晋西黄土丘陵区不同植物群落的土壤分形特征

为研究晋西黄土丘陵区不同植物群落与土壤结构特性和入渗特性的关系,探索土壤结构的定量化描述,运用分形学原理和方法,研究晋西黄土丘陵区油松纯林、刺槐纯林、油松＋刺槐混交林、侧柏纯林、黄刺玫灌丛、柠条灌丛及荒地7种植物群落的土壤分形维数与土壤质地、密度、孔隙度、含水量及饱和导水率的关系.结果表明：1）植物群落具有改善土壤颗粒结构的作用,其改善作用以针阔混交林（油松＋刺槐混交林）最好,阔叶林（刺槐纯林、黄刺玫纯林）次之,针叶林（油松纯林、侧柏纯林）最低.2）研究区土壤颗粒分形维数在2.799 ～ 2.805之间,黏粒（＜0.002mm）质量分数偏高.3）土壤颗粒分形维数与土壤黏粒质量分数呈显著正相关关系,与土壤砂粒（2.00～0.02 mm）质量分数、土壤总孔隙度、含水量及饱和导水率呈显著负相关关系.因此,土壤颗粒分形维数可以表征土壤结构特性和入渗特性的好坏.不同的植物群落对土壤的改良效果不同,研究结果可为研究区域植树造林提供参考依据.     

晋西黄土区主要造林树种合理林分密度计算与分析

黄土丘陵沟壑区水土保持林合理林分密度的确定须遵循“量水植树”的基本原则。依据水量平衡原理,在无地表径流,无土壤的深层渗漏,降水资源得以充分利用的情况下,林分在某一生长季内对降水资源的消耗量应小于或等于降水总量,根据上述原理分别计算了晋西黄土区蔡家川流域刺槐和油松林的合理林分密度取值。通过观测2002年和2003年生长季时段内林龄为13a不同密度刺槐纯林和林龄为17a不同密度油松纯林林地的土壤含水量动态变化,得到受水分胁迫威胁最小的刺槐、油松林分密度与依据公式计算得出的刺槐和油松林的合理林分密度相一致,说明该文提出的计算方法计算黄土区刺槐和油松的合理林分密度具有较好的适用性,且该方法简单易行,参数获取方便,值得在黄土区进一步推广应用。     

晋西黄土区主要造林树种合理林分密度计算与分析

黄土丘陵沟壑区水土保持林合理林分密度的确定须遵循“量水植树”的基本原则。依据水量平衡原理,在无地表径流,无土壤的深层渗漏,降水资源得以充分利用的情况下,林分在某一生长季内对降水资源的消耗量应小于或等于降水总量,根据上述原理分别计算了晋西黄土区蔡家川流域刺槐和油松林的合理林分密度取值。通过观测2002年和2003年生长季时段内林龄为13年不同密度刺槐纯林和林龄为17年不同密度油松纯林林地的土壤含水量动态变化,得到受水分胁迫威胁最小的刺槐、油松林分密度与依据公式计算得出的刺槐和油松林的合理林分密度相一致,说明本文提出的计算方法计算黄土区刺槐和油松的合理林分密度具有较好的适用性,且该方法简单易行,参数获取方便,值得在黄土区进一步推广应用。     

晋西黄土区不同植被类型土壤抗冲性及表层根系分布特征

采用原状土冲刷水槽法,以油松林、刺槐林、山杏林、荆条地及荒草地土壤为研究对象,研究了晋西黄土残塬沟壑区蔡家川流域不同植被类型土壤抗冲性能及植物根系对土壤抗冲性的影响。结果表明:(1)在原状土冲刷试验过程中,各植被类型径流量随冲刷时间的变化趋势不明显,含沙量随时间延长先减少后趋于平稳,土壤抗冲指数呈逐渐增加的趋势。(2)各植被类型总根长密度、根表面积密度、根体积密度及根生物量密度均表现为刺槐、油松林地较大,山杏、荆条、荒草地较小且相差不大,总根系参数之间均存在正相关关系。各植被类型不同根径范围(0～0.5,0.5～1.0,1.0～2.0,2.0～5.0,5.0 mm)的根系指标中,0～0.5 mm径级的根长密度均最大,根体积密度总体表现为细根比粗根小。(3)不同植被类型植物根系均能增强土壤的抗冲性,增强效应表现为刺槐林地和油松林地较强,山杏、荆条、荒草地较弱。植物根系指标中1 mm径级的根长密度、根表面积密度、根体积密度与土壤抗冲性增强值呈显著或极显著正相关关系。其他径级根系参数与土壤抗冲性增强值相关性不显著。     

