晋西黄土区典型植被恢复生态系统各层次化学计量与生态因子的关系

【目的】植被恢复是改善黄土高原水土流失和生态环境的重要手段。评估植被恢复对生态系统养分循环和生态服务功能的影响需进一步明晰林地植被与土壤的化学元素计量和分布特征,这对合理开展植被恢复类型筛选具有重要意义。【方法】选取晋西黄土区4种典型植被恢复类型(油松Pinus tabuliformis人工林、刺槐Robinia pseudoacacia人工林、侧柏Platycladus orientalis人工林、辽东栎Quercus mongolica天然林),分别测定乔木层的树枝、树叶、树干、树皮、树根和灌木层、草本层的地上、地下部分以及0~100 cm土壤各层的碳、氮、磷质量分数,结合单因素方差分析法、最小显著差法、冗余分析法等分析植被恢复类型对生态系统养分循环和生态化学计量的影响。【结果】(1)相比其他植被恢复类型,辽东栎天然林样地的灌木层和草本层生物量最高,其地上部分生物量分别为(8.62±0.78)、(5.91±0.18)t·hm^(-2),地下部分生物量分别为(3.65±0.36)、(3.54±0.25)t·hm^(-2)。(2)辽东栎天然林草本层碳质量分数最高,为(552.90±19.33)g·kg^(-1),氮质量分数最低,为(10.36±0.30)g·kg^(-1)。(3)植物与土壤的碳、氮、磷质量分数具有显著相关关系(P<0.05);辽东栎天然林的土壤碳磷比最高,为15.22±0.28,而刺槐人工林土壤碳磷比最低,为8.28±0.26。(4)Mantel Test和冗余分析结果表明:人工林中,土壤和植被中的养分相关关系显著(P<0.05),然而在辽东栎天然林中两者相关性相对较小,而且辽东栎天然林的乔木层对土壤和植被化学计量特征的影响相对较弱。【结论】近自然造林可以提高植被多样性,并提供更好的生态系统服务。

散射辐射比例对华北平原杨树人工林生态系统能量分配的影响

【目的】在全球辐射总量及其组成显著变化的背景下,明确散射辐射比例(F_(dif))对华北平原杨树人工林生态系统能量分配的影响,为准确评估杨树人工林的生态服务功能和进一步完善生态系统过程模型提供科学依据。【方法】利用涡度相关技术和小气候观测,对2019、2021年生长季(DOY 91~304)杨树人工林生态系统的能量通量和环境因子开展研究。【结果】华北平原杨树人工林生态系统能量分配在生长季中期(DOY 152~243)以潜热通量(LE)为主,在生长季初期(DOY 91~151)和末期(DOY 244~304)以显热通量(H)为主。F_(dif)与波文比(β)呈显著负相关(P<0.01),与冠层导度(G_(s);P<0.01)、冠层分离指数(Ω;P<0.05)和Priestley-Taylor系数(α;P<0.01)呈显著正相关。通径分析结果表明,Gs是调节华北平原杨树人工林生态系统能量分配的主要因子,F_(dif)下降时,Gs降低,饱和水汽压差(VPD)增大,生态系统的β显著增大,进而改变生态系统能量分配模式。【结论】F_(dif)变化影响华北平原杨树人工林生态系统能量分配,F_(dif)下降会导致能量平衡中的LE所占比例增加、H所占比例相应减小。在气候变化背景下,本研究不仅可深入揭示华北平原杨树人工林生态系统能量分配机制,同时也对准确评估森林生态系统服务功能起到至关重要的作用。

