陇中黄土高原土壤水分变化特征及其机理分析

基于兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2010年全年的观测资料,对陇中黄土高原半干旱区土壤水分的年变化和日变化特征进行了研究,并通过计算水汽通量与蒸散量,探讨了土壤-地表-大气间水分的交换和运移机理。结果表明：土壤湿度的季节变化主要受降水影响,各季节的平均土壤湿度均呈现出表层和深层低、中间层高的特点,最高值出现在地下10 cm附近;在无降水的情况下,土壤5~20 cm处的含水量呈现出夜间逐渐降低、白天逐渐上升的波形变化,这种变化与土壤水汽通量具有很好的一致性,而水汽通量的方向则受温度梯度的影响;在白天,地表温度高于气温与较深层地温,水汽在向空气蒸散的同时也由地表流向土壤深部,夜晚地表温度则低于较深层地温,水汽由土壤深部流向地表。因此土壤内部的水分蒸发主要出现在夜晚,且主要发生在地表40 cm以内的土壤孔隙中,而白天地表的实际蒸发主要存在土壤浅层0~5 cm,5 cm以下土壤水分的蒸发十分微弱。本研究结果对于改进半干旱区陆面计算模式以及当地的生态环境建设具有一定的参考价值。     

黄土高原西部人工灌木生长季土壤水分变异特征

以兰州干旱地区生态植被恢复技术研究与示范基地灌木品种研究小区为试验点,研究了黄土高原西部丘陵区坡面不同灌木下0～200 cm土层土壤水分特征,采用Brown-Forsythe检验方法和变异系数比较不同灌木覆盖下土壤水分含量的差异。结果表明:土壤水分的变化受到坡位、坡向、灌木种类的影响较大。相同土层的土壤水分变异系数基本为阴坡>半阴坡>半阳坡>阳坡。坡上部的土壤水分变化较大,坡中部和坡下部相对较稳定。多数灌木的土壤水分变异系数随着土壤深度的增加而减小,变异系数较大值相对集中在20～80 cm土层。从土壤水分的亏缺量、植物水分亏缺度来看,在植被恢复的过程中,选择荒漠锦鸡儿(Caragana roborovskyi)、甘蒙锦鸡儿(Caragana opulens)、枸杞(Lycium chinense)等耗水量相对较低的植被更加合理。     

不同植被类型的土壤水分对黄土高原的影响

Water stored in deep loess soil is one of the most important resources regulating vegetation growth in the semi-arid area of the Loess Plateau, but planted shrub and forest often disrupt the natural water cycle and in turn influence plant growth. The purpose of this study was to examine the effects of main vegetation types on soil moisture and its inter-annual change. Soil moisture in 0–10 m depth of six vegetation types, i.e., crop, grass, planted shrub of caragana, planted forests of arborvitae, pine and the mixture of pine and arborvitae were measured in 2001, 2005 and 2006. Soil moisture in about 0–3 m of cropland and about 0–2 m of other vegetation types varied inter-annually dependent on annual precipitation, but was stable inter-annually below these depths. In 0–2 m, soil moisture of cropland was significantly greater than those of all other vegetation types, and there were no significant differences among other vegetation types. In 2–10 m, there was no significant moisture difference between cropland and grassland, but the soil moistures under both of them were significantly higher than those of planted shrub and forests. The planted shrub and forests had depleted soil moisture below 2 m to or near permanent wilting point, and there were no significant moisture differences among forest types. The soil moisture of caragana shrub was significantly lower than those of forests, but the absolute difference was very small. The results of this study implicated that the planted shrub and forests had depleted deep soil moisture to the lowest limits to which they could extract and they lived mainly on present year precipitation for transpiration.     

