Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources
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近期气候变化对黄土高原苹果产区分布格局的影响
No full text:为了研究气候因素对区域苹果分布格局的影响,利用ArcGIS空间分析研究了黄土高原29个苹果主产市
2005年、2010年和2015年苹果种植面积与年平均降水量、年平均气温和年平均日照时数的关系。结果表明:黄土高
原苹果种植面积分布格局在近10年内主要向甘肃东部(天水、平凉和庆阳)、陕西中北部(延安和榆林)、山西西部(临
汾和运城)和河南西部(三门峡)移动。年平均降水量和年平均气温的变化对苹果种植有积极影响;年平均日照时数的
变化对黄土高原南部苹果种植有消极影响,对黄土高原中部和北部有积极影响。从区域尺度上研究最近10年黄土高
原苹果主产区的变化格局,可为区域苹果产业政策提供科学依据。</p
干湿交替条件下农田土壤氮矿化模拟研究
No full text 随着暴雨和干旱等极端天气事件的增加，生态系统水分循环过程和强度发生显著变化，导致多数陆地生态系统，特别是农业生态系统中出现密集而频繁的干湿交替现象。土壤表层剧烈的干湿交替会在短时间内对土壤物理化学性质产生重要影响，从而改变土壤氮素矿化过程和有效性，对植物生长产生影响。本研究围绕土壤干湿交替对氮素净矿化和有效性的影响及其与土壤质地等性质的关系开展研究，以全国26个不同地点农田土壤样品为对象，通过设置恒定水分处理以及不同强度的干湿交替处理进行室内培养试验，以确定恒定水分与干湿交替条件下土壤氮矿化量与速率变化规律，明确土壤理化性质对土壤氮素矿化的影响，并利用氮素矿化一阶动力学模型，分析氮矿化速率与土壤水分的定量关系，确定参数与土壤理化性质的关系。取得的主要结论如下：
（1）在恒定水分条件下，采样地点、培养周期与水分处理显著影响土壤氮素矿化以及矿化速率（P<0.05），并且培养周期与水分处理之间具有显著的交互作用（P<0.05）。在培养周期内，土壤累积净氮矿化量和土壤净氮矿化速率与土壤水分含量呈显著正相关关系。土壤累积净氮矿化量随时间的延长而呈现指数增加，符合一阶动力学模型拟合，并且水分含量越高增长越快。土壤水分含量与一阶动力学模型参数k值（氮矿化速率常数）显著正相关。粘粒含量与一阶动力学模型参数N0（氮矿化势）显著负相关，砂粒含量与N0显著正相关，土壤有机碳含量、全氮含量、pH和C/N与k呈显著正相关关系，初始铵态氮、硝态氮和矿质氮含量与k呈显著负相关关系。二元一次复合模型可以拟合土壤累积净氮矿化量对培养周期和土壤水分含量的响应关系。土壤净矿化量与净硝化量和净氨化量显著正相关。土壤净氨化量随初始铵态氮和矿质氮含量的增加而降低。净硝化量随初始硝态氮和矿质氮含量的增加而降低，随土壤有机质、全氮含量和C/N增加而增加。净矿化量随初始铵态氮、硝态氮和矿质氮含量的增加而降低，随土壤有机质、全氮含量和C/N增加而增加。
（2）在干湿交替处理条件下，干湿交替次数与强度的增加显著增加土壤氮矿化以及矿化速率（P<0.01），并且对净硝化速率和矿化速率具有显著交互影响（P<0.05）。土壤累积净氮矿化量随时间的延长而呈现指数增加，符合一阶动力学模型拟合，并且100-20% FC干湿交替处理氮矿化高于60-0% FC处理。土壤有机碳和全氮含量与一阶动力学模型参数N0呈显著正相关关系。土壤净矿化量与净硝化量成显著正相关，而与净氨化量关系不显著。土壤净氨化量随土壤粘粒含量和C/N的增加而增加，随土壤pH值、砂粒和初始铵态氮、硝态氮和矿质氮含量的增加而降低。净硝化量随粘粒含量的增加而降低，随pH、土壤砂粒、有机质、全氮、初始硝态氮和矿质氮含量增加而增加。净矿化量随粘粒含量的增加而降低，随土壤有机质、全氮、初始硝态氮和矿质氮含量增加而增加。
