黄土高原植被演替不同阶段植物系数的变化与适应性评价

用4年长期定位试验资料,利用植物系数、蒸散量、土壤含水量和土壤水分对植物的有效性等指标,研究了黄土高原植被群落不同演替阶段(草本群落→灌木群落→早期森林群落→顶级群落)的耗水特性与生态适应性。结果表明:不同演替阶段,群落实际蒸散量主要受降水控制,群落间差异不显著(P>0.05);土壤含水量是早期森林群落明显高于其它群落,草本群落明显高于灌木群落(P<0.05);植物系数是灌木群落>草本群落>乔木群落,而顶级群落大于早期森林群落;土壤水分对植物的有效性是早期森林和顶级群落明显高于草本和灌木群落(P<0.05)。因此,进行植被建设不但要考虑植物系数还要考虑土壤水分对不同植物的有效性。

施肥水平对冬小麦田土壤水分影响的模拟

在模拟精度验证基础上,应用WinEPIC模型模拟研究了黄土高原长武旱塬地1957～2001年期间不同肥力水平下连作冬小麦田的土壤干燥化效应。结果表明:4种肥力处理下连作冬小麦逐月土壤有效含水量均呈现波动性降低趋势,平均每年分别减少8.6、8.6、11.1和13.7mm,无肥和低肥与中肥和高肥处理间土壤有效含水量差异十分显著,但无肥和低肥处理间无明显差异;在模拟初期出现了土壤湿度逐年降低、土壤干层逐年加厚的干燥化过程,在连作第5～8年以后均出现了稳定的土壤干层,无肥和低肥处理土壤干层均分布于2～3m土层,中肥和高肥肥处理分别分布于2～4m和2～5m土层,随肥力和作物产量水平的提高,土壤干层厚度增厚;4种肥力处理麦田生产年度耗水量接近且呈现波动性缓慢降低趋势,但前1～4年中肥和高肥处理麦田共计较无肥处理麦田多耗水91和203mm,长武旱塬地麦田土壤水分承载力为1.422～2.405t/hm2,相应的肥力水平为N45～90kg/hm2和P15～30kg/hm2。

模拟降雨下初始含水量对砂黄土硝态氮迁移特征的影响

利用室内人工模拟降雨,研究了不同初始含水量砂黄土在降雨条件下入渗-径流、土壤侵蚀,以及NO3--N随径流流失和土壤深层淋溶特征。结果表明,初始含水量对产流时刻的影响在相对含水量为49.4%和76.9%之间存在一个转折点,高初始含水量较低含水量产流提前大约15 min;土壤侵蚀量随着土壤初始含水量的增加而增加,相对含水量为97.1%时,侵蚀泥沙量分别是相对含水量22.9%时的2.8倍,49.4%时的2.3倍,76.9%时的1.5倍。初始含水量高的处理径流初始NO3--N浓度高,随后各处理均衰减很快,10 min左右NO3--N含量趋于雨水本底值;土壤初始含水量越低,NO3--N被淋洗的程度越严重,土壤剖面中NO3--N的浓度峰越深。对于黄土高原坡地砂黄土NO3--N迁移特征来看,按照NO3--N迁移数量,随径流和泥沙流失量比向土壤深层迁移的数量小。说明在降雨条件下,NO3--N主要通过土壤深层淋溶损失,且土壤初始含水量越低其损失越严重。针对黄土高原降水量小、分布集中的特点,采取措施增加入渗,蓄积水分,在一定含水量下施肥,以提高氮肥利用率,降低NO3--N的淋溶。

两种土壤水分特征曲线间接推求方法对黄土的适应性评价

土壤水分特征曲线(SWCC)是模拟土壤水分运动和溶质运移的一个重要参数,利用土壤的基本物理性质来间接推求SWCC的方法已经成为当今土壤物理学领域的研究热点。为了比较两种SWCC间接推求方法——Arya-Paris物理经验方法(简称AP方法)和Tyler-Wheatcraft分形几何方法(简称TW方法)对黄土的适应性,该文分析了黄土高原296组土壤颗粒分布、容重和水分特征曲线等资料,利用简化的Fredlund(Fred3P)模型模拟得到连续的土壤颗粒分布曲线,然后应用AP和TW方法预测出相应吸力下的土壤含水量。研究结果表明,对于黄土性土壤,AP和TW两种方法的预测结果均达到了一定的精度,相比较而言AP方法的预测效果明显优于TW方法,且受质地影响小。

