基于灰色关联分析的砒砂岩区不同林龄沙棘的改土效应

[目的]探究不同林龄沙棘对其下土壤的改良效果,为砒砂岩区人工沙棘林生态建设、恢复和重建提供理论依据。[方法]以内蒙古达拉特旗典型砒砂岩区不同林龄沙棘林为研究对象,利用灰色度关联分析法,对沟坡阳坡1～7 a沙棘林0—40 cm土层土壤物理性质(土壤含水量、土壤容重、土壤总孔隙度、土壤比重、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤饱和持水量、土壤最大毛管持水量)进行测定,并以周边荒坡作为对照(CK),对不同林龄沙棘林对砒砂岩土壤的改土效应进行分析。[结果]土壤含水量、土壤总孔隙度随沙棘林龄增加而增大,随土壤深度增加而减少,土壤容重与之相反;不同林龄沙棘能增强土壤持水能力,并且4～7 a沙棘持水能力大于1～3 a沙棘持水能力。[结论]在砒砂岩区营建人工沙棘林有利于土壤改良,不同林龄沙棘对土壤改良作用主要作用于0—10 cm和10—20 cm土层。     

砒砂岩区三种沙棘根系特征与固土能力

[目的] 研究中国沙棘(Hippophae rhamnoides ssp.sinensis)、太阳沙棘(Hippophae rhamnoides ssp.taiyang)、乌兰沙林沙棘(Hippophae rhamnoides ssp.mongolica “Wulanshalin”)在砒砂岩区的根系分布特征及林下土壤抗蚀性特征,为改善当地生态环境提供新的树种选择。[方法] 在野外挖土壤剖面获取根土复合体,在室内进行根扫描及崩解试验。[结果] ①沙棘根系垂直分布规律大致相似。随土层深度的增加,根长、根体积逐步减少。根系主要分布在0—60 cm土层,占总根量比例分别为90.96%(中国沙棘),83.38%(太阳沙棘),74.93%(乌兰沙林沙棘);粗根主要分布在0—40 cm土层。水平方向粗根主要分布在距根基0—20 cm的范围内,细根主要分布在20—100 cm范围内,且距根基越远细根含量越少,根系整体呈浅层化分布。②沙棘林下土壤崩解速度变化趋势基本一致。以0—20 cm表层土平均崩解速度最低。随着深度增加逐步增大,水平方向距根基部越远土壤平均崩解速度越大。土壤崩解速度表现为：中国沙棘(3.18 g/s)＞太阳沙棘(1.27 g/s)＞乌兰沙林沙棘(1.21 g/s)。③土壤崩解速度与沙棘根系分布有显著相关关系。垂直方向上受到粗根和细根的共同影响,水平方向主要受到细根的影响,细根对固持水土的作用更大。[结论] 太阳沙棘的根系含量高于乌兰沙林沙棘,且根系分布特征和林下土壤崩解速度变化规律联系更密切,更适用于砒砂岩区的水土流失防治工作。     

沙棘植物对砒砂岩沟道土壤改良效应的研究

基于内蒙古砒砂岩地区准格尔旗东一支沟沙棘植物柔性坝野外水保试验,根据监测的土壤有机质数据,运用比较与统计分析的方法,研究了沙棘植物对沟道土壤的改良效应.结果表明,沙棘植物的存在,极大地提高了沟道土壤肥力,改善了植物群落的生长环境,对于该区生态环境的恢复与重建具有重要意义.沙棘柔性坝所形成的复合地表枯枝落叶层的腐殖质、根系的死亡代谢及分泌物都是沟道土壤有机质的重要来源;沙棘植物柔性坝沟道0-30 cm土壤层的有机质含量平均值要高出对比沟1.25倍;东一支沟沙棘柔性坝沟道土壤有机质含量从上游到下游表现出沿程增加的趋势;各典型沙棘柔性坝沿土壤剖面的有机质含量平均值是相应对比沟的约1.8倍;有机质沿土壤剖面的分布对比说明,沙棘植物的存在改变了沟道有机质沿土壤剖面的分布,这种分布有利于沙棘植物及砒砂岩沟道次生植物群落的生长与恢复.     