晋西黄土区刺槐和油松林地土壤水分动态变化

以晋西黄土区蔡家川流域不同坡向的刺槐和油松林地为研究对象,在2005-2012年对刺槐和油松固定样地0 ～ 200 cm土层的土壤水分进行定位观测,采用有序样本最优分割法分析刺槐和油松林地土壤水分年内、年际变化规律,探讨降雨分配情况对年内、年际刺槐和油松林地土壤水分变化的影响.结果表明：1）研究区刺槐和油松林地土壤水分年内变化可分为平稳期、波动期、积累期和消退期4个时段,阳坡刺槐林地和油松林地土壤水分条件接近,阴坡刺槐林地土壤水分条件最好;2）在偏早年,油松林地土壤水分亏缺量比刺槐林地小,当偏旱年与正常年相间时,油松林地土壤水分恢复速度比刺槐林地快;3）年内降水分配均匀度与刺槐和油松林地土壤水分年内波动幅度成反比,刺槐和油松林地土壤含水量年际变化滞后于降雨的年际变化.建议在晋西黄土区阳坡种植油松,阴坡种植刺槐.     

黄土高原沟壑区典型造林树种蒸散发对气候变化的响应

为研究黄土沟壑区典型造林树种蒸散发对气候变化的响应,基于黄土沟壑区小流域刺槐、侧柏、油松样地实测蒸散发数据,借助Hydrus-1D软件构建了黄土沟壑区刺槐、侧柏及油松植被蒸腾与土壤蒸发的模拟模型,使用修正Morris法对模型参数敏感性进行分析,结果表明：>40～100 cm土壤孔径分布参数（n2）,>40～100 cm土壤饱和体积含水率（θs2）,0 cm土壤田间持水率（θf）,根系吸水最适水势上阈值（h1）,根系吸水最适土壤水势下阈值（h2）,植物出现永久凋萎时的土壤水势（h3）,消光系数（μ）,截留模型经验参数（a）等参数对植被蒸腾影响较大,植被生理特征相关参数h1,h2,h3,μ,a的不同是造成树种间蒸腾量出现差异性的重要原因。选取2015年试验观测数据对模型进行率定,2016年试验观测数据对模型进行验证,土壤含水率及土壤蒸发的Nash-suttcliffe模拟效率系数（Ens）均在0.700以上。采用率定后的模型对预设情景下的蒸散发量进行模拟,结果表明：未来及不同水文年气候特征对刺槐蒸腾的影响程度大于蒸发,对侧柏和油松而言,则正好相反。所有气候情景下,刺槐、侧柏、油松的蒸腾量分布在128.8～282.6、99.3～200.3和140.5～220.5 mm,蒸发量分布在94.6～135.4、116.5～187.3和123.8～212.5 mm,蒸腾量与蒸发量均表现为丰水年＞平水年＞枯水年。3个树种蒸腾量对未来及不同水文年气候特征的响应程度表现为：刺槐＞侧柏＞油松,并且,同一时期内,在丰水年及平水年,刺槐蒸腾量最大,在枯水年,油松蒸腾量最大。3树种蒸发量对未来及不同水文年气候特征的响应程度表现为：油松＞侧柏＞刺槐。生长季降雨量对于同期蒸腾量与蒸发量的影响明显强于温度的影响,其与蒸腾量、蒸发量之间均呈极显著（P<0.01）线性关系。     

稳态气孔计法和整株称重法测定蒸腾速率的比较研究

在黄土半干旱区,2004年生长季典型天气,采用盆栽试验,人为控制土壤水分,利用稳定气孔计法（Li-1600）与整株称重法（BP-3400精密天平）,对侧柏、油松、刺槐和沙棘叶片蒸腾速率进行了测定。结果表明,随着土壤含水量的升高,叶片蒸腾速率上升;稳定气孔计测值恒大于整株称重的测值,两种方法测值的比值随土壤含水量的增加而升高,当土壤含水量达到田间持水量时,两种方法测定值的比值反而减小。7月,气孔计测值与整株称重测值之比,刺槐平均为2.50,沙棘为2.57;8月,侧柏为2.48,油松为2.28;10月,侧柏为1.19,油松为1.86,刺槐为1.53,沙棘为1.97,本研究可作为黄土半干旱区利用稳定气孔计研究林木蒸腾耗水的参考。     

