黄土高原自然植被恢复对土壤质量的影响

本文从土壤物理、化学和生物因子等方面综合考虑，运用土壤质量综合指数模型，计算土壤质量综合指数。定量化评价黄土高原自然植被恢复对土壤质量的影响，期望为该区植被恢复对土壤质量的影响提供理论指导，促进当地生态环境重建工作的进展。研究结果表明：1）与农田相比，植被恢复对土壤容重、水稳性团聚体、pH、电导、有机碳、全氮和微生物量碳、氮影响显著，对含水量、无机碳含量影响居中，对土壤粘粒、砂粒含量、全磷影响不显著。2）与农田相比，植被恢复后，土壤质量综合指数（SQI）值在0～10cm和10～20cm均有较大幅度的提高，0～10em比10-20cm增幅更大。3）当地农田土壤质量处于低（Ⅴ）水平，草地处于较低（Ⅳ）水平，灌木林和混交林处于中等（Ⅲ）水平，山杨和辽东栎林处于较高（Ⅱ）水平。草地恢复对于提高土壤质量的效果较差，林地恢复对提高土壤质量的效果相对最佳。

不同掺沙比例对烟区黏质土壤微生态特征的影响

【目的】分析不同掺沙处理烟区黏质土壤的微生态特性,为烟区土壤改良提供理论依据。【方法】以陕西省安康市旬阳县神河镇烟草种植基地的黏质土壤为研究对象,对其进行掺沙处理(掺沙比例(体积比)分别为0,10%,20%,30%,40%),对不同掺沙处理的土壤微生物区系、呼吸强度以及土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性进行测定,并对掺沙后土壤微生态指标间的相关性进行分析。【结果】1)不掺沙处理烟区的土壤微生物总数最多,达3.94×106 CFU/g,与其他处理差异极显著;掺沙40%,30%和20%处理次之;掺沙10%处理最小。同一掺沙处理下,3种微生物数量总体表现为细菌>放线菌>真菌,且均以不掺沙处理最多。2)不同掺沙处理烟区土壤平均呼吸强度为5.49μg/(g.h),土壤呼吸强度由高到低依次为掺沙20%>掺沙10%>掺沙30%>不掺沙>掺沙40%,其中掺沙20%处理烟区土壤呼吸强度与其他处理差异达极显著水平。3)掺沙20%处理烟区土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性均最高,分别为465.18,2.23μg/(g.h)和39.48mL/(g.h),掺沙10%和30%处理次之,不掺沙和掺沙40%处理最低;土壤磷酸酶活性以掺沙30%处理最高,与其他处理差异极显著。4)烟区土壤微生物数量与土壤酶活性和呼吸强度大多呈负相关;土壤呼吸强度与4种酶活性均呈正相关,其中与蔗糖酶活性的相关性达极显著水平;4种酶活性之间均呈正相关,其中蔗糖酶与脲酶活性的相关性达显著水平。【结论】掺沙20%的土壤整体表现出微生物呼吸较强,酶活性较高,各个微生态指标间相关性较为密切,故陕南烟草种植区对黏质土壤进行改良时,掺沙比例以20%为宜。

黄土丘陵区不同恢复年限对天然草地土壤碳库动态的影响

[目的]揭示不同恢复年限的天然草地土壤碳库动态变化及其剖面分布特征,全面认识和理解天然草地恢复下土壤有机库、无机碳库的动态特征。[方法]采用野外调查与室内试验分析相结合的方法,以农田为对照,对黄土丘陵区不同恢复年限（11,16,22和35a）的天然草地土壤有机碳（SOC）、无机碳（SIC）、总碳（STC）的动态变化及其剖面分布特征进行了探讨。[结果]（1）天然草地恢复过程中表层（0—10cm）SOC含量随植被恢复年限显著增加,下层（10—100cm）SOC含量随植被恢复年限变化不明显;0—100cm土层SOC储量呈先减少后增加趋势,但仍未达到农田SOC储量的水平。（2）天然草地0—20cm土层SIC含量呈相对脱钙现象,0—100cm土层SIC库储量约为SOC库储量的2.7～4.5倍。土壤无机碳库随植被恢复年限的增加无明显变化,但SIC的剖面分布深度发生改变。（3）土壤总碳库随恢复年限增加无明显变化,0—100cm土层SIC储量在STC库中所占比例约为75.6%～86.0%。[结论]短时间内天然草地的土壤碳汇效应并不明显,碳库增汇效应需要长期的过程。