（3）培养时间显著影响土壤氮素矿化对干湿交替的响应（P<0.05）。相比于恒定水分处理，干湿交替处理在时空尺度上增加土壤累积净氮矿化量和净氮矿化速率。在100-20% FC干湿交替处理条件下，NH4+差异随着土壤pH值的增加而降低，NO3-差异随pH、土壤有机质和全氮含量增加而增加，总矿质氮差异随土壤全氮含量增加而增加；而60-0% FC干湿交替处理条件下，NH4+差异随粘粒含量的增加而增加，随土壤pH值、砂粒和初始硝态氮含量的增加而降低。NO3-差异随土壤pH值、砂粒、初始硝态氮和矿质氮含量的增加而增加，随粘粒含量的增加而降低。总矿质氮差异随土壤pH值、砂粒、初始硝态氮和矿质氮含量的增加而增加，随粘粒含量的增加而降低。100-20% FC干湿交替处理土壤氮素矿化差异对土壤性质依赖性小于60-0% FC处理。</p
禁牧对半干旱草原土壤团聚体稳定性及微生物特征的影响
No full text围封禁牧以促进自然演替的方式是半干旱区草地土壤退化恢复有效方法，但是，应用不当的禁牧管理会对草地生态系统造成负面影响。了解在长期禁牧下草地土壤的生物地球化学过程，不仅可以提高土壤生态功能，还可以提高草地生产力。团聚体作为土壤结构的基本组成，不仅为微生物生存提供赖以生存的栖息地，其稳定性也决定土壤生产力。目前，相对长期禁牧的草地土壤团聚体中生态功能的演变过程及其机制还缺乏系统的研究。因此，本研究以黄土高原半干旱草地土壤为研究对象，分别对风干土壤和新鲜土壤进行团聚体分级，分析了在不同禁牧年限0（GE0）、11（GE11）、26（GE26）和36年（GE36）下草地土壤团聚体水稳定性和土壤团聚体中养分含量、微生物活性与多样性的变化，阐明了土壤结构稳定性、土壤团聚体养分积累和微生物群落演替随禁牧年限的变化过程及驱动机制，为禁牧区草地土壤团聚体管理提供了理论依据。主要结果如下：
（1）相对于26年的中期禁牧而言，11年的短期和36年的长期禁牧更有利于土壤团聚体的水稳定性。禁牧区草地土壤团聚体水稳定性指数MWD（平均重量直径）和GMD（几何平均直径）由大到小为：GE11 > GE36/GE0 > GE26；土壤团聚体R0.25值（> 0.25 mm的水稳定性团聚体比重）在禁牧处理中增加了1.4~23.3%，表明禁牧促进土壤团聚体粒级由微团聚体（< 0.25 mm）向大团聚体（> 0.25 mm）转变；稳定性化合物羧基-碳和黏土矿物分别在GE11和GE36处理中有较多积累；养分计量比和球囊霉素计量比对土壤团聚体水稳定性的影响大于养分和球囊霉素含量。
（2）中期禁牧（26年）更有利于新鲜土壤团聚体中养分积累，且养分主要分布在2-0.25 mm的粒级中。随着禁牧年限的增加，土壤团聚体中有机碳、总氮、微生物生物量的含量和胞外酶活性呈现先升高后下降的趋势，而且这些指标的最高值出现在GE26处理而不是GE36，表明36年的长期禁牧对草地土壤团聚体中生态功能产生不利影响；土壤团聚体中较高的养分、胞外酶活性和微生物生物量主要分布在2-0.25 mm的粒级中，较低的养分和微生物生物量主要分布在> 2 mm的粒级中，较低的胞外酶活性主要分布在< 0.25 mm的粒级中。偏最小二乘路径模型（PLS-PM）和方差分解分析（VPA）表明土壤特性（pH、水分）、胞外酶活性（β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶）和微生物生物量（微生物生物量碳、氮和磷）之间的相互作用控制土壤团聚体中养分（碳、氮和磷）积累，且土壤特性和微生物生物量对养分积累的贡献大于胞外酶活性。
