植被恢复是影响土壤有机碳库动态变化的关键过程之一,阐明植被恢复过程中土壤有机碳的固持动态及其驱动机制,是全球变化下碳循环研究的热点和前沿问题。本文综述了近年来国内外关于植被恢复过程中土壤有机碳固定动态及其驱动机制方面的研究,剖析植被恢复中土壤有机碳固持动态及其影响因素,探讨植物碳输入对土壤有机碳动态变化的影响机制,揭示植被恢复中土壤有机碳固定的物理、化学和微生物驱动机制,并对目前研究中存在的问题进行总结,进而提出关于植被恢复的土壤固碳效应研究,亟需在土壤有机碳组分的动态、微生物结构和功能,以及植物—土壤—微生物对土壤有机碳固持的协同作用机制等方面进一步加强。本综述可为植被恢复与土壤固碳稳定机制研究指明未来的方向,进而为促进我国植被恢复的土壤碳循环研究,科学评价生态系统土壤固碳潜力和有效实施生态系统碳汇管理提供科学参考。

侵蚀沟沟头前进,沟岸扩张,沟床下切严重影响区域粮食生产和环境质量。以宁夏彭阳县玉洼流域3个稳定侵蚀沟的沟头、沟床、沟岸为对象,通过野外调查取样与室内试验相结合的方法,分析了侵蚀沟不同部位(沟头、沟床、沟岸)的土壤理化性质及可蚀性K值,采集0—10,10—25,25—40,40—55,55—70 cm土壤,测定并计算土壤质量含水量(θ)、土壤容重(ρ)、土壤总孔隙度(φ)、土壤黏粒(CLA)、粉粒(SIL)、砂粒(SAN)含量、＞0.25 mm水稳性团聚体含量(R_0.25)、土壤平均重量直径(MWD)、土壤几何平均直径(GMD)及土壤有机质(SOM)含量,利用EPIC模型计算土壤可蚀性K值。结果表明:(1)侵蚀沟各部位平均质量含水量、总孔隙度、有机质、粉粒含量、＞0.25 mm水稳性团聚体含量、平均重量直径、几何平均直径的大小顺序均为沟床＞沟岸＞沟头,各部位平均土壤容重、砂粒含量为沟头＞沟岸＞沟床,平均土壤黏粒含量为沟岸＞沟头＞沟床,各部位土壤机械组成均为粉粒含量＞砂粒含量＞黏粒含量;(2)侵蚀沟各部位土壤可蚀性K值在0.032 9~0.039 5(t·hm²·h)/(MJ·mm·hm²),属于中可蚀性,平均可蚀性K值表现为沟头＞沟岸＞沟床;(3)侵蚀沟各部位土壤可蚀性K值与土壤粉粒、黏粒含量呈显著负相关,与土壤砂粒、有机质含量、质量含水量呈显著正相关,沟床土壤可蚀性K与R_0.25、MWD、GMD呈极显著负相关(p＜0.01)。沟头作为侵蚀沟发育最活跃的部位,通过提高土壤有机质含量、粉粒含量来增加团聚体的数量和稳定性,从而降低土壤可蚀性。研究结果可为侵蚀沟生态稳定性及评估提供依据。

岩面流在基岩出露的喀斯特石漠化区普遍存在,其容易受岩面形状影响以汇聚或分散的方式对岩—土界面处土壤进行冲刷侵蚀,这是喀斯特石漠化区土壤侵蚀/漏失发生的重要物理过程。为分析不同岩面形状下岩面流对岩—土界面土壤颗粒分布的影响,揭示岩面流对岩—土界面土壤的冲蚀效应,选择具有典型石漠化特征的休耕地(1年岩面流冲刷作用),在其中选取3种典型岩面形状(平直型、外凸型和内凹型岩面)为研究对象,采用激光粒度仪分析法,分析距岩—土界面不同水平距离(0~2,2~4,4~6,6~8,8~10,20 cm)及不同土层(0—10,10—20 cm)处土壤的颗粒分布特征。结果表明:(1)不同岩面形状下岩面流对岩—土界面处土壤的冲蚀影响依次为内凹型＞平直型＞外凸型;内凹型岩—土界面处土壤中黏粒含量最低,外凸型岩—土界面处土壤中黏粒含量最高;(2)岩面流对岩—土界面土壤冲蚀作用主要集中在距岩—土界面水平距离0~2 cm范围内,在其范围内内凹型岩—土界面土壤的砂粒含量均显著高于外凸型和平直型,而在距岩—土界面其他水平距离处土壤颗粒分布情况无显著性差异;(3)在岩面流影响下岩—土界面土壤颗粒分形维数均值排序依次为外凸型＞平直型＞内凹型,与土壤中黏粒含量呈正比,砂粒含量呈反比。研究结果可为深入认识基岩出露石漠化区土壤侵蚀/地下漏失发生过程提供科学参考。

为探讨植被根系对干旱内陆河流岸坡冲刷过程的定量影响,以塔里木河为研究对象,采用BSTEM模型模拟分析的方法,模拟了8个典型岸坡在2016—2017连续2个水文年的冲刷过程,重点分析骆驼刺、红柳、芦苇、甘草、胡杨、白刺等6种典型荒漠植被根系对河岸冲刷过程的定量影响。结果表明:(1)塔里木河河岸崩塌基本发生于落水期和枯水期,岸坡稳定性在水文年内呈周期性变化,枯水期和涨水期安全系数F_s略有波动,整体上呈稳定状态,河岸稳定,在洪水期高水位处F_s短暂升高,随后随着水流的冲刷淘蚀以及水位下降,F_s不断下降,直至河岸崩塌,随后进入下一个水文年的循环;(2)植被根系在不同水位时期对稳定性的提升效果不同,具体表现为洪水期＞涨水期＞枯水期＞落水期;(3)不同植被对稳定性增强的差异也较大,表现为白刺＞骆驼刺＞甘草＞红柳＞胡杨＞芦苇;(4)植被根系在不同水位时期对河岸冲刷量的减少效果不同,表现为落水期＞洪水期＞涨水期＞枯水期。根系存在河岸冲刷量减少0.77%~49.36%,且不同植被对河岸冲刷量的减少效果也不同,表现为白刺＞甘草＞红柳＞骆驼刺＞胡杨＞芦苇;不同植被对于安全系数稳定效果和对于岸坡冲刷量减少效果基本一致,研究结果可为塔里木河河道生态治理提供理论参考。

等高耕作是一种典型的农业耕作措施,通过影响坡面填洼、入渗等进而影响坡耕地坡面土壤侵蚀过程。通过人工模拟降雨试验,设计降雨强度(90 mm/h)、5个地表坡度(3°,5°,10°,15°,20°)以及2种坡面处理(等高耕作和平整坡面),对径流强度、侵蚀率、径流含沙量、减流减沙效益等指标进行综合对比分析,与平整坡面进行比较,探究了黄土高原坡耕地等高耕作措施对坡面土壤侵蚀过程的影响。结果表明:(1)与平整坡面相比,等高耕作明显延缓坡面初始产流时间,使初始产流时间延迟11.58~31.91 min,随着坡度增大,等高耕作初始产流时间延长效应逐渐减弱。(2)等高耕作具有削弱径流强度和侵蚀率的作用,与平整坡面相比,等高耕作的坡面径流强度、侵蚀率和径流含沙量分别减少11.77%~94.92%,20.69%~99.27%和2.46%~88.40%。但等高耕作减少产流产沙能力有限,若坡面发生断垄,等高耕作坡面的径流强度、侵蚀率、径流含沙量都可能接近或大于平整坡面。(3)在降雨过程中,累计产沙量与累计径流量之间满足线性正相关关系,等高耕作累计产沙量随累计径流量的增大幅度始终小于平整坡面。(4)等高耕作在不同坡度均具有较好的减流减沙效益,减流与减沙效益分别可以达到45.35%~100%与58.92%~100%,且减沙作用明显优于减流作用。研究结果揭示了等高耕作对坡面侵蚀过程的影响机制,为坡耕地土壤侵蚀治理提供科学依据。

