腾格里沙漠人工固沙植被区浅层土壤水分对降水和生物结皮的响应

选择腾格里沙漠东南缘人工植被区3种典型的地表覆被类型（藓类结皮、藻类结皮和流沙）土壤为对象,选取发生在7月和9月的两次降水事件,研究浅层土壤（3、5、10 cm）水分入渗与再分布过程。结果表明：浅表层3 cm深度土壤水分在降雨初期均表现为跳跃式增加,而在降雨中后期由于土壤剖面不同深度水势梯度减小,降水入渗速率降低,土壤水分仅呈现小幅波动。在两次降水事件中,藓类结皮和藻类结皮对降水入渗的阻碍作用比较显著,入渗速率表现为沙土 > 藻类结皮 > 藓类结皮;从水分再分布看,生物土壤结皮的存在致使水分再分配过程表现出明显的浅层化;降水过程结束后,结皮促进水分的蒸发损失,从而减少植被可利用水分含量。人工固沙植被区广泛发育的生物土壤结皮对降水入渗与再分布过程以及土壤水量平衡具有重要影响。     

干旱、半干旱地区微生物结皮土壤水文学的研究进展

微生物结皮与土壤水文过程的关系一直是微生物结皮研究中最具争议性的热点问题。文章对国内外这一领域的研究进展进行了综述, 系统地介绍了微生物结皮在降雨入渗、水分保持和土面蒸发等土壤水文过程中的功能, 总结了微生物结皮土壤水文学研究中的各种观点, 针对不同观点之间产生的争议, 作者认为微生物结皮的时空特殊性、复杂性以及研究手段和方法的多样性是产生争议的主要原因。最后, 从试验方法和研究目标上对该研究领域进行了展望。     

不同初始盐分浓度下土壤盐结皮的形成过程及其对蒸发的影响机理

土壤盐结皮对土壤水文过程具有重要影响,初始盐分浓度（Initial salt concentration, ISC）的差异会对盐结皮的形成过程产生不同程度的影响,从而导致土壤蒸发的差异。但目前不同ISC下盐结皮形成过程对土壤蒸发的影响机理尚不明确。因此,通过试验模拟与理论分析相结合,动态监测及分析不同ISC下砂土的盐结皮形成、蒸发、土壤表面温度动态变化过程,以期阐明不同ISC下盐结皮形成过程及其对土壤蒸发的影响机理。结果表明：ISC越高,盐结皮在土壤表面出现的时间越早,覆盖率越大,且在同样光照强度和光照时间条件下土表温度增幅越小,蒸发量也越小;对数函数能较好地拟合不同ISC与累积蒸发量之间的关系（R²>0.90）;随着ISC的增加,盐结皮对土壤蒸发抑制效率从24.14%（10 g·L^-1）增大到71.99%（250 g·L^-1）。ISC会显著影响盐结皮形成的过程,并通过影响土表温度的变化进而导致土壤蒸发出现巨大差异。     

固沙植被区两类结皮斑块土壤呼吸对降雨脉冲的响应

与降水事件密切相关的土壤水分有效性是荒漠生态系统土壤呼吸的重要驱动因子。研究了固沙植被区以藓类和藻类为主的生物土壤结皮斑块土壤呼吸对模拟降雨(5、10、20 mm)的响应。结果表明:3种降雨量对不同结皮斑块土壤呼吸均有显著的激发作用, 但2种土壤的响应特征不同。藓类结皮斑块土壤呼吸速率在降雨后0.5 h达到最大值, 而藻类结皮斑块土壤在降雨后2 h达到最大值, 其呼吸速率分别是降雨前土壤呼吸速率的43~58、21~25倍,随后, 两类结皮斑块土壤呼吸速率逐渐下降并恢复到降雨前水平。随着降雨量的增加, 藓类结皮斑块土壤最大呼吸速率和平均呼吸速率显著增大, 而藻类结皮斑块土壤则无明显变化; 2种土壤碳释放量均随着降雨量的增大而增加。在相同降雨条件下, 藓类结皮斑块土壤呼吸速率峰值和平均值及碳释放量均显著大于藻类结皮斑块土壤。表明生物土壤结皮和降雨量均对荒漠生态系统土壤呼吸起着重要的调控作用。     