植被恢复过程中土壤团聚体分形特征研究

通过野外调查和室内分析,运用分形理论,研究了典型黄土丘陵沟壑区安塞纸坊沟流域植被恢复过程中土壤团聚体含量及分形特征,以期为黄土高原植被恢复和生态建设提供科学指导.研究结果表明:(1)恢复早期(7年)有利于大团聚的形成,但<0.16 mm粒级的团聚体含量在各恢复年限中都占有最大比例.(2)分形维数随年限在2.68~2.89间变化,其中恢复7年分形维数最小,但仅有15年和24年恢复年限差异显著.土层间分形维数值为2.75~2.83,以表层0~10 cm分形维数最小.(3)分形维数与平均质量直径和>0.25 mm团聚体均呈极显著负相关,与<0.16 mm团聚体含量呈极显著正相关关系.

延河流域NDVI时空变化及其对降水变化的响应研究

利用8 km分辨率的AVHRR/NDVI数据分析了延河流域1982~2006年NDVI时空变化特征及其对降水变化的响应。结果表明,近25年来,延河流域年均NDVI增长趋势并不显著,但存在明显的空间差异。延河流域西北部地区植被NDVI显著增加;西南部地区NDVI显著下降。从植被类型看,荒草地的年均NDVI显著提高,林地的年均NDVI显著下降。延河地区NDVI变化与降水有密切的相关性,并且不同类型植被对降水变化的敏感程度存在差异,其中耕地和荒草地对降水变化最为敏感,其次草地,而林地受降水变化影响最小。

黄土高原生物结皮覆盖对土壤积水入渗特征的影响及其模型模拟

【目的】探讨生物结皮层覆盖后对土壤水分入渗特征的影响。【方法】于2018年7-8月,以位于陕北黄土高原神木市六道沟小流域的生物结皮覆盖的黄绵土和风沙土为研究对象,以相邻的无结皮黄绵土和风沙土为对照(距离在10 m以内),采用双环法和土柱法分别对其水分入渗特征进行测定,计算饱和导水率(K s)、土壤水分入渗速率及土壤水分入渗参数(稳定入渗速率、平均入渗速率和累积入渗量),并采用Philip模型、Kostiakov模型和Horton模型对水分入渗过程进行模拟。【结果】(1)无论是黄绵土还是风沙土,生物结皮均能降低不同土层土壤的K s,且生物结皮对黄绵土的影响高于风沙土。在0~20 cm土层,与无结皮对照相比,生物结皮覆盖的黄绵土和风沙土上K s平均分别下降了42.1%和25.6%。(2)基于双环法和土柱法的测定结果显示,在积水入渗条件下,生物结皮覆盖黄绵土的稳定入渗速率(0.29~0.55 mm/min)、平均入渗速率(0.57~0.58 mm/min)和累积入渗量(3.63~3.69 cm)与无结皮黄绵土相比分别减少了27.5%~45.0%,32.6%~58.4%和31.8%~61.0%;生物结皮覆盖风沙土的稳定入渗速率(3.30~4.13 mm/min)、平均入渗速率(3.06~4.25 mm/min)和累积入渗量(19.22~26.76 cm)与无结皮风沙土相比分别减少了2.4%~11.3%,1.6%~27.8%和5.5%~26.3%,且基于双环法测定的土壤水分入渗参数整体上略高于土柱法。相对黄绵土,生物结皮对风沙土水分入渗参数的影响较小。(3)不同模型的模拟结果表明,Horton模型对生物结皮覆盖土壤水分入渗过程的拟合效果整体优于Philip模型和Kostiakov模型。【结论】生物结皮层的覆盖降低了0~20 cm土层的渗透性,土壤水分入渗过程可以使用Horton模型进行拟合。