植被是影响土壤侵蚀的重要因子,探讨坡面产沙和泥沙连通性对植被分布的响应对揭示土壤侵蚀过程机理及预测坡面侵蚀具有重要意义。通过室内人工放水冲刷试验,分析3种植被布设位置(坡上、坡中、坡下)在不同冲刷流量(3.2,5.2 L/min)和不同覆盖度(0,30%,50%,70%)下的减沙效益,结合坡面产沙潜力指数探究植被覆盖影响下的泥沙连通性变化特征。结果表明:(1)从不同盖度下的平均减沙效益及其稳定性来看,植被布局的减沙效益随盖度变化,且坡下植被空间分布最优。随冲刷流量增加,不同植被布局间的减沙效益差距缩小;(2)当植被盖度≤30%时,冲刷流量对坡面产沙的影响贡献较大;随盖度增加,植被的影响贡献程度大于冲刷流量,成为影响坡面侵蚀的主要因素;(3)坡面产沙潜力指数在不同植被盖度和分布位置下表现出明显差异。随盖度增加,产沙潜力指数减小,泥沙连通性减弱;坡下布设植被相比坡上和坡中产沙潜力指数最小,泥沙连通性最弱。该指数与产沙量之间存在显著的正相关关系,即产沙潜力越大,泥沙连通性越强,产沙量越大。研究结果可为深入探索土壤侵蚀机理及植被的生态效益提供科学依据,为黄土高原地区的生态建设提供参考。

为了进一步研究丹江口库区不同降雨类型下植被措施控制土壤侵蚀的效果,以丹江口库区典型生态修复小流域为研究对象,采用坡面径流小区观测法,基于长期野外原位监测的降雨和径流泥沙数据,以裸地为对照,研究不同降雨类型下典型植被恢复措施对坡面产流产沙和土壤侵蚀的影响,分析植被措施的水土保持效应对降雨类型的响应特征。结果表明:(1)中历时、中雨量、小雨强降雨(雨型Ⅲ)是研究区常见的降雨类型,短历时、小雨量、大雨强降雨(雨型Ⅰ)和长历时、大雨量、中雨强降雨(雨型Ⅱ)发生的频率相对较低,但雨型Ⅰ所导致的土壤侵蚀最为严重,占总侵蚀量的46.79%以上,降雨量和最大30 min雨强(I₃₀)是控制该区域土壤侵蚀的关键降雨因子。(2)植被措施均具有显著的水土保持效应,减流减沙效益依次为紫花苜蓿草地＞柏树林＞枇杷林。相比于裸地,紫花苜蓿草地径流系数减少54.07%,含沙量减少50.80%,土壤侵蚀量减少65.47%,而枇杷林的径流系数、含沙量和土壤侵蚀量仅分别减少30.60%,36.21%,45.42%。植被措施在雨型Ⅲ下的水土保持效应最优,以紫花苜蓿草地效果最好,土壤侵蚀的减少量可达87.98%,而在雨型Ⅰ条件下稍差,其中柏树林的效果相对较好,侵蚀减少量为65.25%;植被措施的减流效益随着降雨量的增加逐渐降低,减沙效益则随着I₃₀的增加而降低。当I₃₀＜41 mm/h,紫花苜蓿草地的减沙效果较佳;当68.8 mm/h＞I₃₀＞41 mm/h,柏树林的减沙效果相对较好,但低于41.55%。研究结果对于丹江口库区水土保持及资源可持续利用具有重要指导意义。

选取适宜的允许喷灌强度是避免喷灌条件下水土流失的重要措施之一。通过田间试验,测定了不同喷灌压力与喷嘴直径条件下土壤结皮厚度、表层土壤容重以及土壤入渗性能随喷洒历时的动态变化。试验处理包括2种质地土壤(壤质砂土和粉质黏壤土)、3个喷灌压力(103,138,172 kPa)和3个喷嘴直径(3.97,5.95,7.94 mm)。结果表明,喷灌压力越大,土壤结皮厚度和表层容重越小,土壤稳定入渗率越大。喷嘴直径越大,土壤结皮厚度和表层容重越大,土壤稳定入渗率越小。土壤结皮厚度和表层容重随着喷洒历时的增加显著增大,而土壤稳定入渗率则随之对数减小。喷洒动能强度是一个描述喷洒水滴对土壤入渗率影响的优选参数。研究结果为允许喷灌强度的确定提供科学依据。

研究植被恢复条件下土壤入渗特性及模型适应性,可为流域生态治理和效益评估提供科学依据。以延河纸坊沟小流域为研究区,采用野外单环入渗法和数值模拟法,对比研究不同恢复年限下的刺槐林地、柠条灌木林地、次生草地和农地的表层以下土壤和20 cm以下土壤的水分入渗变化特征,评价4种常用入渗模型在该区域的适应性。结果表明:(1)不同植被恢复地的表层以下土壤入渗过程在渗润阶段与渗漏阶段差异明显,相差4倍以上,20 cm以下的土壤入渗过程则在入渗稳定后的渗透阶段差异明显,相差5倍多;(2)不同植被类型及恢复年限会显著影响土壤入渗特征,整体呈现出林地＞草地＞农地的规律,并且随着恢复年限的增加,柠条灌木林地和次生草地的入渗能力增强,而刺槐林地入渗能力减弱;(3) Philip方程、Kostiakov方程、Horton方程与蒋定生方程对该地区土壤水分入渗过程均具有较好适用性,其中Philip方程适用性最好,决定系数(R²)能达到0.931~0.985,均方根误差(RMSE)相对最小,在0.057~0.283范围内,Kostiakov方程次之,Horton方程及蒋定生方程在个别情况下存在偏差。综上,植被恢复显著影响土壤入渗能力,且随恢复年限的增加呈现不同规律,多种入渗模型中Philip方程对该地区土壤水分入渗过程适用性最好。

为探究草原露天矿区不同类型土壤的水平扩散特征,以内蒙古鄂尔多斯市伊旗武家塔矿区的原状土、矿山堆积土和生态改造土3种不同立地类型的土壤为对象,通过土壤质地、扩散率、含水率等测试试验,采用HYDRUS-1D软件,对原状土、矿山堆积土和生态改造土入渗特性进行数值模拟,分析各因素对矿区土壤入渗规律的影响,探讨草原露天矿区不同类型土壤水平扩散过程的影响及变化规律。结果表明,在一维水平入渗运动条件下,原状土、堆积土、生态改造土3种不同粒径土壤的湿润锋运移距离与时间曲线整体呈现相似变化,随着入渗时间的增加,湿润锋运移距离呈现先快速增加,后缓慢推进趋势。同一种土壤类型条件下,土壤的湿润锋到达土柱最末端所需时间与土层深度呈反比关系,随着土层深度的增加,所需时间逐渐减少,且平均扩散速率更快;在同一入渗时间下,湿润锋运移距离与土层深度呈正比关系,随着土层深度增加,湿润锋运移距离也相应增大。Boltzmann参数(λ)随着土壤含水率的增加而逐渐减小,各土壤的λ~θ关系曲线随土壤含水率的增加呈现下降趋势。当θ达到某一临界值之后,λ急剧减少,原状土、堆积土和改造土各土层θ临界值略有差异,原状土各土层的θ临界值为0.29,堆积土各土层分别为0.24,0.28,0.30,而生态改造土除60—90 cm外,其余土层的θ临界值为0.31。通过HYDRUS-1D模型结合水平土柱剖面含水量变化对土壤水力参数进行反演,模拟3种土壤面含水量的变化,R²均大于0.91,纳什效率系数(NSE)均大于0.95,均方根误差(RMSE)均小于0.20。利用HYDRUS-1D模型反演土壤水力参数模拟矿区劣质土壤水平入渗过程,能较好地模拟入渗过程,描述矿区不同土地类型的土壤水分动态变化规律,为矿区的土壤水分动态监管及生态治理提供参考依据。

为探讨自然条件下黄土高原地区刺槐林地枯落物和根系对土壤侵蚀的影响。采用5个坡度(8.7%,17.6%,26.8%,36.4%和46.6%)及3种流量(0.5,1.0,2.0 L/s)分别在有枯落物覆盖、去除枯落物的植被和裸坡样地进行试验,探讨刺槐林地枯落物和根系对土壤侵蚀的影响。结果表明,枯落物和根系对土壤侵蚀有显著影响,当枯落物厚度超过3 cm、根系密度＞0.5 kg/m³时,土壤侵蚀量减小程度趋于稳定。与裸坡相比,刺槐林地土壤侵蚀量减少约55%,且根系和枯落物对土壤侵蚀量减少的贡献率分别为66%和34%。此外,枯落物与根系可降低土壤可蚀性,增加土壤剪切力,进而增强土壤的抗蚀能力。与裸坡相比,有枯落物覆盖和去除枯落物覆盖的植被样地土壤可蚀性分别降低80%和66%,土壤剪切力分别提高285%和237%。研究结果为揭示森林植被的土壤侵蚀机制提供新的思路,对改善黄土高原的植被建设具有一定的指导意义。