天然降雨条件下裸露砒砂岩区人工植被的减流减沙效应

裸露砒砂岩区是黄土高原上侵蚀最为剧烈的地区之一,研究裸露砒砂岩区天然降雨下人工植被的减流减沙效应,对于提升砒砂岩区水土流失治理成效与质量有重要意义。以裸露砒砂岩区鲍家沟小流域的典型人工植被为研究对象,运用系统聚类和线性回归相结合的方法,划分裸露砒砂岩区降雨类型,研究不同降雨类型下坡面产流产沙的特征,分析不同人工植被的减流减沙效应。结果表明:(1)裸露砒砂岩的自然降雨可以分为长历时暴雨、长历时的中到大雨、短历时暴雨以及短历时的小到中雨4种类型。(2)天然降雨的降雨量(P)、最大30 min雨强(I₃₀)和最大10 min雨强(I₁₀)与各植被类型坡面的产流量、产沙量间呈y=ax₁+bx₂+cx₃+d的多元线性关系。(3)各植被类型的减流能力依次为沙棘林>油松林>山杏林>柠条林>草地;减沙能力依次为沙棘林>山杏林>油松林>柠条林>草地。营造人工植被可以有效防治裸露砒砂岩区坡面的水土流失问题,现有的人工植被类型中以沙棘林的抗蚀能力最强。     

苜蓿影响砒砂岩陡坡侵蚀的水动力学机理研究

砒砂岩陡坡是黄河中游泥沙和粗沙的重要来源地,草本植物恢复是防治土壤侵蚀的重要措施,然而对草本植物防治砒砂岩陡坡侵蚀机理的研究却较少。为明确草本植物防治砒砂岩陡坡土壤侵蚀的水动力学机理,通过小区径流冲刷实验,分析不同苜蓿密度(株间距为2 cm、4 cm、5.6 cm、8 cm)下砒砂岩陡坡产流产沙和径流水动力学特性变化。结果表明,苜蓿覆盖下砒砂岩陡坡产沙主要发生在径流冲刷前期,产沙过程呈单峰形式。产沙速率与径流流速和水流功率均呈幂函数形式关系,决定系数(R²)分别为0.94和0.68。苜蓿能减小砒砂岩陡坡径流量,影响径流水动力性质。株间距增大的过程中坡面径流阻力呈幂函数形式减小,导致径流流速和水流功率呈幂函数形式增大,苜蓿通过茎秆和根系影响径流水动力过程。细沟形成前,苜蓿主要通过茎秆的作用增大径流阻力;细沟形成后苜蓿还可能通过其出露于细沟中的根系影响股流的阻力状况。由于径流水动力性质和土壤抗冲性质的变化,砒砂岩陡坡侵蚀量大大减小,产沙量随苜蓿盖度增大呈幂函数形式减小(R²=0.55)。相比于盖度,苜蓿株间距与产沙的关系更为密切(R^2<...     