黄土高原藓结皮土壤呼吸速率对降雨量变化的响应

全球气候变化加剧背景下,干旱和半干旱地区的降雨模式将进一步改变,其造成的土壤水分波动是引起土壤呼吸动态变化的重要因素,但生物结皮土壤呼吸响应降雨模式变化继而影响陆地生态系统碳源/汇功能的机制尚不明确。针对黄土高原风沙土发育的藓结皮,以自然降雨量为对照,分别进行幅度为10%、30%、50%的模拟增雨和减雨处理,并利用便携式土壤碳通量分析仪(LI-8100A)测定了模拟增减雨后的藓结皮土壤呼吸速率,对比分析了其对降雨量变化的响应及机制。结果表明:(1)整个实验周期(2018和2019)增雨和减雨分别显著提高(增幅分别为17.9%—48.2%和27.1%—54.2%)和降低了(降幅分别为1.8%—26.8%和5.2%—20.8%)土壤含水量,但对土壤温度的影响不显著;(2)增雨抑制了藓结皮土壤呼吸速率(降幅分别为7.8%—31.7%和14.7%—39.4%),且随梯度增大抑制作用越明显;减雨则取决于减雨梯度,减雨10%和30%会促进土壤呼吸速率(增幅分别为27.5%、9.6%和23.6%、9.7%)而减雨50%具有抑制作用(降幅分别为15.6%和18.5%)。不同实验周期和不同降雨处理间藓结皮土壤呼吸速率大多差异显著;(3)增雨和减雨下藓结皮土壤呼吸速率与土壤温度均成显著指数正相关关系,同时,低含水量时(小于约15%)与土壤含水量均成显著线性正相关关系,而高含水量(大于约15%)时增雨下成显著线性负相关关系。综上,黄土高原藓结皮土壤呼吸速率对降雨量变化具有明显响应,降雨量整体波动减小时其可能成为一潜在碳源。因此,未来黄土高原土壤碳源/汇功能研究中应考虑降雨模式改变对生物结皮土壤呼吸的影响。

黄土高原生物结皮斥水性及其沿降水梯度变化特征研究

为探明黄土高原生物结皮土壤斥水性的影响因素及其沿降水梯度的变化特征,在黄土高原沿降水梯度布设了8个采样区,每个采样区选择恢复年限相近的草地或林地,采用滴水穿透时间法和微型盘式入渗仪法测定了生物结皮与无结皮土壤的斥水时间和斥水系数,分析了生物结皮对斥水性的影响及其与结皮特性、土壤属性和年均降水量的相关性。结果表明,与无结皮土壤相比,黄土高原生物结皮土壤的斥水时间和斥水系数分别增加了54.85倍和5.80倍,但两者沿降水梯度的变化规律相似,均呈自南向北先减小、后稳定的变化趋势,且生物结皮土壤斥水性的空间变异性高于无结皮土壤;生物结皮土壤的斥水时间和斥水系数与结皮厚度、粉粒含量、黏粒含量、有机质含量、年均降水量呈显著的正相关关系(P≤0.032),与苔藓生物量和砂粒含量呈显著的负相关关系(P≤0.030);非线性回归表明,生物结皮土壤的斥水时间和斥水系数均可用结皮厚度和苔藓生物量进行模拟(R2=0.97,NSE不小于0.99)。研究表明,黄土高原生物结皮的发育显著增加了土壤斥水性,且斥水性沿降水梯度从南到北呈先减小、后逐渐稳定的空间变化趋势,年均降水量主要通过改变生物结皮厚度、苔藓生物量和有机质含量等理化性质而间接影响土壤斥水性。