（3）禁牧可以改变土壤团聚体中细菌和真菌群落组成和alpha-多样性（丰富度和多样性指数）。禁牧增加了土壤团聚体中嗜营养型细菌Proteobacteria的丰度，减少了适合在极端环境生存的细菌Actinobacteria和Chloroflexi的丰度；随着禁牧年限的增加，作为有机质主要分解者的真菌，Ascomycota的丰度先增加后减少，Basidiomycota的变化趋势与之相反；禁牧对微生物群落丰富度指数（ACE、Chao1）的影响效果大于多样性指数（Shannon、Simpson），且微生物alpha-多样性在2-0.25 mm的粒级中较高。禁牧和团聚体分级都会对土壤微生物群落结构产生影响，且团聚体分级对细菌群落的影响大于真菌群落；土壤> 0.25 mm的粒级中微生物群落结构相对比较稳定，且2-0.25 mm的粒级中微生物之间存在较强的竞争、制约关系；微生物群落多样性促进了团聚体中养分的循环和积累，同时养分等环境因子也驱动了微生物群落的演替进程。</p
黄土高原小流域侵蚀区和沉积区土壤碳氮分布与矿化特征
No full text土壤碳库是陆地生态系统最大的碳库，其动态与全球气候变化密切相关。土壤侵蚀每年造成约1 Pg的碳排放或碳固定，是全球碳循环研究的重要环节。侵蚀驱动下碳源汇关系具有不确定性，这主要源于土粒侵蚀、搬运和沉积过程的碳氮再分布以及其引起的碳氮稳定性的变化。区域尺度上气候和土壤因素影响了土壤侵蚀强度和土壤碳氮矿化的速率，与侵蚀因素共同影响碳氮的分布及稳定性。本研究针对侵蚀-沉积连续地形的土壤碳氮分布及稳定性这一关键科学问题，选择了黄土高原由北至南5个小流域，即神木、绥德、安塞、固原和长武，其年均温和年降雨量逐渐增大，土壤侵蚀强度逐渐减小，土壤质地由粗至细。每个小流域坡面中上部定为侵蚀区，相邻淤地坝定为沉积区，土地利用类型均为草地。结合野外调查采样和室内分析的方法，测定了侵蚀区和沉积区0-200 cm土层土壤理化性质、不同组分土壤碳氮（包括土壤碳氮、可溶性有机碳氮和团聚体碳氮）分布特征以及不同水分和温度条件土壤碳氮矿化特征。利用冗余分析方法，分析土壤有机质化学性质、团聚体的物理保护作用、土壤颗粒的化学稳定作用和环境因素对碳氮矿化特征的影响。主要研究结果如下：
1. 土壤侵蚀强度较低的安塞、固原和长武小流域土壤粘粒含量在沉积区大于侵蚀区，侵蚀强度较高的神木和绥德没有发生沉积区粘粒富集的现象。与侵蚀区相比，神木、绥德和安塞沉积区表层20 cm土壤大团聚体比例较低，而粉粘粒比例较高；在侵蚀强度较低、粘粒含量较高的固原小流域，沉积区土壤颗粒发生再团聚，团聚体稳定性大于侵蚀区。绥德、安塞和长武沉积区土壤容重大于侵蚀区，而饱和导水率小于侵蚀区。粘粒的富集、团聚体破碎与形成以及土壤通气透水性能的改变进一步影响土壤碳氮稳定性。
2. 黄土高原5个小流域0-200 cm土层土壤无机碳储量占全碳储量88%，无机碳储量及其南高北低的地理分布趋势不受地形影响。小流域尺度土壤有机碳（SOC）和全氮（TN）储量的空间分布需要考虑地形因素，在侵蚀区表现为南高北低的趋势，与粘粒含量分布趋势一致，在沉积区表现为固原小流域最大，与粘粒含量无关。神木、安塞和固原小流域，土壤SOC含量表现为沉积区（分别为1.95、2.68和2.91 g kg-1）大于侵蚀区（分别为0.80、1.37和2.21 g kg-1），TN含量也表现为沉积区（分别为0.16、0.29和0.54 g kg-1）大于侵蚀区（分别为0.09、0.14和0.16 g kg-1）；这三个小流域中SOC含量地形间的差异在剧烈侵蚀的神木最为明显，特别是在其表层20 cm土壤，TN含量的差异在轻度侵蚀的固原最为明显，特别是在其深层土壤中；神木沉积区表层土壤碳的累积超过了氮的累积，而安塞和固原深层土壤氮的累积超过了碳的累积。绥德0-20 cm土层SOC含量在侵蚀区（2.26 g kg-1）大于沉积区（1.40 g kg-1），长武0-40 cm土层SOC和TN含量表现为侵蚀区（3.91和0.73 g kg-1）大于沉积区（2.43和0.39 g kg-1），在其他土层侵蚀区和沉积区分布相似，植物有机质的输入补充了侵蚀损失的碳氮。研究结果表明小流域尺度土壤侵蚀对碳氮分布的作用受到地点和土层深度的影响。
