河西走廊典型荒漠区土壤水分对降水脉动响应的稳定同位素分析

基于稳定同位素技术研究了河西走廊中部典型荒漠区土壤水分对降水脉动的响应。结果表明：降水分布及其δ¹⁸O值都存在显著的季节变化特征,降水事件多发生在夏季,且有较高的δ¹⁸O值,而冬季降水稀少,且δ¹⁸O值偏低。降水以脉动方式输入土壤中,不同量级的降水事件会导致土壤含水量和δ¹⁸O值不同程度的响应。降水入渗后不同深度的土壤含水量和δ¹⁸O值的响应程度和响应时间不同,土壤深度越大,响应程度越小且响应时间越滞后。对比降水δ¹⁸O值和降水后不同深度的土壤水δ¹⁸O值的变化发现,表层土壤能够迅速的对降水做出响应,下层土壤的响应具有滞后性。即这种自上而下的活塞式下渗是该区主要的降水入渗方式。荒漠区土壤水分受降水的调节和控制,但是深层土壤水受小降水事件的影响较小,大降水事件虽然发生频率较小,但是能够对深层土壤水形成有效的补给,对整个荒漠生态系统的可持续发展都具有十分重要的意义。     

草甸草原降水特征与土壤水分对降水脉动响应——以呼伦贝尔草原额尔古纳市为例

利用额尔古纳牧业气象试验站降水量与土壤水分数据,通过降水与土壤水分动态变化及转化过程分析,确定土壤水分响应的降水临界值与不同降水级别引起土壤水分响应的概率,构建了降水过程量与土壤水分增量函数关系。结果表明：（1） 研究区降水量呈“先降后升”变化趋势,年内降水量呈单峰型分布。（2） 研究区以无降水天气为主,降水又以小降水事件占主导,大降水事件发生频次低、过程降水量大,小降水事件则相反。（3） 可以引起研究区0~50 cm各层土壤水分响应的降水临界值分别为8.1 mm、10.1 mm、19.0 mm、27.9 mm和31.6 mm,小雨仅能引起0~10 cm土壤水分响应的概率为28.6%,中雨不能引起40~50 cm土壤水分的响应。（4） 降水量与0~10 cm和10~20 cm土壤水分达到最大值时的滞后时间呈现出极显著负相关关系,与20~30 cm呈显著负相关关系,0~30 cm各层土壤水分达到最大值时的滞后时间与降水量符合幂函数关系。（5） 降水量和0~50 cm土壤水分增量均呈现出极显著正相关关系,降水量与0~10 cm和10~20 cm土壤水分增量符合线性关系,与20~30 cm、30~40 cm和40~50 cm土壤水分增量符合多项式关系。检验结果表明,构建的函数模型可以较好地模拟研究区0~30 cm各层水分增量。研究结果为地方政府抗旱减灾提供了科学依据。     

干旱荒漠土壤动物分布格局对降水脉动的响应研究进展

在干旱荒漠区,降水呈现强烈的脉动特征（即降水频率、强度及数量的高度变异性）,降水脉动变化对荒漠土壤动物的分布格局有显著影响。目前对降水脉动如何影响和调控荒漠土壤动物分布格局形成与维持的生态机制的认识非常有限。因此,深入开展干旱荒漠区降水脉动变化对土壤动物群落分布及多样性影响研究具有重要的科学意义。本文围绕“降水脉动驱动资源脉动影响土壤动物食物网结构”这一核心问题,重点从自然降水变化、冬季降雪变化和夏季降雨变化等方面对国内外的研究动态及最新研究进展做比较系统的评述。在此基础上,探索干旱荒漠生态系统响应降水变化研究中应重点关注的几个前沿科学问题,这可为中国干旱荒漠生态系统生物多样性保护管理提供科学依据,促进荒漠生态系统生物多样性保育理论、资源脉动生态学理论和研究方法的发展。     

黄土丘陵小流域土壤水分的时空变异特征--半变异函数

结合地理信息系统（ＧＩＳ）,利用地统计学方法研究了黄土丘陵沟ｈｅ区小流域土壤水分的空间结构特征及其季节变化规律。结果表明：土壤水分具有较高的分维数,表现出强烈和中等程度的空间自相关。①对平均土壤水分来说,其台值降低;而在极端干旱条件,土壤含水量接近凋萎系数,土壤水分的基台值高;温润季节,基台值降低;而在极端干旱条件下,土壤含水量接近萎系数,土壤水分变异程度降低。变程的季节变化在干旱季节数值高,湿润     