黄河流域生态系统服务价值时空异质性及驱动因素分析

【目的】在黄河流域生态恢复背景下,研究生态系统服务价值(ESV)的时空动态演变特征及其驱动因素,为可持续发展提供理论参考。【方法】基于2001—2020年20期的黄河流域土地利用数据,计算黄河流域ESV,利用空间自相关和探索性时空数据分析,揭示黄河流域ESV的时空分异动态特征,并引入时空地理加权回归模型探究黄河流域ESV时空分异的驱动因素。【结果】(1)2001—2020年黄河流域ESV整体呈上升趋势,生态系统服务中调节服务价值所占比重最大。不同土地利用类型中,草地和林地所提供的生态服务价值最高。(2)黄河流域ESV空间上存在显著正相关。大多数地区,局部空间自相关指标时间路径的相对长度和弯曲度较小,结构比较稳定,但空间依赖效应较弱。ESV移动方向中负向协同增长占比最大,呈低速增长特征。2001—2020年ESV时空凝聚概率超过80%,说明黄河流域ESV局部空间格局呈现相对锁定状态。(3)流域ESV驱动因素中,年降雨量主要起负向作用,年均气温和植被覆盖则主要起正向作用,而人口密度与夜间灯光指数的影响作用相对较弱。【结论】黄河流域ESV增长现状相对稳定,短期内较难改变,在影响ESV变化的因素中自然因素起主导作用。

降雨对河岸生态系统杨树树干液流及其环境控制的影响

降雨能够改变土壤水分状况进而促进林木蒸腾,然而场降雨量及其持续时间对林木树干液流及其环境控制机制的影响尚不明确。为此,在华北半干旱半湿润区的北京市顺义区共青林场,选取位于河岸生态系统不受土壤水分胁迫的欧美杨(Populus×euramericana)人工林为研究对象,在2019年和2021年生长季,使用TDP热扩散法测量树干液流,同步监测气象及土壤含水量等环境因子。根据对该区长期(2016—2017年、2019年和2021年)降雨数据统计分析结果,将2次降雨脉冲间隔超22.5 h的事件划分2场独立的降雨事件。按照降雨事件雨量及历时,将其中位数±1.5倍标准误的事件定义为常见事件,而将累积概率大于90%的事件定义为极端事件。结果表明:(1)太阳辐射是唯一显著控制该杨树人工林生长季树干液流的环境因子(偏相关系数r_(p)=0.539),饱和水汽压差、风速和土壤含水量均与树干液流不相关(p>0.533),降雨事件发生前后这一环境控制特征没有发生变化;(2)雨后树干液流随着场降雨量的增加而降低(R 2=0.78,p=0.004),但与降雨事件历时无显著相关关系;(3)树干液流在常见降雨事件和极端事件后,在半小时尺度上随时间变化无显著差异(p≥0.264),但4类降雨事件后主导的环境控制因子却不完全相同,太阳辐射和饱和水汽压差总能显著促进半小时尺度的树干液流(r_(p)≥0.374),而土壤含水量仅在常见和极端的强降雨历时事件后,显著促进雨后半小时尺度液流(r_(p)≥0.215)。风速显著抑制常见场降雨量事件后半小时尺度的树干液流(r_(p)=-0.258),却能显著促进常见和极端场降雨历时事件后半小时尺度的树干液流(r_(p)≥0.183)。研究成果为进一步深入揭示降雨特征对树干液流及其生物物理控制机制的影响,以及改进气候变化下生态水文过程的模拟与评估提供参考。

散射辐射对杨树人工林生态系统总初级生产力的影响

【目的】在量化生态系统阳冠层和阴冠层光合参数的基础上,通过探究其季节动态变化和主要生物物理调控因子,揭示散射辐射变化对杨树人工林生态系统总初级生产力(GPP)的影响,为人工林生态系统服务功能和碳汇能力的准确评估提供参考。【方法】以北京顺义区共青林场的杨树人工林生态系统为研究对象,利用涡度相关技术和微气象观测系统,对生态系统碳循环过程和生物物理因素进行了连续4年(2015—2018年)的定位观测;采用非线性拟合方法将生态系统最大光合速率(A_(max))和表观量子效率(α)拆分为受直接辐射(A_(max),dir、αdir)和散射辐射(A_(max,dif)、α_(dif))影响的两部分。由于直角双曲线模型(Michaelis-Menten model)在模拟GPP时会出现不饱和现象,本研究采用PAR为2000μmol·m^(–2)s^(–1)时的GPP作为最大光合速率(A_(2000))。【结果】采用晴空指数和太阳高度角模拟的散射辐射与实测值接近(斜率为0.82,R^(2)=0.87,RMSE=51.67 W·m^(–2),P<0.01)。2015—2018年生长季杨树人工林的α_(dif)、A_(2000,dir)和A_(2000,dif)呈先增加后减小的变化趋势,α_(dif)和A_(2000,dif)显著高于αdir和A_(2000,dir)(pα=0.02;p A_(2000)=0.03),α_(dif)/αdir和A_(2000,dif)/A_(2000,dir)分别为5.6和6.1,二者的比例在夏季表现出明显差异。生长季GPP呈单峰变化模式,且GPP与A_(2000,dif)显著相关(P<0.01),随着PAR_(dif)/PAR_(dir)的增加,GPP显著增加(P<0.01)。在夏季,A_(2000,dif)主要受Ta的影响,随着Ta的增加而增加(偏相关系数为0.74,R^(2)=0.49,P<0.05);在春季和秋季,LAI主导着A_(2000,dif)的变化(偏相关系数为0.69,R^(2)=0.53,P<0.01),而PrestleyTaylor系数(η)和晴空指数(CI)无论是在春秋还是夏季,对A_(2000,dif)都无显著影响。【结论】α和A_(2000)会随季节发生变化,散射辐射对A_(2000)和α的影响要显著高于直接辐射的影响,且在生长季中期更加明显,A_(2000,dif)在春秋季和夏季的变化分别主要受生物因素(LAI)和环境因素(Ta)主导。A_(2000,dif)是调控GPP变化的最关键因素,因此,散射辐射是影响该人工林生态系统光合生产力的重要环境因素。