侵蚀环境人工刺槐林土壤水稳性团聚体演变及其养分效应

采用时空互代法,以典型侵蚀环境纸坊沟流域生态恢复过程中不同年限的人工刺槐林为研究对象,选取坡耕地和天然侧柏林为参照,分析了植被恢复过程中土壤水稳性团聚体变化规律及其与土壤养分状况之间的相互关系。结果表明,侵蚀环境下的坡耕地由于人为耕作干扰,土壤水稳性团聚体含量低下,抗蚀性能较差。营造刺槐林前5 a土壤水稳性团聚体含量较坡耕地显著快速增加,随后增幅变缓,成对数增长,恢复25 a后土壤水稳性团聚体含量已经达到天然侧柏林水平。在植被恢复过程中土壤小粒径的水稳性团聚体逐渐聚集转变形成大粒径的团聚体。相关性分析和回归分析表明,植被恢复过程中>0.25 mm土壤水稳性团聚体与有机碳、全氮、碱解氮、速效钾、容重等相关性达到显著(p<0.05)或极显著水平(p<0.01),与全磷和速效磷相关性较弱。坡耕地退耕营造刺槐林后可以减少人为干扰,增加碳素和氮素供给,提高水稳性团聚体含量,使土壤抗蚀性能提高。

黄土高原侵蚀区长芒草对坡地土壤水分养分的影响

在黄土高原神木六道沟流域选相邻退耕坡地和裸地,均匀布点采样结合室内分析,采用SPSS处理数据,研究30龄长芒草(Stipa bungeana)对土壤水分、养分的影响。结果表明:在长芒草根系分布区土壤水分下降很快,并且形成干层,其中40~60 cm含水量均低于5.5%,最低达3.2%;同时,长芒草可使土壤养分在表层累积,而降低20~50cm土层处养分含量;全氮、全磷、有机质、硝态氮和铵态氮含量均随土层的加深而降低。

黄土丘陵沟壑区退耕地土壤种子库对植被恢复的影响

为了探讨土壤种子库对植被恢复的影响,该文在野外调查和室内试验的基础上,采用典范变量分析,研究了黄土丘陵沟壑区退耕地土壤种子库密度、土壤水分和养分、地形因子以及退耕年限对植物群落变化的影响,量化了土壤种子库对植被恢复的贡献。结果表明:影响植物群落变化的因子有土壤水分、速效磷、土壤种子库和坡向;仅用土壤种子库只可解释植物群落变化的32.1%;由于退耕地土壤种子库的优势种主要为猪毛蒿,其植被恢复潜力与速度比较小。黄土丘陵沟壑区退耕地植被恢复需要适度的人为干预,有必要适当引进一些演替后期物种,如白羊草、铁杆蒿、长芒草等物种,以缩短演替时间,加速退耕地植被恢复进程,促进黄土丘陵沟壑区水土流失的防治。

黄土丘陵区植被次生演替灌木初期土壤物理性质特征

研究了黄土丘陵区植被次生演替草灌过渡灌木初期的土壤物理性质特征。结果表明:当植被次生演替进展到草灌过渡灌木初期,除土壤含水量外,土壤容重、孔隙度、稳定入渗和水稳性团聚体都好于对照白羊草地,表明灌木树种定居的土壤物理条件一般要高于草本群落。植被演替的过程是植被与土壤相互作用复杂变化的过程,它们的相互反馈也是生态恢复的重要标志。随着植物群落的变化土壤也发生着不同程度变化。其中,土壤物理性质各个因子之间的变化是相互影响和相互联系的。土壤稳定入渗速率与土壤容重、土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度和土壤团聚体之间有显著的相关关系;土壤毛管孔隙度与土壤非毛管孔隙度线性显著负相关;土壤容重与土壤总孔隙度极显著负相关。

黄土高原沟壑区不同种植年限果园土壤水分变化

对黄土高原沟壑区不同种植年限果园土壤深层水分变化进行了研究。结果表明,受降水影响0~2m土层水分变化较大,且0~40 cm4、0~80 cm、80~200 cm三个土层土壤含水量之间的差异达到极显著水平;2 m以下由于没有水分的补给,土壤水分含量趋于稳定,出现了干燥现象。随着种植年限的增加,深层土壤的干燥化现象有增加趋势。