通过在榆溪河流域沿地下水埋深增大方向设置植被调查样带,基于植被盖度、地下水埋深及土壤含水量等数据,利用多元经验模态分解(MEMD)获取植被盖度及其影响因子所表征的空间尺度,结构方程解析植被盖度空间分布的驱动因素,并结合聚类分析划分了植被群落自然恢复演替空间格局状态变化特征。结果表明:(1) MEMD将空间多元数据分解为3个本征模态函数,经希尔伯特转换得到各模态函数相应的空间尺度分别为14,27,38 km;(2)结构方程模型和MEMD分解后的最大表征尺度相关分析表明,地下水埋深与植被盖度在整个样带尺度上呈显著负相关(R²=-0.95,p＜0.001);土壤含水量与植被盖度以地下水埋深5 m空间尺度为分界点,＜5 m的区域呈显著正相关(路径系数为0.68,p＜0.001),＞5 m的区域呈显著负相关(路径系数为-0.43,P＜0.01);(3)在此基础上,结合系统聚类分类结果将植被盖度划分为核心区(地下水埋深0~3 m)、过渡区(地下水埋深3~4 m)、稳定区(地下水埋深4~5 m)、外围区(地下水埋深5~10 m)及边缘区(地下水埋深10~15 m)。研究表明,植被盖度对地下水埋深的响应在空间上存在多尺度特征,该结果可为沙地生态恢复及地下水资源的保护与利用提供科学依据。

为探究金沙江干热河谷冲沟区优先流与土壤力学的相关机理,揭示优先流影响下土壤抗剪强度特征规律,丰富干热河谷冲沟发育区沟侵蚀机理,为该地区进一步开展沟蚀治理提供理论依据。在典型冲沟发育区选择完整冲沟为研究对象,基于染色示踪、土壤理化、原状土直剪试验,利用RDA等统计方法分析优先流与土壤力学指标间的相关性,明晰优先流和抗剪强度的关系。结果表明:(1)由于冲沟发育使冲沟内由集水区到沟底优先流发育程度逐渐降低。土壤含水率、容重、总孔隙度、有机质含量均呈优先流区大于基质流区,机械组成分形维数整体上基质流区(2.680~2.874)大于优先流区(2.746~2.893)。(2)冲沟区优先流通过影响土壤黏聚力和内摩擦角进而对抗剪强度产生影响,一定程度上会降低土体抗剪强度。集水区、沟头抗剪强度大于沟床和沟底。优先流区黏聚力(1.24~2.65 kPa)小于基质流区黏聚力(1.91~4.27 kPa),优先流区内摩擦角(19.52°~22.47°)略大于基质流区内摩擦角(17.68°~22.35°),优先流区抗剪强度(36.66~43.68 kPa)整体小于基质流区抗剪强度(38.74~47.32 kPa)。(3)优先流与土壤黏聚力和内摩擦角有不同程度的相关性。土壤黏聚力与染色面积比、基质流深度呈显著负相关,内摩擦角与优先流百分数、优先流区染色面积比呈负相关;抗剪强度与染色面比、最大染色深度、优先流百分数、优先流区染色面积比呈负相关。

人口激增和随之带来的气候变化对区域生态环境产生胁迫,生态环境质量的动态定量评估可为地区生态环境保护战略部署和区域生态文明建设提供研究支撑。陕西省现有生态质量评价的研究多基于区县尺度的统计数据,但普遍存在时间跨度小且难以揭示其内在驱动力的问题。基于2001—2018年MODIS数据计算陕西省生长季遥感生态指数(RSEI),运用趋势分析法、Hurst指数法、偏相关分析法于像元尺度探究陕西省2001—2018年生态质量时空演变规律及其对气候和人类活动的响应。结果表明:(1)陕西省近20年来生态质量持续改善,RSEI值以0.34%/a的速率增长,生态质量极好的区域不断增加。(2) RSEI变化趋势较为显著且以明显改善趋势为主,总体呈"南高北低"的空间分布格局,通过M—K检验的像元占77.89%(p＜0.05),明显改善的像元占66.75%,主要分布在陕北地区的延安市和榆林市,而显著退化的像元占11.08%,主要分布在关中平原和秦巴山区等地。Hurst指数表明,RSEI未来变化趋势以反持续性为主,46.04%的像元将由改善转为未来退化,29.33%的像元将持续改善。(3) RSEI与气温和降水均呈正相关关系,且降水的影响大于气温;与人类活动呈现负相关的区域集中在西安城市群及陕北中心城市区域,且显著相关(p＜0.05);像元占比中,夜间灯光指数(36.83%)＞降水(18.38%)＞气温(7.65%)。各土地利用转化类型中退耕还林还草区RSEI增长速率最大,达到0.84%/a,耕地转建设用地区RSEI持续下降,达到0.23%/a,体现人类活动对生态环境质量影响的正负相关性。研究结果填补了陕西省长时序生态环境动态监测的空白,为黄河流域生态治理与绿色发展提供依据。

利用云贵高原2000年、2010年和2018年的遥感影像及气象数据,并结合生态系统弹性力计算方法,对云贵高原生态系统弹性力进行计算,分析了云贵高原25个市生态系统弹性力的时空分布特征,同时对其变化的主要影响因素进行探究。结果表明:云贵高原生态系统弹性力在研究期内呈现逐年增加趋势;在空间上,云贵高原生态系统弹性力分布为西南高、西北低、中部局部较低,东部较高。将生态系统弹性力分为4个等级,其中较弱和中等等级面积占比呈减少趋势,较强和很强等级面积占比逐年增加。驱动因子分析表明,降雨和气温是影响生态系统弹性力空间分布变化的主要因素。研究结果可对云贵高原生态系统保护提供一定的科学依据。

采用趋势分析、相关分析、多元线性回归等方法,系统研究了夏尔希里自然保护区成立前(1990—2005年)和成立后(2006—2018年)不同植被类型归一化植被指数(NDVI)的时空变化特征及驱动NDVI变化的主要因素。结果表明:(1)不同海拔梯度上,保护区成立后的NDVI多年平均值均高于成立前;(2)保护区成立前后NDVI趋势均以增加为主,成立后NDVI的增加趋势为0.05~0.10/10 a的像元数量明显比成立前增多;(3)保护区成立前后大部分区域的NDVI均与气温呈现显著负相关,与降水呈现显著正相关(p＜0.05)。(4)气温抑制低海拔(500~1 500 m)草地生长,降水促进中海拔(1 500~2 000 m)的植被生长,土壤有机碳、气温共同驱动高海拔(2 000~3 000 m)的植被生长。

为提高喀斯特农业干旱监测的准确性和进一步揭示其驱动机制,基于MODIS-NDVI/LST数据,利用地理加权回归模型对GLDAS土壤水分进行降尺度研究;并基于SSI对农业干旱进行识别,分析不同时间尺度农业干旱时空演变及联合概率特征;最后运用地理探测器揭示喀斯特农业干旱驱动机制。结果表明:(1)20年间,贵州省不同时间尺度的干旱强度整体上呈减弱趋势,干旱面积也呈减少趋势;干旱强度和干旱频率在空间上呈西高东低分布格局。(2)干旱联合特征值呈秋季＞冬季＞生长季＞夏季＞全年＞春季规律,说明贵州省秋冬容易发生较高强度和较多面积的农业干旱。(3)岩溶发育强度、降雨和海拔是喀斯特农业干旱主导驱动因子,与其空间分布有较强的耦合关系;不同因子交互作用对SSI均呈双因子增强和非线性增强,且各因子之间无显著性差异的组合较少,说明农业干旱是因子之间协同的结果。研究结果可为喀斯特农业干旱监测和防旱抗旱措施的制定提供参考依据。