砒砂岩区不同灌木根系构型及根系抗拉对比

对砒砂岩区各主要灌木树种根系形态进行定量研究,探究哪种水土保持植物可以有效地抵抗砒砂岩区的复合型侵蚀,以该区分布较广的灌木树种沙棘(Hippophae rhamnoides L.)、酸枣(Ziziphusjujuba M.)、连翘(Forsythia suspensa V.)、文冠果(Xanthoceras sorbifolium B.)、黄刺玫(Rosaxanthina L.)和蒙古扁桃(Amygdalus mongolica R.)单株个体为研究对象,对其根系分布范围、几何形态,拓扑指数、单根力学特性,降维进行综合分析,筛选出在砒砂岩地区固土效果较好的灌木植物。结果表明:(1)文冠果和连翘以倾斜根为主,沙棘、酸枣、黄刺玫和蒙古扁桃以水平根为主;细根长文冠果(2 368.54 cm)＞沙棘(1 746.12 cm)＞黄刺玫(1 463.15 cm)＞蒙古扁桃(1 162.81 cm)＞酸枣(928.69 cm)＞连翘(817.45 cm);文冠果拓扑指数0.54且根系呈叉状分支结构;连翘拓扑指数0.71且呈鱼尾型分支结构。(2)根系平均抗拉强度文冠果(30.45 MPa)＞黄刺玫(18.21 MPa)＞连翘(17.03 MPa)＞蒙古扁桃(16.62 MPa)＞酸枣(16.34 MPa)＞沙棘(15.35 MPa)。基于主成分分析法对不同灌木树种根系固土效应进行对比,其中,文冠果的综合主成分指标最高达到2.28,则综合固土效果最好。研究结果可为砂岩地区选出适宜的土保持灌木,同时为灌木林的可持续发展提供理论参考。     

自然降雨条件下砒砂岩坡面细沟微形态及其侵蚀特征

[目的] 研究自然降雨条件下砒砂岩坡面细沟微形态及其侵蚀特征,为区域土壤侵蚀机制研究提供理论参考。[方法] 选择裸露砒砂岩坡面为研究对象,采用野外径流小区原位监测与三维激光扫描技术结合的方法,分析砒砂岩坡区13次降雨过程中坡面细沟数量、形态以及几何特征的动态变化特征,揭示细沟微形态变化过程对坡面产流产沙的影响机制。[结果] 观测期研究区总降雨量为267.40 mm,总降雨历时为5 893 min,总径流量为294.05 L,总泥沙量为111.34 kg。降雨对径流和泥沙的贡献率表现为：中雨（10.0～24.9 mm）>大雨（25.0～49.9 mm）>小雨（<10.0 mm）。中雨对坡面侵蚀影响程度最高。水力侵蚀导致坡面细沟形态上趋于复杂化,其总长达为40.52 m,平均宽度为4.31 cm,平均深度为1.22 cm。次降雨坡面细沟的发育过程表现为：溅蚀—片蚀—宽浅型细沟—连续细沟网—沟壁坍塌—沟道稳定;细沟趋于向窄深型发育。[结论] 细沟各形态指标均呈现明显的二次多项式相关关系,细沟宽深比与沟壑密度对坡面产沙量存在显著影响。     

冲刷条件下裸露砒砂岩区坡面细沟微形态变化及其侵蚀特征

选择裸露砒砂岩坡面为研究对象,基于野外径流小区冲刷试验结合三维激光扫描技术,研究3种流量(60,100,200 L/h)与4个坡度(5°,10°,20°,30°)组合冲刷下砒砂岩区坡面细沟形态演变特征及径流侵蚀产沙机制。结果表明:坡面细沟在坡下最先发育,随着冲刷流量和坡面坡度的增大而向上延伸;细沟出现的时间随着坡度的增加而缩短;10°坡面上细沟的形态表现为"宽浅型",最大宽深比为0.038,20°坡面细沟的形态为"深窄型",最小宽深比为0.017;随着冲刷强度和坡度的增加,细沟宽深比变小,而细沟数量、细沟密度、细沟复杂度、细沟割裂度等指标均增大。坡度和冲刷强度共同影响着坡面产沙率变化,随着坡度和冲刷强度的提升坡面产沙率表现为先增后减的趋势。细沟宽深比与坡面产沙量呈现极显著负相关(-0.935,P0.01),细沟密度与细沟割裂度与产沙量呈显著正相关关系(0.888,0.944,P0.01)。     