干旱荒漠区退耕地植被演替及土壤水分变化

采用时空互代法,以不同退耕年限退耕地为研究对象,对27个样方植被群落特征和土壤含水量变化特征进行描述性统计分析,使用多元线性回归探究植物演替和土壤水分之间的关系。结果表明：（1）退耕18a间,退耕地植被群落自然演替经历了一年生草本为绝对优势种一年生和多年生草本竞争存在灌木开始出现并逐渐成为优势种的演替过程,物种Margalef指数和Shannon-Wiener指数均出现增大的趋势。（2）土壤水分随着退耕年限的增加也有所增加,且同一退耕年限内,随着土壤深度增加,土壤水分亦逐渐增加。（3）土壤水分对物种Margalef指数、Shannon-Wiener指数具有极显著影响,相比于其他土层,深度为40～50cm的土层对植被生长和演替的贡献最为显著。     

Kriging方法在区域土壤水分估值中的应用

土壤水分的观测对于地表参数化的发展以及气候变化的研究有着重要的作用。本文对大尺度区域土壤水分的估值进行了尝试:采用1987年中国102个气象站点1米土层四个季节的土壤水分值作为样本,运用KRIGING方法,通过对半变异函数的计算和分析,得出了所研究7个采集日的拟合函数,发现均符合球状模型,对模型有关的参数进行了拟合。并将插值结果与距离反比法进行了对比性检验,同时给出了KRIGING方法的估值精度。检验结果表明平均相对误差和标准偏差均以距离反比法较小,以样本量较大的f时段为例对检验结果进行了深入分析。由此得出了KRIGING方法内插估值的优势和不足,简要给出了提高估值精度的可能方案。最后对中国东半部f时段的土壤水分值进行内插成图。     

黑河流域日降水格局及其时间变化

利用10个气象站1950—2000年日降水资料,对黑河流域的降水及其时空格局进行了研究。结果表明:①降水事件以≤5 mm的降水为主,占全年降水事件的82%,0～10 d间隔期占全年无降水期的40.7％,＞10 d间隔期占59.3％;②年降水日数与降水量之间存在显著的正相关性(r=0.78,P<0.01),＞10 mm降水总量与年降水量呈显著正相关,而≤5 mm降水总量与年降水量的相关性差;③＞10 mm和≤5 mm的降水总量变化范围分别为:0～262.6 mm,20.3～172.7 mm ,变异系数分别为0.25～0.92,0.17～0.25;④近50 d来,黑河流域近50 d降水量的变化总体上呈平稳上升趋势,≤5 mm的降水日呈现小幅下降的趋势,≥10 mm的降水日呈小幅上升的趋势。0～10 d的降水间隔期出现的频率总体保持不变,＞10 d间隔期出现的频率出现明显的下降趋势,年内总降水日数保持不变。     

基于地统计学的甘肃臭草群落土壤水分空间异质性

土壤水分是植被格局形成和演变的主要因素,土壤水分的空间异质性对于认识干旱区草原植物对环境的响应机制具有重要意义.应用地统计学方法,对祁连山北坡甘肃臭草(Melica przewalskyi)退化草地土壤表层含水量的变异性进行研究.结果表明,臭草型退化草地浅层(0 ～30 cm)土壤水分符合正态分布,土壤含水量沿垂直方向逐渐增大,介于9.56％ ～11.21％.各层土壤水分的变异系数分别为12.97％ (0～10 cm)、8.8％ (10～20 cm)和14.09％ (20～30 cm),均属弱变异;0～ 30 cm土壤含水量具有高度的空间异质性,其中34.92％～42.71％的空间异质性是由空间自相关部分引起的,主要体现在16.87 ～ 69.14 m尺度上.在0～ 10 cm土层,引起土壤水分空间变异的主要因素是植被覆盖度的不同,而在10 ～ 30 cm土层,土壤水分空间变异性主要是根系分布的差异引起的.     

