Impacts of land use and plant characteristics on dried soil layers in different climatic regions on the Loess Plateau of China

A dried soil layer (DSL) formed in the soil profile is a typical indication of soil drought caused by climate change and/or poor land management. The responses of a soil to drought conditions in water-limited systems and the impacts of plant characteristics on these processes are seldom known due to the lack of comparative data on soil water content (SWC) in the soil profile. The occurrence of DSLs can interfere in the water cycle in soil-plant-atmosphere systems by preventing water interchanges between upper soil layers and groundwater. Consequently, a DSL may limit the sustainability of environmental restoration projects (e.g., revegetation, soil and water conservation, etc.) on the Loess Plateau of China and in other similar arid and semiarid regions. In this study, we investigated and compared the impacts of soil type, land use and plant characteristics within each of the three climatic regions (arid, semiarid, semihumid) of the Loess Plateau. A total of 17,906 soil samples from 382 soil profiles were collected to characterize DSLs across the Plateau.Spatial patterns of DSLs (represented by four indices: (1) DSL thickness, DSLT; (2) DSL forming depth, DSLFD; (3) mean SWC within the DSL, DSL-SWC; and (4) stable field water capacity, SFC) differed significantly among the climatic regions, emphasizing the importance of considering climatic conditions when assessing DSL variations. The impact of land use on DSLs varied among the three climatic regions. In the arid region, land use had no significant effect on DSLs but there were significant effects in the semiarid and semihumid regions (P < 0.05). The development of DSLs under trees and grasses was more severe in the semiarid region than in the semihumid region. In each climatic region, the extent of DSLs depended on the plant species (e.g., native or exotic, tree or grass) and growth ages; while only in the semiarid region, the DSL-SWC and SFC (P < 0.001) were significantly influenced by soil type. The DSL distribution pattern was related to the climatic region and the soil texture, which both followed gradients along the southeast-northwest axis of the Plateau. Optimizing land use can mediate DSL formation and development in the semiarid and semihumid regions of the Loess Plateau and in similar regions elsewhere. Understanding the dominant factors affecting DSLs at the regional scale enables scientifically based policies to be made that would alleviate the process of soil desiccation and sustain development of the economy and restoration of the natural environment. Moreover, these results can also be useful to the modeling of the regional water cycle and related eco-hydrological processes.     

半干旱黄土区地上生物量对立地因子的响应

半干旱黄土区地形破碎、沟壑纵横、生态环境脆弱,其生态恢复过程受到全世界生态学者的普遍关注.生物量是生态系统获取能量的表现形式.以位于黄土丘陵沟壑区的植被自然恢复10a的合沟流域地上生物量为研究对象,分析不同立地因子对地上生物量的影响规律.结果表明:1)不同立地类型地上生物量从大到小依次为沟底、阴向沟坡、阴向梁坡、阳向沟坡、梁顶、阳向梁坡;2)梁坡和沟坡的地上生物量随坡度升高均呈现反S形态,梁坡的地上生物量最大值出现在20°～25°处,最小值出现在35°～40°处,沟坡的地上生物量的最小值出现在30°～35°处,最大值出现在40°～45°处;3)坡向对地上生物量的影响是显著的(P=0.049),其余因素的影响不显著.可知,该区地上生物量的分布规律是植被对不同立地类型水分、光照等自然条件综合利用的结果.     

气候变化与土壤湿度关系的研究进展

在分析气候变化与土壤湿度关系研究现状的基础上,综述了该研究的进展。首先,描述了用数值模拟方法研究气候变化与土壤湿度之间关系的现状;论述了该研究取得的成果和需要进一步研究的问题;其次,简要总结了目前研究仍显薄弱的资料诊断分析工作及取得的成果。土壤湿度的监测与预报是制定合理的灌溉制度从而实现适时适量灌溉的基础,因此本文对气候变化条件下土壤湿度变化趋势的研究及节水灌溉(特别是干旱地区)具有重要的意义。     