黄土高原典型半干旱区水热变化及其土壤水分响应

利用黄土高原典型半干旱代表区68 a(1937-2004年)降水、气温资料和34 a(1971-2004年)土壤湿度资料,研究黄土高原半干旱区水热变化及土壤水分响应。结果表明:黄土高原半干旱区在近70 a中气温以下降为主,3-6月降水存在显著增多趋势,气温、降水倾向具有明显时段差异。干旱年份或少雨时段长周期振荡加强、短周期衰减;相对冷的时期气温振荡周期明显,反之不明显。干旱是该地区土壤的基本气候特征,生长期土壤水分波动式下降,蓄水期土壤水分波动式上升,总体上以下降为主,20世纪70年代中后期土壤水分较好,80年代土壤水分较差,90年代末到21世纪初转好。土壤水分对短期降水变化、降水气温气候变化及短周期振荡都存在明显响应。     

陇东黄土高原土壤水分演变及其对气候变化的响应

以西峰为例,利用近45 a气象观测资料和近25 a的土壤水分观测资料,分析全球气候变暖背景下陇东主要气象要素及土壤水分的变化特征,探讨了气候变化对土壤水分的影响,以及影响土壤水分变化的主要气象因素。1993年以后,土壤水分以负距平为主,土壤干旱严重,0—50 cm和60—100 cm土层土壤水分含量在1997年和1995年降到最低值。春季是土壤水分减少最明显的季节,其中表层土壤水分对气候变化的响应更为明显,而夏秋季,较深层的水分变化更为明显。影响土壤水分的气象因子以降水、蒸发为主,气温通过影响蒸发间接产生影响。通过对土壤水分演变特征及其影响因子的分析,为进一步理解土壤水分条件的恶化原因,采取措施,合理利用气候资源,调整农业生态布局,恢复生态环境,积极应对气候变化提供决策方面的参考。     

基于SMOS的黄土高原区域尺度表层土壤水分时空变化

用SMOS土壤水分数据、MODIS植被指数数据和TRMM月降水数据,通过对黄土高原区域尺度表层土壤水分含量时空变化的研究,对表层土壤水分的时空变化特征及其对降水的响应进行了分析。结果表明：黄土高原表层土壤水分空间分布主要表现为西部和东北部低、东南部较高。青海石质高山区及山西西南部等区域土壤水分含量与整个区域存在差异。黄土高原西部与河套平原部分区域表层土壤水分含量季节性变化较大。在不同降水条件下,土壤水分含量与降水量相关性呈显著差异。     

黄土高原半干旱区天然锦鸡儿灌丛对土壤水分的影响

本文选择黄土高原半干旱区定西地区的一种地带性植被,天然甘蒙锦鸡儿灌丛,将其0～99m深的土壤水分含量与人工柠条锦鸡儿灌丛、人工杏树林、天然草地、放牧荒坡和农地的土壤水分含量进行了比较。结果发现,天然锦鸡儿灌丛在1m以下土壤各层的水分含量均高于人工柠条灌丛和人工杏树林,而与放牧荒坡和农地的土壤湿度接近,略低于农地。天然锦鸡儿灌丛4m以上土层的土壤湿度还明显高于天然草地;天然锦鸡儿灌丛形成的难效—无效水层深度在2m土层以上,而人工柠条灌丛形成的难效无效水层则深达56m,人工杏树林42m,天然草地、放牧荒坡分别为36m和33m,农地1m。     