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。     

砒砂岩区典型坡面土壤颗粒组成空间分布特征研究

为揭示土壤颗粒组成在垂直和水平方向上的分布规律,采集砒砂岩区典型坡面0—100 cm剖面的土壤,运用经典统计学测定其颗粒组成。结果表明：坡面0—100 cm土壤质地主要为砂壤土(59.21%)和壤砂土(36.40%)。随土层深度增加,砂粒含量增加,粉粒和黏粒含量减少,土壤逐渐呈现粗粒化的趋势;坡面尺度上,表层0—10 cm砂粒为弱变异,其余各层各粒级均为中等程度变异,且随土层深度增加变异性增强,不同粒级的变异系数表现为砂粒<粉粒<黏粒。沿坡面等高线方向,样带B粗粒化程度最弱,10 cm土层以下,样带B粗粒化程度最强。沿垂直坡面等高线方向,坡中砂粒含量(73.60%)相比于坡上和坡下分别增加6.90%(p<0.05)和11.66%(p<0.05),坡下粉粒(31.85%)和黏粒(3.10%)含量相比于坡上和坡中分别增加13.13%(p<0.05),23.59%(p<0.05)和4.36%,51.70%(p<0.05),坡中粗粒化程度最强,坡下是细颗粒堆积的主要区域。研究结果可加强对砒砂岩区坡面土壤颗粒空间分布规律的认识。     

黄土区3种优势灌木根土复合体的抗剪强度研究

黄土区水土流失严重,生态护坡是比较推崇的防护手段,特别是灌木具有发达的根系,对含根土体有较为明显的抗剪增强作用,因此,比较自然条件下区域适生优势灌木的根土复合体抗剪强度,对于合理选择固土护坡植物具有重要意义。以黄土区常见的优势乡土灌木达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)、中国沙棘(Hippophae rhamnoides)和狼牙刺(Sophora viciifolia)为研究对象,野外采用三维土柱挖取灌木的根系,进行不同直径单根抗拉试验和根土复合体的剪切试验。结果表明:(1)达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺的根系集中分布于0—40 cm土层中,它们的根长密度、根表面积密度和生物量密度随着土层深度的增加表现出整体递减的趋势。(2)达乌里胡枝子、沙棘和狼牙刺根系的抗拉力(Tensile Resistance,TR)与抗拉强度(Tensile Strength,TS)都表现为关于直径(D)的幂函数(aD^b),其中抗拉力与根径呈正相关(b>1),而抗拉强度与根径呈负相关(b<1)。(3)不同灌木根土复合体的抗剪强度在地下分布是不同的,在根际范围内随土层加深,达乌里胡枝子根土复合体的抗剪强度表现出先增加后减少而后增加又减少的趋势,最大抗剪强度的土层是20—30 cm和50—70 cm,沙棘和狼牙刺根土复合体的抗剪强度表现出先增加后减少的趋势,最大抗剪强度的土层分别是30—50 cm,0—20 cm。说明灌木的细根可以更好地起到固土护坡的作用,建议在黄土区优先选择达乌里胡枝子和沙棘作为护坡植物,从而为生态护坡提供一些参考。     

青海共和盆地不同人工灌木群落土壤碳密度研究

共和盆地高寒沙区植被恢复区4种典型人工灌木林是柠条(Caragana korshinskii)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、沙柳(Salix psammophila)和乌柳(Salix cheilophila)。土壤有机碳密度调查研究表明,不同灌木群落类型下的土壤有机碳密度(0~100 cm)由大到小是:沙棘9.42 kg/m2、沙柳6.73 kg/m2、乌柳6.06 kg/m2、草地4.56 kg/m2、柠条3.67 kg/m2。不同灌木林地0~100 cm土壤质地和分层状况不同,土壤有机碳含量随着土壤深度增加而减少,表层(0~10 cm)含量最高。与对照样地草地相比,位于丘间地的林地土壤有机碳含量均有不同程度的提高。     

