黄土丘陵沟壑区退耕地植被恢复中生物土壤结皮特征

以黄土丘陵沟壑区安塞县墩滩山的退耕地为研究对象,分析了退耕地植被自然恢复过程中生物土壤结皮的特点及其对土壤水分、土壤有机质和土壤侵蚀的影响。结果表明:(1)生物土壤结皮的盖度随着退耕年限的增长不断增大,结皮的厚度也渐渐增加,且稳定在0.1~0.3 cm之间;(2)有结皮样地0—40 cm土层的土壤含水量一般比对照样地的土壤含水量要低,有结皮样地和对照土壤含水量都随土层深度逐渐升高,但升高幅度逐渐变小;(3)有生物结皮的样地土壤表层0—10 cm有机质含量比对照样地有机质含量大;10—20 cm土层有生物结皮的样地比对照样地有机质含量也高,但是差异不如0—10 cm土层明显;(4)随着退耕年限的增长,土壤侵蚀量逐渐减少,与退耕初期相比,退耕10 a以上样地土壤侵蚀量可减少30%~80%。说明在退耕地植被恢复的过程中,生物结皮改善了土壤表层性质,增强了土壤抗侵蚀能力。     

黄土高原表层土壤孔隙性状与穿透阻力对藓结皮发育的响应

为探明生物结皮如何改善土壤物理性质从而促进水土保持,针对黄土高原风沙土和黄绵土上发育的藓结皮,以无结皮为对照,原状取样后分别使用高分辨率CT扫描仪和高精度土壤贯入仪测定其孔隙性状与穿透阻力,并构建结构方程模型剖析生物结皮对土壤孔隙度和穿透阻力的作用途径。结果表明:藓结皮发育改变土壤孔隙特征参数,并显著提高表层0—2 cm土壤总孔隙度(p＝0.01),在此土层内,风沙土和黄绵土上藓结皮的总孔隙度比无结皮分别增加1.62,2.12倍,且藓结皮的孔隙度随土层深度增加呈指数降低。藓结皮和无结皮的土壤面孔率在0—1 cm土层内均急剧下降,但藓结皮整体面孔率显著高于无结皮(p＜0.001)。随土层深度增加,藓结皮的土壤穿透阻力总体呈增大趋势,但在结皮层中部发生突变,越过结皮层后趋于平稳。在2种土壤上,藓结皮的面孔率与穿透阻力均呈对数负相关关系,无结皮中则分别呈线性正相关和对数负相关关系。黄土高原藓结皮通过改变孔隙度和机械组成等间接途径,极显著地提升表层土壤穿透阻力,增强土壤表面稳定性,为区域水土保持和生态恢复提供有利条件。     

黄土高原典型地区不同植被覆盖下坡面土壤侵蚀阈值研究

为了分析植被覆盖对黄土高原坡面水土流失的影响，量化土壤侵蚀的植被覆盖阈值，基于模拟降雨数据分析了植被覆盖对土壤侵蚀的作用机制，利用绥德、西峰、天水等黄土高原高原典型地区的野外径流小区定位观测资料，探讨了不同覆被类型下植被覆盖控制径流和土壤侵蚀的有效性，确定了不同覆被类型下植被覆盖调控径流和防治土壤侵蚀的植被覆盖下限阈值和上限阈值。结果表明：(1)植被覆盖度的提高增加了土壤入渗、减少了径流量、延缓了径流流速、增加了土壤抵抗侵蚀的能力。(2)坡面径流量随植被覆盖度呈幂函数或指数函数下降，土壤侵蚀量随植被覆盖度呈指数函数、幂函数或者对数函数下降。(3)总体而言，不同地区植被控制土壤侵蚀的下限阈值在20%～30%,上限阈值在50%～70%。(4)土壤质地、植被类型、甚至植被的根系特征对植被控制径流和土壤侵蚀的效益有重要影响。研究结果为黄土高原水土保持工作提供研究依据。     