干旱沙区生物结皮对土壤膨胀的影响北大核心CSCD

土壤膨胀通过改变土壤结构和水文过程影响土壤系统抵抗力和恢复力。生物结皮可以加速土壤形成,改变土壤理化性质,但生物结皮的形成和发育过程如何影响土壤膨胀还不清楚。本文借助空间取样替代时间的方法和模拟降水(0、1、3、5、10 mm)法,以腾格里沙漠南缘4个年代的固沙植被带(64、39、33、0年)的5种演替阶段的生物结皮(蓝藻、藻-地衣混生、真藓、土生对齿藓和齿肋赤藓)及其土壤为研究对象,旨在阐明生物结皮的形成和发育过程对土壤膨胀的影响及其对降水的响应。结果表明:(1)生物结皮的形成增加了土壤膨胀高度,结皮后土壤的平均膨胀高度是流沙的94倍,平均0.939 mm;(2)不同演替阶段生物结皮均随着其发育年龄的增加显著增加土壤膨胀高度(P<0.05),主要体现在两个方面,在同一植被区,从初级阶段到高级阶段生物结皮的膨胀高度逐渐增加(P<0.05),其中土生对齿藓结皮最显著,同一种结皮在不同植被区,随植被年龄的增加,发育39年的生物结皮膨胀高度增加最显著,其中以藻-地衣混生结皮最显著(P<0.05);(3)降水量增加显著增加生物结皮覆盖下土壤的膨胀高度(P<0.05),藓类结皮对降水量的敏感性最强,特别是对3 mm以内的降水;(4)冗余分析表明生物结皮演替阶段是干旱沙区土壤膨胀的最关键因子(RDA 1:88.21%,RDA 2:6.49%)。     

沙地地表结皮的研究

本文根据陕西省榆林地区红石峡沙地的调查资料,分析了沙地地表结皮的形成过程及其组成,并着重讨论了地表结皮对降雨补给土壤水分所产生的影响,以及对进一步研究地表结皮提出了几点建议。     

氮添加条件下白羊草种群及近地表生物结皮对土壤入渗性能的影响

以黄土高原典型草地白羊草群落为研究对象,设置不同施氮水平(0、2.5、5、10 g/(m~2·a))模拟氮沉降,通过人工模拟降雨,系统研究氮添加条件下白羊草群落及其近地表特征对土壤入渗过程的影响。结果表明:(1)白羊草种群覆盖可显著延缓产流,且随着近地表生物结皮的参与,延缓产流效果更加明显。白羊草和生物结皮共同作用下(T_2)平均初始产流时间分别是单一白羊草种群(T_1)和裸地对照(T_0)的1.64倍和4.87倍;(2)稳定入渗速率和入渗总量均在较低施氮水平(N_0和N_(2.5))下总体较高;生物结皮可抑制土壤入渗过程,白羊草和生物结皮共同作用下(T_2)稳定入渗速率和入渗总量较单一白羊草种群(T_1)分别减少了6.35%和7.49%;(3)植被及生物结皮特征可显著影响坡面入渗过程,初始产流时间随白羊草盖度、地上生物量和苔藓结皮盖度、高度的增加均呈幂函数增加,随藻结皮盖度的增加呈幂函数下降(P0.01);稳定入渗速率和入渗总量随生物结皮总盖度的增加而呈幂函数下降,与藻结皮盖度存在显著的DoseResp曲线关系(P0.01)。本研究以期为黄土高原草地生态水文过程及植被建设提供数据来源和理论依据。     