砒砂岩区沙棘林生态工程减洪减沙作用分析

 通过"水保法"计算沙棘林在砒砂岩区的减洪减沙效益,分析晋陕蒙砒砂岩区沙棘林生态工程的减洪减沙量,以及对研究区直接入黄支流的减洪减沙作用。结果显示:研究区流域内沙棘林占流域内总林地面积的比例逐年增大,沙棘林的减洪减沙量也逐年增大,从2002年到2008年,皇甫川、孤山川、窟野河等三支流沙棘林平均每年总减洪量480.84万m3,总减沙量302.65万t。研究结果对砒砂岩区配置水土保持措施有重要的参考价值。     

砒砂岩区主要造林树种枯落物及林下土壤持水特性

为了探究砒砂岩区不同造林树种水文特征,以该地区油松、侧柏、青杨、山杏、沙棘、柠条为研究对象,通过浸泡法和环刀法,对比分析了不同树种枯落物层和土壤层的持水特性。结果表明:砒砂岩区主要造林树种枯落物蓄积量变动范围为1.55~7.89t/hm~2,青杨林下枯落物最大持水率最高为281.26%,其他树种枯落物最大持水率依次为油松(217.14%)、侧柏(201.05%)、山杏(202.79%)、沙棘(170.96%)、柠条(158.08%)撂荒地(143.88%)。油松林下土壤层容重最小为1.46g/cm3,总孔隙度和毛管孔隙度最大分别为43.55%和36.99%,毛管持水量最大为14.50mm;山杏林下土壤非毛管孔隙度最大为13.12%,非毛管持水量最大为6.86mm。油松枯落物及其林下土壤层持水能力良好,更适宜作为砒砂岩地区植被建设树种。     

黄土丘陵区不同植被下土体入渗性能研究

采用PVC管在野外刺槐林,沙棘林,荒草地3种植被类型下取原状土,土层深度分为0～30 cm,30～60 cm,0～60 cm三个层次.将土柱放回室内,采用无压力的供水入渗装置测定土体的入渗性能.对每个土体的入渗过程进行连续跟踪,测定土体底部稳定出水率,以此定为该土层深度的稳渗率.同时提出以土层深度界定稳渗率,并指出低入渗层对一定土层的入渗影响.研究结果表明:原状土的入渗性能远大于扰动填装土;不同植被间入渗性能差异很大,同一植被类型不同土层深度入渗性能差异显著,表层土的入渗结构好于心土层等等.     

桑粮间作田条桑根系分布格局及其对土壤水分、养分的影响

条桑在河北省东部平原沙地和丘陵梯田广泛种植,与农作物间作是其主要栽培模式。2006年在河北省迁安市进行了桑粮间作田条桑根系断面积、根量、根系直径分布特征及其对土壤水分、养分影响的研究。结果表明：根系分布主要集中在20～40 cm土层内,此范围内的根系重量占总根量的60%～80%。根系以直径小于3 mm的细根居多,占总根量的30%～40%,大于7 mm的粗根数量很少,占总根数的5%～15%。平原沙地条桑根系主要分布在距桑丛中心100 cm范围内,桑丛外缘100 cm处的根量仅为总根量的6.52%,水平延伸幅度较窄,根系垂直分布明显;丘陵梯田条桑根系水平延伸可达桑丛外250 cm处,只有少量根系垂直深入岩石中,水平分布趋势明显。条桑根量、根系直径、根系断面积分布依立地条件及土层深度的不同而异。桑丛中心外1 m处深层土壤含水量增加,桑丛附近2.5 m内没有存在严重的土壤水分亏缺。平原沙地和丘陵梯田桑丛附近条桑富集土壤养分作用明显。     