黄土丘陵沟壑区天然植被恢复类型对土壤微生物碳的影响

采用野外调查取样结合室内测定分析的方法,研究黄土丘陵沟壑区不同天然植被恢复类型土壤微生物量碳和有机质的变化规律,探讨植被恢复过程中土壤微生物量碳和有机质的关系。结果表明：植被恢复后的土壤微生物量碳和有机质含量较农田均显著提高,植被恢复对土壤微生物量碳和有机质的影响主要表现在0~10 cm土层;土壤微生物量碳和有机质在0~10 cm土层随恢复年限呈增加趋势,植被类型中乔木混交林土壤微生物量碳含量最大,乔木林的土壤有机质含量最大。不同恢复年限的草地,其土壤有机质与土壤微生物量碳在0~10 cm土层呈正相关关系,在10~20 cm呈负相关关系;不同恢复类型的植被,其土壤有机质和微生物量碳的关系与不同恢复年限的草地正好相反,其在0~10 cm土层负相关,在10~20 cm呈正相关。上述结果表明,黄土高原植被恢复有利于提高表层土壤微生物量碳和有机质含量;植被恢复类型和年限对土壤微生物量碳与有机质的关系影响不一致。

长期机械化秸秆全量还田对土壤养分分层的影响

以渭南市临渭区对农田和果园两种土地利用方式下土壤养分分层现象进行研究,其中农田进行了连续13年的机械化秸秆全量还田。通过采样分析,研究不同土地利用方式和秸秆还田对土壤有机碳、活性有机碳、全氮、速效磷、速效钾含量和分层的影响,以期为不同土地利用方式和秸秆还田对土壤养分含量和分层提供科学参考。结果表明,两种土地利用方式下土壤有机碳、活性有机碳、全氮、速效磷和速效钾含量随土壤剖面递增逐渐减小;两种土地利用方式对土壤各养分分层趋势的影响不同,各养分(除速效磷)三个层次间的分层比均是农田大于果园;采用秸秆还田后的农田土壤表层(0~5 cm)养分含量显著高于果园,并且养分在农田的三个层次间的差异比果园大,表明秸秆全量还田能加速土壤养分分层趋势。

子午岭植被自然恢复过程中土壤颗粒分形特征

运用土壤分形理论,研究黄土高原子午岭土壤粒径和颗粒体积分形维数(Dv)随植被恢复年限的变化特征,以期为黄土高原植被恢复和水土保持建设提供科学指导。研究表明:(1)黏粒、粉粒、砂粒及Dv均在0~10 cm和10~20 cm两土层之间差异显著,在16 a和60 a两年限间差异显著;(2)Dv随土层变化较小(2.326~2.340),随年限变化较大(2.307~2.347),Dv整体符合正态分布u=2.33,δ=0.02;(3)Dv与黏粒和粉粒呈显著的正相关关系,与砂粒呈显著负相关关系;(4)Dv和(<0.05 mm)/(>0.05 mm)粒级比值可表征土壤水土流失的状况。

黄土高原水蚀风蚀交错区藓结皮对土壤酶活性的影响

以黄土高原水蚀风蚀交错区黄绵土和风沙土上发育30年的典型藓结皮为对象,分6层采集0~12 cm土层土样,研究了藓结皮对不同土层4种水解酶活性的影响及其与土壤养分的关系.结果表明:与无结皮相比,黄绵土藓结皮的脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性分别提升了2.4、7.6、20.7、2.4倍,而风沙土藓结皮的这4种水解酶活性分别提升了3.5、22.2、22.3、2.0倍;黄绵土和风沙土藓结皮的体积含水量分别降低了6.5%和0.8%,温度分别降低了0.8和2.5℃;黄绵土藓结皮的有机质、碱解氮和速效磷含量分别提升了2.5、2.9和3.6倍,风沙土分别提升了3.6、3.0和6.6倍.4种水解酶的活性与土壤养分含量呈显著正相关,与土壤含水量呈显著负相关;而土壤温度与脲酶活性呈显著正相关,与蛋白酶活性呈显著负相关.黄土高原水蚀风蚀交错区2种土壤藓结皮均能显著提升水解酶活性,这是藓结皮加速土壤养分周转的重要因素;通过改变土壤含水量和温度等酶促反应条件间接影响酶活性,是藓结皮促进土壤酶活性的重要途径.

黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮的地表粗糙度特征及其影响因素

增加地表粗糙度是生物结皮影响干旱和半干旱地区地表水文与土壤侵蚀过程的重要途径。本文针对黄土高原水蚀风蚀交错区典型小流域,使用链条法测定了裸沙、物理结皮以及不同发育阶段生物结皮(藻、藻-藓混生、藓)的地表粗糙度,比较了不同地形(坡度和坡向)和土壤条件(土壤类型和含水量)下生物结皮地表粗糙度的差异,分析了生物结皮对地表粗糙度特征的影响及其与地形因素和土壤属性的相关关系。结果表明:与裸沙相比,随着物理结皮、藻结皮以及藻-藓混生结皮的相继发育,地表粗糙度由0.67持续增加至16.76(F=194.31,P<0.01);各发育阶段中,藻-藓混生结皮的地表粗糙度最高,为无结皮土壤的25倍,但由藻-藓混生结皮发育至藓结皮后地表粗糙度骤减了52.7%(仍大于裸沙和物理结皮);生物结皮的地表粗糙度在10°~30°坡度范围内差异不显著,但在30°~40°坡度下其地表粗糙度显著增加(F=10.05,P<0.01),增加幅度达25.5%;且阳坡藓结皮的地表粗糙度显著高于阴坡(t=-5.70,P<0.01),为阴坡的1.3倍;生物结皮的地表粗糙度随含水量变化波动较为剧烈,任意含水量下黄绵土上发育的藓结皮的地表粗糙度均高于风沙土上发育的藓结皮(F=187.16,P<0.01),前者平均为后者的2.1倍;黄绵土上藓结皮的地表粗糙度与有机质含量呈显著负相关(r=-0.998,P=0.04),而与其他土壤属性的相关性不显著。综上,黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮的发育显著增加了地表粗糙度,其关键影响因素是生物结皮的发育阶段以及坡度和坡向。

外源输入氮素在藓类生物土壤结皮中各氮组分的分配特征与归趋途径

针对黄土高原典型藓类生物结皮,以无结皮裸地为对照,通过野外原位同位素标记试验,在标记后1~30 d连续取样测定,示踪外源添加15N在生物结皮中各氮组分的分配特征,并分析15N在土壤-微生物-藓植株中的归趋途径,对比揭示生物结皮对土壤氮循环的影响。结果表明:1)生物结皮的全氮、微生物生物量氮、可溶性有机氮中15N含量分别平均比裸地高2.9、17.5、9.0倍,且藓植株固定的15N含量高达4.73 mg·kg^-1。2)生物结皮的15N残留率平均为13.0%,其氮固持能力是裸地(3.3%)的4.0倍;生物结皮中各组分15N占全氮的比率依次为微生物生物量氮(54.3%)>藓植株氮(22.5%)>可溶性有机氮(6.2%),而裸地则为微生物生物量氮(11.5%)>可溶性有机氮(2.6%),显示生物结皮中微生物和藓植株的氮固持能力合计比裸地高65.3%。3)生物结皮中微生物生物量15N的转移量和库容量分别比裸地高17.2和20.5倍,但其周转率为每月5.8次,低于裸地的每月7.2次,其周转期是裸地的1.2倍。综上,与无结皮裸地相比,生物结皮具有更高的氮固持能力,同时能够改变土壤各氮组分的分配率,因此,在干旱生态系统土壤氮循环过程中具有重要作用。

外源输入碳在生物结皮土壤各碳组分中的分配特征

研究外源新输入碳进入生物结皮后在各碳组分间的分配特征,可以为理解生物结皮参与碳地球化学循环过程提供数据支持和理论依据。本研究针对黄土高原典型苔藓生物结皮,借助13C脉冲标记技术,精确示踪外源新输入碳在生物结皮碳组分中的分配特征及其与无结皮裸地的差异,揭示生物结皮对碳循环的影响。结果表明:1)由于生物结皮养分循环速率较慢,且与维管束植物相比,其主要生物成分苔藓的生物量有限,导致生物结皮各碳组分的13C丰度值均随时间变化表现相对平稳。2)生物结皮的各碳组分13C含量均明显高于无结皮裸地,其有机碳、微生物生物量碳、可溶性有机碳中13C含量平均分别为0.258、0.078、0.004 mg·kg-1,分别比裸地高3.1、18.5、2.6倍,且苔藓植株13C含量高达1.45 mg·kg-1。3)生物结皮改变了有机碳各组分的分配特征,其新同化的碳主要分配于活性有机碳库和结皮生物中,表现为13C在微生物生物量碳中的分配率(30.6%)高于可溶性有机碳(1.7%),而苔藓植株的13C分配率为20.3%。4)生物结皮中微生物生物量13C的转移量和库容量分别是裸地的15.7和19.5倍,但其周转率(每月2.94次)略低于裸地(每月3.30次),相应周转期是裸地的1.1倍。综上,生物结皮改变了土壤有机碳组分的分配特征,提升了碳周转速率,在干旱荒漠生态系统碳循环中的作用不容忽视。

