黄土丘陵坡地土壤水分空间分布数学模型

通过野外测定获得黄土丘陵坡地不同土地利用结构的表层土壤水分, 依据影响该区土壤含水量的重要因素是坡度、土地利用、植被覆盖以及地表水的扩散特征, 建立了黄土丘陵坡地的土壤水分空间分布模型. 应用野外测定的土壤水分值进行模型的参数拟合, 采用有限元方法正解模型, 对黄土丘陵坡地土壤水分的空间分布进行模拟, 并与实测值进行了比较. 结果表明, 该模型具有较好的拟合效果.     

干旱沙区土壤空间异质性变化对植被恢复的影响

许多涉及草地荒漠化或退化过程的假说及概念模型认为, 干旱、半干旱地区的草地植被灌丛化是草地发生退化或荒漠化的显著特征, 即原来以草本植物为优势的群落被灌丛群落所替代, 该过程增加了草地原生植被土壤资源的时空分布异质性, 使土壤-植被系统的生物过程愈来愈多的集中在灌丛植冠下的沃岛范围内. 大量的研究支持了这一针对荒漠化或草地退化过程的生物生态学解释. 从另一个方面来看, 缀块状分布的灌木植被也是草地恢复或荒漠化逆转的基础, 并且在我国沙漠治理的实践中得到了证明. 沙坡头地区人工固沙植被近50年的演变与区域生境的恢复就是荒漠化逆转的理论范式和成功的实践例证. 该地区人工植被的建立是以设置防风固沙沙障和种植旱生灌木而开始的. 在降水不足200 mm的无灌溉条件下, 由于灌木植被的作用, 使原来质地相对均一的流沙发生了资源分布的空间异质性变化, 促进了土壤成土过程, 为沙土表层隐花植物(藻类、苔藓和地衣)结皮的形成和一年生及多年生草本植物的入侵与定居创造了条件. 而这一过程却减少降水向土壤深层的入渗量, 使固沙植被区灌木主要根系分布层(100 ~ 300 cm)的土壤含水量减少, 导致了灌木种在群落中的优势和盖度降低, 土壤资源分布的空间异质性程度也相应地减弱. 固沙植被趋于以草本植物为优势的、与邻近草原化荒漠和荒漠化草原类似的原生植被类型演变和恢复. 通过对沙坡头地区近50年固沙植被演变监测数据的分析, 提出了干旱区植被恢复或草地荒漠化逆转的概念模型.     

阿拉善高原灌木种的丰富度和多度格局对环境因子变化的响应：极端干旱荒漠地区灌木多样性保育的前提

灌木作为群落优势植物生活型是干旱荒漠系统区别于半干旱草原或草地生态系统的最显著的特征之一．位于我国北方典型干旱区的阿拉善高原其稀疏的植被覆盖介于15％～30％,且主要由多样的灌木组成,草本植物层片受到极端干旱气候条件、风蚀、过度放牧以及沙埋等因素的限制．采用无偏对应分析（DCA）和二维点图（biplot）法探讨了灌木物种的丰富度和多度格局对生境条件变化的响应,并利用逐步回归分析方法分析了物种多样性和环境因子之间的关系．阿拉善高原灌木种分布对生境条件的响应可归纳为4种生态类型,其主要源于不同灌木独特的生物学特性、土壤质地和土壤含水量梯度的变化．对灌木物种丰富度和多度格局起决定性作用的因子是深层土壤的含水量,并不支持在半干旱区草地土壤质地特性决定木本植物多样性格局的观点．除了深层土壤含水量,灌木种的多度还与土壤有机质和全氮含量有显著的正相关关系,与土壤pH呈负相关关系．以上结果意味着减少黑河中游农业用水对于位于下游的阿拉善西部荒漠灌木物种多样性保育是至关重要的．此外,减少高原中部地下水的过度开采、协调城市和绿洲水资源的利用、增加贺兰山对高原东部的水资源供给,确保整个高原深层土壤水分的稳定性是今后该区灌木物种多样性的保育的重要前提．     

