东北黑土区农田土壤水分剖面分布与大气降水关系的研究

东北黑土区属于雨养农业,大气降水是土壤水分的主要来源,大气降水的强度和频率是影响水分在剖面分布的重要因素。以中国科学院海伦农田生态系统野外科学观测研究站内水分平衡观测场的自然降水条件下的0~170 cm土体为研究对象(三次重复),2011~2016年的每年5月25日~9月10日利用中子仪测定0~170 cm土层土壤含水量,其中0~10 cm、10~20 cm和160~170 cm土层深度间隔10 cm,40~160 cm间隔为20 cm。研究结果表明:观测期内64.35%以上的降水发生在7月5日~8月20日,0~170 cm不同土层的平均含水量在24.71%~37.23%之间(体积含水量),随着剖面深度的增加不同深度土层间土壤含水量差异逐渐减弱;受降水、地面蒸发和作物耗水的影响,土壤含水量变化最大的层次为0~10 cm土层。当单次降水量达到178.20 mm时,0~170 cm各层土壤含水量均增加,但49.30%的降水储存在0~40 cm土层;而在作物生长季节持续15 d无降水时,0~170 cm各层次土壤水分均呈亏缺状态,其中消耗水量的47.38%~58.80%来自0~40 cm土层。因此,东北黑土区农田0~40 cm土层对于容纳大气降水、满足作物需水具有重要作用,应通过耕作和有机物料还田等措施进一步改善这一土层土壤物理性质以增强其蓄水、保水和供水的能力。     

极端降水条件对林地水分循环的影响

在极端干旱年份，柠宁灌木林地的土壤水分循环水平很低（３．０５％），降水年渗深极浅（３０cm) ,水分亏缺程度最为严重（－89.51mm)，在极端丰水年份，则土壤水分循环水平最高（４．８８％），降水年渗深最大（３１０cm)，水分收支盈余额极其可观（＋１９５.09mm)，极端丰水条件非常有利于土壤水分亏缺的补偿和恢复，在此条件下，柠条灌木林地的土壤干层在入渗层（３１０cm)以上消失，河北杨林和小叶杨林地的土训干层可完全消失。     

土壤水分有效性及其影响因素定量分析

为探讨土壤水分有效性及其与大气、土壤和作物因素的定量关系,将作物实际腾发量作为土壤水分有效性的评价指标,采用土壤水分概率模型建立土壤水分有效性系数的计算模型,分析大气、土壤和作物因素对土壤水分有效性的影响效应。研究结果表明:降水量和降水分布均对土壤水分有效性产生显著影响,土壤质地对土壤水分有效性的影响并不明显;在总降水量小于150mm的干旱条件下,凋萎系数小于0.3的土壤质地更有利于作物对土壤水分的吸收;在总降水量小于50mm的极端干旱和总降水量大于750mm的极端湿润条件下,由于降水影响强烈,弱化了潜在蒸发蒸腾量对土壤水分有效性的作用;当总降水量接近300mm时,潜在蒸发蒸腾量对土壤水分有效性的影响明显。在不同的环境中,土壤水分有效性对降水和作物参数的敏感度不一致。以作物实际腾发量为指标评价土壤水分有效性比较全面地反映了土壤水分对作物的有效性与大气条件、土壤质地和作物类型的动态关系,与动力学方法相比,建立在土壤水分概率模型基础上的土壤水分有效性系数解析模型便于分析输入参数与模型结果的响应关系。     

天山北麓近50年气温和降水的变化特征

根据天山北麓8个气象站1961—2010年气温和降水资料,采用线性趋势分析、Mann-Kendall检验、Hurst指数等方法,分析了天山北麓气温和降水的变化特征。结果表明:（1）50 a来,天山北麓年平均气温和年降水量均呈增加趋势,其变化率分别为0.26 ℃/10 a、15.67 mm/10 a;冬季增温最为明显,升温幅度达0.49℃/10 a左右,降水倾向率表现为夏季最大,为5.44 mm/10 a;（2）年平均气温和年降水量的突变年份分别在1996年和1983年;未来两者整体上呈增加趋势;（3）极端高（低）温指数在近50 a呈现增加（减少）趋势;极端降水指数中零降水日数和最长连续无降水日数呈不同程度的递减趋势,1日最大降水量和极端强降水日数以1.36 mm/10 a和1.81 d/10 a的速率递增,各极端气候指数空间差异明显;极端气温指数与年平均气温、极端降水指数与年降水量均有很好的相关性。     

