极端暴雨条件下黄土丘陵沟壑区土壤蓄水能力和入渗规律

黄土高原退耕还林还草工程实施后,下垫面环境条件的变化可能对流域水文过程、水文通量、水量平衡以及生态系统产生十分重要的影响。研究极端暴雨条件下剖面土壤蓄水能力和入渗规律,对于阐明流域产汇流过程和影响机制具有重要的科学价值。采用土壤墒情仪对陕北"7·26"特大暴雨事件下黄土丘陵沟壑区草地剖面土壤水分进行了实时动态监测,分析了极端暴雨条件下剖面土壤水分的动态变化和蓄水过程,利用Horton入渗模型模拟了剖面土壤水分湿润锋的运动过程,揭示了极端暴雨条件下剖面土壤水分的入渗规律。结果表明:(1)极端暴雨条件下,黄土丘陵沟壑区坡面草地不同深度层次土壤水分与降雨过程的响应不同,具有层次性和明显的滞后效应,其中,0～140 cm是影响该地区土壤水文过程的关键层次;(2)土壤水分再分配结束时,湿润锋最深深度达140 cm,土壤蓄水量达225.99 mm,较降雨前95.37 mm增加了1.37倍;(3)极端暴雨过程中湿润锋的运动随时间呈对数递减关系,其稳渗速率随容重增加而减小,呈指数函数递减;(4)极端降雨过程中该地区坡面草地的产流机制仍以超渗产流为主,对于揭示流域的产汇流机制和完善水文预报模型具有重要的科学意义。     

干旱区生态用水和土壤植被承载力综述

干旱区的生态恢复与植被建设均受到水分的严重制约,生态用水和土壤水分植被承载力的研究均为实现地区可持续发展的重要一环。生态用水影响土壤水分补给量,而土壤水分补给量是制约土壤植被承载力的因素之一。因此提高土壤植被承载力需要保证干旱区生态用水总量,而森林植被有保持水土、调节地表径流、增加入渗的功能,能够使得干旱区生态用水量增加,从而提高土壤植被承载力,形成良性循环,最终达到生态系统的稳定。综合提炼多篇相关文献的观点,从生态用水和土壤植被承载力的概念、研究发展现状、在植被建设的指导意义3方面综合阐述,讨论了生态用水以及土壤植被承载力的内在联系。     

低覆盖度行带式固沙林带间土壤水分动态特征

通过对低覆盖度(15%~30%)行带式赤峰杨固沙林不同部位降雨量和土壤含水量的定位观测,探讨了行带式分布格局下固沙林不同部位的土壤水分特征和时空动态变化。结果表明,在行带式这种特殊的分布格局下,在垂直于林带的方向上,土壤水分分布总体上表现出明显的区域差别。根据土壤水分空间分布规律发现,低覆盖度行带式分布格局的固沙林林带内存在水分利用带和入渗补给带;在0-40cm深度水分利用带和入渗补给带土壤水分含量受降雨量影响上下波动剧烈,但入渗补给带和带间6m处水分利用带土壤水分含量对于降雨的响应较18m处利用带更加敏感;40-160cm深度,土壤水分含量受降雨量和林带蒸腾耗水影响,入渗补给带对水分利用带的土壤水分具有一定的补给调控作用。     

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。     

双源蒸散发模型估算潜在蒸散发量的对比

潜在蒸散发取决于气候条件与下垫面植被覆盖状况,是农田及流域水循环研究的重要内容。该文针对现有的3种估算潜在蒸散发的双源模型(层状模型、块状模型、混合型模型),设定不同的下垫面植被覆盖状况,较为详细地比较了3种模型在不同植被覆盖条件下的潜在蒸散发估算能力,并对其区分土壤表面潜在蒸发与植被冠层潜在蒸腾的合理性进行了评价。结果表明,混合双源模型较层状模型和块状模型具有更好的模拟效果,能够适用于更广的下垫面植被覆盖状况。     

植物蒸腾耗水研究

在影响植物生命活动的各种生态因子中,水分是主要限制因子。与植物水分生命表征直接相联系的蒸腾强度、蒸腾量、蒸腾耗水变化规律及其与环境因子的关系。蒸散发既包括从地表和植物表面的水分蒸发,也包括通过植物表面和植物体内的水分蒸散。指出目前蒸散耗水量的计算方法大致可以分为:微气象学法、植物生理学法、以及SPAC综合模拟法等。并指出植被蒸散是一个复杂的物理过程和生物过程,是未来研究蒸散的主要途径和方向。     