西宁盆地黄土区荷载条件下植被护坡力学效应

为探讨西宁盆地黄土区边坡在荷载条件下植物根系对边坡稳定性的影响,该项研究以西宁盆地西山长岭沟流域为试验区,在自建边坡上种植草本植物垂穗披碱草（Elymus nutans）和灌木植物柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）,通过在边坡坡顶施加载荷,边坡坡面布设位移计与土压力盒的方式,监测荷载条件下边坡坡面土体位移与土压力变化;在此基础上,对边坡植被根-土复合体开展剪切试验,分析荷载条件下边坡坡面不同位置处根-土复合体抗剪强度及其变化特征。试验结果表明：在坡顶荷载条件下,在边坡相同位置处的根-土复合体粘聚力c值均大于施加载荷前;3种植物边坡的根-土复合体粘聚力c值均大于相同条件的未种植素土边坡;在荷载条件下,组合植被边坡的坡面土体位移量显著小于单一植被边坡和素土边坡,组合植被边坡在竖直和水平方向的位移量与草本植被边坡相比减小1.60～1.77 mm,与灌木植被边坡相比减小3.78和4.11 mm,与素土边坡相比减小7.39和6.29 mm。研究结果对防治高寒半干旱地区坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害,具有参考价值和指导意义。     

土壤水分对植物根-土界面相互作用特性的影响

为研究不同土壤水分下不同植物根系与土壤界面的摩阻特性,使用直剪仪对内蒙古中西部的5种典型乡土植物(柠条、沙棘、杨柴、紫花苜蓿和沙打旺)的根系在不同土壤含水率下进行根-土界面直剪摩擦试验。结果表明:当土壤含水率在4.5%~24.5%时,5种植物根-土界面摩擦系数均大于素土的土-土界面的值,且随着土壤含水率的增加,根-土界面和土-土界面摩擦系数均呈下降趋势,其中沙棘根-土界面的摩擦系数和黏聚力均大于其他4种植物的值,表明仅从根系与土壤间的相互作用特性来看,沙棘根系固土抗蚀的作用明显优于其他4种植物。根-土界面和土-土界面黏聚力均随着土壤含水率的增加呈先增后减的变化特征,且植物种不同黏聚力峰值出现时对应的土壤含水率亦不同。     

黄土高原肥水坑施技术下苹果树根系及土壤水分布

为了解黄土丘陵区雨养条件下山地老果园布设肥水坑(water-wertilizer pit,WFP)技术对红富士老果树(Malus pumila Mill)根系及土壤水分空间分布特征的影响,以无肥水坑处理为对照(CK),利用管式TDR系统监测0~300 cm土层土壤含水率,利用根钻法获得21a生旱地果园0~300 cm土层的根系干质量密度。结果表明:WFP能够显著增加果园含水率低值区间(≥40~80 cm土层)土壤含水率,WFP60(60 cm坑深)处理土壤平均含水率增量(145.4%)最显著。WFP40(40 cm坑深)根际土壤湿润区主要集中在≥40~100cm土层,WFP60在≥20~140 cm土层,WFP80(80 cm坑深)主要集中在深层土壤≥140 cm土层。在0~200cm试验土层,WFP60处理土壤多次平均含水率值都最高,为11.02%,依次为WFP40(10.67%)和WFP80(9.80%)。总根系质量密度WFP60处理最大(594.76 g/m3),WFP40(579.08 g/m3)和WFP80(491.82 g/m3)次之,CK最小(372.12 g/m3)。根系在0~100、≥100~200和≥200~300 cm土层中的分配比例为:CK(69.88%、13.74%和16.38)、WFP40(66.04%、14.26%和19.70%)、WFP60(70.35%、24.08%和5.58%)和WFP80(46.54%、15.04%和38.42%),其根系分布与水分分布正相关。该研究表明WFP能够显著改变土壤水分在不同土层深度的分布,坑深越大向下湿润的土体范围也越深;从而显著促进果树根系的生长和根系在不同湿润土层的分配比例关系。总体而言,WFP60处理效果显著好于WFP40和WFP80处理。研究结果将对黄土高原旱地果园集雨和灌溉制度的制定和肥水坑技术的推广提供参考。