玉米根系活力杂种优势及其与光合特性的关系

对大田不同水分处理条件下玉米杂交种及其亲本在经济产量形成期的根系活力及其衰退的杂种优势进行了研究,并分析了根系活力与叶片光合特性之间的关系。结果表明,水分亏缺显著降低了玉米的根系活力;充分供水和水分亏缺条件下,玉米杂交种根系活力都具有显著的杂种优势;杂交玉米种根系活力衰退速率具有显著的负优势,抽雄后灌水能够显著降低玉米根系活力衰退速率。杂交玉米种在抽雄期各水分处理下的光合速率显著大于亲本;玉米根系活力与光合速率之间具有显著的正相关关系,随着根系活力的增高,玉米光合速率、气孔导度和蒸腾速率均增高。因此,杂交种较高的抗旱性是根冠共同作用的结果。在玉米育种和栽培中,要充分地考虑到根系对地上部生理活性的影响。

聚丙烯酸钠对3种土壤持水能力及作物产量的影响

在离心机模拟不同水吸力条件下,研究了聚丙烯酸钠(sodium polyacrylate记作SP)5种使用浓度(占干土质量0,0.01%,0.08%,0.2%与1%)对3种土壤(砂土、壤土、黏土)持水能力的影响;采用大田试验研究了地表撒施2 g/m2SP对冬小麦与下季玉米产量及WUE影响。结果表明:3种土壤在0.01 MPa至1.5 MPa水吸力下的持水能力随着SP用量的增加而增加,砂土的作用效果较壤土、黏土更显著;3种土壤适宜浓度为0.08%~0.2%,最佳用量为0.2%,此用量条件下砂土、壤土、黏土的最大毛管持水量分别较对照增加了138.61%,7.22%,62.70%;不灌水条件下,SP处理较不施用SP冬小麦增产4%,WUE增加5.7%,灌浆期灌水28.5 mm条件下SP处理较不施用SP增产1%,WUE降低1%;SP处理的玉米产量较对照降低0.5%,WUE提高3%,效果明显低于对冬小麦效果。

有限元子域法分析土石混合介质的饱和导水率

在黄土高原水蚀风蚀交错地区,碎石的存在影响着土壤的水力学特性,因此研究土石混合介质的渗流运动对该地区的植被恢复建设具有重要的指导意义。虽然用有限元法分析地下水渗流的工作很多,但对土石混合介质而言,由于有限元法的解题规模迅速增加,其研究甚少。本模型采用子域法矩形单元,假定土石体中石块含量增加不影响土的孔隙率且石块不透水分析了土石混合介质中的渗流过程。结果表明,影响土石混合介质饱和导水率的主要因素是土石介质的含石率;石块的大小基本不影响混合介质饱和导水率;石块分布方式增加水流路径时,会影响混合介质饱和导水率。这一数值分析结论与土石体渗流问题的部分理论结果和试验结果吻合良好。本模型子域法计算效率高,结果较准确,可用于较大规模的土石混合介质渗流分析,还可推广用于土石混合介质的三维分析和多级子域法有限元技术以获得更大规模的解题效果。

辽西北沙地土壤水分动态及预测

水分是沙漠化地区植被恢复和沙地治理的主要制约因素，也是沙漠化地区生态环境的重要影响因子，深入研究辽西北沙地土壤水分动态变化规律，掌握沙地水分动态变化趋势，建立适宜的土壤水分预测模型，对沙地有限水资源的合理调控和高效利用以及沙地生态系统的恢复与重建具有重要意义。 本文以辽西北沙地流动沙丘、固定沙丘和丘间洼地为对象，研究了不同沙地类型的土壤水分的时空动态变化，提出了不同沙地类型的主要治理与利用措施，分析了沙地水分的主要影响因素，建立了辽西北沙地流动沙丘0-60cm的土壤水分BP神经网络预测模型，针对BP网络模型实际应用中存在收敛速度慢、易陷入局部极小值等不足，将遗传算法优化BP网络引进土壤水分预测领域，提高了预测精度。研究结果表明，辽西北沙地土壤水分的年内分布与降雨分布同型，可分为春季失水阶段、夏季补给阶段和秋季弱失水阶段；在深度上，可分为干沙层（一般为0~20cm）、水分变化活跃层（20~60cm）和水分稳定层（60cm以下）。分析结果表明，流动沙丘的含水量高于固定沙丘和丘间洼地，表明随着固沙植被的建立和演变，沙地土壤水分呈现下降趋势，土壤水分不足成了植被生长的主要阻碍。因此，要通过采取配置耗水性弱、耐旱性强的植物群落等治理措施，努力维持沙地生态系统的水分平衡。同时，在分析流动沙丘土壤水分动态变化特征及主要影响因素的基础上，建立了流动沙丘0-60cm土壤水分预测BP模型和遗传BP模型，其绝对误差分别为0.35和0.18，相对误差分别为11.53%和5.65%，两模型用于土壤水分预测是可行的，而且遗传BP模型精度明显高于BP模型。