甘肃黄土高原土壤水分变化对冬小麦产量的影响

甘肃黄土高原属半干旱和半湿润气候过渡区。潜在蒸散量大于降水量,土壤水是影响冬小麦生产最直接因素。运用甘肃西峰农业气象试验站1981-2010 年冬小麦大田试验及土壤湿度观测资料,对近30 年土壤水变化规律及与冬小麦各产量要素的关系进行分析。结果表明,冬小麦贮水量最大时段为冬前生长期,其次为返青期至拔节期,最小为孕穗期至成熟期。耗水量最大时段为孕穗期至成熟期,其次为冬前生长阶段,最小为返青期至拔节期。1981-2010年土壤100 cm土层、1990-2010 年200 cm土层贮水量呈减少趋势,耗水量呈增加趋势。冬小麦土壤水分利用率呈上升趋势,变化转折点出现在1998 年。200 cm、100 cm土层贮水量与冬小麦不孕小穗率相关性显著。不同生长阶段各层次土壤贮水量均与千粒重相关性显著,且随着深度加深,相关性愈加显著。冬前生长阶段、返青期至拔节期各深度层次土壤贮水量与单株成穗数相关性分别通过0.1、0.01 信度水平检验。在冬小麦各生长阶段,各层次土壤贮水量与单产相关性显著。5 月中旬100 cm 土层贮水量对产量影响较大,aj(t) 值达20 kg/hm²·mm。不孕小穗率与不同生长阶段100 cm土层耗水量均呈显著负相关关系。千粒重与冬前生长阶段的各深度层次耗水量相关性显著。单株成穗数与返青期至拔节期上层土壤耗水量相关性显著。单产与孕穗期至成熟期各层次耗水量相关性显著。从当年9 月到次年5 月100 cm土层耗水量对单产影响逐渐增大,5 月中旬aj(t) 达25 kg/hm²·mm。此后耗水量对产量的影响逐渐降低。     

黄土高原西部兰州市郊地貌驱动的土壤水分变化及对植物的影响分析

选择黄土高原造林的主要模式,即梯田、水平沟、鱼鳞坑和台地等,并按照阴阳坡向,栽植树种等的不同,采用中子水分仪每10 d测定土壤水分一次,对各种造林模式下土壤水分进行了长期的监测研究,研究结果表明：在春季植物萌发之前,无植物生长影响的情况下,土壤水分含量阴坡高于阳坡,南山与北山同坡向相比,南山的水分条件要好于北山;4月中旬以后,受植物生长消耗的影响,北山的水分含量大于南山,南山的水分波动则大于北山;鱼鳞坑、水平沟都具有一定的集水保水作用,但这种集水的作用与降水量的大小有关,水平沟由于面积较大,表面覆膜集水效果更好;阴坡梯田由外向内随着距离的增加,水分呈现逐渐增加的趋势,梯田内侧达到最大.     

近50年黄土高原侵蚀性降水的时空变化特征

利用黄土高原及其附近地区99个站点逐日降水观测资料,分析了1956～2005年黄土高原年降水量、侵蚀性降水量、暴雨量的变化趋势和空间特征.研究表明:1956～2005年黄土高原降水在波动中呈现下降趋势,尤其自1980年年以来,降水减少趋势显著.黄土高原地区降水变化具有显著的空间差异,降水偏少最为显著区域位于黄河中游的河口-龙门区间,尤以无定河流域、汾河流域和山西中北部最为典型,年降水量和侵蚀性降水偏少10%以上.存在从北向南沿朔州-离石-临汾-三门峡一带的暴雨异常偏少地带,偏少在20%以上.     

黄土高原西部土壤蒸发实验研究

对兰州南北两山绿化区内的土壤蒸发状况,进行比较系统的试验研究。试验采用扰动土土柱内储存水分和人工模拟降雨的方法,对不覆盖/覆玉米秸秆/覆卵石三种处理的土壤蒸发情况进行了分析研究。结果表明,覆盖可有效地抑制土壤蒸发;不覆盖处理的土壤蒸发与土壤水分呈正相关,土壤水分越大,土壤表层保持湿润时间越长,蒸发量越大。在33 d的试验观测期内,三种处理的蒸发动态不同,覆盖处理的土壤蒸发过程没有集中的蒸发高峰期,而不覆盖处理的土壤蒸发过程主要集中在前10 d。土壤累计蒸发量与蒸发时间的回归分析说明,同一时间内各处理的累计蒸发量存在显著差异。     

