Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources
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基于地面观测和遥感反演的黄土高原实际蒸散发研究
黄土高原退耕还林还草政策实施后,植被的大规模恢复引起的实际蒸散发量变化对区域水文循环过程产生了重大影响。为全面合理评估退耕还林还草的生态效应、水资源承载能力和区域水文循环过程影响提供科学依据, 本研究在点位尺度上选择了黄土丘陵沟壑区不同典型植被类型(绥德桥沟小流域草地和安塞腰鼓山灌木)为研究对象, 利用土壤墒情仪对不同层次根系下土壤水分变化过程进行连续长时间尺度上的动态监测, 研究蒸散拆分与根系吸水特性的耦合关系,并对比研究了遥感反演产品的实际蒸散发与点位尺度上观测的实际蒸散发,探讨了点位尺度与区域尺度上实际蒸散发的定量关系。 基于 MODIS 蒸散发产品,定量分析了区域尺度上黄土高原实际蒸散发的变化规律。主要结果如下:
(1) 黄土丘陵沟壑区两种典型植被类型草地和灌木根系吸水表现出白天土壤水分下降,晚上土壤水分基本保持不变的阶梯型下降规律; 不同季节晴天和阴天日实际蒸散发量有显著差异, 均表现出早晚低、 中午高的“单峰型”曲线特征。
(2) 黄土丘陵沟壑区草地、 灌木实际蒸散发量与土壤含水量和气温均显著相关, 生长季草地和灌木每日实际蒸散发量的变化规律与日均温度的变化规律基本一致; 受日照强度影响, 四季中, 晴天的日实际蒸散发量均明显高于阴天的日
实际蒸散发量。
(3)点位尺度上观测的 ET 量普遍略高于 MODIS 反演的 ET 值, 但MODIS-ET 产品与土壤墒情仪 ET 值存在显著的强相关关系,相关系数 R2 为0.75-0.82, RMSE 值小于 9.3 mm, MRE 值低于 0.2mm, RPD 接近 2, P 值均小于 0.01,表明该回归关系在一定程度上可作为点位尺度和区域尺度实际蒸散发的转换函数。
(4) 黄土高原 2001-2017 年年均实际蒸散发量空间分布总体表现为从西北向东南递增趋势特征, 年均实际蒸散发量以 8.23 mm/a 的速率显著增加。黄土高原 2001-2017年多年季节平均实际蒸散量空间分布特征与年均蒸散量格局基本一致,季节蒸散发量由大到小顺序为夏季>秋季>春季>冬季; 不同土地利用类型年均实际蒸散发量表现为林(418.30 mm) >农田(320.26 mm)>草地(279.15 mm)>建设绿地(221.30 mm); 不同流域实际蒸散发量表现为渭河干流(388.26 mm) >北洛河(367.99 mm)>泾河(326.16 mm)>延河(275.51 mm)>无定河(197.45 mm)>窟野河(164.73 mm) >皇甫川(153.71 mm)。
(5) 黄土高原实际蒸散发量与 NDVI、降雨量、气温以及日照时数均呈显著线性关系,黄土高原 2000 年以来 NDVI 和降雨量的增加, 促使实际蒸散发也显著增加。
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黄土高原土壤侵蚀对植被恢复的响应
