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黄土区人工柠条地土壤水文性质的时空变异性

张永坤  
【摘要】:黄土高原地处半湿润、半干旱和干旱气候区,水资源匮乏,水土流失严重,生态环境脆弱。植被建设是防治水土流失和改善生态环境最直接最有效的方法。柠条因其对干旱逆境的适应性,成为黄土高原人工植被建设的主要灌木类型,至2017年,黄土高原人工柠条种植已达1.33×10~6 hm~2。过去多关注人工柠条在减少水土流失、增加土壤养分和土壤团聚体等方面的作用,忽略了柠条大面积种植对不同尺度土壤水文性质的影响。本研究从小区、坡面和样带尺度研究人工柠条生长对土壤水文性质的影响,探求不同尺度土壤水文性质的时空变异性及其主要影响因素。以期为黄土高原人工柠条地的水循环机理研究提供理论支持,为合理高效利用水资源、植被恢复重建和生态环境可持续发展提供科学依据。本研究取得的主要结论如下:(1)小区尺度上,灌木下的饱和导水率明显高于灌木间区域,灌木冠幅边缘的饱和导水率一般最高且空间变异最大;土壤含水量随距离灌木中心距离的增加没有明显变化。小区内,饱和导水率最高的区域一般集中灌木周围;在灌木周围,根系密集的区域饱和导水率一般较高。研究结果发现,土壤有机质和土壤质地分别是影响小区尺度饱和导水率和土壤水分空间变化的主要因素。(2)坡面尺度上,坡度较缓坡面的土壤含水量整体呈下降趋势;土壤容重、饱和导水率、粉粒和粘粒含量无明显变化规律。土壤水分、容重、剖面平均粘粒和粉粒含量具有强空间自相关性;饱和导水率、表层粉粒和粘粒含量并不具有明显的空间结构特征。持续干旱会增加人工柠条地的土壤干燥化程度,极端降雨事件能补充0-200 cm土层的含水量。在坡度较缓的坡面上,柠条种植密度是影响坡面土壤水分空间变化的主要因素。(3)样带尺度上,从半湿润区到半干旱区,0-100 cm土层含水量均随降雨的减少而降低,并存在显著差异(p0.05)。在半干旱区内,随降雨减少,不同样地100-300 cm土层含水量并未发生显著变化(p0.05)。柠条细根的数量和剖面分布随降雨减少发生显著变化。半湿润地区样地的细根生物量明显高于半干旱地区。降雨是影响样带尺度土壤水文性质空间变化的主要因素。(4)土壤水分的时间变异方面,坡面土壤水分随土层深度加深,时间稳定性逐渐增强。对样点不同土壤深度的土壤水分进行时间稳定性分析,发现能够代表样点剖面平均含水量的时间稳定性最好的深度(代表性深度)一般在160 cm深度以下;根据代表性深度估算坡面平均含水量的预测误差明显高于根据代表性样点估算坡面平均含水量的预测误差,但仍满足预测精度要求。影响不同土层土壤水分时间稳定性的主要因素是土壤质地。(5)坡面浅层土壤水分空间格局(0–10、0–20、…、0–100 cm)和深剖面水分格局(0-300 cm)极为相似(p0.01)。这为根据浅层土壤水分数据估算坡面深剖面平均含水量提供了可能性。坡面深剖面平均土壤含水量可以根据浅层土壤水分数据(100 cm深度内)确定的有限个时间稳定性样点(TSLs)进行预测。时间稳定性样点的最佳数量和浅层水分剖面的最佳深度随土壤水分条件变化而变化。在黄土高原的半干旱区,浅层水分剖面的最佳深度是0-40 cm;但在黄土高原的半湿润区,最佳深度为0-30 cm。该方法经检验适用于黄土高原地区。若将该方法应用于湿润区,时间稳定性样点的最佳数量和浅层水分剖面的最佳深度需要重新确定。


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