的差异,以期为保障地上生产力、提高水分利用效率提供数据支撑。     

晋西黄土区不同密度刺槐林对土壤水分的影响

在晋西黄土区蔡家川流域刺槐林地调查的基础上,选择密度为1 400株/hm2与2 200株/hm2的刺槐林地分别代表研究区低密度和高密度的刺槐林,并以裸地作为对照。通过设立固定样地,定位观测样地0—150cm土层的土壤水分,研究不同密度刺槐林地土壤水分状况及时空变化规律,并以土壤水分亏缺度和补偿度研究试验区降雨对刺槐林地土壤水分补偿与恢复效应。结果表明:(1)低密度刺槐林年平均土壤储水量比高密度刺槐林年平均土壤储水量绝对值高7.49mm,且低密度刺槐林达到土壤适宜储水量的天数比高密度刺槐林多60d;(2)从土壤剖面的垂直方向看,高密度和低密度刺槐林对30—150cm土层土壤水分消耗量无明显差异,但高密度刺槐林对表层土壤(0—30cm)的消耗远大于低密度刺槐林;(3)综合考虑不同降雨强度下土壤水分恢复程度、降雨补偿土壤深度等指标,研究区高密度刺槐林地土壤水分亏缺相对较大,研究区自然降雨不足以充分补给土壤水分,而低密度刺槐林地土壤水分经降雨补给可恢复到较高的水平。总体来看,研究区低密度刺槐林地土壤水分状况较好,建议研究区刺槐林种植密度以不超过1 400株/hm2为宜。     

黄土高原不同退耕还林植被土壤干燥化效应

土壤水分是黄土高原植被恢复的主要限制因子,退耕还林工程在恢复生态环境的同时也造成了区域土壤含水量下降和土壤干燥程度的加剧,土壤干燥化正日益威胁到土壤水资源的持续利用和人工植被建设的成效。选取黄土高原退耕还林试点县吴起境内刺槐、杏树、柠条和沙棘4种分布广泛的退耕植被类型,对照撂荒草地,分析了不同林龄和不同植被类型样地0—500cm的土壤水分特征和土壤干燥化效应,并根据作物耗水量估算土壤干层水分的恢复时间。结果表明:不同退耕还林植被类型样地土壤含水量由表层向深层呈降低趋势,随林龄增加,各植被类型样地土壤含水量、有效储水量逐渐减少。刺槐林土壤含水量较同龄沙棘和柠条林低,而杏树林则较同龄柠条林高。各植被类型样地土壤剖面均不含渗透重力水与极易效水层,随林龄增加,土壤相对湿度及易效水土层厚度占比逐渐减少,中效水、难效—无效水土层厚度逐渐增加。随林龄和土层深度的增加,各植被类型样地土壤干燥化强度、土壤干层厚度逐渐增加,土壤湿度恢复到土壤稳定湿度所需要的时间及难度呈上升趋势。     

黄土高原西部丘陵区不同降水条件下植被分布与土壤水分关系研究

研究了黄土高原西部丘陵区降水及植被空间分布特征,分析了不同降水条件下人工柠条林、混合灌木林、人工侧柏林、青杄林和人工落叶松林等5种植被类型0~100 cm土壤剖面中土壤水分含量及季节性变化。研究结果表明,0~100 cm的土壤储水量次序为青杄林人工落叶松林侧柏林混合灌木林柠条林。黄土高原西部丘陵区森林草原过渡带降水量无法完全补偿人工侧柏林生长季土壤水分消耗量,该地区选择侧柏进行人工林建设需要注意种植密度。黄土高原西部丘陵区草原地带降水量基本可以补偿人工柠条林生长季土壤水分消耗量,但随着柠条林林龄的增加,可能会出现植被水分亏缺。     

刺槐林和柠条林土壤剖面理化性质对比及相关性分析

为了研究黄土高原退耕林地土壤理化性质变化特征,探索土壤剖面不同深度土壤有机碳(SOC)及相关因素的相互响应机制,对安塞县纸坊沟流域1975年柠条林(N75)、1974年农地(H74)和1978年刺槐林(C78)100 cm深度土壤剖面的有机碳、全N、粒度、碳酸钙进行了差异度分析和线性相关性分析,结果表明:两个退耕林地SOC和全N含量在0—100 cm深度都有增加,但是C78主要表现在0—20 cm深度,而N75则主要表现在20—100 cm深度。相关度分析表明,H74在20—100 cm深度SOC含量、C/N值与0.002—0.02 mm粒径含量达显著、极显著相关,C78在40—100 cm深度SOC含量与<0.002 mm粒径含量显著相关,C/N值与<0.02 mm粒径含量由0—100 cm的负相关变为正相关。结果证明,退耕后柠条林地SOC和全N含量的变化主要表现在深层土壤上,刺槐林地的变化则主要表现在浅层土壤上;农地和刺槐林地深层土壤SOC主要吸附在细颗粒土壤上,性质较稳定。     

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。     

刺槐林地土壤水分与林下植物群落生物量的关系

通过样地调查,对比研究了不同林龄刺槐林地和撂荒地土壤水分年际变化特征及样地生物量特征。结果表明,刺槐林地土壤水分含量及储水量随林龄增长降低,过熟林的剖面含水率接近凋萎湿度;0—140 cm土层生长季土壤水分变异系数遵循过熟林>成熟林>幼龄林>撂荒地的规律,而140—500 cm土层则基本与上述规律相反。成过熟刺槐林下植物群落地上部生物量略高于撂荒地,土壤水分与地上部生物量仅存在微弱的负相关关系。说明刺槐生长虽然消耗了大量土壤储水,但未显著降低林下植物群落的生产力。研究表明,将刺槐作为先锋树种用于黄土高原森林草原区的植被恢复有助于迅速形成植被覆盖,发挥刺槐林的水土保持功能。同时,林下植物群落的健康发育可以保证刺槐衰退后的生态系统持续稳定地发挥其生态功能。     

黄土高原不同林龄刺槐林土壤水分亏缺程度

通过定点监测刺槐林土壤水分含量,探究不同林龄刺槐林土壤水分分布与亏缺程度。采用空间代替时间的研究方法,选择10,15,25,40年人工刺槐林为研究对象,农地(0年)为对照,调查分析0—200 cm土层土壤水分分布情况。结果表明:各样地平均土壤含水量大小顺序为农地(18.80%)＞10年刺槐林(16.43%)＞15年刺槐林(15.47%)＞40年刺槐林(13.87%)＞25年刺槐林(13.38%);不同林龄刺槐林土壤水分均处于亏缺状态,随着林龄增加,土壤水分亏缺呈增大趋势,平均土壤水分亏缺程度为19.38%,25年刺槐林土壤水分亏缺程度最大(27.76%),40年时略有恢复(25.80%);表层土壤水分变异程度最大,变异程度随林龄增加呈增大趋势,速变层、活跃层、次活跃层和相对稳定层4个层次只在40年刺槐林均有出现。研究结果可为黄土高原植被生态恢复和科学经营人工林提供一定的理论基础。     

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。