黄土高原土壤侵蚀严重,是世界上水土流失最严重的地区。防治土壤侵蚀、改善黄土高原生态环境已成为亟待解决的重大环境问题。黄土高原地形复杂,沟壑纵横,特殊的自然环境为水土流失营造了绝佳的侵蚀条件。为治理严重的水土流失,国家在该地区实施了退耕还林(草)、坡改梯、治沟打坝等一系列植被和工程措施。这些措施使得黄土高原的土地利用/土地覆被格局发生了显著变化。同时,大规模的植被恢复特别是1999年退耕还林(草)工程实施后,黄土高原的植被覆盖度呈显著的上升趋势,入黄泥沙减少,土壤侵蚀强度锐减。土壤侵蚀是自然和人类活动二者共同作用下的一种动态过程,是危及人类生存和自然环境发展的全球性环境问题之一。
因此明确黄土高原目前的土壤侵蚀状况,预测其未来的植被恢复潜力,对于黄土高原未来的水土保持治理和生态恢复建设具有重要意义。本研究通过获取黄土高原不同时期的遥感影像和土地利用数据,分析黄土高原土地利用/覆被变化特征,采用RUSLE模型计算黄土高原不同时期的土壤侵蚀强度,辨析梯田对于减蚀的贡献率,采用相似生境法预测了黄土高原植被恢复的最大潜力。论文取得主要结论如下:
(1)黄土高原2010年主要土地利用类型是草地(38.74%)和耕地(31.38%)。近20年来,耕地的面积变化最大,总面积减少121.14万hm2;居民与建设用地面积变化率最大,增长了45.25%。
(2)梯田措施可以明显降低区域的土壤侵蚀强度。基于2010年黄土高原土地利用数据,采用有梯田的情景模拟,发现黄土高原2010年的年均土壤侵蚀强度为27.58 t/ha/a,梯田减蚀贡献率达到13.81%。
(3)2000-2018年,植被覆盖度和NDVI总体呈现波动上升趋势。2000-2010年,主要的转变形式是低覆盖度(0-10%)的植被转变为较低覆盖度(10%-30%)、中覆盖度(30%-50%)向较高覆盖度(50%-70%)转变; 2010-2018年,主要的转变形式是较低覆盖度(10%-30%)转变为中覆盖度(30%-50%)和高覆盖度(>70%)变为较高覆盖度(50%-70%)。总体来看,在2000-2018年间,植被覆盖状况是向好的趋势。
(4)黄土高原西部、东部以及东南部地区的植被状况已经接近或达到最大恢复潜力。在北部的丘陵沟壑区和风沙区,只有部分区域具有一定的植被恢复潜力,恢复潜力指数介于0.25-0.5之间。</p
黄土丘陵区不同小流域土壤有机碳库含量、稳定性特征 及其影响因素
摘 要
土壤有机碳(SOC)作为土壤重要的组成成分之一,在保持土壤肥力和维持土壤健康方面扮演着极为重要的角色。黄土丘陵区在植被不断恢复的过程中,土壤有机碳库储量也随之发生了变化。不同小流域因其植被恢复的侧重点不同,恢复的效应可能也不同,是否会对土壤有机碳库的稳定性造成不同影响还需进一步研究。因此本研究选取黄土丘陵区4个不同小流域(坊塌流域、纸坊沟流域、董庄沟流域及杨家沟流域)为研究对象,将土壤有机碳库按照周转时间划分为:土壤活性碳库、土壤缓效性碳库及土壤惰性碳库,通过野外采样、室内培养及实验测定,采用结构方程模型进行综合解释,探究不同小流域内土壤各有机碳库的含量变化特征、周转时间、分解速率及其影响因素,辨析不同小流域土壤有机碳库含量、稳定性变化特征及其主要的影响因素,以期为黄土丘陵区植被恢复过程中土壤固碳效应的评估提供一些实践指导和数据支撑。其主要结论如下:
(1)不同小流域之间,自然恢复下的董庄沟流域土壤有机碳的稳定性较其他三种小流域更强。农业种植为主型下的坊塌流域,0-20cm土层活性有机碳库、缓效性有机碳库及惰性碳库所占比例高于20-40cm土层,且所占比例的顺序为:惰性碳库>缓效性碳库>活性碳库;整体上,各植被恢复措施下的缓效性有机碳库及惰性碳库所占比例均高于撂荒地,而活性碳库则低于撂荒地。植被恢复为主型下的纸坊沟流域,0-20cm和20-40cm土层活性碳库和缓效性碳库所占比例整体上均高于撂荒地,惰性碳库所占比例则只有表层的高于撂荒地,三库所占比例表现为缓效性碳库>惰性碳库>活性碳库。自然恢复下的董庄沟流域和人工恢复下的杨家沟流域,土壤有机碳各库所占比例顺序均为:惰性碳库>缓效性碳库>活性碳库。
(2)不同小流域之间,自然恢复下的董庄沟流域活性碳库周转时间最慢(3.47-20.16d),其土壤有机碳的活性最低,稳定最高,而农业种植为主型下的坊塌流域土壤活性有机碳库周转最快(3.98-8.40d),其稳定性较差。土壤有机碳分解动态特征呈现出一致的规律,即分解的前期阶段,分解速率较快,约在5天之内达到最大值,随后分解速率逐渐降低,直到最后处于相对的稳定状态。农业种植为主型下的坊塌流域、植被恢复为主型下的纸坊沟流域、自然恢复下的董庄沟流域,表层的活性有机碳库周转时间高于下层;植被恢复为主型下的纸坊沟流域、人工恢复下的杨家沟流域及自然恢复下的董庄沟流域,表层的缓效性碳库周转时间均较短;惰性碳库的周转时间主要受当地年平均气温的影响,而纸坊沟流域和坊塌流域邻近,董庄沟流域和杨家沟流域毗邻,因此,坊塌流域和植纸坊沟流域的土壤惰性碳周转时间接近一致(325.34a),而董庄沟流域与杨家沟流域的土壤惰性碳周转时间保持一致(336.81a)。
(3)不同小流域下,受植被类型、坡度、降水等影响,土壤理化性质的变化不同。SOC含量在人工恢复下的杨家沟流域最高(6.88-11.56g.kg-1),农业种植为主型恢复下的坊塌流域最低(2.83-6.16g.kg-1)。与人工恢复下的杨家沟流域相比,自然恢复下的董庄沟流域SOC含量较低,与农业种植为主型下的坊塌流域相比,植被恢复为主型下的纸坊沟流域SOC的含量较高。土壤含水率变化范围在植被恢复为主型下的纸坊沟流域最大,农业种植为主型恢复下的坊塌流域次之,人工恢复下的杨家沟流域最低;0-20cm土层的土壤容重均低于20-40cm土层;就土壤pH而言,自然恢复下的董庄沟流域和人工恢复下的杨家沟流域土壤pH较为接近,而农业种植为主型下的坊塌流域和植被恢复为主型下的纸坊沟流域的土壤pH较为接近,且相比董庄沟和杨家沟流域,坊塌流域和纸坊沟流域的pH更高。土壤全氮(TN)含量的变化规律表现为自然恢复下董庄沟流域的TN含量最高(0.28-1.10g.kg-1),人工恢复下的杨家沟流域次之(0.29-0.71g.kg-1),植被恢复为主型下纸坊沟的最低(0.15-0.0.32g.kg-1)。不同小流域下土壤全磷(TP)的含量差异性较小。
(4)不同小流域下,杨家沟流域的植物各器官碳含量最高,董庄沟流域的次之,坊塌流域的最低;除杨家沟流域外,其它3个小流域内植物各器官的碳含量均表现为叶片>枝>根。董庄沟流域的地上生物量最高,纸坊沟流域的次之,坊塌流域和杨家沟流域的最低。就地下生物量而言,4个小流域内表层的地下生物量均高于下层;且表层和下层,杨家沟流域和董庄沟流域,地下生物量较高,纸坊沟流域居中,坊塌流域最低。