古尔班通古特沙漠风沙土土壤蒸发特征

土壤表面蒸发是降水的无效损失,其大小直接决定着降水转化为有效土壤水的效率,从而间接决定了植物可利用水分的多寡。在降水稀少的沙漠区,定量认识土壤蒸发的大小和其所占降水的比例显得尤为重要。在2004年全生长期(5~9月)应用自制的微型蒸渗仪(Micro-Lysime-ter)测定了风沙土(有结皮覆盖的丘间低地和裸露沙丘顶部)和对照的荒漠盐碱土的土壤蒸发。结果表明:在相似的气象条件下,风沙土区的丘间低地和荒漠盐碱土的日平均蒸发量分别约是裸露沙丘(风沙土区)的2倍和3倍。整个生长期裸露沙丘的累积蒸发量为18.7mm,丘间低地为38.8mm,荒漠盐碱土为52.1mm。根据整个观测期的累积蒸发量和累积降雨量计算得出的蒸发降雨比分别为:裸露沙丘0.20,丘间低地0.42,荒漠盐碱土0.62,表明裸露沙丘由降水转化为土壤水而储存的比率最高。同时,从数据分析中可以看出:在风沙土区0~5cm土层的含水量对土壤蒸发起决定作用,而盐碱土区的土壤蒸发则受到更深层次土壤水分的影响。裸露沙丘低的土壤蒸发、高的降水转化效率,为植被恢复奠定了良好的基础。因此,裸露沙丘的低蒸发量可以视为植被状况对生态水文过程的一种良性反馈。     

干旱沙区生物土壤结皮覆盖土壤CO2通量对脉冲式降雨的响应

水分是干旱区生态过程中主要限制因子,降水可通过改变土壤的干湿状况直接影响土壤的生态过程,继而引起土壤碳库的变化。生物土壤结皮作为干旱区主要的地表覆盖物,其自身不但可以进行呼吸作用,还能充分利用有限的水分通过光合作用固碳,改变土壤圈与大气圈之间的碳交换通量。通过模拟0、2、5、8、15 mm降雨,利用红外气体分析仪,对腾格里沙漠东南缘人工固沙植被区主要的生物土壤结皮覆盖土壤净CO₂通量进行了原位测定,探讨生物土壤结皮覆盖土壤CO₂释放和光合固定CO₂(吸收)共同作用下的土壤净CO₂通量对模降雨的响应特征。结果表明:(1)降雨会迅速激发生物土壤结皮覆盖土壤CO₂释放,降雨激发CO₂释放速率和有效时间取决于降雨量,降雨量越高,激发程度越低,激增的生物土壤结皮覆盖土壤CO₂释放(源)效应有效时间随降雨量的增加而延长;降雨激发的土壤碳释放总量随着降雨量的增加显著增加,且藓类结皮覆盖土壤碳释放总量显著高于藻类结皮(P<0.05)。(2)降雨引起生物土壤结皮覆盖土壤CO₂吸收速率在初期呈单峰变化,后逐渐回归到降雨前的水平,随降雨量的增加,CO₂吸收的效应的时间越长,峰值越高;降雨量越高,生物土壤结皮光合碳固定量越多,当降雨量增加到15 mm时,藻类结皮光合碳固定量显著低于8 mm时的碳固定量;降雨量<5 mm时,藓类结皮光合碳固定量显著低于藻类结皮(P<0.05),≥5 mm时,藓类结皮光合碳固定量显著高于藻类结皮(P<0.05)。(3)干旱荒漠地区生物土壤结皮覆盖土壤,在无降雨的干旱期表现为较低水平的净碳排放效应,不同程度降雨的初期阶段都有短暂的增加土壤碳的汇效应,且碳汇效应的时间随降雨量的增加而延长;适度的降雨会降低长期干旱藻类结皮覆盖土壤向大气的碳排放量,而过高或过低的降雨都会不同程度地增加藻类结皮覆盖土壤向大气的碳排放,降低土壤碳的储量。不论降雨量大小,降雨都会增加藓类结皮覆盖土壤更多碳向大气排放,但随着降雨量的增加,源效应逐渐减弱。降雨量≤8 mm时,藓类结皮覆盖土壤净碳排放总量显著高于藻类结皮(P<0.05),当降雨量>8 mm时,藓类结皮覆盖土壤净碳排放量显著低于藻类结皮覆盖土壤(P<0.05)。因此,干旱区在估算生物土壤结皮覆盖土壤与大气碳交换对降雨的响应规律时,应该充分考虑降雨量大小对生物土壤结皮碳固定量和土壤碳释放组分的效应,明确降雨事件大小对不同类型生物土壤结皮覆盖土壤与大气之间碳交换的作用。     