纳米碳混合层对土壤水分入渗特性及水分分布影响

通过室内一维垂直土柱试验,利用TDR和张力计分别研究土壤中纳米碳混合层对土壤水分入渗特性、土壤水分分布以及纳米碳混合层对土壤水分特征曲线的影响。结果表明:(1)随着入渗时间的增加,含有纳米碳的土壤在相同入渗时间内累积入渗量减少,湿润锋推进距离明显减小,施加纳米碳具有明显的减渗作用。利用Philip入渗模型拟合入渗数据,吸渗率S随着纳米碳含量的增加而减小,随着纳米碳含量的增加,水分入渗初期的累积入渗量逐渐减小。对湿润锋分层进行线性拟合,在湿润锋进入第2层土壤时,入渗速率有了显著的降低,纳米碳混合层有着明显的阻水效果。(2)随着纳米碳的加入,纳米碳混合层的含水量明显提高,纳米碳混合层下层的土壤含水量相对于空白对照组土壤含水量更低;当纳米碳含量为0.5%时,纳米碳混合层的土壤含水量达到最大值。(3)随着纳米碳的施入,在土壤脱湿状态下,能显著提高土壤的持水能力,运用van Genuchten模型对水分特征曲线进行拟合,公式中的土壤的滞留含水率、饱和含水率及与进气值相关系数较不加纳米碳的土壤明显增加,形状系数n则小于不加纳米碳的土壤。     

基于Hydrus-2D分析农田覆膜对降雨入渗的影响

为探究覆膜处理对农田降雨入渗过程的影响,该研究建立Hydrus-2D降雨入渗模型,模拟不同下垫面条件下不同覆膜和降雨情况对降雨入渗的影响。设裸地平作、无垄覆膜、起垄覆膜3种下垫面,覆膜宽度、降雨量和降雨历时3个因素,每个因素4个水平,共设置144种方案,模拟各方案的降雨入渗过程,分析其土壤含水率空间分布、湿润锋运移、雨后入渗量和有效降雨系数变化。结果表明,无垄覆膜、起垄覆膜处理雨后的膜间表层土壤含水率与裸地平作相比分别增加5.8%和9.2%,膜间水分入渗深度分别增加10.67和12.45 cm,说明覆膜和起垄均能促进降雨入渗;与裸地平作相比覆膜和起垄覆膜能显著提高有效降雨系数,特别是小降雨量的有效降雨系数增加明显;不同覆膜宽度对有效降雨系数的影响达到了显著水平,膜宽70 cm时有效降雨系数最大。因此通过调整覆盖地膜的宽度和设置垄沟可增加降雨入渗量及水分入渗深度,提高降雨资源和农田水分利用效率,这对缓解干旱半干旱区的农业缺水紧张情势,丰富农田水分运移、不同下垫面降雨入渗等相关理论具有重要作用。     

残膜对土壤水分水平运动的阻滞作用

为探明不同残膜量对土壤水分水平运动过程的影响规律,设置6个残膜量水平,分别为0,80,160,320,640,1 280kg/hm~2,采用室内水平土柱吸渗法,分析残膜对水平湿润锋运移、累积入渗量、Boltzmann系数和土壤水分扩散率的影响。结果表明:水平湿润锋运移速率、土壤含水率和累积入渗量均随残膜量增加而减小,残膜量≥160kg/hm~2时,水平湿润锋运移速率和累积入渗量大幅降低;残膜对土壤水分水平运动的阻滞系数与残膜量呈正相关关系,残膜阻滞系数的最大增长率出现在80~160kg/hm~2残膜量区间,高达251.15%;随残膜量的增加,阻滞作用较强区域距离入渗点的距离增大,Boltzmann系数和水分扩散率则逐渐减小,土壤基质势对水分水平运动的驱动作用和土壤持水能力逐渐减弱;混有残膜的土壤水分水平运动过程,仍符合土壤水分扩散率单一参数模型和Kostiakov入渗模型。残膜是一种难降解持续性污染物,会降低水平湿润锋运移速率、累积入渗量和土壤水分扩散率,对土壤水分水平运动的阻滞作用随残膜增多而增强。     

压砂条件下灰钙土地区农田土壤水分垂直入渗特征研究

为探讨压砂条件下灰钙土水分垂直入渗特征,采用土柱模拟法,分别研究了压砂厚度、砂石粒径、土壤初始含水率及灌水量,对压砂条件下水分累计入渗量和土壤湿润锋的影响.结果 表明:压砂条件下,土壤水分累计入渗量与入渗时间可以用正相关幂函数拟合.累计入渗量随着压砂厚度的增加呈增加趋势,入渗速率增加值的临界点是压砂厚度为15 cm;当...     