(5)黄土丘陵区丘陵沟壑区的土壤微生物丰富度高于高塬沟壑区,而微生物量则表现为高塬沟壑区高于丘陵沟壑区。董庄沟流域的土壤微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)含量较高,杨家沟流域的MBC和MBN较低。不同小流域之间土壤微生物多样性指数的变化差异较小,而以农业种植恢复为主型下的坊塌流域和植被恢复为主型下的纸坊沟流域所属的丘陵沟壑区与人工恢复下的杨家沟流域和自然恢复下的董庄沟流域所属的高塬沟壑区之间的土壤微生物多样性指数差异较大,尤其是Shannon和Simpson指数,均表现为坊塌流域和纸坊沟流域高于董庄沟和杨家沟流域。
(6)4个小流域在植被恢复后土壤团聚体水稳定性均有所提高,其中自然和人工恢复下土壤团聚体水稳性提高效果较为显著,且各小流域内,土壤团聚体水稳定性与SOC含量密切相关。坊塌流域和纸坊沟流域内,各植被恢复措施下土壤团聚体组成均以微团聚体为主,而董庄沟和杨家沟流域内各植被恢复措施下则以大团聚体为主;与人工恢复下的杨家沟流域相比,自然恢复下的董庄沟流域大团聚体比例更高。整体看,杨家沟流域土壤的抗侵蚀能力最强(K值为0.1678-0.1970)。相关性分析可知,土壤含水率、容重pH及全磷对各粒径土壤团聚体所占比例、平均重量直径(MWD)及土壤可蚀性(K值)的影响不同,而土壤有机碳和全氮含量对各粒径土壤团聚体所占比例、MWD及K值的影响大致相同。
(7)不同小流域下,土壤有机碳库含量及其稳定性主要受MBC含量、SOC含量、大团聚体所占比例及土壤真菌和细菌丰富度的影响。其中土壤活性碳库的稳定性主要受MBC含量、SOC含量、0.25mm-0.5mm土壤团聚体所占比例、MWD值及K值的影响较大;土壤缓性碳库的稳定性主要受>5mm团聚体所占比例和土壤含水率的影响较大,且前者起促进作用,后者起减缓作用;土壤惰性碳库的稳定性主要受TN、TP、MBC含量、pH、0.5-5mm团聚体所占比例及土壤容重(BD)的影响,且除BD外,其它指标均起到促进作用。
(8)自然恢复下的董庄沟流域土壤有机碳的稳定性较农业种植恢复为主型的坊塌流域、植被恢复为主型的纸坊沟流域及人工恢复下的杨家沟流域更强,因此其土壤固碳能力也比其他三个小流域更强。微生物多样性和土壤团聚体对土壤有机碳物理保护作用对土壤有机碳库稳定性的影响较植被生物量及各器官含碳量更为显著。</p
黄土高原撂荒地植物群落共存种光合 特性对土壤水分变化的响应
植物群落共存种的环境适应性和相对竞争能力差异是植物群落动态和演替的两个决定性因素,其中光合特
性与二者都有紧密关联,因此研究群落共存种光合特性的差异对理解群落演替机理具有重要意义。以黄土丘陵区
10 种主要的撂荒地植物群落共存种为研究对象,测定其在不同的生长月份( 8-10 月)和不同水分条件下(适宜水
分及中度、重度干旱胁迫)光合速率、蒸腾速率和水分利用效率等的变化,分析植物群落共存种光合特性对土壤水
分变化的响应。结果表明: 1 ) 3种水分条件下,无芒隐子草、白羊草、小花棘豆和达乌里胡枝子的净光合速率日变化
均呈单峰曲线,而冰草和阿尔泰狗娃花的则呈双峰曲线,有光合“午休”现象, 10种群落共存种以无芒隐子草的日光
合能力峰值最大,冰草的最小; 2 )除中华隐子草和阿尔泰狗娃花外,多数种的蒸腾速率日变化在3种水分条件下均
呈单峰曲线,其中,无芒隐子草的日蒸腾能力峰值最大,小花棘豆的最小; 3 )日均净光合速率和日均蒸腾速率存在
显著种间差异和生长月份差异( P <0.
05 ),其中,无芒隐子草的日均净光合速率和日均蒸腾速率最大,而日均水分
利用效率在不同物种和生长月份之间则无显著差异( P >0.