极端降水对青藏高原生态—水资源—农业的可持续发展具有重要影响。基于CMIP6(coupled model intercomparison project phase 6)最新发布的大气环流模式(general circulation models,GCMs)日尺度降水数据,系统评估GCMs对青藏高原历史极端降水特征的模拟能力,并对未来时期极端降水进行预估。结果表明:多模式集合(multi-model ensemble,MME)能够更好地捕捉极端降水的时空分布特征,其中R95p、SDII、R1mm、CWD和PRCP在不同高程带表现出与观测值较为一致的变化趋势,然而,CMIP6 MME再现极端降水指数变化趋势的能力随海拔增高而降低。青藏高原未来近期、中期、远期在不同共享社会经济路径与典型浓度路径组合情景(shared socioeconomic pathways and the representative concentration pathways,SSP)下的极端降水特征预估结果表明,未来时期随时间的推移和温室气体排放浓度的增加,R95p、SDII、R1mm、CWD和PRCP相对于基准期均呈显著增加趋势,并且除SDII表现为东南部增幅最为显著以外,其他4个极端降水指数的增幅呈现较为一致的由西北向东南逐渐减小的空间分布特征。此外,各极端降水指数相较于基准期的变化率在低海拔地区(＜2 000 m)变异性最大,最大变化率超过200%。SDII表现出较强的海拔依赖性,SSP5-8.5情景下SDII在低(＜3 500 m)、中(3 500~4 500 m)、高(＞4 500 m)海拔下的相对变化率分别为-0.06%,14.45%,17.95%,表明高海拔地区极端降水强度增加更为显著。

卫星降水产品在缺资料地区开展水文气象研究及径流模拟中发挥着至关重要的作用,然而卫星降水产品的精度可能会影响径流模拟效果。采用多种统计指标和VIC水文模型综合评估5种卫星降水产品(CMORPH-BLD、GSMaP_Gauge、CMFD、MSWEP和PERSIANN-CDR)在雅鲁藏布江流域的精度和拉萨河流域的水文模拟效果。结果表明:(1) CMORPH_BLD和GSMaP_Gauge在少雨季存在低估,CMFD在少雨季与观测值具有很好的一致性。MSWEP和PERSIANN-CDR在多雨季和少雨季存在高估。降水量方面,CMORPH-BLD和CMFD均较为接近观测值,其他降水产品存在不同程度的高估。(2)日尺度上,除CMFD外其他卫星降水数据与观测值具有较小的相关性(0.26~0.45),CMORPH-BLD和CMFD和观测值具有较好的一致性,CMFD和MSWEP探测小降水事件(0.1,0.5,1 mm/d)的能力优于GSMaP_Gauge。各卫星降水产品在探测强降水(2,5,10 mm/d)方面能力不足。日降水2 mm/d的降水阈值为各分类指数的变化点。(3)月尺度上,各降水产品与观测值具有很强的相关性(0.73~0.99),CMFD和CMORPH_BLD的精度较高,其他产品稍微偏低。(4) CMFD水文模拟效果最好,CMORPH-BLD次之,MSWEP产生令人满意的模拟结果,GSMaP_Gauge和PERSIANN-CDR表现不佳。CMFD和CMORPH-BLD在雅鲁藏布江地区水文气象研究及径流模拟中具有较大优势。研究结果对该地区的水文气象应用及水文水资源研究具有重要意义。

针对喀斯特地区景观格局驱动水源涵养功能演变机制的相关研究较少,而水源涵养功能是岩溶石漠化治理等生态修复工程生态效益的关键指标之一,具有重要的研究意义。以地处西南喀斯特中心的野纪河流域为研究对象,基于InVEST模型、偏最小二乘模型(PLSR)、景观生态学理论等,探究野纪河流域2005—2020年水源涵养功能的时空分异特征及其与景观格局的耦合关系。结果表明:(1)野纪河流域景观类型以旱地、草地和灌木林等为主,各类型之间相互转化较为频繁,总体特征表现为旱地、灌木林和草地之间的转化以及建设用地对其余地类的挤占。(2)研究期间,旱地景观趋于破碎化,建设用地呈集聚性的扩张趋势,其他景观类型相对稳定。总体上,景观格局呈破碎化发展趋势,景观连通性呈小幅上升趋势。(3)研究区水源涵养量年际变化呈现持续增长趋势,在空间分布上呈现中部低、南北两侧高的态势。水源涵养深度由高到低排序为灌木林＞有林地＞疏林地＞草地＞旱地＞建设用地＞水田＞湖泊＞水库坑塘。(4)景观破碎化的增加及斑块质量的提高,可提升喀斯特流域水源涵养功能,但过高的景观破碎化程度可能导致水源涵养功能下降。总体来看,研究期间野纪河流域景观格局呈破碎化发展态势,水源涵养功能呈持续增加趋势,景观格局对水源涵养功能的影响具有复杂性。研究结果可为喀斯特流域景观规划、水资源保护等提供重要的科学依据。

为提高黄淮海平原夏玉米的灌溉效率,优化农业资源配置,依据黄淮海平原27个站点70年的试验统计资料,在作物需水量模型、降雨频率分析、作物系数相关理论的基础上,分析不同水文年型夏玉米的需水量和缺水量(即需要补充灌溉的水量)的时空分布。首先,根据各代表点的多年降雨资料,利用皮尔逊—Ⅲ型曲线确定降雨频率分别为25%,50%,75%,95%的4种水文年型及其相应的有效降雨量;其次,利用Penman-Monteith模型计算参考作物需水量,并结合作物系数法估算作物需水量,进而求得在4种水文年型下夏玉米的需水量、缺水量和灌溉需求指数;最后,基于ArcMap 10.7软件对所得到的夏玉米各需水要素进行插值分析,直观地描述黄淮海平原地区夏玉米需水量、缺水量和灌溉需求指数的时空分布特征。结果表明,1951—2020年间,黄淮海平原夏玉米需水量的高值区分布受水文年型变化的影响不大,主要分布在平原中部呈带状分布的区域;缺水量与灌溉需求指数分布特征相似,高值区的范围随干旱程度的升高(水文年型由湿润到干旱)而扩大,且主要分布于平原中部偏北的区域;有效降雨量高值区主要集中在平原东南部,整体分布呈由南至北逐渐递减的趋势。鲁西、冀南、豫北地区夏玉米缺水量高,生产上应以提高水分利用效率为目标;与之相对应的鲁南、苏北和安徽等地,夏玉米对灌溉的依赖低,可以适当地扩大夏玉米种植面积,应以产量为目标。

为了分析植被覆盖对黄土高原坡面水土流失的影响,量化土壤侵蚀的植被覆盖阈值,基于模拟降雨数据分析了植被覆盖对土壤侵蚀的作用机制,利用绥德、西峰、天水等黄土高原高原典型地区的野外径流小区定位观测资料,探讨了不同覆被类型下植被覆盖控制径流和土壤侵蚀的有效性,确定了不同覆被类型下植被覆盖调控径流和防治土壤侵蚀的植被覆盖下限阈值和上限阈值。结果表明:(1)植被覆盖度的提高增加了土壤入渗、减少了径流量、延缓了径流流速、增加了土壤抵抗侵蚀的能力。(2)坡面径流量随植被覆盖度呈幂函数或指数函数下降,土壤侵蚀量随植被覆盖度呈指数函数、幂函数或者对数函数下降。(3)总体而言,不同地区植被控制土壤侵蚀的下限阈值在20%~30%,上限阈值在50%~70%。(4)土壤质地、植被类型、甚至植被的根系特征对植被控制径流和土壤侵蚀的效益有重要影响。研究结果为黄土高原水土保持工作提供研究依据。

为探究黄河支流输沙量减少与流域内降雨量变化及水土保持措施的定量关系。以黄河中游皇甫川流域为研究区域,基于1960—2015年准格尔气象站日降水量、皇甫水文站年径流量和年输沙量数据,分析对皇甫川流域年径流量与年输沙量有影响的降雨量参数。通过双累积曲线法和突变点检验法确定输沙量变化的3个典型时期:Per1(1960—1986年)、Per2(1987—1999年)和Per3(2000—2015年);计算了降雨量变化、植被恢复和工程措施对该流域不同时期输沙量变化的贡献率。结果表明:(1)1960—2015年皇甫川流域降雨强度超过25 mm/d的降雨减少,径流量和输沙量呈显著减少趋势(M—K检验Z＜0,p＜0.01);(2)因水土保持引起流域下垫面条件的改变,当Per3与Per1时期中有相似降雨量的年份,Per3时期这些年份的输沙量比Per1时期显著减少,减小范围为50.2%~98.6%;(3)1987—1999年植被恢复和工程措施的减沙贡献率分别为73.0%和38.4%,2000—2015年降雨量变化、植被恢复和工程措施的减沙贡献率分别为11.5%,69.8%和18.7%。研究结果定量计算了降雨量变化和水土保持对皇甫川流域输沙量减少的贡献率,有助于阐明黄河中游沙量锐减的原因。