深松耕作和秸秆还田对农田土壤物理特性的影响

[目的]为了增加中国干旱半干旱地区农田土壤蓄水保墒能力。[方法]采用野外试验和室内分析相结合的方法研究了深松和深松结合秸秆还田耕作技术对晋中北部地区两种主要类型土壤物理特性的影响。[结果]深松可以打破土壤犁底层,显著降低黏土和壤土10—30cm土层范围内的土壤容重;调节土壤孔隙度,增加了黏土10—30cm土层范围内的土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度,同时增加壤土10—30cm土层土壤总孔隙度、毛管孔隙度和20—30cm土层土壤非毛管孔隙度;改善黏土和壤土20—30cm土层土壤固、液、气3相状况;深松结合连年秸秆还田进一步优化了壤土耕层环境,同时显著降低了玉米拔节期土壤地表结皮的厚度和紧实度。[结论]深松结合连年秸秆还田和深松耕作技术可以缓解土壤板结状况,增加降雨入渗。     

陕北水蚀风蚀交错区两种生物结皮对土壤饱和导水率的影响

该文以陕北水蚀风蚀交错区普遍发育的地表和地上两种生物结皮为研究对象，分别以3种非生物结皮（无结皮、物理结皮、去除生物结皮）为对照，使用盘式入渗仪测定其饱和导水率。结果表明：与无结皮土壤相比，两种类型生物结皮均可极显著降低土壤饱和导水率；与去除生物结皮土壤相比，两种类型生物结皮对土壤饱和导水率的降低均不显著；与有物理结皮发育的土壤相比，地表生物结皮对土壤饱和导水率的降低不显著，而地上生物结皮对土壤饱和导水率的降低显著。一方面，两种生物结皮对土壤饱和导水率均有明显降低作用，预示生物结皮在降雨活动中可能会增加径流、降低入渗，阻碍研究区水分亏缺条件下的植被恢复和生态与环境建设。另一方面，与不同的对照相比，生物结皮对土壤饱和导水率的影响截然不同，该结论可在一定程度上解释当前有关生物结皮影响土壤水分入渗方面所存在的分歧。     

人工降雨条件下秸秆覆盖及留茬的水土保持效应

通过人工模拟降雨试验,研究了秸秆覆盖及留茬的水土保持效应。结果表明,秸秆覆盖和留茬均可延缓径流产生,其中5 000和3 000 kg/hm2秸秆覆盖分别能使初始产流时间延后427%和19%,而30 cm高留茬及15 cm低留茬覆盖则可分别延后初始产流时间107%和76%。5 000 kg/hm2覆盖量下累积径流量较对照减少了61.72%,土壤侵蚀量减少了86.7%;3 000 kg/hm2覆盖量下累积径流量减少了6.26%,土壤侵蚀量减少了60.1%,实施覆盖能够有效抑制水土流失,且以高覆盖量的作用效果更为显著。30 cm高留茬的土壤侵蚀量较对照减少了62.9%,15 cm低留茬覆盖减少25.6%,留茬能够有效防止土壤侵蚀,但对径流量无明显影响。     

草地雀麦坡地水土保持作用的研究

为研究草地雀麦的水土保持作用,在延庆县选择25。坡地建立了相应的径流试验小区,并对土壤侵蚀量、土壤水分、土壤紧实度以及根系地下生物量等指标进行了测定。结果表明,种植草地雀麦能显著减小荒坡地水土流失。土壤侵蚀量随植被覆盖度增加而逐渐减小,当植被覆盖度为90％时,年径流量和侵蚀模数仅为14233．19m^3／km^2和57．82t／（km^2·a）,保水固土能力分别可达67．8％和98．31％。种植草地雀麦后,浅层（0～30cm）土壤的紧实度显著增加,10cm土层深度处是对照地的1．72倍,雨后土壤水分动态变化趋势平缓,保水效果显著;草地雀麦根系的98．1％集中分布于0—30cm土层。     