塔里木河下游荒漠河岸林蒸散规律及其关键控制机制

干旱区内陆河下游荒漠河岸林带蒸散耗水规律及其控制机制是内陆河流域下游水资源管理的重要科学基础.本研究对塔里木河下游两种典型河岸林群落胡杨群落和柽柳群落的地下水、土壤水和地表蒸散过程进行了连续观测.结果发现河岸林带生长季的蒸散过程季节趋势受到植被物候期的控制,非生长季蒸散微弱;蒸散日过程是大气要素综合影响的结果,与参考蒸散显著线性相关;蒸散的空间格局则受到植被叶面积指数的控制,植被盖度越大,蒸散量越大;地下水是地表蒸散的水分来源,浅层土壤水参与水循环微弱;胡杨和柽柳蒸散过程特征一致,但胡杨耗水能力高于柽柳.进一步分析表明,植物蒸腾是地表蒸散的主体,土壤蒸发占地表蒸散的比例很小;地下水位是控制干旱区荒漠河岸林水循环的关键因素,它通过影响植物生长和植被盖度来影响荒漠河岸林带地表蒸散过程和蒸散量;采用地下水位,而不是土壤含水量定量表达荒漠河岸林水分胁迫过程更为合适.基于揭示的水分运动和蒸散规律,系统描绘了一个表达干旱区内陆河下游河岸林带水循环过程控制机制的概化框架,并描述了一个简单实用,能满足内陆河水资源管理需要的荒漠河岸林需水量估算模型.     

植物根系控制黄土土层风化淋溶机制的初步研究

植物群落根系对土壤元素迁移和矿物的风化淋溶具有显著影响. 从描述黄土土层地球化学环境场分异的特征出发, 用原状土柱淋滤实验装置、根系大型挖掘剖面壁法及多元统计学方法, 对陕北黄土丘陵沟壑区植物根系改善土壤环境场效应与土壤风化淋溶速率强化值的关系进行了综合定量研究. 研究结果表明, 植物根系对土壤环境的改善效应主要受有效根(≤1 mm)密度和根量控制, 主成分分析结果表明植物根系对土壤物理性质改善效应大于对土壤化学性质改善效应, 根系控制土壤风化淋溶的主导因素依次是: 根系提高土壤渗透力、增加土壤生物活性物质及稳定土层结构的动力学性质. 在对不同植物根系影响土壤中化学元素迁移和矿物风化速率主导因素综合定量研究的基础上建立了数学模型, 此数学模型将有助于阐明林草群落根系控制土壤风化淋溶作用的生物动力机制, 也可用于林草地对有关变量进行定量评价.     

基于几个黄土物性参数的震陷判定研究

依据试验数据,研究了含水量、孔隙比和埋藏深度对黄土震陷性的影响规律,结果显示,黄土震陷临界含水量随着动应力的增加而减小,浅层黄土较深层黄土水敏性更强,在50~80kPa之间,临界含水量有一个急剧下降的特征;在典型黄土地区,黄土的孔隙比小于一定数值(宝鸡地区0.73、兰州地区0.86)时,震陷不会发生;在天然含水量情况下,黄土震陷深度曲线随动应力的增加经历了一个从平稳、快速、再收敛至最大震陷深度的发展过程。     

含水量对黄土震陷性定量影响研究

含水量是影响黄土震陷性非常重要的参数。本文以洮河三级阶地上典型的Q3黄土为研究对象,对其震陷性特征进行了全面、系统的研究。通过在20 m深探井中依次取得4 m、8 m、12 m、16 m、20 m处黄土原状试样进行室内试验,得到以下结果:(1)天然黄土存在震陷性随深度增加而逐渐减弱的规律;(2)通过增湿、减湿获得5%,10%,15%和20%四种不同含水量黄土试样,同一深度黄土随着含水量增加其震陷性增长的规律明显;(3)通过实验数据分析得到了含水量对黄土震陷性定量影响规律,并根据其规律给出了不同动应力作用下的黄土震陷临界含水量。     