为优化豫北地区冬小麦在滴灌条件下的灌水技术参数,通过田间试验系统研究了不同滴头流量(2.0,4.0,6.0 L/h)和滴灌带间距(40,60,80,100,120 cm)对灌溉水在土壤中分布、冬小麦产量以及水分利用效率的影响。结果表明:就灌水均匀度而言,缩小滴灌带间距和增加滴头流量可以提高灌溉水在冬小麦根区的分布均匀度;本试验条件下滴灌带铺设超过80 cm,会影响冬小麦产量及其构成,滴灌带间距相同时,冬小麦产量随着滴头流量的增加呈递增趋势。就水分利用效率而言,适宜的滴灌带间距及滴头流量组合能在同一灌水条件下,有效减小耗水量并提高水分利用效率;本试验条件下滴灌带间距60 cm、滴头流量2.0 L/h的参数组合的产量最高,达到10 626.45 kg/hm²,水分利用效率最高,达到2.42 kg/m³。综合分析灌溉水均匀度、冬小麦产量以及水分利用效率,滴灌带间距60 cm、滴头流量2.0 L/h,以及滴灌带间距80 cm、滴头流量6.0 L/h的参数组合是适宜的冬小麦滴灌灌水技术参数。

为探究适于黄土区果农间作系统的水热调控方式,选取该区典型的苹果—大豆间作系统为对象,分析不同水热调控方式对间作系统耗水量、土壤温度及根系分布的影响。试验设置3个灌水量上限:田间持水量的50%(W1),65%(W2)和80%(W3);2个覆膜时间:大豆播种至结荚期(M1)和全生育期覆膜(M2)。结果表明:灌水处理的耗水量与灌水量呈正相关,其耗水量较对照提高1.02%~79.11%。土壤温度在分枝和结荚期随土层深度的增加先增后减,最大值出现在15 cm,而在鼓粒期却呈减小趋势。覆膜在生长前期可增温1.13~3.09℃,而在后期降温0.05~2.36℃。间作系统中作物根系在竖直和水平方向上主要分布范围为0—80 cm深度和距树行0.3~1.8 m。土壤有效积温和根系竞争强度总体上随灌水量的增加先增后减,最大值出现在W2;同时,M1组根系竞争强度较M2提高12.69%。相关分析表明,土壤水分与根系呈极显著负相关性。中等水平的灌水结合播种至结荚期覆膜能最大程度地提升作物根系密度,改善土壤物理性质。建议在幼龄果树间作大豆系统中采用半生育期覆膜(M1)结合田间持水量的65%作为灌水上限(W2)。

为明确不同砂土混合物覆盖对土壤蒸发过程的影响,基于土壤蒸发分阶段理论及微型蒸渗仪田间试验,深入探析了6种砂土混合覆盖模式(1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,分别为M1~M6)下的土壤蒸发动态变化及其作用机制。结果表明:土壤蒸发分阶段理论能够真实刻画砂土混合覆盖下的土壤水分蒸发状况,其累计蒸发量可用砂土混合比与蒸发时间进行定量表征。当砂土混合比≥0.8时,土壤蒸发过程仅存在2个明显阶段,抑蒸效果显著;当砂土混合比＜0.5时,M3~M6处理的土壤蒸发稳定高峰期明显,且集中于前2.53~2.66天,水分主要散失历时则分别较M1增加6.49,6.49,6.49,7.09天;而当砂土混合比介于0.5~0.8时,覆盖层易诱发且能够更早地形成结构致密的覆盖干层,整体保墒效果反而凸显。受土壤蒸发阶段特性及覆盖模式的影响,蒸发第1阶段主要受下垫面净辐射通量供应的限制;而在蒸发第2,3阶段,砂层结构的作用凸显,土壤水力特性调控效应逐渐占优。总之,砂层结构恶化将加快土壤失水过程,增加农田水分的无效损失,当砂土混合比＜0.5时,其抑蒸保墒功效将逐渐丧失,这对西北旱区砂田退化机理的揭示及压砂地可持续健康发展具有现实意义。

为了明确农业生产过程中耕作方式对田间土壤孔隙结构及土壤水分运动特性的影响,以广西农地蔗田为研究对象,基于土壤切片技术分析研究免耕和垄耕2种典型耕作方式蔗田的田间土壤孔隙结构特征,并结合土柱模拟入渗试验,探究土壤孔隙结构对土壤水分运动的影响,进一步揭示孔隙结构与土壤水分运动特性之间的相互作用关系。结果表明:随着土层深度的增加,免耕蔗田孔隙形态以聚集的团块状分布为主,垄耕蔗田孔隙形态以条状分布为主。与免耕蔗田相比,垄耕蔗田的土壤总孔隙度和＞2.5 mm孔径的孔隙度分别增加32.5%和21.9%。垄耕蔗田在局部土层深度范围内显著增加上下土层孔隙的变异度(p＜0.05),显著降低土壤孔隙的连通性(平均邻近指数为0.448)(p＜0.05),土壤孔隙形态相对规则(平均成圆率为0.335)。对于土壤水分运动特性,免耕蔗田总体的土壤饱和导水率和质量流率显著高于垄耕蔗田(p＜0.05),初始含水率显著低于垄耕蔗田(p＜0.05),质量流率随时间变化强度相对较大,提高水流入渗能力。垄耕降低土壤孔隙结构连通性,使水分蓄存在表层土壤中,一定程度上可降低土壤水分的入渗现象,改变蔗田土壤水分状况。

为探究深蓄灌溉利用汛期雨洪资源补充土壤水和地下水的可行性,于2020年6—10月在玉米田间小区开展试验研究,监测不同计划储水深度(T1:H_p=60 cm;T2:H_p=90 cm;T3:H_p=120 cm;T4:H_p=150 cm;T5:H_p=180 cm)且以饱和含水率为灌水上限的一次深蓄灌溉条件下土壤水分动态变化特征,研究量化补充土壤水的农田水分动态,为制定有效补给土壤储水的深蓄灌溉制度提供依据。结果表明:深蓄灌溉可有效补充农田土壤水分,灌溉10天后不同处理0—200 cm土层平均含水率增幅范围为11.90%~40.85%,T5处理含水率增幅最高;随着计划储水深度的增加,夏玉米农田蒸散量先增加后降低最后上升至最高水平,在计划储水深度为90 cm的处理达到最大;计划储水深度为60,90 cm时,补充水量主要用于补给浅层土壤和农田蒸散,不利于进行土壤储水;计划储水深度为120 cm以上时,灌水及降雨对深层土壤水分补给量达243.39 mm以上,占总供水比重27.29%以上。综上,深蓄灌溉是有效补充土壤水的灌水方式,选择120 cm以上计划储水深度进行深蓄灌溉可有优化水资源配置,补充土壤储水乃至浅层地下水。

针对坡耕地横坡、顺坡垄作模式土壤水分及溶质迁移过程的差异,采用田间模拟试验的方法,以坡度为7°的大豆坡耕地为研究对象,以Br-为示踪剂,监测不同垄作模式垄台、垄侧、垄沟各位置的土壤水分和Br-浓度,探究坡耕地横坡、顺坡垄作模式对土壤中水分迁移及可溶性养分分布的影响。结果表明:2种模式最大土壤体积含水量横坡垄作分布在10—20 cm土层,顺坡垄作分布在5—15 cm土层,证明横坡垄作对雨水的拦蓄作用。横坡垄作模式最大土壤贮水量位置在垄上侧的垄侧处,顺坡垄作模式在垄沟处。不同垄作模式下各土层土壤体积含水量变异系数在0—5,50—60 cm处较大,介于8.97~11.90,中间土层的变异系数较小,在0.91~8.76间波动。顺坡垄作20—60 cm土层中Br-沿坡向迁移现象明显,横坡垄作40—60 cm土层中Br-沿坡向发生迁移;2种垄作模式垄台和坡向下方位置(横坡∶垄侧;顺坡∶株间)的土壤Br-总量比值均约为3∶7,顺坡垄作垄台中心处Br-总量为横坡垄作的54.33%,说明横坡垄作可以减少土壤中Br-沿坡向迁移。研究成果为在顺坡垄作条件下将非吸附性养分施在垄侧处可减少其迁移流失,有利于提高作物对养分的利用效率。