山西西南部黄土丘陵区典型林分生态化学计量特征

【目的】研究黄土丘陵区典型林分植物-凋落物-土壤的生态化学计量特征,可揭示该地区生态系统植被生长发育的主要限制性营养元素。【方法】选取黄土丘陵区典型人工油松Pinus tabuliformis林、刺槐Robinia pseudoacacia林、侧柏Platycladus orientalis林为研究对象,天然次生辽东栎Quercus liaotungensis林为对照,分析不同林分植物叶、枝、根,凋落物和土壤的生态化学计量特征及其相关性。【结果】①典型林分的乔木各器官碳(C)、氮(N)、磷(P)质量分数从大到小依次表现为叶、枝、根,与C相比,各器官间N、P质量分数变化幅度较大;油松各器官C质量分数显著高于其他林分(P<0.05);刺槐叶、根、凋落物和土壤N质量分数显著高于其他林分(P<0.05),刺槐具有较好的固氮作用。②刺槐叶C/N和C/P显著低于其他林分(P<0.05),叶N/P为14~16,其他林分叶N/P均低于14;凋落物N/P低于25,分解受N元素限制;③典型林分的植物各器官C、N与凋落物C、N显著正相关(P<0.05),而P与凋落物和土壤P无显著相关性;土壤C与凋落物C呈显著负相关(P<0.05),而与凋落物N呈显著正相关(P<0.05);凋落物C/N、C/P与土壤C/N、C/P、N/P分别呈显著负相关(P<0.05)。【结论】黄土丘陵区典型林分植物生长发育和凋落物的分解主要受N元素限制。刺槐具有良好的固氮作用且生长速率较快,在该地区人工林植被恢复中可着重选择和保护。

黄土丘陵区华北落叶松人工林生态系统生物量与养分循环特征

通过样地调查观测和室内样品分析,对位于山西吉县的23年生华北落叶松人工林生态系统中13种元素的循环特征进行研究。测算得到研究区域人工林生态系统的生物量在各器官的空间分布,结合林木各器官养分含量,得出养分元素在空间变异上的积累与分布;测算四大分室(林木、土壤、枯落物和大气)中其余分室的养分含量和养分积累与分布,得到养分循环过程中华北落叶松人工林养分年归还量134.719kg/(hm^2·a),年存留量53.409kg/(hm^2·a)和年吸收量188.129kg/(hm2·a);最后综合上述的各分室养分循环状况,得出反映该森林生态系统的养分生物循环特征的参数和指标。研究区华北落叶松人工林生态系统内N,P,K的循环系数均值(0.68),表明研究区生态系统循环速率较快;利用系数偏小,储存效率慢,土壤养分利用效率较高;养分元素通过林冠后均明显增加(林冠截留量142.1mm),并且对降水量(587.8mm)要求一般。较高的富集系数使其适应瘠薄自然环境,养分消耗量低。总体来看,华北落叶松是很有潜力的森林更新和荒山造林树种。