干旱区沙漠化逆转过程土壤水分的空间异质性特征

土壤水分是干旱地区固沙植被生长发育的主要限制因素,是决定沙地生态系统结构和功能的关键因子。在腾格里沙漠南缘,应用空间代替时间的方法,选择流动沙丘以及封育恢复5 a、15 a和25 a的沙漠化逆转过程序列样地,研究了沙漠化逆转过程不同层次土壤水分的动态变化特征;采用地统计学原理与方法,分析了沙漠化逆转过程不同层次土壤水分的空间异质性。结果表明:干旱区沙漠化逆转过程中,土壤水分含量以初始阶段流动沙丘最大,之后逐渐降低,到封育恢复25 a后又出现恢复趋势,而且不同阶段样地及其不同层次土壤水分总体差异显著。不同逆转阶段样地各层土壤水分模型均为指数模型和球状模型,土壤水分呈现斑块状分布,具有明显的空间异质性,其中由自相关部分引起的空间异质性占总空间异质性的程度均高于50%。0~20 cm土壤水分总空间异质性程度随沙漠化逆转过程逐渐增强,而20~40 cm和40~60 cm土壤水分的总空间异质性程度随沙漠化逆转过程呈现先增强后减弱趋势。研究认为干旱区流动沙丘固沙植被的恢复首先降低土壤水分含量,增强了土壤水分的空间异质性,但伴随植被-土壤系统的恢复,封育恢复25 a后土壤水分含量出现增加趋势,空间异质性出现减弱趋势,土壤水分与植被间逐渐趋于平衡,该结论有助于进一步认识土壤水分与固沙植被相互作用的生态学机制。     

黑河流域大气降水水汽来源分析

根据黑河流域取得的降水水样和降水气象资料,分析了该区域降水中氢氧同位素的时空差异与水汽输送的关系,定量估算了大陆性局地水汽循环在总降水中所占的比率.研究表明,春夏季降水主要受海洋性水汽来源影响,秋冬季降水受大陆性局地水汽来源影响;受水库水体蒸发水汽影响的附近区域降水氘盈余偏高,受海洋蒸发水汽控制的祁连山区降水氘盈余接近全球平均值10‰;基于氘盈余值估算,局地水循环对区域降水贡献率较大,占全年降水比例至少达31.06%.     

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。     

黑河流域典型生态系统的降雨截留特征——基于高时间分辨率的土壤水分数据（英文）

Rainfall interception is of great significance to the fully utilization of rainfall in water limited areas.Until now,studies on rainfall partitioning process of typical ecosystems in Heihe River Basin,one of the most important inland river basins in China,is still insufficient.In this study,six typical ecosystems were selected,namely alpine meadow,coniferous forest,mountain steppe,desert,cultivated crop,and riparian forest,in Heihe River Basin for investigation of the rainfall interception characteristics and their influencing factors,including rainfall amount,duration,and intensity,based on the gross rainfall and high temporal resolution soil moisture data obtained from 12 automatic observation sites.The results show that the average interception amount and average interception rate of the six ecosystems are significantly different: alpine meadow 6.2 mm and 45.9%,coniferous forest 7.4 mm and 69.1%,mountain steppe 3.5 mm and 37.3%,desert 3.5 mm and 57.2%,cultivated crop 4.5 mm and 69.1%,and riparian forest 2.6 mm and 66.7%,respectively.The rainfall amount,duration,and intensity all had impact on the process of rainfall interception.Among these three factors,the impact of rainfall amount was most significant.The responses of these ecosystems to the rainfall characteristics were also different.Analyzing rainfall interception with high temporal resolution soil moisture data is proved to be a feasible method and need further development in the future.     

Rainfall interception of typical ecosystems in the Heihe River Basin: Based on high temporal resolution soil moisture data

Journal of Geographical Sciences - Rainfall interception is of great significance to the fully utilization of rainfall in water limited areas. Until now, studies on rainfall partitioning process of...     