降雨侵蚀因子和植被类型及覆盖度对坡耕地土壤侵蚀的影响

为探讨降雨和植被对辽西褐土区农耕坡地土壤侵蚀的影响,2006-2010年采用坡面径流小区观测法研究了天然降雨条件下降雨侵蚀因子、植被覆盖度、植被类型对坡耕地地表径流量、土壤侵蚀量的影响。设5°和10°两个坡度水平,以甘薯和谷子为供试作物,2006-2007年对照区为天然荒草地,2008-2010年为裸坡地。结果表明,甘薯地径流量和侵蚀量与降雨量(R)、最大30 min雨强(I_(30))、R×I(平均雨强)、R×I_(30)正相关显著(P0.05);裸坡地径流量与R、R×I_(30)正相关显著(P0.05),侵蚀量与I_(30)、R×I_(30)正相关显著(P0.05),与降雨量相关不显著(P0.05)。甘薯地和裸坡地的径流量和侵蚀量与平均降雨强度正相关均不显著(P0.05)。回归分析表明,降雨量主要影响径流量,最大30 min雨强主要影响侵蚀量。中、高雨强下,侵蚀量与径流量显著正相关(P0.01)。甘薯地径流量和侵蚀量与植被覆盖度呈显著负指数关系(P0.05)。5°坡耕地,不同植被类型侵蚀量为甘薯地荒草地谷子地;10°坡耕地,荒草地侵蚀量总体最少。多元回归分析表明,对土壤侵蚀的影响为地表径流降雨侵蚀力(R×I_(30))植被覆盖度。通过连续5 a坡面径流小区观测,初步探明降雨和植被对辽西褐土区农耕坡地土壤侵蚀的影响,可为该区坡耕地土壤侵蚀的有效防治提供一定的理论依据和技术支撑。     

人工生物质结皮对黄土边坡微生态环境及植被恢复的影响

针对黄土干旱阳坡植被恢复问题,以山西省方山县黄土弃土边坡为研究地,在2012年4月26日和7月20日分别布设人工生物质结皮进行试验,并于11月30日结束全部试验。通过2次试验研究人工生物质结皮在黄土边坡植被恢复过程中对土壤微生态环境的改善及对植被生长的影响。结果表明:1)人工生物质结皮可提高浅层土壤温度,最高达1.9℃;2)人工生物质结皮可增加土壤含水量,10 cm土层土壤含水量比对照区高35.8%;3)人工生物质结皮对边坡侵蚀具有防护作用,结皮区降雨形成的水蚀细沟体积小于对照区的1/2;4)氮源肥料和碳源生物高分子同时施用时边坡植物生物量超过二者单独使用时的4倍;5)人工生物质结皮可促进土壤种子库植物的萌发,其中土壤种子库植物占结皮区植物生物量的83.06%;6)人工生物质结皮区植被盖度超过90%,远高于裸露黄土对照区和自然坡面的30%和35%的覆盖率,植物鲜质量生物量达1.65 t/hm2,分别为自然坡面和对照区生物量的10.50和20.48倍;7)利用人工生物质结皮可以在一个生长季内在黄土边坡形成高盖度植被,这种方法适用于水土流失严重的黄土丘陵沟壑区的边坡植被快速恢复。     

黄河三角洲滩地不同植被类型的土壤贮水功能

以滩涂裸地为对照,对黄河三角洲滩地乔木林、灌木林、草地及农田等4种植被类型改良土壤的盐碱程度、容重和孔隙度状况、土壤入渗性能及蓄水能力进行对比研究.结果表明:不同植被类型均具有一定的压碱抑盐效应.且表土层盐碱含量多低于20-40 cm土层;同时降低土壤容重,增加土壤孔隙度的效应显著,并且对土壤表层的改良效果好于20-40 cm土层.不同植被类型均能改善土壤入渗性能.渗透性能由强到弱表现为乔木林>灌木林>农田>草地,其平均渗透速率分别是滩涂裸地的4.9,3.7,2.9,1.9倍.不同植被类型的土壤饱和蓄水量、毛管蓄水量、非毛管蓄水量均表现为乔木林>灌木林>草地>农田,其饱和蓄水量分别比滩涂裸地高18.3%,11.8%,3.7%和3.5%;土壤涵蓄降水量和有效涵蓄量大小均表现为乔木林>草地>灌木林>农田,且0-20 cm土层的贮水性能均好于20-40 cm.     