Soil moisture of different vegetation types on the Loess Plateau

Water stored in deep loess soil is one of the most important resources regulating vegetation growth in the semi-arid area of the Loess Plateau, but planted shrub and forest often disrupt the natural water cycle and in turn influence plant growth. The purpose of this study was to examine the effects of main vegetation types on soil moisture and its inter- annual change. Soil moisture in 0–10 m depth of six vegetation types, i.e., crop, grass, planted shrub of caragana, planted forests of arborvitae, pine and the mixture of pine and arborvitae were measured in 2001, 2005 and 2006. Soil moisture in about 0–3 m of cropland and about 0–2 m of other vegetation types varied inter-annually dependent on annual precipitation, but was stable inter-annually below these depths. In 0–2 m, soil moisture of cropland was significantly greater than those of all other vegetation types, and there were no significant differences among other vegetation types. In 2–10 m, there was no significant moisture difference between cropland and grassland, but the soil moistures under both of them were significantly higher than those of planted shrub and forests. The planted shrub and forests had depleted soil moisture below 2 m to or near permanent wilting point, and there were no significant moisture differences among forest types. The soil moisture of caragana shrub was significantly lower than those of forests, but the absolute difference was very small. The results of this study implicated that the planted shrub and forests had depleted deep soil moisture to the lowest limits to which they could extract and they lived mainly on present year precipitation for transpiration.     

黄土高原作物产量及水土流失地形分异模拟

退耕坡地是近年来黄土高原整治生态环境和控制水土流失的有效措施。基于WIN_YIELD 软件, 以延安燕沟流域为例,利用2005 年延安站的逐日气象数据和燕沟流域地貌、土壤及土地利用等资料, 模拟分析了不同地形高程、坡度和坡向条件下不同作物产量及水土流失的分异特征。结果表明： 在黄土高原, 地形坡度是影响作物产量、径流和泥沙的重要因素, 地形高程和坡向的影响普遍较微弱; 地形坡度越大, 作物产量越低, 高粱和玉米在坡度为25^o 时的产量模拟值分别较0^o 时下降15.44%和14.32%, 大豆、绿豆和马铃薯的下降幅度依次为5.26%、4.67%和3.84%; 产生径流和泥沙随地形坡度的增大而增大, 在坡度20^o左右存在一个高值区间; 不同作物的水土保持效益由高到低依次为大豆、绿豆(豆类)、马铃薯、玉米和高粱; 坡度小于5^o的坡耕地可以不进行梯田改造, 坡度大于15^o 的坡耕地应及早实现退耕还林还草。     

黄土高原西部植物耗水实验研究

针对兰州地区8种常见植物的盆栽试验,比较了其耗水量的变化特征,结果表明：在充分供水条件下,8种植物在试验期间内都能正常生长,植物耗水量从大到小排序为：柽柳＞柠条＞芨芨草＞侧柏＞甘蒙锦鸡儿＞紫穗槐＞红砂＞珍珠;在集雨条件下,植物耗水排序为：芨芨草＞珍珠＞柠条、侧柏、甘蒙锦鸡儿、＞红砂、紫穗槐＞柽柳,但柽柳和紫穗槐在集雨条件下生长出现干枝,生长不好。在雨养条件下,除红砂、甘蒙锦鸡儿、珍珠受到干旱胁迫不明显外,其余植物不同程度上有枯叶出现。紫穗槐死亡,柽柳接近死亡,其他植物耗水排序为：珍珠、芨芨草＞侧柏、甘蒙锦鸡儿、柠条＞红砂。     

黄土高原坡耕地苜蓿产量及水土流失地形分异模拟——以延安燕沟流域为例

退耕还林还草是目前黄土高原整治生态环境和控制水土流失的主体政策。为使生态退耕政策得到有效落实,本文基于WIN-YIELD软件,以延安燕沟流域为例,利用2006年延安站的逐日气象数据和燕沟流域地貌、土壤及土地利用等资料,模拟分析了不同地形高程、坡度和坡向条件下坡耕地种植苜蓿的秸秆干物质产量、水土流失量及其地形分异特征。结果表明:在黄土高原,地形坡度是影响苜蓿秸秆干物质产量和泥沙流失的重要因素,苜蓿秸秆产量模拟值随地形坡度的增大而减小,泥沙流失的模拟值随地形坡度的增大而增大;地形高程1000 m以下的地域种植苜蓿其产量明显高于1000 m以上的地域,坡耕地苜蓿产生径流和泥沙随地形高程的变化不显著;地形坡向对苜蓿秸秆产量和水土流失量的影响不大。     