3. 神木、安塞和固原小流域可溶性有机碳（DOC）含量在沉积区大于侵蚀区，安塞可溶性有机碳（DON）含量在沉积区大于侵蚀区，但是这三个小流域DOC/SOC表现为沉积区（分别为4.50、3.10和3.61%）小于侵蚀区（分别为10.47、4.90和4.62%），DON/TN同样表现为沉积区（分别为4.91、3.30和2.20%）小于侵蚀区（分别为11.35、4.42和2.12%），且DOC/SOC和DON/TN在地形间差异均表现为神木大于安塞和固原。绥德和长武表层土壤（0-20 cm）可溶性有机质（DOM）中紫外线A波段（UVA）类腐殖质和紫外线C波段（UVC）类腐殖质含量大于沉积区，侵蚀区土壤DOM外源特征更明显。五个小流域沉积区深层（60-80、120-140和180-200 cm）土壤DOM芳香性、疏水性和分子量大于侵蚀区，含有更高的UVA类和UVC类腐殖质，更难分解。研究结果说明神木、安塞和固原小流域沉积区土壤碳氮中活性组分比例较低，DOM腐殖化程度程度较高，碳氮更稳定；绥德和长武表层土壤DOM主要来源于植物。
4. 神木和安塞小流域土壤微团聚体和粉粘粒结合态SOC与TN含量表现为沉积区大于侵蚀区，但是大团聚体结合态SOC和TN含量在不同地形间没有差异。固原沉积区各级别团聚体SOC和TN含量均大于侵蚀区。神木、安塞和固原沉积区相比侵蚀区，其积累的SOC和TN更多是存在于微团聚体和粉粘粒，而大团聚体贡献较低，说明其积累的碳氮较为稳定。绥德小流域侵蚀区比沉积区多的SOC主要存在于微团聚体，长武侵蚀区比沉积区多的SOC和TN主要存在于大团聚体，这两个小流域不同地形间粉粘粒结合态SOC和TN含量相似。研究结果说明神木、安塞和固原沉积区积累的碳氮较为稳定，而长武侵蚀区补偿的碳氮更容易随大团聚体的破碎而损失。
5. 黄土高原5个小流域，累积有机碳矿化量和累积净氮矿化量在侵蚀区和沉积区差异不大。神木、安塞和固原土壤有机碳的生物可降解性表现为侵蚀区（分别为32.93、11.87和9.02 mg g-1 SOC）大于沉积区（分别为14.40、7.35和5.66 mg g-1 SOC），且这一差异在神木最大。土壤有机质的化学性质是影响碳氮矿化最主要的因素，能解释碳氮矿化变异的51%，其次是环境因素，能解释48%的变异。在表层土壤，DOC/SOC对碳氮矿化特征的解释率最高（29%），在深层土壤DON/TN的解释率最高（22%）。环境因素中水分是影响表层土壤碳氮矿化最主要的因素，能解释19%的变异，而非毛管孔隙度是深层土壤最主要的因素，能解释11%的变异。研究结果说明神木、固原和安塞有机碳的生物可降解性在沉积区低于侵蚀区，沉积区土壤有机质较难被微生物分解利用，碳氮中的活性组分比例是影响碳氮矿化特征最主要的因素。
本研究阐明了小流域尺度下侵蚀/沉积地形对土壤有机碳和全氮含量及储量的重要影响。研究揭示了小流域尺度下土壤碳氮分布和矿化特征对侵蚀的响应受到地点和土层深度的影响，对于土壤质地较粗、土壤侵蚀强度较大的神木、安塞和固原，相比侵蚀坡面沉积坝地土壤碳氮含量更高且较为稳定；对于长武和绥德，侵蚀区植物有机物质输入平衡或超过侵蚀导致的碳氮损失，且这一作用在表层土壤更大。研究明确了侵蚀-沉积连续地形中，活性碳氮组分对土壤碳氮矿化特征的重要指示作用。本研究扩展了小流域尺度深剖面土壤碳氮对侵蚀响应的机理研究，为土壤侵蚀和碳氮循环耦合模型的调控及土壤侵蚀与碳氮源汇关系的评价和管理提供科学依据。</p
黄土丘陵区典型草地群落冠层降雨截留容量特征及其影响因素
No full text植被冠层截留是降雨再分配的一个重要水文过程，明确草地群落冠层降雨截留特征及其影响因素，对揭示植被恢复的环境效应具有重要意义。本文以黄土丘陵区三种典型草地植被群落（白羊草、达乌里胡枝子和铁杆蒿）为研究对象，于2019年的6-9月期间，设置3个雨强（0.5、0.7和0.9 mm·min-1），通过人工模拟降雨试验和群落样方调查试验，研究了不同草地群落冠层降雨截留容量特征，及其与地上生物量、盖度、叶面积指数、多样性指数和降雨特征间的关系。旨在探讨群落特征和降雨特征对草地群落冠层降雨截留容量的影响，以期科学评价黄土丘陵区植被恢复对降雨截留的影响及其生态水文效应。主要取得以下研究成果：