土壤结皮对黑土区坡面产流产沙的影响

土壤结皮对坡面产流形成和侵蚀过程有重要的影响。基于室内人工模拟降雨试验,研究了土壤结皮对黑土区坡面产流产沙的影响。结果表明:土壤结皮促使坡面产流提前发生,但对坡面产流量的影响不甚明显;对坡面侵蚀产沙量却有明显的作用。试验条件下,5°坡面有土壤结皮处理的坡面侵蚀产沙量较无土壤结皮处理减少了54%。有土壤结皮处理的10°坡面,在降雨过程中结皮尚未破坏前,其坡面侵蚀产沙量较无土壤结皮处理的对照减少了40%;一旦土壤结皮被破坏,之后的坡面侵蚀产沙量较无土壤结皮处理的对照增加了46%;在整个降雨过程中,10°有土壤结皮处理的坡面侵蚀产沙量较无土壤结皮处理增加了16%。表明土壤结皮对坡面侵蚀的影响与地面坡度有密切关系。     

黄土高原水蚀风蚀区坡地土壤水分季节变化及水分利用效率

通过建立径流小区对黄土高原水蚀风蚀交错区3种典型植被措施下水量平衡进行定位观测研究,分析3种植被措施对土壤水分的季节变化与水分利用效率的影响。结果表明,整个生长季节内3种植被措施下土壤表层5cm温度显著低于空气温度;土壤表层0-6cm水分季节性波动受到降雨的强烈影响。3种植被措施对剖面土壤水分季节变化产生显著影响,5-7月份为土壤水分消耗期,8-10月份为土壤水分补偿期。土壤垂直剖面含水量从表层到深层表现为先增加后减小再增加的趋势。3种植被措施对相同地形部位土壤水分所造成的差异不同,同一植被的土壤水分在不同地形部位也有差异。坡耕地(当年种植绿豆)径流系数为0.238,显著高于撂荒地与苜蓿地。3种植被措施下生物产量、水分利用效率均达到显著差异水平(p<0.05)。紫花苜蓿水分利用效率分别是绿豆、绿豆籽粒水分利用效率的1.9倍和8.3倍。坡耕地退耕还草或者建设人工植被等措施增强了对径流的拦蓄作用,具有较好的水土保持效应,同时提高了植物水分利用效率。     

人工龙须草与紫穗槐的水土保持效应

为解决豫西南丘陵坡地的水土流失问题,开展了种植龙须草、紫穗槐与次生植被的对比试验。结果表明,人工种植龙须草、紫穗槐改善了土壤的物理性状效果显著(p<0.05),使土壤容重分别降低了9.15%和10.56%,土壤总孔隙度分别增加了10.56%和12.28%;土壤非毛管孔隙度分别增加了38.64%和42.93%;土壤毛管孔隙度分别增加了4.78%和5.98%。种植龙须草、紫穗槐土壤蓄水保水能力提高显著(p<0.05),其中土壤毛管最大持水量分别增加了15.35%和18.49%,土壤饱和含水量分别增加了18.14%和19.57%,土壤饱和贮水量分别增加了4.10%和4.42%。人工种植龙须草、紫穗槐土壤的渗透率提高显著(p<0.05),其分别是次生植被的2.09倍和2.17倍。茎叶吸水率:龙须草>紫穗槐>次生植被。试验还表明,种植龙须草和紫穗槐3a后,地面径流深、土壤侵蚀量和土壤养分流失量低于次生植被。     

人为加速侵蚀对土壤退化的影响

应用人工降雨试验及野外小区观测资料,分析了人为加速侵蚀对土壤退化的影响。结果表明:植被破坏后,由于土壤侵蚀加剧,使土壤表层每年流失0.8cm左右;林草地在开垦的第一二年,土壤养分损失量较大;损失的养分大部分随土壤的流失而流失,使泥沙养分富集,泥沙中速效磷与土壤中速效磷富集化高达1.4～3.41;大量肥沃表土流失使土壤容重增大,土壤孔隙度下降,土壤平均入渗速度较林草地减少60%～70%;夏季土壤表层温度较林地升高10℃左右,使土壤水的损失加快,导致农作物旱情加重,环境质量变差。     