可溶性碳组分是土壤有机碳库中最活跃的部分,作为土壤碳周转初期变化的敏感指标,其含量受到凋落叶等植物残体输入、森林类型及季节性水热变化的共同调节。采用土壤原位培养法,以亚热带米槠(Castanopsis carlesii)人工林与杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林为对象,分析生长季内土壤可溶性碳(DOC)与热水溶性碳(HWSC)含量动态变化及其对凋落叶输入的响应趋势。结果表明,凋落叶输入、森林类型和培养月份均极显著影响土壤可溶性碳组分含量(p＜0.001)。杉木人工林土壤DOC与HWSC含量整体较高,分别高出米槠人工林15.09%和13.06%,但后者的土壤可溶性有机质芳香化程度更高。经过1个生长季的培养,2种人工林土壤DOC与HWSC含量均明显增加。凋落叶增加生长季米槠人工林土壤DOC与HWSC的含量,但对杉木人工林的影响具有季节差异。研究结果表明杉木人工林土壤DOC与HWSC含量更高,但凋落叶输入促进米槠人工林DOC与HWSC含量,更易于随淋溶过程流失。

针对废弃稀土矿区氨氮减低后的土壤结构性差、肥力低下和种植植物生产力低的问题,土壤改良成为快速提升植被恢复的关键。通过田间试验,比较单施不同浓度保水剂(S1、S2、S3)和保水保肥材料(F1、F2、F3)对土壤理化性质、皇竹草生长以及作物耗水和水分利用效率(WUE)等相关指标影响,并运用主成分分析和模糊隶属度函数方法筛选出最佳改良材料。结果表明:(1)保水保肥材料通过改善废弃稀土矿区尾砂土土壤理化性质,促进皇竹草生长,土壤理化性质与植物生长的关系表现为土壤pH和养分含量越高,皇竹草分蘖数、氮磷含量、产量和WUE等生长指标越高。(2)保水保肥材料与对照相比,使皇竹草增产58.13%~182.63%,WUE提升53.81%~181.54%;单施保水剂效果有限,中高用量保水剂(S2、S3)使皇竹草增产19.95%~77.52%,WUE提升19.54%~79.50%。(3)运用主成分分析法筛选出22个土壤改良指标,分别计算各指标模糊隶属度函数值,将平均函数值作为土壤改良效果评价值,评价结果为保水保肥材料＞单施保水剂(S1除外)＞空白对照。相比对照,单施保水剂(S1除外)平均函数值仅提升0.32~0.35倍,保水保肥材料则提升0.73~1.72倍,并随用量增加而降低,因此F1为最佳土壤改良剂。研究结果表明复配的保水保肥材料在废弃稀土矿区尾砂土改良中具有良好的应用效果。

为探索不同降水年型下耕作结合秸秆覆盖措施对旱作马铃薯生育期土壤贮水量、作物耗水特征和产量形成的影响,连续3年在旱作区秋作物收获后通过设置不同耕作方式(免耕、深松、翻耕)结合秸秆覆盖进行大田试验研究。结果表明,经过3年耕作覆盖处理后,免耕、深松结合秸秆覆盖能显著降低0—40 cm层土壤容重,提高土壤有机质含量。保护性耕作结合秸秆覆盖措施可显著提高马铃薯生育期0—200 cm层土壤贮水量,相对欠水年和欠水年马铃薯全生育期土壤贮水量均以深松覆秸秆处理最高,分别较翻耕不覆盖显著提高15.80%和20.80%,平水年以免耕覆秸秆处理最高,较翻耕不覆盖显著提高14.78%。其中以深松覆秸秆处理对相对欠水年生长前期0—60 cm土层和中期120—200 cm土层、平水年前期20—100 cm土层及欠水年生育期0—80 cm土层土壤蓄水效果最佳。深松或免耕覆盖秸秆处理可显著降低马铃薯生长前期阶段耗水量、耗水模系数和耗水强度,显著提高生长中后期阶段耗水量、耗水模系数和耗水强度,尤其在欠水年效果较好。与翻耕不覆盖相比,深松覆秸秆处理更有利于增加马铃薯干物质量,尤其在欠水年生长中期增加地上部干物质量和在平水年生长中后期增加地下部干物质量效果明显。相对欠水年马铃薯产量和水分利用效率均以免耕覆秸秆处理效果最佳,分别较翻耕不覆盖显著提高51.82%和50.52%,平水年和欠水年均以深松覆秸秆处理效果最佳,平水年分别较翻耕不覆盖显著提高36.69%和29.48%,欠水年分别显著提高87.46%和62.31%;深松覆秸秆处理对提高相对欠水年和平水年商品薯率效果最好,免耕覆秸秆处理对提高欠水年商品薯率效果最好,分别较翻耕不覆盖显著提高12.88%,14.58%和26.18%。相关性分析发现,耕作覆秸秆处理下土壤容重降低,有机质含量增加,使土壤保水性能得到改善,协同提高马铃薯产量;且不同降水年型下生育期土壤水分特征对提高马铃薯产量起至关重要的作用,尤其在相对欠水年生长中后期土壤水分与产量呈显著或极显著正相关。可见,免耕或深松结合秸秆覆盖措施能改善马铃薯生育期土壤水分状况,调控作物耗水,从而增加干物质量,有利于马铃薯产量和水分利用效率的提高,以深松覆盖秸秆处理效果最佳。

为揭示造林20年后不同石漠化恢复模式对土壤结构和理化性质的影响,以滇中地区7种恢复模式下样地土壤为研究对象,研究不同石漠化恢复模式下土壤理化性质分布特征并进行多指标聚类分析。结果表明:除油杉林外,其他样地土壤养分等级均为中高级;土壤颗粒组成较为合理,分形程度较好,抵抗侵蚀的能力较强;不同恢复类型对石漠化土壤的改良存在明显不同,混交林明显优于纯林;由于受土壤母质、地形以及水文等因素的影响,相同恢复类型间存在差异,华山松林和油杉林总体较差;研究区土壤可蚀性因子K值与粉粒含量呈正向变化特征;对土壤理化性质进行Q型聚类可以将受试样地土壤分为4类,油杉林和华山松林被单独分出。研究结果可为地方政府制定科学合理的喀斯特石漠化地区生态防治措施提供理论基础和技术支撑。

为了解油松(Pinus tabuliformis)天然林新生枝叶碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征对土壤氮浓度改变的响应及其林龄差异,揭示不同龄级油松新生枝叶N、P元素内稳态对短期氮添加的响应。以关帝山林区孝文山林场Ⅴ~Ⅶ龄级油松天然次生林为研究对象,采用野外原位氮添加试验的方法,设置对照(N₀,0)、低氮(N₁,5 g/m²)、中氮(N₂,10 g/m²)和高氮(N₃,15 g/m²)4个施氮水平,形成不同土壤N浓度梯度,分析不同N浓度新生枝和叶C、N、P计量指标和内稳态指数。油松枝叶C、N、P含量随土壤氮浓度的增加而显著增加,C/N和C/P减小;油松枝叶C含量、C/N和C/P随龄级增加而增加,N、P含量随龄级增加而减少;根据针叶N/P,该地区油松生长主要受N限制;新生枝和叶N、P含量及N/P与土壤指标的关系均能很好被内稳态模型模拟(p＜0.1),其中新生枝P含量对土壤供氮水平变化敏感,而其他指标较稳定,新生叶的内稳态高于新生枝。该地区油松通过调节枝叶氮磷吸收与利用策略保持新生枝叶内稳态以适应土壤氮浓度增加及由此带来的变化。

全球变暖增加寒潮天气发生的频率和强度,影响土壤呼吸及其各组分,但有关增温和寒潮对亚热带森林土壤呼吸及其各组分的影响研究仍十分缺乏。通过壕沟法分离土壤呼吸,并利用土壤呼吸高频自动监测系统研究增温对寒潮期间亚热带常绿阔叶天然林土壤总呼吸、根呼吸与微生物呼吸的影响。结果表明:(1)寒潮发生时,对照和增温处理中土壤总呼吸速率分别显著下降45.93%和25.68%,土壤微生物呼吸速率分别显著下降51.25%和35.54%。但寒潮并没有影响增温处理中根呼吸速率,而对照处理中根呼吸速率在寒潮时显著下降39.72%。(2)观测期间,增温对总呼吸和根呼吸的日动态模式的影响在寒潮不同阶段具有明显差异,增温导致寒潮发生前后土壤总呼吸和根呼吸日峰值出现时间分别提前1,2 h,而寒潮发生时,对照和增温处理中土壤总呼吸和根呼吸的日峰值出现时间同步。(3)观测期间,增温后土壤总呼吸、根呼吸和微生物呼吸的温度敏感性(Q₁₀值)均下降,而根呼吸的Q₁₀值均高于微生物呼吸。因此,准确了解寒潮等极端天气下的土壤总呼吸、根呼吸和微生物呼吸的变化及其对增温的响应,对于提高气候变暖后土壤碳排放的预测精度具有重要作用。