六盘山半干旱区华北落叶松林土壤水分时空变化与影响因素

分析森林土壤湿度时空变异规律,研究植被蒸腾、林地蒸散和气象因子对土壤湿度的影响,对干旱地区的植被恢复、林水协调管理和植被生态水文功能提升都有重要意义。在宁夏六盘山北侧半干旱的叠叠沟小流域,建立了华北落叶松人工林标准样地,利用气象站、热扩散探针、微型蒸渗仪、时域反射仪等设备,同步监测了2013年7—10月的气象条件、林木蒸腾、林地蒸散、土壤湿度的动态变化,并分层(0—20,20—40,40—60,60—80cm)探讨了土壤湿度的主要影响因子。结果表明:(1)受随机降雨事件影响,土壤湿度呈现相应的脉冲性变化;整体而言,表层(0—20cm)土壤湿度(32.69%)较低,以下各层较高(40.00%左右);土壤湿度的变异程度随土层加深和降雨增大而逐渐减弱。(2)影响土壤湿度的主要气象因子为温度、饱和水汽压差和气压;林木蒸腾和林地蒸散与整个研究期间主根系层(0—60cm)土壤湿度的相关性显著。(3)土壤湿度与各因子的相关系数随土层加深而变小,在主根系层明显,在以下土层(60—80cm)不明显。综上可知,森林土壤湿度同时受降水输入和蒸散输出影响,各土层湿度的时间变化规律相似;但表层土壤的湿度低、变幅大,土壤湿度对影响因子的响应敏感性和变幅随土层加深而逐步缩小。     

环境因子对胡杨树干液流动态的影响

[目的]分析胡杨生长期内各环境因子对树干液流速率的影响程度,为干旱区自然植被耗水量的计算提供了新的方法和科学依据。[方法]对塔里木河下游2012单木胡杨整个生长季内树干液流以及空气温度、风速、有效光合辐射强度、空气湿度、土壤温湿度等环境因子进行连续观测。[结果]胡杨在整个生长季内的液流呈单峰波动曲线,有明显的昼夜变化规律;在生长期内,不同的观测尺度下,影响胡杨液流速率的环境因子不同。回归分析结果表明,对于瞬时液流流速,相关性较大的环境因子主要是大气温度、10cm深处的土壤温度;对于日液流量,主要影响因子为太阳净辐射;对于月液流量,主要影响因子为大气温度和太阳净辐射。[结论]研究区内胡杨生长受大气温度和太阳净辐射影响程度较其他因素大,并且回归方程具有很高的拟合精度。     

单株油蒿蒸腾耗水特征及其与环境因素的关系

[目的]探究油蒿的蒸腾耗水规律及其对环境因子的响应,旨在为固沙植被建设提供科学依据。[方法]利用野外大型称重式蒸渗仪于2014年6—9月底对单株油蒿的蒸腾过程进行连续观测,并同步监测了土壤含水量及相关气象因子。[结果]油蒿单日蒸腾强度曲线在晴天表现为双峰曲线,而在阴雨天双峰曲线不明显;研究期间,单株油蒿蒸腾耗水量为101.66mm,日平均蒸腾强度为0.83mm/d。蒸渗仪内土壤蒸发量106.05mm,日平均土壤蒸发强度为0.87mm/d,试验期间蒸散量占降雨量的82.98%。降雨可以维持油蒿正常生长,并对土壤水分进行一定补充;油蒿蒸腾强度与空气相对湿度(p0.01)、空气温度(p0.01)、太阳净辐射(p0.01)和20cm深度土壤体积含水量(p0.05)具有很好的相关性,且相关性依次减小。[结论]油蒿蒸腾耗水日变化明显,其蒸腾速率受土壤水分状况、气象条件及自身生理特征等因素的影响。     

华北平原典型井灌区农田水循环过程研究回顾

本文回顾了中国科学院栾城农业生态系统试验站在农田水分循环和水量转化方面的研究工作和进展。目前, 对于冬小麦-夏玉米农田的蒸散耗水量及其结构(植物蒸腾和土壤蒸发)有较详细的研究结果。全年总蒸散量多年平均870 mm, 每年亏缺的350 mm 左右需要靠提取地下水保证; 同位素分析结果显示土壤蒸发的深度在地表下20 cm 处, 而植物蒸腾耗水也主要是利用0~40 cm 土层的土壤水分。对于土壤深层渗漏量和地下水接受垂直补给的问题, 不同研究结果间仍然存在较大差异, 尚需更精细的试验来确定。对于区域水量平衡和地下水资源可持续性的评价和管理, 目前急需重点开展区域蒸散量的精确估算和模拟研究, 以及不同土地利用和不同农业种植方式的水量平衡与水分转化过程研究。     

