黄土丘陵沟壑区不同水保措施条件下土壤水分状况

黄土高原土壤水资源对植物的生长发育意义重大。水土保持措施会影响土壤水分的静态分布和动态过程。该文通过定位监测并引入土壤水分亏缺补偿度指标,旨在明确黄土丘陵沟壑区不同水土保持措施下土壤水分动态特征和雨季前后土壤水分的亏缺与补偿情况。结果表明：不同水土保持措施雨季前后土壤储水均处于亏缺状态,7月份土壤储水亏缺得到缓解;8月份表层土壤储水亏缺加剧;雨季后的10月份土壤储水均得到恢复。降雨对退耕坡地和梯田土壤水分均有正补偿作用。水平阶90 cm处和160 cm以下出现负补偿现象。鱼鳞坑在30 cm处出现负补偿。在0～200 cm土壤剖面上,土壤储水亏缺补偿度依次为退耕坡地＞梯田＞鱼鳞坑＞水平阶。由此可见,不同水土保持措施对土壤水分季节变化和垂直变化,以及降雨对土壤水分的补偿作用均产生不同影响。     

黄土丘陵区不同土地利用方式土壤水分变化特征

为了探讨黄土丘陵区不同土地利用方式土壤水分的时空变化特征,合理规划土地利用方式与土壤水资源。选择陕西省延安市安塞县墩山上梯田、草地、刺槐林、沙棘灌丛4种土地利用方式,采用土钻法在2019年5月、7月、8月和10月监测了土壤水分。结果表明:4种土地利用方式的土壤含水量表现为明显的时间特征,存在滞后效应;0—300 cm深度平均土壤含水量大小表现为梯田草地沙棘灌丛刺槐林;随土层深度的增加土壤含水量的季节变异系数均逐渐减小,季节变异系数在100 cm以下的土壤深层趋于稳定;土壤含水量由表土层到深土层上为"S"形,含水量先增大后减小,垂直变化特征明显;土壤水分变化相似性表现为梯田沙棘灌丛草地刺槐林。刺槐林和沙棘灌丛需要消耗更多深层土壤水分,容易出现土壤干燥化;梯田和草地的土壤水分条件较好,梯田对土壤水分的调控作用较好,土壤水分在垂直方向上的变化较为平缓。     

不同地形部位土壤水分的年变化分析

 通过测定飞马河流域阴坡、阳坡、半阴半阳坡、川地不同部位0-180cm土壤的储水量,分析土壤水分空间、时间变异性,以及不同植被在不同部位土壤水分亏缺程度。结果表明:梯田宽度不同,土壤水分分布不同,在0-180cm土层,窄式梯田水分分布较均匀,宽式梯田土壤水分由内侧向外侧递减;坡向、坡位不同,土壤水分变异很大,阴坡土壤年平均储水量远比阳坡高111.9mm;在坡地上修建水平阶后,沿坡长土壤水分趋于均匀。土壤水分年变化总体看来,可分3个阶段:11月初至翌年6月底,土壤水分变化很缓慢;7月初至8月底,急剧变化;9-10月缓慢变化,阴坡土壤水分变化比阳坡缓慢。在不同立地条件上生长的作物,水分满足程度差异很大,阴坡生长的次生林,坡中部和坡下部水分基本不亏缺,坡上部水分亏缺较严重,玉米地和果园,自5月开始水分出现亏缺,玉米地4-10月平均水分满足程度为74.4％,果园4-10月平均水分满足程度为83％。     

晋西黄土区雨养果园土壤水分动态及对降雨的响应

通过对晋西黄土区雨养苹果园土壤水分进行连续定位观测,研究土壤水分的动态规律及其对降雨的响应。结果表明:春季土壤含水率变化幅度不大,CV在0.02~0.27范围内波动;雨季降雨增多,0-170cm土层CV均大于0.2;冬季土壤表层蒸发强烈,0-60cm土层CV均大于0.1,而60cm以下土壤水分能够继续向下运移,180-190cm土层CV为0.11。2011年苹果园土壤水分亏缺度为30.89%~58.68%,补偿度为3.88%~57.37%,降雨能够补充0-70cm土层的土壤亏缺量,但是深层土壤一直处于亏缺状态,需要科学合理的管理措施防治山地雨养果园的缺水问题。果园0-10cm的土壤含水率对降雨的响应极其明显,能够有效反映出土壤水分对降雨的响应特征,随着土壤深度的增加,土壤含水率对降雨的响应逐层滞后并且减弱。     