河西走廊黑河山区土壤-植被-大气系统能水平衡模拟研究

在河西走廊内陆河黑河山区植被带生长期的5~9月份, 应用土壤-植被-大气传输(SVAT)系统的热水耦合SHAW模型, 在野外观测试验的基础上, 以大气总辐射和常规气象站的基本观测要素为模型的初始输入, 对阴坡云杉林、林旁草地和阳坡草地的土壤层-残留层-植被冠层系统的能量和水量平衡进行了模拟研究. 能量平衡的模拟结果表明, 阳坡草地净辐射量大于阴坡云杉林和林旁草地, 而草地能量支出项主要是潜热, 其次是感热; 云杉林的能量支出主要是感热, 其次是潜热. 阴坡云杉林和林旁草地土壤层-残留层-植被冠层的能量平衡组成和分布使得土壤层吸收的能量少, 具有涵养水源的能量基础, 而森林土壤层吸收的能量更少. 水量平衡的模拟结果表明, 阳坡草地水量基本上是消耗于土壤蒸发, 而阴坡云杉林和林旁草地蒸散发量比阳坡草地少, 并且其中近一半是消耗于植物的蒸腾, 降雨后土壤水量储存增加较多. 因此, 阴坡云杉林和林旁草地具有涵养水源的土壤水储存条件, 并且森林土壤层的水储存条件更好.     

中国草地碳储量时空动态模拟研究

基于陆地生态系统模型(TerrestrialEcosystemModel,TEM5.0),利用温度、降水和太阳辐射等气象资料,结合草地植被类型、土壤质地、海拔、经纬度以及大气CO_2浓度数据,模拟研究了1961~2013年中国草地碳储量和碳密度的时空特征及其影响因素.结果表明:(1)1961~2013年间,面积394.93×10~4km~2的中国草地碳储量为59.47PgC,其中植被碳3.15PgC(约占全球植被碳储量的1.3~11.3%),土壤碳56.32PgC(约占全球土壤有机碳储量的9.7~22.5%).草地碳储量以19.4TgCa~(-1)年平均增长速率从1961年的59.13PgC增加到2013年的60.16PgC.(2)研究时段内,青藏高原草地碳储量贡献最大,占总碳储量的63.2%,其次是新疆草地(15.8%)和内蒙古草原(11.1%).(3)1961~2013年,植被碳储量呈增加趋势,年平均增长速率为9.62TgCa~(-1),温度是植被碳库变化的主要因素,二者相关系数可达0.85.在空间分布上,植被碳变化以增加为主,减少主要出现在南方草地中部,内蒙古西部和中部以及一部分青藏高原草地区.土壤碳储量以7.96TgCa~(-1)的速率呈极显著增加趋势,其中20世纪80年代和90年代降水较多温度较低,降水是土壤碳增加的主要影响因素.     

气候变化和人类活动对黄土高原植被覆盖变化的影响

利用GIMMS和SPOT VGT两种归一化植被指数(NDVI)数据对黄土高原地区1981~2006年期间植被覆盖的时空变化进行了研究, 并从气候变化和人类活动的角度分析了植被覆盖变化的原因. 黄土高原地区植被覆盖经历了以下4个阶段: ① 1981~1989年植被覆盖持续增加时期; ② 1990~1998年以小幅波动为特征的相对稳定时期; ③ 1999~2001年植被覆盖迅速下降时期; ④ 2002~2006年植被覆盖进入迅速上升时期. 黄土高原地区植被覆盖变化存在显著的空间差异, 内蒙古和宁夏沿黄农业灌溉区和鄂尔多斯退耕还林还草生态恢复区的植被覆盖明显提高, 而黄土丘陵沟壑区和六盘山、秦岭北坡等山地森林区的植被覆盖明显退化. 从不同的植被类型来看, 沙地、草地和耕地的NDVI上升趋势显著, 而森林植被的NDVI呈明显的下降趋势. 研究表明: 植被覆盖变化是气候变化和人类活动共同作用的结果. 黄土高原地区气候变暖在加剧土壤干燥化抑制夏季植被生长的同时, 提高了春、秋季节植被生长活性, 延长了植被生长期. 黄土高原地区植被覆盖和降水关系密切, 降水变化是植被覆盖变化的重要原因. 农业生产水平的提高致使农业区NDVI在不断上升, 同时, 正在黄土高原大规模进行的退耕还林还草工程建设, 其生态效应也正在呈现.     