05 ); 4 )在演替生态位置上, 10种群落共存种以演替前期
种的日均蒸腾速率和日均水分利用效率相对较低,而演替后期种相对较高,表明演替后期的植物水分利用性能较
高。在干旱半干旱的黄土高原丘陵区,伴随演替进程的土壤环境旱化,演替后期序列种凭借其较高的水分利用能
力,将在撂荒地群落中占据优势地位,从而逐渐代替演替前期种。</p
黄土区土质与土石质塿土堆积体水力侵蚀过程差异
利用室内模拟降雨试验,研究了不同雨强及坡度条件下黄土区土质(不含砾石)与土
石质(砾石质量分数 30%)塿土堆积体的水动力学特征、侵蚀特征及侵蚀动力机制的差异。结
果表明: 砾石存在改变了堆积体坡面的水动力学特性,与土质坡面相比,土石质坡面的流速、
弗汝德数、单位径流功率和过水断面单位能分别减少 1.7% ~ 49.7%、6.7% ~ 60.6%、2.0% ~
44.6%和 1.0%~26.7%;曼宁糙率系数、径流剪切力分别增加 6.2% ~169.4%、5.7% ~79.3%。
2.0、2.5 mm·min
-1
雨强下,土石质坡面侵蚀速率较土质坡面降低 26.2%~89.9%,砾石的减沙
效益显著。2 种堆积体的侵蚀速率与水动力学参数间均可用线性函数拟合,与土质坡面相比,
土石质坡面的可蚀性参数均降低,降幅为 56.1%~73.3%;而临界水动力学参数中径流剪切力
增加 11.1%,径流功率、单位径流功率和过水断面单位能分别减少 25.4%、64.0%和 5.0%。砾
石的存在一定程度上控制了工程堆积体坡面降雨侵蚀过程。</p
基于评价模型的宁夏沙土春玉米最佳灌水施氮量研究
为分析不同水氮供应对宁夏沙土春玉米主要评价指标的影响,采用灌水和施氮 2 因素交互设计,灌水量设置
3 个水平(W0. 6(0. 6K c ET 0 )、W0. 8(0. 8K c ET 0 )和 W1. 0(K c ET 0 ),K c 为作物系数,ET 0 为潜在作物蒸发蒸腾量),施氮
量设量 4 个水平:N150(150 kg/hm 2 )、N225(225 kg/hm 2 )、N300(300 kg/hm 2 )和 N375(375 kg/hm 2 ),进行了大田试
验。结果表明:灌水量和施氮量的交互作用对产量、水分利用效率(WUE)和氮肥偏生产力(PFPN)有极显著影响,
对地上部干物质累积量和籽粒氮素累积量有显著影响;在相同灌水条件下,春玉米地上部干物质累积量、产量、
WUE 均随施氮量的增加先增加后减小。主成分分析法、隶属函数分析法、灰色关联度分析法与基于组合赋权的
TOPSIS 模型两两之间具有良好的相关性,各模型之间相关系数均值为 0. 465 ~0. 787;基于整体差异组合评价模型
得出 W0. 8N300 评价值最高。考虑试验区年际降雨量分布不均,经回归分析拟合得出,当春玉米生育期内灌水量
与有效降雨量之和为544 mm、施氮量为260 kg/hm 2 时,春玉米综合指标评价值最高(1. 47),为适宜的春玉米滴灌灌
水施肥量。本研究可为沙土地区春玉米滴灌施肥过程中水氮科学管理提供指导依据。</p
极端干旱区咸水灌溉人工防护林土壤可溶性碳的垂直 分布及其影响因素
可溶性碳(DC)是土壤中最活跃的碳组分,植被恢复与重建加速了干旱荒漠区的碳循环过程. 研究咸水灌溉下沙漠人工
防护林地土壤剖面 DC 的分布,可为干旱荒漠区人工林的管理和开发利用提供理论支撑和决策依据. 本研究选取塔克拉玛干
沙漠公路沿线 5 个不同矿化度咸水滴灌林地作为研究样地,流沙地为对照(CK),分析并讨论了 0 ~1 m 剖面土壤可溶性有机
碳(SDOC)和可溶性无机碳(SDIC)的垂直分布特征及其与各因子间的相关关系. 结果表明,CK 与 2. 82 g·L
-1 矿化度滴灌处理
SDOC、SDIC 呈“I ”型分布,其分布满足线性函数关系,其他各样地 SDOC 和 SDIC 均呈“Γ”型分布,分布满足幂函数关系;所有
处理表层 SDOC、SDIC 波动能力及贡献度均高于下层土壤,且 SDOC 波动及贡献度均大于 SDIC,2. 82 g·L
-1 之外的各林地
SDOC 平均含量是 SDIC 的2 ~4 倍;2. 82 g·L