乌拉山废弃矿山生态恢复的近自然植被空间配置模式

本研究着眼于废弃矿山立地类型与植被群落特征关系的研究视角,以近自然修复理论为基础探究其植被群落空间配置,为废弃矿区生态修复过程中植被恢复提供理论依据和参考。研究区位于内蒙古乌拉山废弃矿山,采用主成分分析、相关性分析和聚类分析的方法划分立地类型,探究不同立地类型下植物群落特征,从而得到近自然植被恢复的最佳空间配置比例。结果表明:坡度、坡位和土壤硬度为主导因子并据此将该区域划分为9个立地类型。其中,缓坡坡中中质土立地类型和斜坡坡中中质土立地类型在生物量、植被盖度、Margalef丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指数上均大于其他立地类型。就植被配置模式而言,对于生境较差的立地类型如缓坡坡下软质土立地类型,建议配置草本模式(配置比例为多年生草本∶一年生草本=6∶4),对于其他立地条件较好区域,建议配置灌草模式。

基于刺槐年轮重建黄土丘陵区小流域年径流输沙研究

刺槐是广泛分布于黄土高原的典型水土保持植物。以黄土丘陵区甘肃天水吕二沟小流域为研究区,分析了刺槐径向生长过程及其对气候因子的响应,并开展了利用刺槐年轮估算小流域年径流量、年输沙量的适用性评估。研究表明:(1)吕二沟刺槐人工林的径向生长随林龄呈明显的下降趋势,在幼龄林阶段(1—10 a)刺槐处于快速径向生长期((4.17±0.74)mm/a),之后逐渐下降,中龄林、成熟林、过熟林阶段(11—40 a)平均生长速率为(2.31±0.41)mm/a,较前期下降了44.60%。刺槐胸高断面积增量(BAI)在1—10 a平均以(5.46±2.13)cm^(2)/a的速度生长,在11—40 a仍保持上升趋势但年际间生长波动较大,生长速率平均为(10.80±1.95)cm^(2)/a,流域刺槐生长并未发生明显衰退。(2)刺槐的径向生长与温度多呈负相关,与降水、相对湿度及帕默尔干旱指数(PDSI)多呈正相关。其中刺槐径向生长与上年8月、9月(P<0.05)及当年7月均温、最高温呈显著负相关(P<0.01),与当年5月最低温呈显著正相关(P<0.05);与当年6月、7月降水量和上年8月、当年7月相对湿度呈显著正相关(P<0.05),与当年3月相对湿度显著负相关(P<0.05);与上年6月、上年10月—当年1月及当年3月—8月PDSI显著正相关(P<0.05),干旱胁迫明显抑制流域刺槐生长。(3)1978—2017年吕二沟流域年径流量、年输沙量呈减少趋势,年际间波动较大,存在明显丰枯阶段。流域径流输沙受降水量影响显著,且径流输沙显著正相关(P<0.001)。(4)利用刺槐年轮估算吕二沟流域年径流量、输沙量效果良好(P<0.02),方法可行。比较而言,相对自然条件下即人类干扰较少时径流输沙估算优于人类活动影响时期。利用树轮宽度反演水文过程可为缺乏水文观测资料区域提供参考。

澜沧江源区高山柏径向生长对气候变化的响应

为探究澜沧江源区气候变化对高山柏(Sabina squamata)径向生长的影响,在该区巴青县、杂多县和囊谦县分别对高山柏进行采样。运用树木年轮学方法测定3个样地高山柏逐年树轮宽度和胸高断面积增量(BAI),建立高山柏树轮宽度标准年表并分析其对气候变化的响应。研究结果表明,1986—2019年,澜沧江源区年平均温度呈快速上升趋势(0.43℃/10a,P<0.01),年平均最低气温(0.57℃/10a,P<0.01)的上升速率明显高于年平均最高气温(0.33℃/10a,P<0.01),而年降水量呈不显著的上升趋势(2.39mm/a,P>0.10)。气候变暖背景下,澜沧江源区高山柏树轮宽度呈上升趋势(P<0.01),2000—2019年生长速率((0.37±0.16) mm/a)较1986—1999年((0.20±0.09) mm/a)增加了85%;BAI亦上升显著,在1986—1999年一直呈上升趋势((12.16±5.16) mm^(2)/a),2000—2019年处于平稳快速生长阶段((22.49±8.84) mm^(2)/a),表现出稳定且持续的生长能力。高山柏树轮宽度标准年表与气候因素的相关性显示:澜沧江源区高山柏径向生长对温度的响应明显强于降水,与多数月份(上年6月—当年10月)的降水呈不显著正相关,而与多数月份的温度呈显著正相关。与月平均最高温度和平均温度相比,高山柏径向生长与月平均最低温度的相关性更为显著(P<0.01)。在气候暖湿化背景下,近30年澜沧江源区高山柏径向生长进入快速生长时期,树轮宽度和BAI均呈快速生长特征,表明该区域气候条件更加适宜高山柏生长。