荒漠人工固沙植被区浅层土壤水分动态的时间稳定性特征

试验在地表由生物土壤结皮覆被的荒漠人工固沙植被区进行,通过对0.45 hm2试验样地浅层（0—15 cm,0—30 cm）土壤水分连续动态（2005年4—10月）测定,基于经典时间稳定性理论分析,来揭示荒漠人工固沙植被区浅层土壤水分动态的时间稳定性特征。结果表明,无论在干旱或湿润条件下,浅层土壤水分都具有明显的时间稳定性特征,并且在土壤剖面30 cm深度表现得比剖面深度15 cm更为显著;在干旱条件下,两种土壤剖面深度的土壤水分时间稳定性特征均比湿润条件下显著。根据研究结果,初步确定了试验样地平均土壤水分含量的代表性测点。     

人工固沙植被区土壤水分动态及空间分布

土壤水分是干旱区固沙植被生长发育最主要的限制因子,了解其动态变化特征对沙区人工植被建设具有重要意义。本研究利用EnviroSMART土壤水分监测系统,于2009-2013年对宁夏沙坡头地区人工固沙植被区的土壤水分动态进行连续监测。结果表明:(1)降水对土壤水分状况及动态变化有较大的影响。土壤水分总体处于过度消耗状态,在非生长季,土壤水分没有明显的回升现象。(2)生长季初期(4-5月)为土壤水分弱消耗阶段;生长旺盛期(6-8月)为土壤水分快速消耗阶段,水分变化波动较剧烈,空间异质性最强;生长季末期(9-10月)的土壤水分处于相对稳定状态。(3)土壤水分随深度增加呈“S”形变化趋势,浅层的土壤含水量明显高于其他深度,200 cm深度土壤含水量较低且年际间变化不大(1.53%~2.10%)。湿润年份土壤水分剧烈变化的土层深度为0～100 cm,而干旱年份为0～20 cm。(4)相对于干旱年份,湿润年份的土壤含水量不但较高,而且水分变化波动较为剧烈。当土壤水分较低时,其变异性会随着土壤水分含量的增加而增加。(5)试验区灌木盖度在5年间呈下降趋势,一年生草本受降水量影响年际变化较大。受降水时空分布影响的土壤水分是沙坡头人工植被演替的重要驱动力。     

黄土高原西部荒漠草原植被恢复的土壤水分管理研究

针对兰州地区荒漠草原带具有代表性的三种地带性植被：草本植被短花针茅、灌木植被珍珠猪毛菜、荒漠锦鸡儿,对其0~2.0 m的土壤含水量进行了比较,同时对草本和灌木植被的根系进行了测定。结果表明：天然植被对土壤含水量的影响在1 m以上。随着土壤深度的不断加深,土壤含水量呈减少趋势而后趋于稳定。短花针茅区1 m以上含水量比珍珠猪毛菜和荒漠锦鸡区平均高1.08和1.21个百分点;1 m以下土壤含水量变化情况是:珍珠猪毛菜区最高,荒漠锦鸡儿区最低。本文在分析了兰州地区荒漠草原区土壤水分动态的基础上,提出了这一地区植被恢复的对策。     

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。     

Rainfall regulates decomposition of buried cellulose in the Namib Desert

Because of the aridity of the Namib Sand Sea, it has long been assumed that decomposition of buried plant material was largely independent of rainfall. Losses were attributed to consumption by detritivores that forage year-round. Moisture-limited micro-organisms were reported to occur in low densities in Namib sands, supporting the assumption that rainfall was insignificant in regulating decomposition. Observations of abundant macrofungal fruiting from buried plant material and herbivore dung, following a 12 mm rain, suggested the importance of rain-induced decomposition had been underestimated. We used cellulose substrates to compare material loss during dry periods and following differing amounts of rain. Strips of cotton cloth and filter paper, buried at 10 cm depths at five disjunct locations, were sequentially removed over 10 months. A period of at least 170 days elapsed before rains, ranging from 4–46 mm, fell at all locations. Material loss during the dry period averaged 8·2% (range 0–16·7%), and was attributed to macrodetritivore consumption. In marked contrast, an average of 84·1% of the material (range 64·7–97·2%) was lost following rains greater than 9 mm. Wet substrates were heavily colonized by fungi, and termites and tenebrionid beetle larvae were observed feeding on fungus-colonized substrates. Stepwise regression analysis revealed that rainfall, rather than duration of burial, was the primary factor determining substrate loss in the Namib Sand Sea. Although rain events are infrequent and ensuing periods of moist soil are brief, substrate loss following rains is highly significant relative to that occurring in the absence of rain. In contrast to more mesic deserts, rainfall is an important trigger of decomposition in the Namib Sand Sea where soils are too dry to support significant decomposition, except when episodically moistened by rain.