基于微波干涉技术的土壤介电特性测量

土壤介电特性的测量对研究土壤品质与性质尤其是研究土壤水分至关重要,在土壤微波地基遥感试验中,土壤介电特性的测量也是必不可少的。该文利用C波段微波辐射计成功获取了8组不同湿度土壤的微波辐射干涉数据,在分析干涉原理的基础上,提出了基于土壤干涉数据的土壤介电常数的计算方法。通过干涉计算得到的土壤介电常数与DOBSON模型计算结果非常接近。土壤介电常数的干涉测量方法为土壤介电特性测量提供了一种选择。     

耕作措施对温带半干旱地区土壤温室气体(CO2、CH4、N2O)通量的影响

通过设置在甘肃省定西市李家堡镇的不同耕作措施试验, 利用CO₂分析仪、静态箱-气相色谱法对双序列轮作次序下春小麦地、豌豆地生育期内CO₂、CH₄和N₂O通量进行了测定。试验结果表明: 4种耕作措施下春小麦地和豌豆地在生育期内均表现为CO₂源、N₂O源和CH₄汇的功能。传统耕作不覆盖、免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖和传统耕作结合秸秆还田下, 春小麦生育期内平均土壤CO₂通量(μmol·m^-2·s^-1)分别为0.203 6、0.221 2、0.241 8、0.224 9, CH₄通量(mg·m^-2·h^-1)分别为-0.041 6、-0.078 0、-0.081 8、-0.053 7, N₂O通量(mg·m^-2·h^-1)分别为0.089 1、0.069 2、0.046 1、0.065 6; 豌豆生育期内平均土壤CO₂通量(μmol·m^-2·s^-1)分别为0.273 6、0.261 6、0.218 1、0.236 0, CH₄通量(mg·m^-2·h^-1)分别为-0.055 0、-0.073 7、-0.066 2、-0.054 5, N₂O通量(mg·m^-2·h^-1)分别为0.123 4、0.084 7、0.080 6、0.035 0。少免耕及小麦秸秆覆盖有利于减少土壤CO₂排放通量, 免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖及传统耕作结合秸秆还田均能不同程度地增加CH₄吸收通量、减少N₂O排放通量。综合来看, 免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖和传统耕作结合秸秆还田3种保护性耕作措施有助于减少土壤温室气体的排放量。春小麦地CO₂通量随着土壤温度、土壤含水量的逐渐升高而增大; CH₄吸收通量随着土壤含水量的逐渐升高而增大, 而随着土壤温度的逐渐升高而减小。豌豆地CO₂通量的变化与土壤含水量存在极显著正相关关系; 而春小麦地N₂O通量则与平均土壤温度呈显著正相关, 豌豆地则为极显著正相关。     

基于T-S模糊模型的TDR土壤水分传感器标定方法研究

利用TDR土壤水分传感器实现土壤水分数值的精确采集具有现实意义[1-3]。为了获得TDR土壤水分传感器水分含量测量所对应输出电压与实际土壤含水量的良好对应关系,在采用取土实验测量法获得实际水分含量数值与对应输出电压数值的基础上,利用Takagi-Sugeno模型逼进精度高、后件参数线性化等优点[2,4]对TDR土壤水分传感器     

负水头供水裸燕麦需水特性及其对不同土壤湿度的生理响应

为进一步明确裸燕麦耗水量及其在不同土壤水分状况下的生理反应,论文在盆栽试验条件下,以负水头持续供水系统为供水装置,比较了裸燕麦、玉米、高粱、大麦和小麦旱地禾本科作物的水分耗散;设置40、60和80cm3个负水头控压高度,测定了"高-中-低"3种土壤湿度下裸燕麦孕穗期叶片光响应曲线及叶片保护酶活力。结果显示:裸燕麦蒸腾系数为455.37,显著(P<0.05)高于其他作物,较高叶片蒸腾速率和较低净光合速率是主要生理原因;降低土壤含水量将降低裸燕麦叶片相对叶绿素含量,但适度降低土壤含水量并未显著(P>0.05)降低叶片光合能力,而适度提高气孔受限程度,有利于提高叶片水分利用效率;超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等叶片保护酶活性对不同土壤水分状况响应不一致,中等土壤湿度时SOD活性较高,高土壤湿度时POD活性较高,低土壤湿度时CAT活性响应程度较高。     