探究多年冻土区白桦次生林蒸腾特征对影响因子的响应,为准确评估该地区森林生态系统水文效应提供科学参考。运用热扩散式探针法,从2021年5—9月对多年冻土区的白桦树干液流进行监测,并同步观测影响因子变化情况。结果表明:整个观测期,白桦次生林蒸腾表现出明显的小时、日、月变化。(1)白桦次生林小时蒸腾特征表现为优势木＞中等木＞被压木,蒸腾动态在晴天呈单峰曲线,在雨天呈双峰曲线。日尺度上,白桦次生林蒸腾平均值为1.47 mm/d,且最大值出现在7月。在整个观测期,林分蒸腾表现出明显的月变化,即7月＞6月＞8月＞9月＞5月,分别为65.08,62.43,54.27,22.92,19.84 mm;(2)林分累计蒸腾量共计224.54 mm,占同期降雨量的32.41%,其中优势木为林分蒸腾的主要贡献者,占林分总蒸腾量的62.64%;(3)在小时尺度上,林分蒸腾量主要受大气温度和饱和水汽压差所影响;日尺度上,林分蒸腾与潜在蒸散、空气温度、太阳辐射、饱和水汽压差、叶面积指数以及土壤温度极显著正相关(p＜0.01);与空气相对湿度极显著负相关(p＜0.01);与土壤含水量关系不显著(p＞0.05),潜在蒸散、叶面积指数、饱和水汽压差以及空气温度是驱动林分日蒸腾的主要影响因子;月尺度上,空气温度对林分蒸腾的影响最大,其对林分蒸腾的解释度高达93.90%。

在全球天然林面积持续下降而人工林面积不断增加的背景下,人工林是否能达到天然林的土壤固碳能力尚不清楚。以黄土高原子午岭林区的成熟人工和天然油松林为研究对象,比较分析了不同密度人工林和天然林0—20 cm土层的土壤团聚体组成、不同粒径团聚体土壤有机碳(SOC)、不同活性SOC及球囊霉素相关土壤蛋白(GRSP)的分布特征和相关性。结果表明:(1)人工林表层土壤全土的总SOC含量及其高活性、低活性、非活性SOC组分的含量均显著低于天然林,其中总SOC含量和非活性SOC含量随林分密度增加而增加,低活性SOC含量反之。(2)人工林表层土壤各粒径团聚体的总SOC含量及其组分含量均显著低于天然林。人工林大团聚体的重量百分含量、总SOC含量及非活性SOC含量随林分密度的增加而增加,但均显著低于天然林。(3)人工林表层土壤的SOC含量随林分密度增加而增加,其峰值17.95 g/kg,为天然林SOC含量的65.5%,其中大团聚体的数量及其SOC含量和稳定性的显著降低是导致两者差异的主要原因。活性SOC百分含量与总SOC含量的增加呈负相关关系,GRSP随林分密度增加而增加,但低于天然林,且通过提高大团聚体数量增加总SOC含量。增加人工林林分密度可以增加其表层土壤的生物量、土壤大团聚体数量、GRSP含量,以及降低活性SOC百分含量,进而提高其土壤固碳能力,同时显著降低其植物多样性。

由于气候条件干旱,合理平衡防护林与农田作物水分需求是河套灌区农田防护林林网体系建设的关键问题。为研究河套灌区典型农田防护林对农田作物水分来源的影响,选择河套灌区3种典型配置的防护林系统,测定并分析附近农田距农田边缘0.3,0.4,0.6,2 H处土壤含水率、土壤和作物茎秆水氢氧同位素值。结果表明:(1)7—9月各农田样地土壤含水率普遍较低,4,5行样地在近林端处土壤含水率均低于远林端处,8行样地各处土壤含水率没有明显差异。(2)各样地土壤水氢氧同位素随着土层深度的增加而贫化,其中,8行样地距农田边缘0.4~0.6 H处40—60 cm土层的土壤出现较大的同位素富集。(3)4行样地内距农田边缘0.3~0.4 H处玉米主要利用40—80 cm土层土壤水,0.6~2 H处玉米利用0—40 cm土层土壤水。5行样地0.3 H处玉米利用20—60 cm土层土壤水,0.4~2 H处玉米利用0—60 cm土层土壤水。8行0.3,2 H处玉米主要利用0—40 cm土层土壤水,0.4~0.6 H处玉米则更多地利用20—80 cm土层土壤水。研究认为,8行配置的防护林对农田作物水分利用范围影响更广,在不影响防护效果的前提下,4,5行防护林对农田作物生长用水影响范围更小。研究结果可为当地合理配置农田防护林体系提供理论参考。

依托13年长期定位试验采取裂区设计,主处理为行间生草覆盖和清耕,副处理为4个施肥处理,具体为不施肥(CK)、单施有机肥(M)、氮磷钾配施(NPK)、有机无机肥配施(MNPK),采用修正的Hedley磷分级方法浸提和测定各磷形态。结果表明:石灰性土壤0—20,20—40 cm土层各形态磷含量以盐酸态磷(D.HCl—P)和残留态磷(Residual—P)为主,水溶性磷(H₂O—P)与碳酸氢钠无机磷(NaHCO₃—Pi)比例较低。经过13年生草覆盖和不同施肥处理,生草覆盖条件下有机无机肥配施提高土壤中无机磷的含量和占比,降低残留态磷的含量。比例在0—20,20—40 cm土层无机磷比例分别由68.5%和66.1%上升到75.8%和69.7%,残留态磷的比例由26.8%和27.0%下降到18.3%和23.5%。生草覆盖下有机无机肥配施可显著提高土壤有效磷和无机磷的含量以及H₂O—P、NaHCO₃—Pi活性磷在土壤中的比例,生草覆盖结合有机无机肥配施能够增加土壤活性磷含量,保持高比例有效磷库,是提高当前苹果园磷肥利用率的重要措施,对保证该地区苹果高产、磷肥资源高效利用具有重要意义。

为探究秸秆还田条件下长期施用控释掺混尿素对土壤酶活性及养分状况的影响。基于自2008年开始的长期定位施肥田间试验,于2021年小麦返青期、挑旗期、灌浆期和成熟期采集0—20 cm土壤样品,以不施氮肥为对照,研究秸秆还田条件下控释掺混尿素(CRF)和普通尿素(BBF)2种氮肥类型及不施氮(N 0 kg/hm²)、减量(N 120 kg/hm²,N1)、常量(N 240 kg/hm²,N2)和增量(N 360 kg/hm²,N3)4个施氮水平对麦季土壤酶活性及土壤养分的影响,并对指标进行相关性分析。结果表明:相同施氮水平下的控释掺混尿素处理较普通尿素处理土壤蔗糖酶活性提高9.6%~21.0%,纤维素酶活性提高9.0%~31.5%。在小麦返青期和成熟期,控释掺混尿素处理的土壤硝态氮含量显著高于普通尿素处理,提高23.2%~145.0%。在返青期,CRF2处理土壤铵态氮含量较BBF2处理显著提高148.0%;成熟期,各施氮水平的控释掺混尿素处理的土壤铵态氮含量均显著高于普通尿素处理。CRF1和CRF2处理的小麦籽粒产量分别较BBF1和BBF2处理提高9.8%和12.4%。土壤脲酶、过氧化氢酶活性与土壤全氮、有机质、硝态氮含量呈显著正相关关系,过氧化氢酶、纤维素酶活性与速效磷和有效钾含量呈显著负相关关系。秸秆还田配施控释掺混尿素较普通尿素提高小麦生育中后期土壤酶活性,更有利于小麦前、后期速效氮供应,长期施用显著提高土壤有机质含量,可提高土壤的保肥性和缓冲性,培肥土壤,其中以常量控释掺混尿素施肥为最优处理。