黄土高原藓结皮覆盖土壤导水性能和水流特征

生物结皮具有特殊的水文物理性质,为探究其对土壤水分渗透性和水流特征的影响,以黄土高原风沙土和黄绵土上3种典型地表覆盖类型(裸地、藓结皮、藓结皮-草本植物混合)为对象,采用环刀法和染色示踪法对其导水性质与水流特征进行探究。结果表明:藓结皮对2种土壤类型0~5 cm土层土壤理化性质影响较大,与裸地相比土壤容重降低了9.85%~10.00%,土壤黏粒含量增加了1.01~1.29倍,表层有机质含量提高了2.73~3.02倍;藓结皮使0~5 cm土层土壤饱和导水率降低了61.32%~88.89%,而在5~10 cm土层饱和导水率则有明显上升。另外,由于草本植物的影响,藓结皮-草本植物0~5 cm土层与藓结皮土壤相比土壤饱和导水率提高了1.32~6.43倍;黄绵土藓结皮与藓结皮-草本植物的染色面积比均高于裸地,且水分下渗深度增加了10 cm,而风沙土藓结皮与风沙土裸地的染色面积比差异不明显。综上所述,藓结皮和藓结皮-草本植物的存在改变了表层土壤水分渗透性以及水流运动特征和水分下渗深度,影响着黄土高原土壤水分保持和生态恢复。

生物土壤结皮对风沙土和黄绵土膨胀特性的影响

作为重要的土壤物理性质,膨胀性在影响土壤导水性、持水性、抗蚀性以及土壤结构的形成和发育等方面发挥着重要作用。为了探讨生物土壤结皮(BSCs)土壤的膨胀特性及其主要影响因素,针对黄土高原风沙土和黄绵土两种典型土壤,利用膨胀仪测定并比较了有、无藓结皮及其在不同因素(初始含水量、干湿循环、冻融循环、温度)下膨胀率的差异,分析了BSCs对土壤膨胀性的影响及其与环境因素和BSCs性质的关系。结果显示:风沙土上藓结皮的膨胀率为1.93%,较无结皮增加了8.65倍;而黄绵土上藓结皮的膨胀率为2.05%,与无结皮相比降低了76.68%。藓结皮的生物量和厚度与其膨胀率在风沙土上均呈线性正相关关系(P<0.05),在黄绵土上分别呈二次函数(P=0.02)和线性正相关关系(P=0.02)。初始含水量同时影响了土壤最大膨胀率和稳定膨胀时间,影响程度风沙土远大于黄绵土(包括藓结皮和无结皮);干湿循环次数对无结皮土壤膨胀率的影响程度大于藓结皮土壤,其中风沙土和黄绵土上无结皮的膨胀率分别是50.00%~620.00%和-2.28%~10.81%,而两种土壤上藓结皮的膨胀率分别是-5.70%~10.88%和-10.24%^-21.46%;冻融循环下4种土壤的膨胀率均有不同程度的降低,降幅为0~18.54%。黄绵土无结皮的膨胀率受温度影响程度较大,50℃下黄绵土无结皮的膨胀率分别是25℃和35℃下的1.17倍和1.21倍。BSCs显著地改变了风沙土和黄绵土表层的膨胀性,其影响的程度和方向取决于土壤类型。同时,BSCs的膨胀性受含水量、温度、干湿以及冻融循环等关键因素影响。