黄土区刺槐和油松水土保持林合理密度的研究

 以黄土区刺槐和油松水土保持林为研究对象,在对水分循环要素进行长期监测的基础上,以水分亏缺量为依据,利用径流林业的基本原理,结合林分调查结果,提出了利用胸径计算刺槐和油松林合理密度的公式。利用该密度参考值管理刺槐和油松水土保持林,可以保证林木正常生长所需水量,不会造成林地土壤干化。同时以刺槐和油松林地的土壤水分含量、最低含水量和难效水频率为指标,提出了黄土区适宜的刺槐和油松水土保持林的管理密度。     

渭北主要造林树种根系抗旱性研究

采用盆栽试验的方法,研究了不同土壤干旱条件下渭北主要造林树种苗木根系活力的变化。结果表明:在一定的土壤干旱范围内,苗木可以通过提高根系活力来适应逆境。当土壤干旱超过一定的阈值后,树木根系将逐步丧失其活力和功能,最终导致地上部分的枯死。各树种中,山杏根系的抗旱性最强,其次是侧柏、刺槐和油松。苗木根系活力除了受土壤干旱胁迫程度的影响之外,还受到干旱持续时间的影响。当土壤含水量降至40%的田间持水量时,土壤干旱已经对油松的生长构成了威胁,但对山杏、侧柏及刺槐的影响不大。     

黄土丘陵区典型人工幼林土壤水分特征

为明确黄土丘陵区典型人工幼林土壤水分时空变化特征,采用ECH₂O土壤水分监测系统,基于标准径流小区坡面土壤水分观测方法,收集土壤水分及气象数据,分析了撂荒地与不同类型人工幼林土壤水分状况及时间稳定性。结果表明：(1)与撂荒地相比,人工幼林土壤含水量整体较低,且具有明显的季节性变化特征,变化趋势基本一致,均随降水量的增加(减少)而升高(降低);(2)不同类型人工林土壤水分垂直分布差异较大,相较于撂荒地,刺槐和油松在50 cm深度土层土壤含水量较低,在80—120 cm深度土层土壤含水量较高,丁香幼林土壤水分整体偏低;(3)油松和撂荒地土壤水分代表深度分别为：120 cm和80 cm,决定系数(R²≥0.9)和纳什系数(NSE≥-0.1)对该结果的评价显示土壤水分代表深度的选择均是可接受的,刺槐和丁香不同深度土层土壤水分差异较大。研究认为,在黄土丘陵区,人工幼林显著影响土壤水分垂直分布规律,土壤含水量整体呈低态势,相较于撂荒地,刺槐和丁香土壤水分变异性较大,油松较为稳定。     

嘉陵江上游低山暴雨区不同水土保持林结构模式水源涵养效益研究

水土保持林的水源涵养效益是研究森林防止水土流失的一个热点问题。以20世纪80年代末期营造和自然恢复的湿地松林、桤柏混交林、刺槐(灌木)林 、刺槐林 和桤木林为研究对象,选择林冠截留、土壤容重、土壤孔隙度、土壤贮水能力、土壤渗透性和枯落物持水性,作为研究不同水土保持林结构模式水源涵养效益的指标,对不同水土保持林的水源涵养机理和水源涵养效益进行了较深入的研究。结果表明,各水土保持林的水源涵养能力均明显高于农耕地;不同水土保持林结构模式的水源涵养效益也有较大差异。最后提出了桤柏混交林、湿地松林、桤木林等优良水土保持林结构模式,为当地的生态环境建设,特别是当前正在进行的退耕还林工程的模式选择提供了依据。     

油松根系抗拉应力与应变全曲线试验研究

 为探索林木根系固土力学机制,以黄土高原主要树种油松为研究对象,对其根系进行单根拉伸试验。应力与应变全曲线的理论分析和比较表明:在根系受拉后的初期阶段,荷载、应力、伸长、应变都是按比例增加,应力、应变呈直线关系。当加载超过弹性极限后,随着拉力的继续增加,根系发生塑性变形,应力与应变关系逐渐偏离直线,反映出高度非线性弹性特征。试验表明:油松根系抗拉强度与抗拉弹性模量存在极密切的相关性。根据试验结果提出根系受拉应力与应变全曲线统一数学表达式,其理论曲线与试验曲线吻合较好。     