南方红壤区植被结构类型与降雨模式对林下水土流失的影响

植被和降雨是水土流失的关键因素,探究二者对水土流失的影响对开展水土保持具有重要意义。该研究基于鹰潭红壤生态试验站5种植被结构类型的径流小区2016-2018年93次降雨、径流、泥沙观测资料以及各小区植被结构参数,利用自组织映射(self-organizing maps,SOM)方法,根据雨量、历时、60 min最大雨强、平均雨强、降雨集中性等特征指标划分降雨模式,研究了不同降雨模式和植被结构类型的水土流失特征,并采用冗余分析(RDA)定量研究降雨与植被对林下水土流失的影响。结果表明,SOM方法能客观识别红壤区4种典型侵蚀降雨模式,R_Ⅲ模式(短历时、大雨强、雨量集中)是造成水土流失的主要降雨模式,R_Ⅳ模式(多雨量、大雨强、长历时)最具侵蚀性破坏力;植被结构类型显著影响水土流失,水土保持功能从大到小依次为:灌草混交林、草地、低灌林、乔木林、高灌林。RDA分析表明,降雨模式与植被结构类型能够改变降雨、植被对水土流失的影响,随着降雨模式由弱到强转变,植被的水土保持功能逐渐减小,降雨影响增强,水土流失由植被主控演变为平衡控制、降雨主控;随着植被结构类型由近地表植被向灌木、乔木的变化,植被的调节能力减小,降雨影响增强。     

Effects of soil crust and crop on runoff and erosion in Loess Plateau

Soil crust formed after rainfall has a strong influence on soil erosion, water use, and crop growth on sloping farmland. To study the effect of soil crust on sloping farmland on runoff amount and erosion sediment yield, the soil crust on sloping farmland has been studied in this paper for plantings of corn, soybeans, millet, and winter wheat. Using an outdoor rainfall simulator, the influence of soil crust on runoff rate and sediment yield on sloping farmland covered by crops has been observed. The results revealed that soil crust thickness was increased after rainfall and soil crust coverage showed little change after rainfall. Soil crust had a significant impact on runoff and sediment yield on sloping farmland. Slopes with soil crust showed higher runoff rate and less soil loss than slopes without soil crust. On slopes planted with four crops (corn, soybeans, millet, and winter wheat), runoff rates on slopes with soil crust were respectively 20%, 25%, 25%, and 21% higher than on slopes without soil crust; sediment yield on slopes with soil crust was respectively 15%, 14%, 14%, and 8% lower than on slopes without soil crust. Crops enlarged the runoff difference between the two kinds of slope and decreased the sediment yield difference between them. Crop growth enhanced these differences in runoff and sediment yield between slopes with and without soil crust.     

人工模拟降雨供水水质对坡面产流产沙的影响

利用黄土高原2种典型的土壤类型(黄土和塿土),在2个降雨强度(45.5,95.5mm/h)和2个坡度(8.7%,25.9%)条件下进行了人工模拟降雨试验,研究了3种水质(去离子水、自来水、盐水)对坡面产流、产沙过程的影响。结果表明,2种土壤类型的产流过程差异显著,黄土条件下去离子水最先产流,但产流速率小于自来水与盐水;而塿土条件下去离子水的产流速率始终最大,自来水与盐水由于离子数量相当,产流速率差异较小。水质主要通过地表结皮的形成与发育影响径流,以总降水量45.5mm为例,径流深随供水电导率的增大而减少,与去离子水相比,黄土条件下自来水和盐水的径流分别减少了5.7 mm和1.5mm,而塿土条件下分别减少了7.2mm和9.8mm。受产流过程的影响,不同供水水质条件下产沙过程不一,产沙速率与产流速率变化同步。2种土质条件下产沙量均是去离子水最大,与去离子水相比,自来水和盐水分别减少了45.9%,35.8%(黄土)和65.6%,68.3%(塿土),结果显示模拟降雨水质会显著影响坡面产流产沙过程,为保证试验数据的准确性和可对比性,建议在进行人工降雨相关试验时均采用去离子水。     