选择半干旱(宁夏盐池)、干旱(内蒙古乌拉特后旗)荒漠草原区为研究样地,以牛枝子枯落物为研究对象,采用网孔分解袋法研究土壤动物分解功能对枯落物C、N、P、K分布的影响,结合枯落物分解过程中土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)含量分布特征,阐明土壤动物分解作用对土壤营养元素含量分布的影响规律。结果表明:(1)共捕获土壤动物226只,隶属14科(属)。土壤动物个体数表现为盐池地区均高于乌拉特地区,而类群数差异较小,仅在乌拉特地区灌丛高于裸地。土壤动物Simpson指数、Shannon指数和Margalef指数在不同生境下均无显著差异,Pielou指数在裸地生境下表现为乌拉特地区显著高于盐池地区。(2)不同网孔分解袋中枯落物养分元素均处于不同程度的释放状态。其中枯落物C、N元素累积系数在盐池地区表现为2 mm网孔显著低于0.01 mm网孔,在乌拉特地区表现为2 mm网孔显著高于0.01 mm网孔;枯落物P、K元素累积系数分别在乌拉特地区和盐池地区表现为2 mm网孔显著高于0.01 mm网孔,且土壤动物对盐池枯落物C、N、P、K元素释放均表现为正效应;对乌拉特枯落物C、N元素释放表现为灌丛为负效应,裸地为正效应,P、K元素释放表现为灌丛为正效应,裸地为负效应。(3)土壤动物对TN、TK增量受灌丛内外微生境差异的影响,表现为乌拉特灌丛显著高于裸地。且土壤动物对土壤SOC增量均为正效应;对TK、TP增量在灌丛为正效应,在裸地为负效应;对TN增量在不同地区不同微生境下效应不同。(4) Pearson相关分析和RDA分析表明,土壤动物多样性分布和土壤理化性质显著影响枯落物养分释放。综合分析表明,在半干旱区土壤动物加速枯落物养分释放和土壤SOC积累,而土壤TP、TN、和TK的积累受灌丛微生境的影响;在干旱区土壤动物对枯落物C、N元素和P、K元素释放在灌丛和裸地微生境作用相反,且土壤动物加速灌丛、减缓裸地土壤养分的输入。土壤动物增强枯落物养分元素在生态系统中的流动性,改变枯落物养分输入土壤的直接关系,且土壤对枯落物的分解具有一定的调控作用,其中土壤TK起主要作用。

为探明盐渍化灌区不同灌排模式下土壤盐分及离子迁移及聚集规律,于2021年5—10月在巴彦淖尔市五原县盐碱化耕地改良示范区分别对"滴灌+明沟排水"与"黄灌+暗管排水"模式下农田进行土壤水盐监测与灌排水量监测,分析不同灌排模式下农田土壤盐分迁移分布规律,利用均衡分析探讨土壤盐分和盐分离子积盐及脱盐特征,为灌区的节水规划及盐渍化防治提供科学依据。结果表明:不同灌排模式下农田土壤均处于脱盐状态,黄灌与暗管排水模式下土壤脱盐效果相对较好,脱盐率为37.73%;滴灌与明沟排水条件下农田中出现HCO₃^-累积,积累量为0.3 t,黄灌与暗管排水模式下农田中出现Ca²⁺与Mg²⁺的累积,积累量分别为2.962 4,0.577 4 t。滴灌与明沟排水模式下整个生育期内,0—40 cm土层处于脱盐状态,40—80 cm土层出现盐分积累现象,黄灌与暗管排水模式下整个生育期0—100 cm土层处于脱盐状态。不同灌排模式下地下水埋深变化趋势相同,黄灌与暗管排水模式下地下水埋深较低,滴灌与明沟排水模式下土壤积盐与地下水质整体呈负相关关系,仅土壤中HCO₃^-与地下水各离子呈正相关关系,土壤中HCO₃^-与地下水中Mg²⁺、HCO₃^-相关性较强,相关系数分别为0.833,0.759。黄灌与暗管排水模式下土壤积盐与地下水质整体相关关系不明显。

为了提升生物质炭对滨海盐碱土壤盐分的洗脱效率,以海兴县盐碱土为研究对象,利用聚丙烯酰胺(PAM)、小麦秸秆生物质炭(BC)、黏土矿物(M)等材料制备聚丙烯酰胺改性生物质炭(PAM-BC),通过室内模拟淋溶试验研究对比不同环境材料对盐碱土盐分的洗脱效果。结果表明,相比于CK处理,PAM、BC和PAM-BC、CaSO₄(CS)处理均显著增加土壤盐分洗脱量,其中PAM-BC处理下增幅最高,达到12.3%。进一步对淋洗液中主要盐分离子分析,添加PAM-BC显著促进土壤Na⁺和Cl^-的洗脱,增幅分别为11.0%~27.3%和17.8%~42.3%。主成分分析表明,PAM-BC增强对主要盐分离子的洗脱效果。土柱淋溶结束后,PAM-BC添加处理土壤全盐量比其他处理显著降低6.0%~16.7%。此外,土壤水分特征曲线表明,添加PAM-BC提升盐碱土壤的保水性。研究结果可为聚丙烯酰胺改性生物质炭应用于滨海盐渍化土壤的降盐改土提供理论依据。

为探究合理的咸水结冰灌溉水量及咸水结冰灌溉下冻融期土壤水热盐动态迁移规律,以重度盐碱地为研究对象,在内蒙古达拉特旗开展连续2年田间小区原位冻融试验,设置4组灌水梯度,灌水量分别为140 mm (S1),180 mm (S2),220 mm (S3)以及不进行灌溉对照(CK),灌溉水矿化度为8~10 g/L。通过测定试验期内土壤含水率、土壤温度以及盐分分布,分析咸水结冰灌溉下盐碱地土壤水热盐动态迁移特征。结果表明:咸水结冰灌溉可显著提高春季消融后土壤含水率,减缓冻融期深层土壤温度变异程度,降低因土壤温度变化引起的返盐现象,灌溉水量越大,土壤含水率提升幅度越大、保温效果越显著。经过反复冻融循环,适宜的咸水结冰灌溉处理下土壤盐分降低,当灌溉水量＜180 mm时脱盐率与灌水量呈正相关,当灌水量＞180 mm时春季消融后土壤含盐量增加。2年试验期内相较于未进行灌溉的对照处理,咸水结冰灌溉处理下土壤含水率提高82%~93%;土壤消融指数提高28%~65%;土壤冻结指数降低24%~25%;灌水量＜180 mm时0—40 cm土层脱盐率最高可达59%。综合考虑,在不造成土壤积盐导致次生盐渍化的前提下,灌溉水量180 mm下土壤保温、保墒、脱盐效果最好,可为来年作物生长提供适宜的土壤环境。

为探讨化学改良剂对苏打盐碱土稻田生态系统中氟迁移的影响,采用盆栽试验,研究硫酸铝、脱硫石膏和有机复合改良剂作用下的土壤各形态氟含量变化,以及土壤氟向水体和地上部植株的迁移情况。结果表明,化学改良剂影响苏打盐碱土—水—作物系统中氟的迁移及生物有效性。种稻后各改良剂处理的土壤水溶态氟变化范围为8.33~20.90 mg/kg,与对照相比,均呈下降趋势,其中硫酸铝处理下降得最多,降低60.15%;可交换态氟和有机束缚态氟呈增加趋势,其中有机复合改良剂处理增加得最多,分别为79.54%和86.37%;种稻前后铁锰氧化物结合态氟变化较复杂,其中硫酸铝处理无显著变化,对照处理和有机复合改良剂处理分别增加19.05%和42.03%,而脱硫石膏处理下降22.79%;残余态氟和总氟含量呈下降趋势,其中有机复合改良剂处理的残余态氟降低得最多,为35.50%,硫酸铝处理的总氟降低得最少,为10.47%,其余处理降幅为12.50%~12.55%。在水稻种植过程中,土壤中氟向水中累积释放总量为对照＞有机复合改良剂＞脱硫石膏＞硫酸铝,与对照相比,其他3个处理分别降低3.25%,5.13%和5.19%。土壤中氟向水稻茎叶和稻谷的迁移总量依次为有机复合改良剂＞脱硫石膏＞硫酸铝,单位土壤的迁移量分别为0.44,0.40,0.25 mg/kg,迁移率分别为0.16%,0.15%和0.09%。相关分析表明,土壤中氟向水中释放总量和向水稻茎叶迁移总量均与土壤pH、可溶盐和各形态氟含量呈显著的正相关关系,而水稻稻谷的含氟量不受土壤性质影响。由于硫酸铝处理的水稻茎叶对氟的吸收量显著低于其他处理,并且土壤水溶态氟含量及土壤向水中释放的氟总量也较少,所以硫酸铝改良剂具有较好地降低苏打盐碱稻田土氟迁移和生物有效性的能力。