吉林省中东部低山丘陵区坡耕地和林地水量平衡——以东辽县杏木小流域为例

为了探求黑土区坡耕地和林地降水资源再分配规律,以吉林省东辽县杏木小流域为典型研究区,采用资料统计分析与野外试验测定相结合的方法,对研究区坡耕地和林地水量平衡进行分析。结果表明:（1）研究区1978—2008年间,年内降水量呈单峰型分配,作物生长季降水量为511.16 mm,降水日数为59.95 d,分别占全年总降水量和降水天数的81.4%和56.94%。（2）农田蒸散量在5—9月分别为53.05,99.84,170.06,124.33,55.88 mm,占总输入降水量的65%～88%,为研究区坡耕地水量平衡主要支出项;土壤蓄水变化量在5月、6月、8—9月为正值,土壤处于蓄水状态;在7月份为负值,土壤处于失水状态。（3）山杨林地在生长季6—9月水分充盈,土壤水分变化量为7.94 mm,林地土壤长期处于蓄水状态。     

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。     

荒漠草原4种典型草本植物群落土壤水分动态对极端干旱降水的响应

为明晰荒漠草原典型植物群落土壤水分对极端干旱降水的响应。以4类典型植物群落(蒙古冰草、苦豆子、短花针茅、芨芨草)为研究对象,于2020—2021年分别监测4类植物群落0—120 cm土壤含水量,探讨其土壤水分在消耗期、恢复期和稳定期的动态特征及对降水的响应。结果表明：土壤水分消耗期,土壤含水量为4.56%～7.87%,呈亏缺状态,并且随着极端干旱持续从土壤浅层0—40 cm向深层80—120 cm演变;土壤水分恢复期,较为集中的Ⅴ级降水(单次>20 mm)能够恢复深层80—120 cm土壤水分,随着极端干旱持续,4类植物群落土壤水分的恢复主要呈现在浅层0—40 cm;土壤水分稳定期,随着极端干旱持续4类植物群落各层土壤含水量均<10%。综合比较4类植物群落,短花针茅群落土壤含水量在各时期相对较高,且浅层和深层土壤水分恢复具有同步性,可在水分限制区域植被恢复保育具有一定参考价值。     

半干旱黄土丘陵区雨季土壤水分动态分析

降水是半干旱黄土丘陵区土壤水分的主要来源,雨季又是该区域降水发生的主要时期,因此对该区域雨季土壤水分进行研究具有一定意义。通过对半干旱黄土丘陵区雨季土壤含水量实施定位监测,对比分析雨季降雨量与近5年不同植被类型土壤含水量的关系,得到如下结论:(1)不同植被类型在雨季的土壤含水量主要受雨季以及雨季前一个月降雨量的影响;(2)雨季各个植被类型30~70 cm的土壤水分含量均较低;(3)干旱年雨季土壤含水量的变异性较普通年份和湿润年份高;表层土壤含水量变异系数最小,土层越深变异系数越高。对不同植被类型下雨季降雨与土壤水分相关关系的研究,旨在为今后该区域退耕地营林造林中的植被选取、低效林改造以及植被恢复重建提供理论依据。     

降水增加对黄土高原深层土壤水分的影响

为了解降水增加情况下,黄土高原土壤储水量是否增加以及深层土壤水分的变化趋势,2018年对陕西省绥德境内的油松林和柠条林土壤水分进行了测定,并将其与2001年和2006年的同一样地土壤水分数据进行对比分析,结果表明:研究区近20年降水量呈增加趋势,2009～2018年该区域年平均降水量比1999～2008年的平均降水量增加了156 mm。油松和柠条林地深层土壤水分呈波浪形变化,且深层土壤总储水量呈现2018年> 2001年> 2006年,这种变化与1999～2018年降水变化趋势相一致。深层土壤储水量年际变化与植被类型有关,即油松林地深层土壤水分年际变化显著,柠条林则不显著。短时间尺度内(<6年)的降水对深层土壤储水量有影响,影响深度大约为0～5.0 m,长时间尺度(> 5年)的降水对深层土壤储水量的影响深度会随时间加深,并且长时间尺度的降水可能会导致土壤水分"高湿层"下移现象出现。     