毛乌素沙地火电厂周边不同类型生物结皮酶活性及其影响因素北大核心CSCD

选取宁东能源化工基地典型火电厂周边广泛分布的3类生物结皮作为研究对象,探究工矿区生物结皮富集大气降尘重金属对酶活性的影响及其影响深度,在对比分析富集大气降尘过程中土壤理化性质、酶活性及重金属含量变化的基础上,采用相关分析、冗余分析方法探讨了生物结皮各层次土壤酶活性与土壤重金属含量和土壤理化性质之间的相关关系。结果表明:(1)沿藻结皮—混生结皮—藓结皮的演替方向,结皮层土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)及全磷(TP)含量显著提升,土壤容重和pH降低;随土层深度增加,土壤理化性质变化不显著。(2)3类生物结皮对源自大气降尘的重金属元素均具有显著的表层富集作用,富集量藓结皮>混生结皮>藻结皮;结皮层重金属污染程度高于下层土壤。(3)4种土壤酶活性沿藻结皮—混生结皮—藓结皮的演替方向呈现一致的规律性,表现为藓结皮>混生结皮>藻结皮。(4)部分重金属元素Zn、Pb、Cd和土壤理化性质如容重、pH、SOC、TN等是影响土壤酶活性的主要因子,但相较于重金属元素,土壤理化性质对酶活性影响更大。     

LASCAM水文模型在流域生态水文过程研究中的应用——模型理论基础

LASCAM水文模型是一种大尺度分布式概念水文模型,介于高精度分布式水文模型和集总式经验模型之间,是基于亚流域空间单元建立的中等精度的分布式概念模型。LASCAM模型在亚流域空间单元定义了3个概念性土壤水库,在经验方程的基础上:①建立亚流域各土壤水库与亚流域生态特征(LAI)和气候(降雨)之间函数关系;②通过对亚流域的降雨-植冠截流过程、地表产流过程、表层入渗-亚表层产流过程、亚表层入渗过程的模拟,揭示降雨在亚流域的(地表和亚表层)径流和入渗等环节的再分配过程;③基于亚流域各土壤水库的水量(水位)建立了各土壤水库之间的水通量过程方程;④建立亚流域各库的蒸散发与生态特征(LAI)之间的函数关系模拟各库的蒸散发过程。最后,通过河道径流演算法则,并依据亚流域与流域总体之间的分布式关系,将各亚流域的径流汇总到整个流域,从而将亚流域空间的水文响应扩展到流域整体空间上,实现了大尺度异质性流域的水文过程和水量平衡模拟。     

水文水资源系统对气候变化的响应

分别从水文系统的降水、蒸发、径流和土壤水分及水资源系统供水、需水和水资源管理等方面综述了区域水文水资源对气候变化的响应,提出了作者的看法。自从工业革命以来,由于人类改造自然界的能力日益增强,使大气中CO₂及其它温室气体的浓度大幅度上升,导致温室效应,使全球气候变暖,对天气系统、生态系统及水文水资源系统等带来重大的影响。     

SWAT模型在伊犁河上游缺资料区的应用

 在分布式水文模型中,探索产生分布式降水数据的方法是该领域研究的热点之一,发展基于水文物理过程的模型校准方法是实践PUB的热点与难点。基于SWAT分布式水文模型,以资料稀缺的伊犁河上游为研究区域,针对流域的水资源评价关键问题,首先准确描述区域的降水空间分布特征,并基于流域水文过程采用综合流域特征、多时间尺度、多变量和多站点的适宜性模型校准新方法,取得了满意的模拟结果,表明模型较好地再现了流域的水文过程。另外,完善水文机理研究,提高降水及下垫面相关参数的观测水平是改善模型模拟的有效途径。     