陕北黄土丘陵区山地苹果园的土壤水分动态研究

掌握土壤水分特征是实现果园科学管理、有限雨水资源合理高效利用、保证果树高产优质的关键。以陕北米脂山地6年生红富士苹果园为研究对象,于2015年4月—2016年6月采用FDR、中子水分仪和烘干法相结合的土壤水分监测方法,分析了山地苹果园的土壤水分总体特征、单株不同位点的水分动态以及不同旱作措施(秸秆覆盖、起垄覆膜垄沟集雨、有机肥覆盖)的土壤水分环境效应。结果表明:陕北山地果园时段干旱严重,最严重的为苹果树新梢生长和幼果发育期;春季土壤干旱程度取决于上年入冬前土壤储水量高低。果园0~60 cm土层(根系分布集中层)水分随降雨量而变化,表现为较一致的季节变化特征;土壤水分的变化滞后于降雨变化,且降雨对土壤水分的影响随土层加深而减弱,100 cm深土层受降雨影响减弱,土壤剖面200 cm以下土层土壤含水量保持相对稳定。6年生山地苹果园土壤已经出现干化现象,且在90~300 cm存在明显的低湿层,土壤体积含水量常年处在12%以下。苹果树单株尺度范围内,土壤含水量随距树干距离增加单调递增;土壤水分的平均值处在距树干105 cm处;沿行向距树干不同距离位点的土壤含水量显著高于沿株向距树干等距离位点的含水量(P0.05)。秸秆覆盖、起垄覆膜垄沟集雨和有机肥覆盖措施相较于空白对照(不覆盖、不灌溉)均能有效改善土壤水分环境,缓解果树生育期内水分供需矛盾,其中起垄覆膜垄沟集雨措施的保墒效果最佳,建议陕北黄土丘陵区山地雨养苹果园采用起垄覆膜垄沟集雨的保墒措施。     

陕北丘陵区陡坡柠条林地与荒坡土壤水分变化研究

通过定点土壤水分测定与对比分析，研究了陕北丘陵区陡坡柠条林地与荒坡的土壤水分亏缺状况，年际年内动态变化规律，干燥化特征及其自然降水的补偿能力。结果表明，柠条林地与荒坡0-10m土层贮水量仅相当于田间持水量的26．2％～41．2％。荒坡地0-10m土层贮水量相当于田间持水量的39．8％～41．2％。土壤贮水量的分布是阳坡〈半阳坡〈阴坡，上坡位〈下坡位。年际间土壤水分的变异程度随土壤深度的增加而减弱，土壤贮水量的变化主要发生在2m以上土层内。土壤贮水量具有明显的季节变化特征，但滞后于降雨量变化。生长季内，柠条地与荒坡的土壤平均贮水量之间差异显著，土壤越深，其含水量变化程度越小。两种利用方式的土壤剖面都产生了不同程度的干化层。相比而言，柠条林地深层土壤干燥化强度明显大于荒坡地。丰水年柠条林雨水补偿深度仅为1．0m，荒坡也仅为1．2m。柠条林丰水年的雨水补偿深度比干旱年可增加60cm以上，5m土层贮水增量增加3倍以上。     

黄土高原植被演替过程中土壤水分亏缺

土壤水分亏缺在黄土高原植被恢复过程中表现较为严重,这对黄土高原的生态恢复与植被建设造成了很大的障碍。只有充分了解黄土高原的土壤水分特征及其亏缺状况,才能为植被恢复提供参考。对陕北黄土高原典型次生林地和草地的土壤水分进行了测量,对雨季和非雨季的山杨、沙棘、辽东栎和撂荒地土壤水分亏缺特征进行了定量评价。结果显示:3种林地0—500 cm土层的土壤含水量与储水量随着土层深度的增加都呈先增加后缓慢下降,撂荒地随着土层深度增加呈增加趋势,且其含水量与储水量是最高的。不同恢复植被的土壤含水量与储水量大小顺序为:撂荒地沙棘山杨辽东栎。与撂荒地相比,3种林地的相对亏缺指数顺序为:辽东栎山杨沙棘,雨季的的土壤亏缺状况较非雨季严重,植被类型、土壤质地和土层深度是影响植被演替过程中土壤水分亏缺状况的关键因子。     