红壤区裸露坡地不同类型次降雨的产流产沙规律

为探究红壤区裸露坡地在不同类型次降雨下的产流产沙规律,研究收集长汀县水土保持科教园红壤裸露坡地径流小区2013年1月至2020年12月共388场降雨—径流—土壤侵蚀观测资料,采用K-means将降雨划分为4类进行分析。结果表明:(1)主要降雨类型有A(短历时、大雨强、小雨量、低频次)、B(长历时、小雨强、大雨量、中频次)、C(中等历时、小雨强、小雨量、高频次)3类,B、C为研究区主要产流产沙来源,贡献85%以上的径流和土壤侵蚀量。(2)次降雨径流深及土壤侵蚀量与降雨量(P)、最大30 min雨强(I₃₀)和降雨动能(E)呈线性正相关,与降雨侵蚀力(EI₃₀)呈幂函数关系。但降雨特征对产流产沙的总解释度小于65%,且随着降雨历时的增加而减小。(3)降雨特征与产流产沙存在3种约束关系,其约束线表明降雨特征对次降雨潜在最大产流产沙的影响。其中,潜在最大径流深主要由P和E决定,潜在最大土壤侵蚀量的上限为800~900 t/hm²。从降雨特征单因子影响、综合影响和约束效应3个方面分析了红壤裸露坡地的产流产沙特征,为红壤区水土流失防治提供了数据基础。     

密云水库上游流域次降雨坡面产流产沙特征

以北京市密云县石匣小流域为研究区,利用2006-2010年连续5 a的坡面径流试验小区观测资料,运用统计方法,分析了密云水库上游流域的降雨、产流产沙特征以及在不同土地利用和不同坡度条件下,降雨量、降雨强度与产流、产沙之间的关系。结果表明:1)该研究区域水土保持治理措施实施的关键时间为每年的7、8月份,当降雨量大于10 mm时,应注意采取水土保持措施;2)在裸地、耕地和林地条件下,高雨量、中雨强型降雨为导致产流、产沙的主要雨型,在草地条件下,中雨量、高雨强型降雨为导致产流、产沙的主要雨型;3)中雨量高雨强型降雨条件下,林地的减流效益最好,低雨量低雨强型降雨和高雨量中雨强型降雨条件下,耕地的减流效益相对较低,草地和林地的减流效益差异不大;在3种不同雨型条件下,耕地、草地和林地的减沙效益差别不大;4)裸地条件下,降雨量与产流量间的关系更为密切,尤其在14.4°坡面下相关性最高;耕地条件下,产流量与降雨量的相关性较好,产沙量则与降雨强度的相关性较好,11.4°的坡面产流量、产沙量与降雨因子间的相关系数最高;草地条件下,降雨强度与产流量间的关系较为密切;林地条件下,产流量、产沙量与降雨因子间的相关性均不显著。研究结果可为密云水库上游水土保持措施及农业面源污染管理措施的科学实施提供依据。     

遂宁组母质封禁后的土壤侵蚀规律分析

通过遂宁市水土保持试验站母质侵蚀观测场长期连续观测试验,收集1991—2000年资料,采用数据分析方法,对遂宁组紫色土母质侵蚀规律进行了研究。结果表明:(1)母质侵蚀区在封禁10 a内的年际地表径流模数与年际降雨量变化趋势一致,而土壤侵蚀模数总体呈现逐年下降趋势;(2)径流深与降雨量呈正相关,与降雨时间呈负相关。(3)降雨量和平均降雨强度两因子对土壤侵蚀量影响不显著,土壤侵蚀量与地表径流深在封禁期前4 a内能建立回归方程。由此认为,采用封禁管理来防治紫色土母质侵蚀可行,封禁至少8 a以上土壤侵蚀强度类型才由剧烈侵蚀逐渐转化为轻度侵蚀。