灰色关联及非线性规划法构建传递函数估算黑土水力参数

土壤水分特征曲线和饱和导水率是重要的水力参数,为了简便准确获取这些参数,以松嫩平原黑土区南部为研究区域,采集136个采样点土样用于测定不同土层土壤水分特征曲线、饱和导水率以及土壤理化性质,并运用灰色关联分析确定影响土壤水力参数的主要土壤理化性质,采用非线性规划构建土壤分形维数、有机质、干容重、土壤颗粒组成与土壤水分特征曲线、饱和导水率之间的土壤传递函数,并通过与现有土壤传递函数对比分析进行精度验证。结果表明:1)土壤分形维数是估算土壤水分特征曲线模型参数和饱和导水率的主要参数之一,同时,干容重和有机质含量也在不同土层土壤传递函数中起到重要的作用;2)通过验证分析,不同土层各参数平均绝对误差接近于0,均方根误差值也都较小,其中在不同土层土壤传递函数估算的土壤含水率均方根误差分别为0.022、0.017cm~3/cm~3;3)对比分析其他已存的土壤水分特征曲线和饱和导水率的土壤传递函数,该文构建的土壤传递函数均方根误差值均较小,决定系数值都在0.66以上,表明估算精度较高,均好于其他方法估算精度,具有良好的区域适应性。综上,所构建的土壤水分特征曲线和饱和导水率土壤传递函数可以用于松嫩平原黑土区土壤水力参数估算。     

黄土丘陵区油松人工林和白桦天然林细根垂直分布及其与土壤养分的关系

在黄土高原子午岭林区,对油松人工林、白桦天然林细根生物量、比根长、根长密度和细根表面积的垂直分布特征,以及这些根系指标与土壤水分、土壤容重、氮素和有机质的关系进行了研究。结果表明,油松人工林细根生物量随土壤深度增加呈单峰曲线,白桦林细根生物量随土壤深度增加呈减少趋势;油松林大部分根系生物量集中分布在040.cm土层中,其中020.cm土层占37%以上,2040.cm集中了41%以上;表层土壤(020.cm)具有较高的比根长、根长密度和细根表面积,而底层(4060.cm)的比根长、根长密度和细根表面积最低。油松林土壤全氮和有机质含量垂直变化趋势相似,随土壤深度的增加而降低;硝态氮(NO3--N)均随土壤深度的增加呈单峰曲线变化趋势,而铵态氮(NH4+-N)随土壤深度增加呈先降低后增加的抛物线趋势。白桦林75%的细根生物量集中在020.cm土层,比根长、根长密度和细根表面积的垂直分布规律与油松林相似,表层土壤白桦林细根表面积是油松人工林的3.91倍,而2040.cm土层白桦林细根表面积比油松人工林降低了33%。白桦林土壤全氮、有机质含量、NO3--N和NH4+-N垂直变化趋势与油松林相似。土壤水分、容重、全氮和有机质对油松和白桦细根分布的影响明显大于NH4+-N和NO3--N。白桦林表层土壤有机质含量与细根生物量的相关性达到显著水平(r=0.99,P0.05),白桦林表层土壤有机质含量与比根长和根长密度的相关性(分别为r=0.91,r=0.8)低于油松林(分别为r=0.95,r=0.94)。油松和白桦林040.cm土层细根表面积与土壤全氮相关性随土壤深度增加而下降,比根长和根长密度与土壤全氮相关性随土壤深度增加而增大。油松和白桦林2060.cm土层细根生物量、细根表面积和根长密度随有机质含量的减少而增加,而比根长呈相反的变化规律。     

排土场土体裂缝区植被根系及抗剪强度分布特征

为揭示排土场土体裂缝区植物根系和抗剪强度分布特征,采用根钻法、WinRHIZO根系分析系统和直剪仪研究了0—60 cm土层植物根系、黏聚力和内摩擦角随土层深度的变化规律。结果表明:3个样地根系特征参数不同,随土层深度增加而减小,主要分布在0—20 cm土层,根密度和根重密度为88.81～303.03个/10³cm³,0.15～2.69 mg/cm³。根系以径级d≤0.1 mm和0.1 mm相似文献   

芒萁根系对崩岗红土层土壤抗剪强度的影响

为探究植物根系对崩岗红土层土壤抗剪强度的作用机制,采取室内直剪试验,研究不同含水率条件下芒萁（Dicranopteris dichotoma）根系对红土层抗剪强度的影响。结果表明：（1）不同根重密度土体的抗剪强度总体随含水率增加而下降,含根土体的抗剪强度大于素土。（2）黏聚力随着含水率的增加均呈先增大后减小的趋势,而随根重密度的增加呈增大的趋势,且增量逐渐减小。（3）内摩擦角与土壤含水率之间呈线性负相关,但与根重密度之间无明显关系。（4）含水率对抗剪强度的影响大于根重密度,可用含水率和根重密度模拟根土复合体的抗剪强度（NSE=0.84）。综上,根系的作用可增加崩壁红土层土壤的抗剪强度,但高含水率条件下根系的增强效应降低,可通过减少水分注入以增加崩壁根土复合体的稳定性。     