黄土高原沟壑区塬面苹果园土壤水分特征分析

为了解长期种植果树对黄土高原沟壑区土壤水分的影响,对不同种植年限的塬面果园土壤水分特征进行了分析。结果表明:黄土沟壑区塬面果园土壤水分含量普遍低于80%田间持水量,水分较亏缺。0~10 m果园土壤平均含水量与3 m以下各层含水量均呈极显著相关关系,与2~3 m层含水量呈显著相关关系,与0~2 m层次的土壤含水量相关性不显著。土壤水分含量随种植年限的增加呈现先降低后又略有恢复的趋势,但水分恢复量不大。土壤水分波动性及其亏缺量随种植年限的增加呈现先增加后减小的抛物线型变化趋势。果树根系所吸收利用的土壤水分的深度,随着种植年限的增加而增深。在果树的主要生命周期内,其吸收利用的土壤水分最大深度可达8 m上下,耗水量最大时期为盛果中期(种植15年左右)。     

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。     

几种典型覆盖下的土壤水分恢复研究

为了探索半干旱黄土丘陵区典型覆盖措施下土壤水分恢复的特征,采用野外大型土柱定位观测了几种覆盖下土壤水分的变化,结果表明:(1)与裸地相比,薄膜覆盖下土壤水分增加最显著,其次为树枝覆盖;(2)从土壤水分的含量来看,裸地在当地有利于土壤水分的恢复;(3)从逐月累计土壤储水增量来看,经过一个生育期,不同处理下土壤储水增量均有不同程度的增加,到9月份时,薄膜覆盖树枝覆盖裸地早熟禾。三种无植物处理下土壤储水增量随着时间的变化呈直线上升的关系,其中薄膜覆盖与逐月累计降雨量关系最紧密。有植物种植的处理中(早熟禾),土壤储水增量与时间呈非线性关系;(4)随着土层的增加,变异系数逐渐减小,早熟禾和裸地在200cm以下,基本达到稳定,树枝覆盖在240cm以下达到稳定,薄膜覆盖大概在340cm以下达到稳定。     

种植果树对土壤物理性状的双重效应

在渭北果区选择不同园龄(<10 年、10~20 年、>20 年)果园, 分层测定0~60 cm 土层土壤容重、土壤坚实度、土壤含水量以及表层土壤团聚体组成等物理性状, 进一步分析了果园土壤物理性状随园龄的变化特征。结果表明: 土壤容重在0~30 cm 土层随园龄增长而降低; 在30 cm 以下土层随园龄增长而增加, 超过了健康园艺土壤的质量标准1.30 g·cm^-3; 与休闲农田相比, 种植果树可降低10~30 cm 土层土壤容重; 但30 cm 以下土层土壤坚实度急剧增大, 接近或达到了限制根系延伸的土壤质量标准1 000 kPa; 与休闲农田相比, 种植果树对于降低17.5~27.5 cm 土层的坚实度具有明显作用。果园表层土壤团聚体状况整体较差, 水稳性优势团聚体直径为0.5~0.25 mm, >0.25 mm 水稳性团聚体含量随园龄增加而增大, >20 年果园比<10 年果园高1 倍。种植果树对表层土壤具有明显的保护和改善作用, 却在深层发生着紧实化和坚硬化过程。果树对土壤物理状况的双重效应体现在对0~30 cm 土层土壤结构具有改善作用, 对30 cm 以下土层土壤结构有破坏作用。果园土壤“深层的隐蔽性退化过程”影响着果树根系健康生长, 应当给予极大关注。     

黄土高原不同林龄苹果树根系吸水策略对降水的响应

在黄土高原陕西省长武塬区选取品种和管理手段均相同的3种林龄果园(尚未结果的5年幼龄果园、已结果的8年初果园和13年壮果园)苹果树,采用空间换时间的试验设计,分别于2015年7月12日和8月19日对0—500cm深度土壤及对应取样处的苹果树枝条取样,测定土样和枝条样中水分的稳定氢氧同位素,并利用贝叶斯模型量化降水前后不同土层对苹果林耗水的贡献。结果表明:(1)不同林龄苹果树降雨前后的主要水分来源深度不同。干旱时,13年壮龄果树的主要吸水深度比5年和8年果树深;而生长旺季,雨季降水只能补充未挂果的5年幼龄果园土壤水分消耗,即使降水量很大,也无法满足已经开始挂果的8年和13年果园土壤水分消耗。(2)在干旱期,5年和8年果树50%以上的水分来自表层0—100cm土壤,而13年果树50%的水分来自100—300cm土层。而降水后,5年和8年果树的主要水分来源变为100—300cm土层,贡献值在40%左右;13年果园的主要水分贡献层为0—100cm土层,贡献了近50%的水分。(3)3种林龄果树根系对300—500cm土层土壤水分的吸收对降雨的响应非常弱,降雨前后贡献率始终保持在30%。     