青海大通退耕还林工程区的林木耗水特性

 为了给退耕还林工程建设的树种选择提供依据,2002—2003年,通过实地观测并应用PenmanMonteith方程和定位通量法,对青海大通黄土高寒区自20世纪80年代陆续退耕还林后营造的青海云杉、紫果云杉、华北落叶松、白桦、青杨和沙棘进行了林木耗水特性研究。结果表明:2种方法测算林地蒸散的月平均相对误差是57%。中龄林的青杨沙棘混交林、白桦纯林、青杨灌木混交林和白桦青海云杉沙棘混交林的生长季蒸散总量为488～538mm,其中蒸腾量占蒸散总量的74%～79%,林地土面蒸发总量占蒸散总量的10%～12%,林地无地表径流产生;处于幼龄生长阶段的紫果云杉、青杨、华北落叶松、青海云杉混交林生长季蒸散总量为450～510mm,其中蒸腾总量占蒸散总量的45%～69%,林地土面蒸发总量占蒸散总量的16%～44%,地表径流量占林地降水量的1%～6%。大部分林分6—8月的蒸腾耗水量占全年的80%。     

不同供水条件下土壤水分与烤烟蒸腾耗水的关系

采用旱棚人工控水试验,研究了不同供水条件下烤烟的生理需水规律及蒸腾耗水与土壤水分的关系。结果表明,在充分供水条件下,烤烟全生育期蒸腾耗水量的变化呈单峰曲线,以旺长期蒸腾耗水量最大,成熟期次之,伸根期最小,各时期蒸腾耗水模系数分别为45.23%,34.8％和19.97％。烤烟的蒸腾耗水量与土壤供水量成正比,各生育期供水不足均影响烟株的蒸腾耗水,尤其以旺长期干旱的影响最大。根据本试验结果,计算出了不同供水条件下烤烟蒸腾耗水的土壤水分胁迫系数,建立了非充分供水条件下土壤水分胁迫系数的订正函数和烤烟实际蒸腾耗水的时间－水分函数模型。     

干旱区不同供水量下杨树水分效应和生态用水量研究

水分是干旱区林木生长的主要限制因子,科学地确定林木的合理供水量是林木获得速生丰产的关键.以乌兰布和沙区的小美旱杨为研究对象,探讨了不同供水量与土壤环境及小美旱杨生长指征的相互关系,结果表明:不同供水量下土壤的增湿效应存在显著差异,1500m³/(hm²·a)和3000m³/(hm²·a)的供水量下的水分补给层主要在50cm以上土层,而4500,6000,7 500m³/(hm²·a)供水量下的水分补给层则为70cm以上土层;不同处理间各月土壤含水量差异均随供水量的增加而递减,在供水量不变的条件下,随着林龄的增加,耗水量逐年递增;土壤贮水量、土壤有效含水量、田间持水量、生态用水量、叶片鲜重、蒸腾速率、最佳含水量均随供水量增加而增加,土壤温度随供水量增加而递减,其降温幅度在0.31～1.24℃之间.     

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。     

北京山区4种优势林分生态用水实验研究

为研究较小尺度上不同林分的生态用水,采用实验方法对2010年生长季北京山区4种主要优势林分的生态用水量进行了测定。结果显示,4种林分的生态用水量分别为侧柏376.15mm,油松335.28mm,刺槐258.90mm,栓皮栎374.94mm。生态用水的各组分中林分蒸腾用水占据主导性地位;4种林分中,刺槐林地的有效降水能够满足全部的林地蒸散甚至补充少量土壤贮水,而其他3种林分均只能满足约75%的林地蒸散量和约55%的生态用水量。建议在降水贫乏的干旱山区造林时,适当增加刺槐林分的比例。     

塔里木河上中游荒漠河岸林植物群落对淹灌的响应

[目的]定量分析淹灌对典型断面荒漠河岸林植物群落的长势、植物多样性的影响,为今后改进干旱区科学补水方案,实现生态水高效利用提供理论依据。[方法]通过2016—2018年6次在塔里木河上中游进行植被调查获得数据,运用Pielou指数、Shannon-Wiener指数、Simpson指数以及重要值等指标对淹灌的影响进行分析。[结果]淹灌2 a后,塔里木河上中游新增了11种植物,主要是胡杨苗、柽柳苗、喜湿植物以及一年生草本,其中胡杨苗密度增加0.72株/m~2,增长率为855.9%;柽柳新枝长增加41.8 cm,增长率为71.58%,胡杨长势得到好转:优、中等胡杨出现频率增加0.11株/m~2,增长率为32%;随着距生态闸距离的增加,胡杨林密度有减小的趋势,林龄老龄化也逐渐凸显;林下物种多样性有随淹灌距离的增加而减少的趋势;距生态闸300 m范围内以胡杨、柽柳幼苗及喜湿的一年或多年生草本植物成为优势种(其重要值分别为0.243,0.195,0.248),大于300 m后优势种逐渐被柽柳、耐旱的多年生草本植物所取代,一年生草本植物、胡杨苗在距生态闸450 m后消失。[结论]淹灌使荒漠河岸林植物群落更新能力增强,物种多样性增加。为了维持目前的生态好转趋势,淹灌工程需要继续开展。