黔中岩溶地区土壤CO2的稳定碳同位素组成研究

岩溶地区土壤CO2 的δ13 C值低于大气CO2 的δ13 C值 .在地 气界面层 ,土壤CO2 的δ13 C值随土层深度的增加而降低 ;在地 气界面层以下 ,土壤CO2 的δ13 C值基本不变 .植被类型影响土壤CO2 的δ13 C值 ;草地植被下土壤CO2 的δ13 C值存在季节变化 .同位素示踪表明 ,大气中的CO2 对下部土壤气中的CO2 有较大的贡献 .     

兰州重塑黄土抗拉强度冻融特性与衰减模型研究———基于轴向压裂法

针对季节性冻土区黄土路堑边坡在冻融作用下发生剥落的病害问题,黄土抗拉强度的影响不可忽略.以兰州和平镇某人工路堑边坡重塑黄土为研究对象,着重探讨黄土抗拉强度冻融衰减特性.首先采用轴向压裂法测定不同含水量、不同干密度及不同冻融次数下的黄土抗拉强度,然后在黄土抗拉强度冻融衰减规律的基础上提出单因素抗拉强度冻融衰减模型,而后对含水量、干密度以及抗拉强度进行多元非线性回归分析,进而提出黄土多元抗拉强度冻融衰减模型.研究结果表明:黄土抗拉强度随冻融循环次数增加呈指数衰减规律,一般冻融3~5次后抗拉强度达到稳定值,初始含水量对黄土抗拉强度冻融衰减率的影响较大.多元抗拉强度衰减模型可对以含水量、干密度及冻融循环次数为变量的兰州黄土抗拉强度进行预测.     

中国植被和土壤碳贮量

应用0.5°经纬网格分辨率的气候、土壤和植被数据驱动的生物地球化学模型估算了当前中国植被和土壤的碳贮量. 结果表明, 中国陆地生态系统植被和土壤总碳贮量分别为13.33和82.65 Gt, 分别为全球植被和土壤碳贮量的3%和4%, 平均植被和土壤碳密度分别为1.47和9.17 kg/m². 它们受气候、植被和土壤类型等影响, 区域差异明显, 其总趋势是暖湿的东南区大于西北干旱区. 最高植被碳密度出现在温暖的东南和西南地区, 而最高土壤碳密度出现在寒冷的东北地区和青藏高原东南缘. 这些空间类型决定于由气候状况所控制的植物生产力和土壤有机质分解速率, 表明植被和土壤碳密度由不同的气候因素所控制.     

基于区域ET结构的黄河流域土壤水资源消耗效用研究

文中依据水资源的特性, 对土壤水资源做了重新定义. 并结合其动态转化关系, 以消耗项—蒸发蒸腾(ET)为基础, 剖析了土壤水资源的消耗结构和效用. 将区域土壤水资源的消耗效用分解为3部分: 高效消耗(植被蒸腾消耗)、低效消耗(植被的部分棵间蒸发)和无效消耗(裸地和植被的部分棵间蒸发). 此外, 按照是否参与生产, 又将高效消耗和低效消耗作为生产性消耗, 无效消耗由于其参与水循环而被认为是非生产性消耗. 在此基础上, 以黄河流域为例, 采用WEP-L分布式水文模型, 对土壤水资源的消耗效用做了分析. 结果表明: 全流域2078.89×10⁸ m³土壤水资源中, 植被蒸腾的消耗量为381.89×10⁸ m³, 棵间和裸地的土壤蒸发消耗量为1697.09×10⁸ m³; 有效消耗量为920.50×10⁸ m³, 无效消耗量为1158.86×10⁸ m³; 在有效消耗中, 高效消耗占41.5%, 低效消耗占58.5%, 且区域间的差异较大. 林草农田ET的消耗效用均表现为: 无效消耗量最大, 且裸地占较大比重, 低效消耗量次之, 高效蒸腾消耗量最小; 有植被覆盖的土地的无效消耗量较裸地的无效消耗量小; 草地的无效消耗量远大于林地的无效消耗量. 在有效消耗中, 农田中低效消耗占较大比重, 林草地的高效和低效消耗相近, 但草地的低效消耗量大于林地. 由此可见, 在调控土壤水资源的利用效用时, 应结合区域特点, 按照减少无效消耗、提高低效消耗, 增大高效消耗的原则进行区域植被盖度和种植结构的调整.     