西峰黄土高原土壤含水量干旱指数

某时段的干旱不但与同期降水有关,还与前期降水有密切的关系,土壤水分是表达干旱的重要因子,可以综合反映干旱的变化,为此,利用1989～2004年西峰农业气象试验站的土壤水分、降水资料,分析了降水量随时间的变化,0～100cm土壤水分的垂直分布特征和时间变化规律,对春季、伏期、秋季、初春、春末初夏旱土壤含水量与降水量进行了对比分析,并制定了这几个时段的针对土壤含水量的土壤干旱指标。     

Dry season soil conditions and soil nitrogen availability to wet season wetland rice

A pot experiment with Maahas clay soil covered three consecutive crops. After uniform growth of the first crop, the soils were subjected to different moisture conditions during the dry season. Prolonged drying before wet season flooded rice stimulated increased release of mineral nitrogen but moistening of the dry soil for a dryland crop or by occasional rain during the dry season reduced nitrogen use from the soil in the next wet season. One cycle of alternate wet and dry soil preparation for 20 days before transplanting rice improved soil nitrogen availability and plant uptake of fertilizer nitrogen.

The initial growth of rice was retarded after flooding the previously moist dryland or dried soil, but not in the continuously flooded soils.

Losses of applied nitrogen were small in continuously flooded soils and were greater in the previously moist dryland and dry treatments. Uptake of soil nitrogen, however, was much higher in the air-dried soil treatment and in the dry with alternate wet and dry preparation treatments. Total nitrogen uptake (soil+fertilizer) was also greater in those dry treatments. Uptake of soil nitrogen in the wet-season crop was roughly proportional to the amounts of ammonia measured just before transplanting.

The proportion of the uptake of immobilized fertilizer nitrogen to available soil nitrogen was constant among treatments. Release of immobilized fertilizer nitrogen was also greatly enhanced by soil drying. For 1976 wet-season crop, the availability of fertilizer nitrogen immobilized in the 1975 wet season was three times higher than that of native soil nitrogen.     

不同时间尺度反坡台阶红壤坡耕地土壤水分动态变化规律

为研究反坡台阶对红壤坡耕地土壤水分不同时间尺度变化以及土壤干湿变化的影响,在2016—2017年对布设反坡台阶坡耕地和原状坡耕地0～100 cm深度土壤水分状况进行了持续监测,计算了土壤相对含水率和增墒率。结果表明,反坡台阶对土壤水分的增加作用在枯水年更为显著(P0.05)。坡耕地旱季各土层土壤含水率变化相对不明显,基本上呈现出随着土层深度逐渐增加的规律;7月、9月和11月则呈现出明显的S状的规律;坡耕地布设反坡台阶后,各个时段各个土层土壤含水率均有了明显的提高,尤其是在5月土壤补水期和11月土壤失水期对土壤水分的增加效果更加明显。坡耕地土壤逐日含水率变异程度随着土层深度增加而逐渐减小;反坡台阶处理坡耕地和原状坡耕地5、20和40cm处土壤逐日含水率与降雨量呈现极显著的相关关系(P0.01),60cm处土壤逐日含水率与降雨量达显著相关(P0.05),而80、100 cm深度土壤逐日含水率与降雨量之间相关关系不显著。反坡台阶对坡耕地5、20、40、60、80、100 cm处土壤平均增墒率分别达到15.22%、15.25%、16.91%、15.60%、16.50%和16.17%,而其对不同深度土壤增墒率在年内均呈现出不同的变化规律。坡耕地布设反坡台阶,显著增加了土壤含水率,增加了土壤湿润期的持续时间,并且能显著提高坡耕地降雨利用率,这对于解决坡耕地的生态水文型干旱问题,提高山区坡耕地农业生产力具有重要意义。     

干旱条件下黑土农田水分特征研究

在中国科学院海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站, 应用长期定位试验研究了干旱年份不同施肥处理下的黑土农田水分状况.结果表明:在干旱年份, 大气降水不能满足玉米对水分的需求, 土壤利用"土壤水库"中的水分进行补给, 在玉米全生育期土壤供水量占玉米耗水量的比例为22.23%～25.99%;肥料的施用能够调节土壤的供水能力, 表现为化肥+有机肥处理>化肥处理>无肥处理;玉米的耗水量和耗水强度也表现出相同趋势;肥料的施用, 特别是化肥和有机肥配合施用能够提高玉米的水分利用效率.     