基于van Genuchten模型的渭北苹果园土壤水分能量特征分析

针对渭北地区干旱缺水,果树生长发育受限的客观实际,开展了苹果树生育期0～150 cm土壤水吸力动态变化规律研究。依据渭北果园土壤剖面构型,将离心机法与水汽平衡法相结合,按照发生学土层,逐层测定了供试土壤水分特征曲线,并用van Genuchten模型拟合。基于该模型,将在幼龄果园、老龄果园以及农田定期逐层监测的土壤水分含量转化为土壤水吸力,以农田为对照,评价植果条件下土壤水分的胁迫状况。结果表明,van Genuchten模型能很好地拟合渭北果园耕层、农田耕层、黑垆土层及黄土母质层的水分特征曲线,拟合精度均达0.96以上。渭北地区农田受干旱胁迫较严重,3月中旬－7月初,0～100 cm土层均处于水吸力高于3.98的重度胁迫状态;受植被冠层覆盖及果树生育期的影响,干旱对果树的胁迫程度较农田小,对老龄果园胁迫程度比对幼龄果园的大,幼龄果园在3月中旬－5月初、5月底－7月初仅0～20 cm土层为高水吸力区,直至6月中旬－7月中旬高水吸力区才延伸到40～70 cm土层;老龄果园在3月中旬－4月底的0～40 cm土层、5月底－7月中旬的30～100 cm土层和7月中旬－8月底的0～20 cm土层为高水吸力区。可得出,渭北不同园龄苹果园在不同生育期的不同深度土层会间歇性地出现高水吸力的土壤水分胁迫区,但相对于农田而言,果园受到的干旱胁迫相对较轻,渭北地区植果有助于缓解干旱胁迫。     

黄土旱塬集雨保墒措施对苹果发育和土壤水分变化的影响

为了有效缓解黄土旱塬区苹果园深层干燥化,保证苹果产业的可持续发展,该文选取甘肃镇原盛果期苹果园,连续6 a定位测定了黑色地膜覆盖和黑色地膜覆盖+立体化入渗对苹果产量、新梢生长量和土壤含水量等指标。分析了6 a不同处理苹果产量、形态指标和不同生育期果园0~500 cm土壤相对水分亏缺指数的变化,研究结果表明:黑色地膜覆盖+立体化入渗较对照平均增产16.49%,优果率增加8.91%;300~500 cm土壤含水量较对照增加0.50~2.63百分点,降水入渗深度达到了480 cm,在60~500 cm水分相对亏缺指数为-0.05~-0.12,最大补偿区域为200~300 cm,水分补偿为春季花期和收获期。因此,黑色地膜覆盖+立体化入渗技术提高了果树产量与优果率,改善了果园深层水分状况,缓解土壤深层干燥化。     

黑龙江省农田土壤蓄水量盈亏值时空变化规律研究

利用黑龙江省33个站点近20年的农田土壤水分田间实测资料，分析得出黑龙江省农田土壤蓄水量盈亏值的时空变化规律：整个生长季全省0～50cm各层土壤蓄水量盈亏状况总体呈现东盈西亏规律。春、秋季东部盈余较大，最大盈余与亏缺之差值较大；夏季不仅呈现东盈西亏规律，且亏缺区域面积增大，程度加重，最大盈余与亏缺之差值缩小。土壤深墒相对稳定。土壤蓄水量盈亏值的垂直变化依据土壤质地的不同而呈现不同规律。     

黄土高原不同树龄苹果园土壤水分及硝态氮剖面特征

为揭示黄土高原农田转变为苹果园后土壤水分及硝态氮剖面变化特征,以洛川县为研究区,采集农田(对照)和8,17,25年苹果园共40个0-600 cm剖面土样,分析土壤水分、NO3--N浓度及其储量。结果表明:与农田相比,8年苹果园0-600 cm土壤水分含量及贮水量偏高(旧县镇)或相当(槐柏镇),而NO3--N浓度及其累积量则没有显著差异;17,25年苹果园0-600 cm土层贮水量则显著降低(P<0.05),分别下降150,230 mm,且该差异主要与300 cm以下土层水分变化有关;0-500 cm土层NO3--N浓度随苹果种植年限显著增加,17,25年苹果园0-600 cm土层NO3--N累积量分别为6 830,8 370 kg/hm2,二者显著高于农田(695 kg/hm2)和8年果园(440 kg/hm2)。综合可知,农田转变为苹果园这一土地利用方式变化可导致深层土壤水分亏缺(>300 cm)和硝态氮累积,黄土高原大力发展苹果种植过程中应重视蓄水保墒及氮肥减施等措施。     