鄱阳湖湿地典型中生植物水分利用来源的同位素示踪

水分是维持植物生长、决定种群分布的关键因子,研究植物水分利用来源是揭示水文过程与植被演替作用机制的基础,作为中国最大的淡水湖泊系统,鄱阳湖水文情势的显著改变已直接影响到湿地生态系统的水分补给来源.本文通过测定降水、土壤水、地下水、湖水和植物茎水中δ¹⁸O、δD同位素组成,识别鄱阳湖湿地典型中生植被——茵陈蒿（Artemisia capillaris）群落的土壤水分补给来源,并应用直接对比法和IsoSource多源混合模型估算优势种茵陈蒿的主要吸水区间及水源利用比例.结果发现：（1）与降水同位素相比,湖水和湿地土壤水同位素较为富集,地下水同位素较少发生分馏;（2）湿地地下水主要受历史长期降水和湖水共同补给,土壤水在雨季4—6月和秋季9—10月主要受降水补给,夏季7—8月深层土壤水受湖水侧向入渗和地下水的共同补给,并在蒸发作用下水分向浅层土壤传输;（3）茵陈蒿主要利用0~80 cm深度的土壤水,且能够在不同土层水源间灵活转换.当土壤含水量较高时（4—5月）,主要利用0~40 cm浅层土壤水,利用率约49%~68%;当浅层土壤含水量较低时（6—8月）,主要利用40~80 cm深层土壤水,利用率高达74%~95%;当植物进入生长后期（9—10月）,主要利用0~15 cm表层土壤水,利用率介于41%~70%.总体发现,湖水是鄱阳湖湿地中生植物群落土壤水分的重要补给来源,优势种茵陈蒿能够响应土壤含水量的变化改变吸水深度,具有较强的干旱适应能力.研究结果可为鄱阳湖湿地植被生态系统演变和科学保护提供理论参考.     

关中平原第5层古土壤发育时的气候与土壤水环境研究

根据关中平原4个剖面第5层古土壤风化特征的研究得出, 该层古土壤风化剖面厚度大, 明显超出了土壤发育的厚度, 形成了厚2 m多的风化淋滤黄土层; 第5层古土壤之下的黏土胶膜、风化淋滤黄土层、Fe₂O₃, CaCO₃和元素Sr分布深度指示关中平原该层土壤发育时年平均降水量达到了900余毫米, 含水量高的土壤重力水带分布深度至少达到了4.2 m, 在每年4.2 m深度范围土层含水量一般都在20%以上, 4.2~5 m深度范围内土层含水量也较高, 当时土壤水分充足, 没有土壤干层形成, 适于森林植被发育. 该层土壤发育时的年平均降水量显著大于年土壤总蒸发量, 水量平衡为明显的正值, 大气降水能够正常补给地下水. 该层土壤发育的中、晚期土壤水具弱酸性特征. 关中平原第5层古土壤发育时为亚热带气候, 而且比亚热带北缘的气候更暖湿一些. 那时秦岭以南和以北均为亚热带气候, 当时秦岭失去了亚热带与温带气候分界线的作用, 夏季风活动强度大, 能频繁越过秦岭山脉, 并给该区带来了丰富的降水, 决定了当时土层含水量较高.     

含水量和含盐量对粉质黏土热导率影响的试验研究

土壤传热性能作为地热资源开发的基础研究课题,近年来已经成为能源、工程、地球科学和地质学等领域的研究热点.然而有关盐渍黄土的热导率研究却很少被发表.针对关中地区地热资源开发的迫切需要,本研究借助瞬态平面热源法对黄土的热导率做了测量,得到了不同含水量(8％,10％,12％,14％,16％,18％)和不同含盐量(0％,2％,4％,6％)的黄土热导率数据.结合导热路径理论,双电层理论和"絮凝"现象对含水量和含盐量影响下的黄土热导率进行了讨论.获得了如下结论:(1)含水量的变化会引起黄土内部热量传导路径的变化,同时引起"液桥"现象对热量传递产生影响;(2) NaCl盐分对热导率的影响主要体现在对黄土颗粒周围双电层的改变,同时引起的"絮凝"作用会对导热路径产生不利影响进而降低黄土热导率;(3)总的来说,固-固传导,固-液传导和液-液传导作为三种典型的热量传导路径与黄土的含水量和舍盐量密切相关.     