北方土石山区冻融与水力复合作用对土壤侵蚀的影响

[目的]揭示冻融与水力作用在不同条件下对北方土石山区土壤侵蚀的影响。[方法]以北京市鹫峰地区土壤为研究对象,采用室内径流冲刷及冻融设备进行模拟试验,探讨在冻融与水力作用下冻融循环次数、坡度、流量、土壤初始含水率和冻融温差这5个影响因素对土壤产沙量与抗冲性的影响。[结果](1)土壤抗冲系数对各因素敏感程度大小为坡度>流量>冻融温差>冻融循环次数>初始含水率,其中坡度与流量对其具有显著影响(p<0.05);土壤产沙量对各因素敏感程度大小为流量>坡度>冻融温差>土壤含水率>冻融循环次数,其中流量对其具有极显著影响(p<0.01),坡度与冻融温差对土壤产沙量具有显著影响(p<0.05)。(2)冻融循环次数、坡度及流量的大小与土壤抗冲系数呈负相关,冻融温差大小却与其呈正相关,而抗冲系数随土壤初始含水率的增加呈先减小后增大的趋势。(3)土壤产沙量随流量、坡度和冻融循环次数的增大而增大,随着冻融温差整体温度的增大而减小;随着土壤含水率的增加,土壤产沙量呈先增大后减小的趋势;在冻融循环次数为7,10次时,土壤产沙率在径流冲刷中期(3~6 min)有峰值出现(96.7~99.7 g/min),随后趋于平稳。[结论]北方土石山区土壤在冻融与水力复合作用下受多种因素影响密切,研究结果有助对该地区复合侵蚀防治及合理配置水土保持措施提供理论支持。

智慧水箱径流调控效益研究

[目的]探究智慧水箱的径流调控效益变化规律,定量解析关键因素对其径流调控效益的综合影响,以期为智慧水箱的水文设计和径流调控效益评估提供科学参考。[方法]基于日降雨和日需水数据,构建智慧水箱水量平衡模型,采用雨水截留率、溢流率和溢流频率3个指标综合评估智慧水箱的径流调控效益,分析了智慧水箱的径流调控效益变化规律,定量解析水箱容积、水箱排放上限和降雨强度对智慧水箱径流调控效益的影响。[结果](1)智慧水箱和普通水箱雨水截留率相等,均随水箱容积的增大而增加。水箱容积为0~100 m^(3)时,雨水截留率为0~87%;(2)智慧水箱的溢流率比同容积普通水箱低0~19%,且溢流率随水箱排放上限的增大而减小;(3)智慧水箱的溢流频率比同容积普通水箱低0~13%,且溢流频率随降雨强度的增大而增加。[结论]智慧水箱径流调控效益优于普通水箱,可以通过增加水箱容积和排放上限,降低强降雨条件对智慧水箱径流调控效益的影响。

晋西黄土区典型森林植被耗水规律与环境因子关系研究

森林植被耗水规律是森林植被对水文过程影响机理研究的基础与核心。以典型黄土区山西省吉县蔡家川流域为研究区域,依托国家级森林生态系统定位观测站,对研究区典型森林蒸散耗水及其环境因子进行定量监测,定量分析蒸腾、蒸发等各蒸散的强度与环境因子的关系,分析研究区典型森林植被结构对植被耗水特征的影响。土壤蒸发实验运用称重法,树木蒸腾实验采用热扩散式茎流计法,并结合环境因子调查,对观测结果进行研究分析,结果表明:土壤的蒸发量与地表植被状况以及土壤温度有关;树木蒸腾耗水与土壤含水量、降雨量、冠幅、树龄的线性关系显著。综合分析可知,影响森林耗水最直接的因素就是土壤水分的变化,若土壤含水量较小,则森林植被首先满足自身对水分的需求。在造林时,可以根据不同苗木的水分需求以及当地的土壤水分含量对林木种类进行选取,可以有效减少当地森林水分的消耗。