Effects of a plastic cover on soil moisture change in a Mediterranean climatic regime

Water deficit is a serious problem for most agricultural crops, especially in arid–semiarid regions, and limits sustainable development. Production can be improved by reducing evapotranspiration and loss of infiltrated water by the use of a plastic cover. We monitored soil moisture fortnightly over 1 yr using a neutron probe near four trees in an olive grove (Olea europaea, var. Arbequina), two of which had a plastic cover buried in the topsoil around them. These trees were monitored using three neutron probe access tubes per tree to compare the behaviour of soil moisture over time with two other identically instrumented and nearby trees with no cover. Analysis was based on the resultant moisture profiles. The plastic cover retained moisture and increased soil water residence time. During the dry season, the amount of water retained in the plots was at most 15–20% greater in the mid‐season and at least 5–6% greater at the end of season than in the central part of the plots near the trunk. The plastic cover was effective to ca. 50 cm with maximum water content near the soil surface. During the wet season, the cover did not affect soil water. Soil moisture was greater near the tree trunk as a result of stemflow and throughfall.     

太行山山前平原土壤有效水动态分析

利用栾城试验站1998—2002年的降水和土壤水观测资料,探讨太行山山前平原的土壤有效水量和土壤水有效性的时间变化特征。结果表明,①土壤有效水量年内变化明显,受降水影响显著;年际变化呈减少趋势,秋季变化幅度最大;作物的主要供水层下移。②作物根系层土壤水的总体有效性在全年基本为“中效”;在冬小麦生育期,深层的土壤水逐渐转为“难效”,经过雨季能基本得到缓解;自1998年至2001年土壤水分有效性等级由浅层至深层依次降低。     

干热河谷冲沟沟床土壤水分时空分异特征

为探究干热河谷冲沟沟床土壤水分时空分异特征,选取了元谋干热河谷1条典型冲沟,对其不同分段(沟头、上游、中游、下游)下10,20,30,40,60,100 cm土层的土壤水分开展定位监测。结果表明：(1)沟床不同分段各土层(除100 cm土层外)含水量整体变化趋势一致,均表现为明显的干湿季特征;湿季(5—10月)土壤水分相对较高(7.64%～28.91%),受降雨影响大;干季(11—次年4月)则长期处于较低水平(6.11%～11.97%)。(2)沟床土壤水分从沟头至下游沿程变化在干湿季有明显差异,湿季表现为先减小后增加,下游(17.36%)显著高于沟头(15.46%)和上游(12.19%);干季则是先减小后增加再减小,沟头(10.64%)显著高于上游(6.74%)和下游(9.10%)。不同土层深度上,浅层(10—20 cm)和深层(60—100 cm)土壤水分含量在干湿季均较高,水分最小值出现在30—60 cm土层,其中干季30 cm土层水分亏缺严重。(3)沟床土壤水分最高日期通常出现在7日内累积降雨达76.1 mm以上的年最大降雨月当月;最低日期通常出现在持续无降雨条件下,如干季末期,...     

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。     

典型喀斯特峰丛洼地降雨特性及浅层地下水埋深变化特征

以桂西北典型喀斯特峰丛洼地连续6年(2006-2011年)的降雨资料和浅层地下水埋深的实测数据为基础,分析研究区降雨特性和浅层地下水的变化特征。结果表明:研究区虽然降雨丰富,但年际变化大且季节分布不均。除2008年为丰水年(1 979.8mm)、2011年为欠水年(1 127.3mm)外,其余年份均为平水年(1 302.7～1 510.1mm);降雨主要集中在4-9月(雨季),其占全年降雨量的比例表现为平水年(82.4%～85.1%)>丰水年(74.7%)>欠水年(65.9%);有效降雨次数、累计有效降雨量和最大日降雨量有随年降雨量增加而增加的趋势;60min雨强大于16mm/h的降雨和最大日降雨量的最大值分别为67.4mm/h和152.9mm,主要集中在5-8月;年内50%以上为无雨天气,其中,平均出现26次连续3d以上,5次连续10d以上的无雨天气,不同水文年差异不大,且多发生在旱季,年降雨量并未因无雨天数的增加而降低。雨季地下水埋深约为2m,旱季大于3m,呈中等变异,且雨季大于旱季;地下水埋深年内随降雨呈单峰型分布,但峰值维持时间短,前期降雨对地下水位的涨落有重要影响。     