A rapid, inexpensive and quantitative procedure for assessing soil structure with respect to cropping

Abstract. The essential factors dependent on soil structure that influence plant growth are soil/root contact, adequate air and water, and low mechanical impedance. Bulk density, shear strength and texture arc interrelated closely and permit quantification of these factors. A general relationship between clay content and vane shear strength of soil at field capacity and non-limiting bulk density provides a rapid means of quantitatively estimating structure. We propose a procedure utilizing vane shear strength and a tactile assessment of clay content as criteria for judging soil structure in the field.     

钱塘江源头主要植被类型土壤抗剪强度研究

对钱塘江源头地区6种不同林分类型及2个对照类型（茶园、农田）不同土层深度土壤抗剪强度及土壤理化性质和土壤根系特性进行了测定。相关分析结果表明:土壤有机质含量与土壤抗剪强度、土壤粘聚力和内摩擦角呈显著的正相关关系;土壤容重与土壤粘聚力呈显著的正相关关系;粉粒/粘粒与土壤抗剪强度、土壤粘聚力呈显著的负相关关系。抗剪强度与植物根系各指标之间是显著的正相关关系,其中与根体积和根表面积相关性达到极显著水平,与根长和根质量相关性达到显著水平。通过对研究区8种植被类型抗剪强度和影响因子聚类分析得出:毛竹林和灌木林土壤抗剪性能最强;马尾松林、针阔混交林、麻栎林和杉木林次之;茶园和农田土壤抗剪性能较弱。建立了不同等级土壤抗剪强度与影响因子的回归模型,精度达80%~85%。     

晋北丘陵风沙区不同植被恢复模式的水土保持效应

通过对山西右玉贾家窑阳坡退耕还林约20年后的4种植被恢复模式(自然恢复草地、油松林、柠条灌丛和油松—柠条林)土壤水分、理化性质、径流量和侵蚀量的测定,探讨了不同植被恢复模式的水土保持效应。结果表明:(1)4种植被恢复模式0—100cm土层土壤平均含水量无显著差异,油松林和自然恢复草地的土壤容重高于油松—柠条林和柠条灌丛,土壤总孔隙度的变化趋势与容重相反;(2)4种植被恢复模式0—20cm土层土壤粒度组成、pH、有机质、铵态氮和速效磷无显著差异,硝态氮和速效钾差异明显(P0.05);(3)4种植被恢复模式径流量没有明显差异,但土壤侵蚀量自然恢复草地和油松林显著高于柠条灌丛和油松—柠条林(P0.05);(4)覆盖度相似条件下,根系密度、近地表植被盖度和枯枝落叶层厚度是影响林草植被水土保持效应的主要因素。     

Structural differences between bulk and rhizosphere soil

The physical characteristics of the soil at the root–soil interface are crucial because they determine both physical aspects of root function such as water and nutrient uptake and the microbial activity that is most relevant to root growth. Because of this we have studied how root activity modifies the structure and water retention characteristic of soil adjacent to the root for maize, wheat and barley. These plants were grown in pots for a 6‐week growth period, then the soil adjacent to the root (rhizosphere soil) and bulk soil aggregates were harvested. These soil aggregates were then saturated and equilibrated at matric potentials between ?600 kPa and saturation, and the water retention characteristics were measured. From subsamples of these aggregates, thin sections were made and the porosity and pore‐size distributions were studied with image analysis. Both image analysis and estimates of aggregated density showed that the rhizosphere soil and bulk soil had similar porosities. Growing different plants had a small but significant effect on the porosity of the soil aggregates. Image analysis showed that for all the plant species the structure of the rhizosphere soil was different to that of the bulk soil. The rhizosphere soil contained more larger pores. For maize and barley, water retention characteristics indicated that the rhizosphere soil tended to be drier at a given matric potential than bulk soil. This effect was particularly marked at greater matric potentials. The difference between the water retention characteristics of the bulk and rhizosphere soil for wheat was small. We compare the water retention characteristics with the data on pore‐size distribution from image analysis. We suggest that differences in wetting angle and pore connectivity might partly explain the differences in water retention characteristic that we observed. The impact of differences between the water retention properties of the rhizosphere and bulk soil is discussed in terms of the likely impact on root growth.