不同滴灌带布设方式对苹果-大豆间作系统土壤化感物质与微生物的影响

为探究不同滴灌带布设方式对果农间作系统土壤酚酸类物质、酶活性和微生物分布特性影响,初步探明间作滴灌条件下,土壤酚酸类物质与土壤生物因子的相互关系。以晋西黄土区典型的苹果—大豆间作系统为研究对象,设置3种(L1、L2、L3)滴灌带间距,分析不同水分分布下土壤酚酸类物质、酶活性和微生物数量的空间分布变化,并在相关性基础上利用逐步回归模型,分析3个土壤因子之间的相互关系。结果表明:除苯甲酸和间苯三酚外,滴灌带间距对酚酸类物质分布影响显著(p<0.05),除过氧化氢酶外,滴灌带间距对酶活性、微生物数量分布有显著影响(p<0.05)。在垂直方向上,不同滴灌带布设方式使酚酸更多地分布在深层土壤,微生物数量和部分酶活性在L1、L2处理中随土层加深而先减后增;在水平方向上,不同滴灌带布设方式对土壤酚酸类物质、细菌和真菌分布影响与间作对照处理一致,随距树距离增加而增加。滴灌条件下,除对羟基苯甲酸外,酚酸类物质受脲酶、过氧化氢酶和放线菌的抑制作用显著,间作处理土壤酚酸总量较单作有所减少。L1处理土壤酶活性、微生物总量最高,L2处理土壤酚酸类物质累积量最低。其中L2处理在酚酸累积量最低的基础上,土壤酶活性也处于较高水平,因此,建议在果农间作系统中采用隔行大豆布设滴灌带模式,改善土壤微生态环境的同时可缓解化感物质的抑制作用。

晋西黄土区不同密度刺槐林枯落物层水文生态功能研究

为对比分析林分密度对枯落物层水文生态功能的影响,以晋西黄土区6种不同密度(475,900,1 200,1 575,1 825,2 350株/hm^2)刺槐(Robinia pseucdoacacia)人工林为对象,采用样地调查与室内试验相结合的方法,对其枯落物层总厚度、总蓄积量、最大持水量、有效拦蓄量、枯落物持水量与浸水时间的关系、枯落物吸水速率与浸水时间的关系等水文特征进行研究,以期从中提出该区刺槐林经营的合理密度,为充分发挥水土保持功能、实现功能导向型植被调控与优化配置提供理论依据。结果表明:(1)研究区6种密度刺槐人工林枯落物总厚度变化范围为28.67~54.33mm,总蓄积量为2.98~10.65t/hm^2,且在一定范围内,随林分密度增大,枯落物蓄积量出现先增加后减少的变化趋势,6种密度枯落物蓄积量由大到小依次为1 575株/hm^2>1 825株/hm^2>1 200株/hm^2>900株/hm^2>2 350株/hm^2>475株/hm^2;(2)枯落物最大持水率的变动范围为295.35%~427.84%,无明显的规律性;最大持水量为11.16~37.01t/hm^2,在一些林分间差异显著,表现为随密度的增加呈先增大后减小的趋势,密度为1 575株/hm^2的林分枯落物持水性能表现最好,达37.01t/hm^2;半分解层枯落物持水量均高于未分解层;不同密度刺槐林枯落物的吸水速率与密度关系不显著;(3)各林分枯落物有效拦蓄量为7.22~23.64t/hm^2,其中以1 575株/hm^2的有效拦蓄能力最强,为23.64t/hm^2;(4)枯落物持水量与浸水时间之间存在明显的对数函数关系:Q=aln t+b,R2>0.95;枯落物吸水速率与浸水时间之间存在明显的幂函数关系:V=ktn,R2>0.99。综上所述,在本研究范围内,林分密度在1 575株/hm^2时枯落物层表现出较好的水文生态功能,当密度低于1 200株/hm^2,枯落物层水文效应急剧下降;从枯落物水文功能角度,建议今后研究区刺槐林的经营密度以1 200~1 800株/hm^2为适宜调控范围。