-1 样地 SDOC 平均含量低于 CK,其他各样地 SDOC 是 CK 的3 ~5 倍,各样地 SDIC
含量较 CK 增加了 15. 0%~57. 9%;矿化度高于 2. 82 g·L
-1 的样地 0 ~5 cm 土层 SDOC 含量随灌溉水矿化度的增加而增加,各
样地 SDIC 含量随矿化度的升高呈先增加后下降低趋势,4. 82 g·L
-1 样地达到最大. SDOC 和 SDIC 与灌溉水矿化度、EC、SOC、
SIC 及土壤含水量均呈正相关关系,其中与土壤含水量表现出弱正相关,SDOC 和 SDIC 与土层深度呈负相关关系;SDOC 和
SDIC 与 pH 分别呈微弱的负相关和微弱的正相关. 总之,灌溉水矿化度对 SDOC 和 SDIC 的垂直分布具有重要影响,同时与土
壤含水量、土层深度、EC、SOC 和 SIC 等因素紧密相关,这对极端干旱区人工林建设及管护具有重要意义.</p
黄土丘陵区不同降水梯度对草地群落 化学计量学特征的影响
[目的]研究草地群落各组分(植物叶片、根系和土壤)碳氮磷化学计量特征对降水量变化的响应 规律,以揭示降水量对黄土丘陵区草地生态系统化学计量学特征的影响。[方法]以黄土丘陵区自然恢复 草地为研究对象,于2017—2018年在安塞试验站建立野外控雨试验平台,分别设置减雨60%,减雨40%, 减雨20%,自然降水,增雨20%,增雨40%,增雨60%共7个处理,采用遮雨棚法研究降水改变对植物的叶 片、根系以及土壤生态化学计量特征的影响。[结果]①随降水量增加,植物生长水分限制得到有效缓解, 水分胁迫作用逐渐减缓,从而使叶片 N,P含量整体呈现显著下降趋势(p<0.05)。叶片 C/N,C/P整体呈 现显著下降趋势(p<0.05)。②降水梯度改变对根系 P化学计量特征影响较为显著(p<0.05);同时,对根 系 C/P,N/P也有显著影响(p<0.05)。③控雨处理仅对土壤 C含量有显著影响(p<0.05),可能因为极端 降水影响了土壤微生物的活性,导致土壤有机 C积累减缓。[结论]水分是黄土丘陵区草地植物对 N,P吸 收利用的制约因子;降水量可以改变草地群落的养分限制格局,随着降水量的增加,植物生长受 P的限制 越强烈,植物生长由同时受 N,P两者的限制转为受 P限制。</p
低磷环境下接种丛枝菌根真菌促进紫花苜蓿生长和磷素吸收的机理
磷极易被土壤吸附和固定,导致土壤中磷有效性较低。研究接种丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)和低磷处理两者交互对紫花苜蓿生长和磷吸收的影响,为提高碱性土壤中磷肥利用率提供理论依据。【方法】以黄绵土和紫花苜蓿(Medicago sativa)为试验材料进行盆栽试验。在施磷0、5、20mg/kg (P0、P5、P20) 3个水平下,分别设接种和不接种丛枝菌根Glomus mosseae BGC YN02 (+AMF、–AMF)处理。植物生长120天后测定植株生物量、磷吸收量、AMF侵染率以及根际和非根际土壤的p H、土壤碱性磷酸酶活性、土壤有效磷含量、土壤微生物生物量磷,分析根际有机酸的组成与含量。【结果】+AMF处理中植物根系被AMF侵染,且施磷水平对侵染率没有显著影响;施磷和+AMF处理显著提高了植株地上部、地下部生物量以及磷含量,其中P20+AMF处理生物量和磷含量最高;根际有机酸总量随施磷水平上升而显著降低,但+AMF处理有机酸总量高于–AMF处理,其中柠檬酸和乙酸含量的变化较为明显;施磷和+AMF显著降低土壤碱性磷酸酶活性,增加土壤有效磷含量和微生物生物量磷,且低磷环境(P0、P5)下根际土壤碱性磷酸酶活性和微生物生物量磷均显著高于非根际土;P20处理显著降低磷利用效率和磷肥利用率,+AMF处理显著提高磷肥利用率。【结论】碱性土壤(黄绵土)中,AMF和紫花苜蓿根系能建立较好的共生关系,低施磷水平(施磷量≤20 mg/kg)对AMF侵染率没有显著影响。施磷和接种AMF均可以显著促进紫花苜蓿生长和磷吸收。低磷环境下,接种AMF可以扩大植物根系吸收范围,同时增强根际土壤碱性磷酸酶活性,促进根系分泌有机酸,特别是乙酸和柠檬酸,从而提高磷肥利用率。</p