（1）6-9月，白羊草群落、达乌里胡枝子群落和铁杆蒿群落的冠层降雨截留容量分别为0.58~0.75 mm、0.65~0.82 mm和0.69~0.87 mm；冠层降雨截留率分别为7.88%~10.35%、8.85%~11.27%和9.39%~11.95%。6月到9月，三种草地群落冠层降雨截留容量和截留率呈先增加后减小变化趋势，均在8月达最大值，分别为0.75 mm和10.35%、0.82 mm和11.27%、0.87 mm和11.95%。4月总和以铁杆蒿群落截留容量和截留率最大，其次为达乌里胡枝子群落，白羊草群落最小。
（2）三草地群落冠层降雨截留容量与地上生物量、总盖度和叶面积指数间均呈显著正相关关系。其中白羊草和铁杆蒿群落冠层降雨截留容量均与地上生物量相关系数最高（r=0.81和0.79）；达乌里胡枝子群落的与盖度相关系数最高（r=0.81）。三草地群落冠层降雨截留容量与群落物种丰富度、Simpson优势度指数、Pielou均匀度指数和Shannon-Wiener多样性指数间相关性均不显著。
（3）三草地群落冠层降雨截留容量随雨强增加表现为先增加后减小趋势，截留率呈逐渐减小变化趋势。0.7 mm·min-1雨强下冠层降雨截留容量最大，分别为0.77、0.81和0.85 mm。0.5 mm·min-1雨强下冠层降雨截留率最大，分别为8.69%、9.41%和10.19%。随降雨时间延长，三草地群落冠层降雨截留量均表现为先迅速增大后逐渐平稳变化规律，截留率表现为先迅速降低后逐渐稳定变化规律。</p
Responses of soil aggregate stability, erodibility and nutrient enrichment to simulated extreme heavy rainfall
No full textExtreme precipitation regime under global change context is estimated to cause heavy rainstorms and longer drought intervals. Temporal variations of soil structure and erosion characteristics during and after heavy rainstorms were less investigated, particularly across a wide soil texture gradient. In this study, 15 soils were selected with clay content ranging in 12.9–38.2%. Soil erosion characteristics and enrichment ratios of organic carbon (EROC) and nitrogen (ERN) were measured during 3 successive rainfall simulations at slope of 15° and intensity of 120mm h−1. The water-stable aggregate distribution was measured for soils before and after rainfall and drying. The mean weight diameter (MWD) of water-stable aggregate remained unchanged before (1.476 ± 0.182) and after rainfall and drying (1.406 ± 0.135 mm), but decreased for soils with higher organic carbon contents. Soil