三峡库区消落带不同水位高程植被和土壤特征差异

植被和土壤是消落带生态系统的重要组成部分.本研究选择三峡库区腹地忠县境内的3个地质地貌和土地利用历史相似的近自然消落带,对不同水位高程(160 m和170 m)植被群落和土壤特征进行研究,结果表明:一年生草本在消落带植物物种数中比例高达72.4%,而多年生草本仅为27.6%;不同水位高程植被物种组成完全相同,且盖度、生物量、生物多样性指数均没有显著差异;随着水位高程变化,群落优势物种存在一定差异,即160 m高程优势种为多年生狗牙根(Cynodon dactylon),而170 m高程为一年生白酒草(Conyza japonica);土壤容重、含水量、pH、有机质、总氮、总磷在160 m和170 m水位高程间均没有显著差异.因此,160 m和170 m水位高程在淹水时间和深度上的差异造成群落优势种的不同,而对当前植被和土壤特征并没有显著影响.     

黄河中游植被恢复对流域侵蚀产沙的影响与治理前景

根据黄土高原不同自然带水环境和侵蚀环境的特点, 研究了黄河中游不同自然带植被类型的变化、林、草的分布界线及植被的恢复能力. 年降雨量530mm是黄河中游林、草分布的临界年降雨量. 在影响流域产沙的地带性、非地带性环境要素中, 悬移质泥沙中径(D₅₀,mm)、林木覆盖率(V,%)起主要作用, 其中, 林木覆盖率(V,%)对流域产沙的影响权重仅小于泥沙中径(D₅₀,mm)作用的3.4%, 近乎相等. 要有效的控制半干旱区、尤其是丘陵沟壑区的土壤侵蚀, 使输沙模数降到6000 t/km²以下, 仅靠林木自然恢复困难较大. 在退耕还林草建设中, 在坡面生物措施和沟壑工程措施治理基础上, 因地制宜的选好树种与人工造林(草), 重点县的流域林木覆盖率至少要达到30%以上. 与60年代以前降雨标准期相比随各期年降雨量的减少, 自然条件下的植物生产力都有不同程度的下降. 降雨量的减少是多年来造林草成活率低的重要原因. 根据年降雨量与自然植被生产力的回归模型, 可以分别得到目前或70年代以来任意时段, 恢复到标准期时所需的流域自然植被生产力和生态用水量的估测值. 从而为黄河中游林草恢复及治理前景提供了科学依据.     

三峡支流澎溪河消落带落干初期N2O释放与反硝化特征初探

水库近岸湿地(消落带)土壤N2O释放和反硝化作用是消落带氮的生物地球化学过程的重要组成部分.以三峡水库支流澎溪河高阳平湖库湾消落带为研究对象,于2013年落干初期,采用C2H2抑制-原状土柱培养法研究该处自然植被恢复区、农耕区和对照组等不同土地类型土壤的N2O释放速率和反硝化速率,并测定了土壤p H值、氧化还原电位、温度、有机质、总氮、铵态氮、硝态氮和土壤孔隙含水量等环境指标.结果表明,自然植被恢复区土壤N2O释放速率为9.88±6.49 g N/(hm2·d),反硝化速率为58.94±52.84 g N/(hm2·d);农耕区土壤N2O释放速率和反硝化速率分别为7.71±4.44和30.70±25.68 g N/(hm2·d).不同土地类型间N2O释放速率差异显著,落干初期土壤氧含量、含水量及氮含量对不同土地类型N2O释放和反硝化作用影响明显.土壤氧含量的升高促进了自然植被恢复区的N2O释放,并在一定程度上抑制了该区域反硝化作用.农耕区土壤含水量高于自然植被恢复区,可能致使N2O释放速率低于自然植被恢复区,而反硝化速率高于自然植被恢复区.消落带土壤氮含量降低同反硝化速率降低有一定联系.