塔克拉玛干沙漠腹地人工绿地风沙土的土壤酶活性研究

在极端干旱的塔克拉玛干沙漠腹地,利用咸水(矿化度4~5 g·L^-1)灌溉建立人工绿地后,受植被和各种人为措施的影响,风沙土内部性质发生了一系列的变化,土壤酶活性也发生了变化。1998年对不同种植时间、不同植被类型的样地布点采样,采样深度0~10 cm和10~50 cm。分析测定了转化酶、蛋白酶、H₂O₂酶、脲酶、中性磷酸酶、碱性磷酸酶活性,结果表明:①分析测定的6种酶活性随着植被建立时间的增长而明显增强;②相同种植时间不同植被类型的样地土壤酶活性有差异,如:相同种植时间,蔬菜地土壤酶活性要高于其他样地;③表层土壤酶活性高于下层,表明土壤酶活性随剖面深度下降而减弱;④通过相关性分析表明,土壤酶活性与有机质、氮、磷、微生物数量相关性显著;⑤通过与其他沙区土壤酶活性的比较,塔克拉玛干沙漠腹地土壤酶活性要相应低于其他沙区的流动和固定沙丘。     

黄土高原西部兰州市郊人工林地水分亏缺与调控研究

通过定位监测与对比分析,对兰州市南北两山不同水分管理人工林地植物水分亏缺度及植物水分亏缺补偿度的时空分布进行了研究。结果表明：灌溉林地的植物水分亏缺度最小,亏缺度大部分时间都在20％以下,有自然坡面集雨的林地植物水分亏缺状况好于不灌溉的林地,侧柏林地喷灌、自然坡面集雨和不灌三种处理方式下的植物水分亏缺度虽然稍有差异,但都处于水分极度亏缺的状况。补充灌溉除满足林地正常生长所需要的水分外,对土壤水分也有一定的补偿,补偿度在70％左右。其他不灌溉地块补偿度都为负值,说明这些地块整个雨季没有对水分进行补偿,还将土壤以前贮藏的部分土壤水分利用。植物水分亏缺度在空间上的变化与植物根系的分布相一致。既在水平方向上,随着离树干距离的加大,植物水分亏缺度依次降低。在垂直方向上,表层植物水分的亏缺度最低,随着深度的增加,亏缺度逐渐增大,100~120 cm深达到最大,以后又缓慢降低。植物水分补偿度是降雨与植物水分亏缺程度的反映,植物水分亏缺度越高,补偿度越大。     

祁连山北坡土壤特性与植被垂直分布的关系

祁连山垂直植被带沿海拔从低到高依次为荒漠草原带、干性灌丛草原带、山地森林草原带、亚高山灌丛草甸带、高山寒漠草甸带,在这些植被带上选择典型的植被类型设置样地,采用半微量凯氏、氢氧化钠-钼锑抗比色法、CaCO3分子式求法、土壤烘干法、环刀法等方法进行土壤特性相关因子调查分析.结果表明:1.荒漠草原带土壤有机质含量只有1.65％,全氮量和全磷量分别是0.14％和0.089％,含量最少,而干性灌丛草原带、山地森林草原带、亚高山灌丛草甸带土壤有机质含量相差不大,都在10％～12％之间变动.2.青海云杉林、高山灌丛林、祁连圆柏林、低山灌丛、牧坡草地、无林地其下0 ～60 cm的土壤容重依次增大,从0.53 g/cm3增大到1.02 g/cm3.相应地,其下土壤孔隙度依次减小,从72.64％减小到48.11％.3.祁连山北坡不同土壤类型上的优势种数量随海拔升高呈先逐渐增加而后逐渐减少,即呈倒U型分布趋势.了解和掌握土壤特性和植被垂直分布之间的响应关系,可为植被恢复提供科技支撑.