日光温室地下滴灌土壤水分运动数值模拟

依据土壤水分动力学理论和地下滴灌土壤水分运动特征，在测定地下滴灌滴头出流特性、土壤水分运动参数、地表蒸发强度的基础上，引入作物根系吸水模型，建立了地下滴灌土壤水分运动数值模型，用有限单元法中的Galerkin法对模型进行数值求解，田间验证结果表明模型具有较高的精度。 研究发现，地下滴灌滴头流速随供水压力的增大而增加，呈幂函数关系；不同埋深对滴头流速基本无影响；而土壤初始含水量只在灌水开始时对滴头流速有一定影响，最终滴头流速趋于相同且稳定；地下滴灌滴头流速主要受供水压力和滴头孔径的影响。 运用matlab数值分析软件对土壤持水曲线的van Genuchten模型进行求参，所求VG模型计算的不同水势下土壤含水量计算值与田间实测值之间偏差较小，曲线回归模型相关指数高达0.95，能很好地表征土壤水分特征曲线。 建立了地下滴灌土壤水分运动数值模型，确定地下滴灌条件下具体模型应用的边界和初始条件，利用HYDRUS-2D软件进行有限元求解。运行结果表明所建立的数学模型和所采用的数值方法能够较好地模拟地下滴灌条件下土壤水分运动过程。 采用量纲分析法推导了日光温室地下滴灌条件下的土壤湿润模式模型，建立了湿润宽度和湿润深度的经验公式，与实际监测结果对比，土壤湿润宽度和湿润深度模型估计值与实测之间偏差较小，能准确的模拟地下滴灌条件下土壤湿润体的宽度和深度。

城市土-水界面污染流条件下典型污染物生态毒理效应及其机理

人工合成麝香作为一种新型污染物，其生态行为及生态效应已经越来越受到关注。城市土-水界面污染流是除农业面源污染以外第二大面源污染，其成分复杂，采用常规的理化监测方法很难对其生态安全性加以评价。本研究在水生生态毒理实验基础之上，利用城市标识污染物-重金属镉(Cd)、铅（Pb）、佳乐麝香（HHCB）和城市土壤模拟城市土-水界面污染流，并以斑马鱼、草鱼为对象，以超氧化物岐化酶（SOD），过氧化物酶（POD），过氧化氢酶（CAT），丙二醛（MDA），可溶性蛋白（SP）为生物标志物，对其急性和亚急性生态毒理过程进行模拟研究，并通过对联合毒性实验的开展，系统研究了Cd、Pb和HHCB的单一与联合毒性效应、机理和过程。主要结论如下： HHCB和Cd均为中等毒性污染物，Cd和HHCB对斑马鱼的96h-LC50值分别为30.33和4.45 mg/L；在HHCB和Cd的等毒性复合急性实验中，联合作用类型随暴露时间的延长从联合变为拮抗，HHCB是复合污染中的主要污染物。 对水体中总浓度0.95-15.16 mg/L 的Cd和0.14-2.22mg/L的HHCB7天急性毒性机理实验显示，暴露于单一Cd污染斑马鱼体内抗氧化酶活性升高，暴露4天后，其体内MDA含量升高；而在HHCB胁迫2-4天后抗氧化酶活性和MDA含量均降低；联合作用中Cd在暴露的前1-4天对抗氧化酶的变化起主要作用，而之后HHCB开始起主导作用；斑马鱼急性胁迫下，抗氧化系统的诱导是斑马鱼对Cd胁迫的最初反应之一，而对于受HHCB胁迫的斑马鱼，蛋白含量的降低相对于抗氧化系统来说是斑马鱼受到损害的更重要原因。 对水体中总浓度0.005-0.05mg/L的Cd、0.5-4mg/L的Pb和0.01-0.2mg/L的HHCB对草鱼不同器官的14天亚急性毒性机理研究显示：肝脏受污染物的毒性作用最为显著，体内生物标志物也最为敏感；在Cd和Pb胁迫下，肝脏和肾脏内抗氧化酶随浓度的升高被显著抑制，而HHCB对各器官SOD和CAT活性产生诱导作用； MDA在重金属胁迫下其含量变化均不明显，SP含量轻微降低，而在HHCB胁迫下却分别呈现显著的升高和降低的趋势，所以MDA和SP含量可以作为检测HHCB的生物标志物；复合作用下HHCB的加入能使草鱼各器官中抗氧化酶的活性有所升高， MDA含量显著大幅度升高，SP含量显著大幅度降低，HHCB和Cd表现出很强的协同作用，而且HHCB在复合污染中起主导作用。