erodibility (K factor) averaged in 0.018 ± 0.003, 0.011 ± 0.001 and 0.008 ± 0.001 in 3 successive rainfall events, with 42% and 27% decreases after each event, respectively (P < 0.05); and the decreases were greater for less aggregated soils or coarser textured soils. Stepwise regression showed that the <0.25 mm water-stable aggregate explained most variations of K and its dynamics. The EROC and ERN were close to 1 and were not correlated with clay content or MWD (P > 0.05). The ERN decreased first and then remained stable, and EROC was unchanged during successive rainfalls. These results indicated that soil texture or aggregation status affected soil erodibility and its temporal changes in successive rainstorms. </p
间歇性与连续性降雨对黄土坡面细沟侵蚀影响的比较
No full text采用室内模拟降雨试验，对比了间歇性降雨与连续性降雨对黄土坡面细沟侵蚀的影响差异，量化
了间歇性降雨相对于连续性降雨条件的试验误差，并评估该试验方法在坡面侵蚀模拟中的适宜性。结果
表明：（１）低雨强（≤６０ｍｍ／ｈ）时，对于间歇性降雨试验，坡面细沟产沙大幅降低，误差达－４０．８％，伴随着
沟宽、沟深和割裂度等形态指标的减小，误差介于－３３％～－４５％；产流误差较小，为０．４％。（２）高雨强
（≥９０ｍｍ／ｈ）时，产流产沙、细沟形态的各项指标误差均不大，为３％～１２％，对试验结果影响相对较小。
（３）在采用间歇性降雨试验方法时，建议采用高雨强试验条件（≥９０ｍｍ／ｈ），才能准确模拟天然降雨的细
沟侵蚀过程，且在高雨强时应控制间歇性降雨试验每一阶段的降雨历时，避免累积产沙量的持续快速增长
而导致细沟侵蚀剧烈发展，误差进一步增大。由于土壤性质的区别，该试验结果在其他区域的适用性还有
待深入研究。研究结果可为坡面细沟侵蚀的过程与机理研究提供技术支撑。</p
黄土坡面结皮对土壤水稳性团聚体的稳定性 和可蚀性的影响
No full text为了探析微地形下土壤受雨滴打击后产生的结皮类型及团聚体组成差异。通过人工模拟降雨，
研究坡面不同位置的结皮土壤水稳性团聚体分布特征、稳定性以及土壤可蚀性的变化情况。结果表明：
（1）土壤水稳性团聚体以大团聚体（粒径>0.25 mm）含量为指标，原状土、结构结皮、沉积结皮、过渡带结
皮>0.25 mm粒级的水稳性团聚体分别占37.28%、43.58%、36.69%、40.34%；（2）以降雨历时5 min为例，
原状土、结构结皮、沉积结皮、过渡带结皮的水稳性团聚体的破坏率分别为：51.49%、46.00%、62.76%、
51.02%；（3）原状土、结构结皮、沉积结皮、过渡带结皮的水稳性团聚体的平均重量直径分别为：0.15、
0.20、0.14、0.17 mm；（4）原状土、结构结皮、沉积结皮、过渡带结皮土壤可蚀性K值的大小分别为：0.223、
0.200、0.229、0.205。微地形下产生结皮差异使得水稳性团聚体分布有所区别，因此土壤水稳性团聚体
稳定性和可蚀性存在差异。</p