晋西黄土区典型林分枯落物层水文生态特性研究

选择山杨栎类次生林(以下简称次生林)、刺槐林、侧柏林、油松林为研究对象,通过样地调查,结合室内浸泡方法,对比分析枯落物(未分解层、半分解层)的水文特征指标,研究典型林分枯落物层水文生态特性。结果表明:(1)枯落物厚度为3.93~4.95 cm,刺槐林最大,油松林最小;蓄积量为次生林最大(19.28 t/hm^2),侧柏林(18.03 t/hm^2)和刺槐林(17.57 t/hm^2)次之,油松林最小(14.73 t/hm^2),未分解层蓄积量小于半分解层。(2)枯落物最大持水量(率)为30.92~61.31 t/hm^2(197%~320%),次生林最大,依次为刺槐林、侧柏林,最小为油松林。(3)枯落物有效拦蓄存在显著差异(P>0.05),表现为次生林(31.29 t/hm^2)>刺槐(22.20 t/hm^2)>侧柏(18.19 t/hm^2)>油松(13.94 t/hm^2),有效拦蓄率为107%~173%。(4)在浸水2 h内,枯落物持水量和吸水速率变化以次生林与刺槐林最为迅速,半分解层较未分解层变化迅速;持水过程中,两者与时间分别呈对数函数(R 2>0.89)和幂函数关系(R 2>0.99)。在4种林地中,次生林林下枯落物水文生态潜力最优,油松纯林最差,表现为次生林>刺槐>侧柏>油松。刺槐是除次生林外的3种人工林中最优林种。建议研究区内合理优化恢复树种配置,以提高水文生态功能。

昕水河流域“水文法”基准期降水输沙相关关系统计方法研究

【目的】基于昕水河流域日尺度降雨和输沙数据,分析1958−2015年昕水河流域降水与输沙变化趋势及相关关系,比较年降雨量、汛期降雨量、侵蚀性降雨量、轻度产沙降雨量、中度产沙降雨量、强度产沙降雨量等6种统计标准和降水空间分布对“水文法”基准期分析降水输沙相关关系的影响,筛选最佳的降水输沙相关关系统计方法,提高“水文法”的计算精度。【方法】利用Mann-Kendall非参数检验方法分析降水量与输沙量变化趋势,双累积曲线法判定“水文法”基准期,Pearson相关分析法比较水沙关系相关性结果。【结果】昕水河流域年降水量无显著变化趋势,年输沙量呈显著下降趋势;6种统计标准下的水沙关系相关性由高至低依次为:强度产沙降雨量、年降雨量、侵蚀性降雨量、中度产沙降雨量、轻度产沙降雨量、汛期降雨量;低降雨强度但高降雨量降雨事件对研究区产沙贡献小,剔除产沙无效降雨能提高水沙关系相关性;午城、黄土、蒲县雨量站水沙关系相关性较好,大宁、桑峨雨量站水沙关系相关性较差。【结论】昕水河流域年输沙量变化与三北防护林及淤地坝建设等地表人类活动变化直接相关;研究区的产沙主要发生在夏秋季的强降雨事件中,强度产沙降雨量用于降水输沙相关关系研究结果最优,汛期降雨量不适用于降水输沙相关关系研究,产沙无效降雨会增加水沙关系研究的偏差,在缺乏降雨强度准确数据时,应选择降雨历时短、降雨量大的产沙有效降雨进行水沙关系分析;在流域尺度,降水空间分布对降水输沙相关关系有影响,距流域出口站距离较近雨量站降水数据的水沙相关关系较好。