基于相对湿润度指数的西南地区季节性干旱时空分布特征

西南地区是中国重要农业生产区,季节性干旱是该区域最主要的农业气象灾害,研究季节性干旱时空分布特征对西南地区防旱减灾具有重要意义。该文收集西南地区4个省(市)共97个代表气象站50a(1959年-2008年)的逐日降水量、气温、日照时数、相对湿度、风速、水汽压等气象资料,选用国家标准中相对湿润度指数(M)作为干旱指标,以年、季为时间尺度,研究西南地区干旱频率和强度的空间分布特征,并分析近50a干旱强度和发生范围的年际变化规律。结果表明:西南地区年尺度干旱频率呈西部高,东部低的带状分布,高发区位于川西高原、川西南山地、云南西北部和中北部的山地、高原及河谷地带,发生频率在3年2遇以上;年干旱强度以中旱以上为主。不同季节干旱频率差异大:冬旱发生频率最高,春旱次之,秋旱较低,夏旱最低;干旱强度方面,冬旱强度最大,春旱次之,秋旱较小,夏旱最小;总体而言,干旱发生频率高的地方干旱强度也大。从年际变化看,西南地区总体上略有变湿的趋势,年干旱强度明显减弱,其中春旱、秋旱有减轻趋势,夏旱和冬旱有所增强;但近10a,年干旱强度增大明显,夏旱、秋旱、冬旱也明显上升,这与西南地区近几年干旱频繁发生相吻合。     

应用纹理分析方法在线监测苹果冻干含水率

在果蔬真空冷冻干燥过程中对果蔬物料含水率进行实时监测,可为冻干过程监控和优化提供依据。该文研究以冻干果蔬物料含水分图像纹理分析为技术手段,实现连续表达干燥过程中物料的含水率。试材选用苹果,采用环形光源和高速CCD组件,在冻干仓窗外分别采集原始苹果样本MA和经CuSO4溶液染色的苹果样本MB在一个完整冻干周期中表面含水纹理变化的动态图像,运用主成分分析法对图像均值等6个含水纹理特征指标进行统计分析,并对原始样本纹理特征的第一主分量与其含水率W1、染色样本含水纹理特征的第一主分量与其含水率W2、W1和W2分别进行非线性回归分析。结果表明,模型的决定系数达到0.9376、0.9289和0.9930,且显著性检验概率均<0.0001,模型检验极显著。同时,模型相对误差基本<3%。因此,由果蔬物料含水图像的纹理特征可实现含水率的在线监测。该方法不但为真空冷冻干燥加工过程控制探索一种利用水分图像处理方法进行水分在线监测的新方法,而且也可在其他干燥加工水分监测及过程控制中应用。     

覆膜和露地旱作春玉米生长与蒸散动态比较

利用土壤水分传感器、微型蒸渗仪与涡度相关系统,连续监测覆膜和露地春玉米田土壤水分、蒸发和农田蒸散,分析春玉米田蒸散与土壤蒸发变化规律,探讨了覆膜玉米高产节水增效的机理。结果表明:与露地相比,覆膜的表层土壤温度和体积含水率分别提高4.9%和19.5%。覆膜、露地处理玉米出苗率分别为99.0%和80.0%,其差异为显著水平,覆膜提早春玉米各生育阶段平均为7d,全生育期缩短11d。生育前期、中期,覆膜的叶面积指数、株高和地上、地下干物质均显著高于露地的,播种一个月后差异最大,分别高110.2%、13.5%、42.9%和12.7%。玉米拔节期前(6月前)和8月后至玉米成熟,覆膜的农田蒸散量分别比露地的低6.8%和0.4%,但6-8月覆膜的比露地的高5.1%。全生育期覆膜的农田蒸散量为376.2mm,降低了6.0%,且土壤蒸发降低了57.7%。最终单株平均果穗质量、生物量差异不显著。但是,由于覆膜显著提高了出苗率从而增加了单位面积生物产量和经济产量,增幅分别为23.7%和15.3%。同时,覆膜作物水分利用效率提高了22.6%,达到31.3kg/(hm2·mm)。可见,覆膜能显著降低土壤蒸发和农田总蒸散量;保水增温促出苗,提前玉米各生育期;生育中期日蒸散量和干物质积累速率较高;最终显著提高单位面积生物产量和经济产量以及作物水分利用效率。