黄土丘陵区不同土地利用类型下深层土壤轻组有机碳剖面分布特征

以黄土丘陵区林地（刺槐和柠条）、 撂荒地及坡耕地3种土地利用类型为研究对象,以浅层土壤（0100 cm）为对照,采用有机碳密度分组法对不同利用类型深层土壤（100400 cm）轻组有机碳含量及其分配比例进行了研究。结果表明, 1）3种土地利用类型土壤轻组有机碳含量及其分配比例随土壤深度的增加而显著下降,其含量的变化范围为0.09~1.76 g/kg,分配比例变化范围为4.19%~32.24%;各利用类型下亚深层（100200 cm）、 深层（200400 cm）土壤轻组有机碳含量为浅层的12.4%~39.8%,分配比例为浅层的28.7%~66.2%;随土层深度增加,轻组有机碳含量及其分配比例的降幅在不同土地利用类型下表现为刺槐林地＞撂荒地＞柠条林地＞坡耕地;2）各土地利用类型下同一土层轻组有机碳含量及其分配比例不同,浅层、 亚深层和深层土壤轻组有机碳含量及其分配比例表现为林地＞撂荒地＞坡耕地。3）退耕还林还草增加了浅层土壤轻组有机碳含量及其分配比例,却降低了亚深层、 深层土壤轻组有机碳含量及其分配比例,即与浅层土壤相比,植被恢复相对增加了深层土壤有机碳的稳定性。     

不同耕作措施对甘肃引黄灌区耕地土壤有机碳的影响

为了探明不同耕作措施对甘肃引黄灌区耕地土壤有机碳的影响,2014-2017年在连续翻耕8a的玉米地上设置翻耕(CT)、旋耕(RT)、深松(ST)、免耕(NT)4个单一耕作处理和翻耕-免耕(CT-NT)、深松-免耕(ST-NT)2个轮耕处理开展了研究。结果表明,连续免耕(NT)显著增加了0～40cm土层有机碳含量和有机碳储量(P0.05),平均比CT增加4.45%和5.27%,比RT增加7.23%和8.50%;连续深松(ST)也有较好的固碳效果,在4个单一耕作措施中仅次于NT;连续翻耕(CT)和旋耕(RT)显著降低了土壤有机碳含量和有机碳储量(P0.05),RT的降低幅度大于CT。CT-NT和ST-NT2个轮耕处理既有较好的固碳效果,又符合当地农民操作习惯,有机碳含量分别比CT增加2.44%和4.82%,比RT增加5.12%和7.55%;有机碳储量比CT增加2.50%和5.47%,比RT增加5.64%和8.70%。不同耕作制度会使土壤有机碳发生层化,但有机碳含量的层化更多表现在不同土层之间,相同层次各处理之间变化不大;而有机碳储量只在耕层以下发生了层化,相同土层各处理之间也表现出比较明显的层化特征。因此,综合分析认为,任何一个单一耕作措施都有其局限性,CT-NT和ST-NT是比较理想的耕作模式,在该区域农业可持续发展中具有一定的应用价值。     

典型区域果园土壤有机质变化特征研究

在黄土高原、胶东半岛和北京郊区果园选择11个采样区,按照5～10年、10～15年和15年以上3个园龄段,利用GPS定位系统,共采集0～20 cm表层土壤样品99份,并在取样果园附近选择普通农田作为对照采集土壤样品33份,测定了果园与普通农田土壤的有机质含量,并从果园土壤有机质数量特征,果园与农田差异特征以及有机质随园龄段变化特征3个方面进行统计分析.研究结果表明:胶东半岛栖霞和北京郊区果园土壤有机质含量较高,黄土高原宝塔较低.与农田相比,60%多的果园土壤有机质未发生显著变化,明显提高的果园不到30%,明显降低的果园不到10%;土壤有机质发生变化的果园,平均提高0.62%,平均降低0.20%;随园龄增加,两个样点果园土壤有机质明显提高,其他果园变化不显著.在优质高产果园区,果园土壤有机质提高归因于施用有机肥、果园种草、青草或秸秆还田.总体上看,典型区域果园土壤有机质高低值差异较大,土壤有机质含量普遍不高,果业持续发展能力较低.