不同水热调控方式对苹果-大豆间作系统土壤温度和根系分布的影响

为探究适于黄土区果农间作系统的水热调控方式,选取该区典型的苹果—大豆间作系统为对象,分析不同水热调控方式对间作系统耗水量、土壤温度及根系分布的影响。试验设置3个灌水量上限:田间持水量的50%(W1),65%(W2)和80%(W3);2个覆膜时间:大豆播种至结荚期(M1)和全生育期覆膜(M2)。结果表明:灌水处理的耗水量与灌水量呈正相关,其耗水量较对照提高1.02%~79.11%。土壤温度在分枝和结荚期随土层深度的增加先增后减,最大值出现在15 cm,而在鼓粒期却呈减小趋势。覆膜在生长前期可增温1.13~3.09℃,而在后期降温0.05~2.36℃。间作系统中作物根系在竖直和水平方向上主要分布范围为0—80 cm深度和距树行0.3~1.8 m。土壤有效积温和根系竞争强度总体上随灌水量的增加先增后减,最大值出现在W2;同时,M1组根系竞争强度较M2提高12.69%。相关分析表明,土壤水分与根系呈极显著负相关性。中等水平的灌水结合播种至结荚期覆膜能最大程度地提升作物根系密度,改善土壤物理性质。建议在幼龄果树间作大豆系统中采用半生育期覆膜(M1)结合田间持水量的65%作为灌水上限(W2)。

近60年山西省降雨侵蚀力时空变化特征

[目的]揭示降雨引发区域土壤侵蚀的潜在能力,分析降雨侵蚀力时空变化特征,为区域生态建设和水土流失治理提供科技支撑。[方法]基于近60 a(1960—2020年)山西省气象站点均一化逐日降水数据,采用线性回归及Mann-Kendall非参数检验、Hurst检验和地理信息空间插值等方法对山西省降雨侵蚀力变化趋势和时空分布特征进行分析,探讨了近60年山西省降雨侵蚀力时空变化。[结果]山西省1960—2020年多年平均降雨侵蚀力变化范围为828.29~3002.21 MJ·mm/(hm^(2)·h),最低值出现在1997年,最高值出现在1964年;各站点的降雨侵蚀力年际变化趋势迥异,其中五台山站呈显著下降趋势,除侯马站外,其他站点均呈下降趋势,且Hurst指数均高于0.5,表明该下降的趋势将长期持续;山西省多年平均降雨侵蚀力空间分布呈现东南高西北低的特征,且与降雨侵蚀力与地形存在一定的正相关关系。[结论]山西省大部分地区降雨侵蚀力呈下降趋势,黄河沿线表现为上升趋势,未来水土保持与生态治理工作依旧艰巨,应进一步加强山西省黄河沿线生态建设与水土流失综合治理。

甘肃省小陇山林区降雨型浅层滑坡汇水面积-坡度关系及其影响因素

沟头发生侵蚀的地形临界模型可有效预测侵蚀沟的形成条件,浅层滑坡失稳形成的洼地也是沟头形成的方式之一。为探究浅层滑坡临界起动模型的特点,以甘肃省天水市小陇山林区的降雨型浅层滑坡为研究对象,运用汇水面积-坡度关系,构建临界起动模型,与黄土高原典型侵蚀沟(浅沟、切沟)的临界起动模型进行对比分析,并探讨土地利用类型、植被类型和土壤质地对该模型的影响。结果表明:(1)浅层滑坡临界起动模型为S=3.50 A s-0.34,其侵蚀阈值为3.50,大于黄土高原典型浅沟(0.96)和切沟(1.54)的侵蚀阈值。研究区浅层滑坡一般发生于土层较薄的陡坡地带,其平均坡度(S=1.26)大于浅沟(S=0.35)与切沟(S=0.46),单位汇水面积(A=89.08 m^(2)/m)小于浅沟(A=920.93 m^(2)/m)和切沟(A=1129.82 m^(2)/m)。(2)汇水面积与坡度平方的乘积(AS 2)代表了沟头产生侵蚀的能量指标值。研究区浅层滑坡AS 2值在269.1~5703.2 m^(2),平均值为1772.97 m^(2),黄土高原浅沟AS 2值在4.74~892.66 m^(2),切沟在41~814 m^(2),启动能量值方面,浅沟<切沟<浅层滑坡。(3)土地利用类型、植被类型和土壤质地通过影响土壤的抗冲力、渗透性和黏粒含量,从而对浅层滑坡的起动难易程度产生影响。在不同的土地利用方式中,农地最易发生侵蚀,其次是林地。油松林附近浅层滑坡的抗侵蚀能力高于日本落叶松林。研究结果为探究浅层滑坡的起动条件提供理论依据。