半干旱沙地樟子松林降雨再分配特征

森林植被的降雨再分配过程是影响区域水资源利用效率以及生态系统生产力的重要因素。于2018年5-8月观测27 a生樟子松人工林降雨再分配特征,探究降雨再分配的比例变化对林地水分平衡的影响机制,分析、量化林内穿透雨、林冠截留、树干径流、枯落物层入渗部分产生的阈值。结果表明:樟子松林内穿透雨量占同期降雨量的86.45%,穿透雨量随着降雨量的增加呈线性增加趋势,降雨量>0.63 mm时产生穿透雨;林冠截留量和树干径流量分别占降雨量的10.44%和2.54%,树干径流量与降雨量之间呈正线性关系,降雨量>1.19 mm时,产生树干径流;枯落物层截留量占降雨量的12.37%,枯落物层截留量随着降雨量的增加而增加;枯落物在0~24 h内平均吸水速率为1.83 mm·h^-1,其最大持水量为3.23 mm,并且枯落物层截留量占其最大持水量的42.37%。从林冠到枯落物各层截留总量为25.35%,其中有74.65%的雨水最后从枯落物层入渗进入地表,用于补充土壤水分、下渗或补充地下水。半干旱沙地樟子松林可以有效地发挥截留降雨、贮存雨水的功能,继而改善沙地土壤含水量和地下水的有效补给量,提高森林生态系统生产力。     

有机质对青藏高原多年冻土活动层土壤持水性能的影响

土壤水分特征曲线描述土壤基质势ψ和含水量θ之间的函数关系,表征土壤的持水性能,是研究土壤水分入渗、蒸发、土壤侵蚀及溶质运移的关键。高寒气候特征使有机质在青藏高原地区大量积累,为确定多年冻土活动层土壤持水性能的影响因素,尤其是有机质的影响,在长江源北麓河地区采样分析。结果表明：相比于土壤粒度分布,容重和有机质是影响土壤持水性能的主要因素,其中高基质势下（0~-30 kPa）以容重影响为主,低基质势下（-100~-1 500 kPa）以有机质影响为主;有机质通过改变土壤结构和增强土壤的吸附性而影响土壤持水性能,同时影响程度取决于有机质的多少,土壤持水性与有机质含量呈正相关关系。本次研究有助于认识高寒地区土壤水文特征,对展开土壤水文过程的研究提供理论基础。     

藏北高原地气之间的水分循环

利用GAME－Tibet期间所取得的高分辨率土壤温度、含水量以及降水量资料，对藏北高原地气之间的水分循环过程进行了分析。结果表明，唐古拉山以南平坦地表7－8月份地表蒸发的水汽量可达177.1mm，占同期降水量的73．2％；唐古拉山以北平坦地表7－8月份地表蒸发的水汽量可达73.3mm，占同期降水量的57．7％。地表土壤通过蒸发不但将大量的水分输送给其上的大气，而且将热量传给了其上的大气，从而抑制了土壤温度的升高。如果仅就唐古拉山南北地表蒸发而言，引起其较大差异的原因主要是降水量的不同。     

干旱半干旱区土壤水分研究进展

土壤水分调控着陆表-大气相互作用过程,是土壤-植物-大气连续体水分和能量交换的重要影响因子,也是影响生态系统水文、生物和生物化学过程的关键因素,是陆地生态系统中不可或缺的组成部分。本文简要回顾和评述了土壤水分点、面尺度的监测、分析方法,系统阐述了干旱半干旱区土壤水分的国内外研究进展,并结合目前的研究进展,提出了未来干旱半干旱区土壤水分研究展望,以期促进深入理解和准确预测干旱半干旱区土壤水分变化的生态与水文效应,为制定科学合理的干旱半干旱区水资源经营管理方案奠定理论基础。