华北潮土冬小麦-夏玉米轮作包气带氮素淋溶机制

合理水氮管理可以实现作物目标产量和品质、维持土壤肥力和降低环境污染。然而,自20世纪90年代以来,我国农田过量施氮和大水漫灌等问题突出,引起农业面源污染日趋加重,地下水硝酸盐污染成为一个普遍现象。本文以华北潮土区冬小麦-夏玉米体系为研究对象,采用数据整合和文献分析的方法,阐明了典型农田硝态氮淋溶的时空特征及影响因素,研究了地表裂隙和土壤大孔隙对硝态氮淋溶的影响,定量了氮素在地表-根层-深层包气带-地下水的垂直迁移通量及过程。结果表明,农户常规管理的冬小麦-夏玉米轮作体系氮素盈余较高(299～358kg·hm~(-2)·a~(-1)),导致土壤根区和深层包气带累积了大量的硝态氮。冬小麦季硝态氮的迁移主要受灌溉影响,以非饱和流为主,且迁移距离较短;春季单次灌溉量低于60 mm,可以有效控制水和硝态氮淋溶出根区。冬小麦耕作和灌溉引起的地表裂隙对水氮运移的贡献不大。雨热同期的夏玉米季,土壤水分经常处于饱和状态,再降雨就可以导致硝态氮淋溶出根层进入深层包气带。夏玉米季极易发生硝态氮淋溶事件(占全年总淋溶事件的81%左右),硝态氮淋溶量占全年总淋溶量的80%左右,且单次淋溶事件的淋溶量较高。大孔隙优先流对夏玉米季根区硝态氮淋溶的贡献率在71%左右,这些硝态氮脱离了作物根系吸收范围,反硝化作用对硝态氮去除具有一定作用。在华北气候-土壤条件下,特别应注意冬小麦收获后土壤不应残留过多硝态氮,以避免夏玉米季降雨发生大量淋溶;夏玉米季需要注意施氮与作物需氮的匹配。由于夏玉米追肥困难,生产上提倡一次性施肥措施,控释肥应该能够发挥更大作用。未来气候变化,导致夏季极端高强度降雨事件的频率增加,将会加剧包气带累积硝态氮通过饱和流或优先流向地下水的迁移。合理的水氮管理是从源头上减少硝态氮向深层包气带和地下水迁移的主要措施。     

多时间尺度下中国区域土壤湿度记忆性时空特征及趋势分析

土壤湿度是大气陆面异常的最敏感指示要素,在土壤和植被作用下土壤湿度变化具有一定持续性,能够不同程度地保留前期土壤湿度的状态,对干旱、洪水等极端事件具有显著的影响和调节作用,开展土壤湿度记忆性研究对农业、水利部门具有重要意义。为探究多个时间尺度下土壤湿度记忆性时空特征及演变趋势,该研究基于欧洲中心再分析产品（ERA5-Land）中国区域1979—2018年的土壤湿度数据,结合滞后自相关分析,计算中国区域1979—2018年土壤湿度记忆性（soil moisture memory,SMM）,探究不同时间尺度（季节、年、年际）及干湿条件下SMM的时空分布特征及演变趋势。结果表明：1）从多年平均状态来看,土壤湿度在滞后时间超过300 d后无显著相关;空间上北方地区SMM远高于南方地区,其中西南地区记忆时长不足20 d,华中、华东及华南地区小于40 d,西北和华北地区则超过80 d。2）季节上,大部分区域表现为冬季长、夏季短、秋春季次之的规律,其中华北地区季节性差异较大,冬季记忆时长超过70 d,夏季则低于20 d;同时在不同干湿条件下,土壤湿度在干燥期的记忆性明显强于湿润期,干燥期青藏高原、华北和东北地区记忆时长超过90 d,湿润期则小于60 d。3）从演变趋势来看,北方地区土壤湿度记忆时长呈下降趋势,其中华北和青藏高原地区较为显著,南方地区则呈增长趋势,2010s记忆时长比1980s记忆时长增加30 d以上;此外,大部分地区记忆时长的变化趋势与滞后30 d记忆性的变化趋势较为一致。研究可为气候预测和农业干旱监测提供参考。