草地植被能有效控制坡面侵蚀,然而不同草地植被类型及其冠层与根系对坡面侵蚀过程的调控作用尚缺乏系统研究.采用人工模拟降雨方法,定量研究了不同雨强下苜蓿与黑麦草冠层与根系对黄土坡面侵蚀过程、径流侵蚀动力及土壤抗侵蚀能力特征的影响.结果表明:与裸坡相比,苜蓿与黑麦草的平均减流效益分别为17.65％和9.80％,减沙效益分别为63.86％和69.88％.不同雨强下两种草被根系减流减沙的平均相对贡献均高于冠层,且根系减沙的相对贡献随雨强的增加而增大.草地植被主要通过削减坡面径流流速和增加坡面阻力的方式实现对降雨径流侵蚀动力的调控,草被根系对坡面径流的减速作用略大于冠层,但其增阻作用却明显小于冠层.黑麦草对坡面径流的减速增阻效益高于相同部位的苜蓿.坡面土壤侵蚀率与水流切应力的关系可用幂函数y=axβ较好地拟合.幂函数系数a解释为单位水流切应力所引起的土壤侵蚀模数,可作为反映土壤抗侵蚀能力的指标.草被根系作用下的幂函数系数减幅远高于冠层,反映了其增强土壤抗侵蚀能力作用明显高于冠层,这主要源于草被根系结构对表层土壤性质的改善.须根系黑麦草强化土壤抗侵蚀能力优于直根系苜蓿.本研究揭示了草地植被调控坡面侵蚀过程是通过地上冠层与根系的共同作用达到同时调控侵蚀动力和土壤抗侵蚀能力实现的,草被根系对坡面侵蚀控制起主导作用,且以须根系草被对黄土坡面侵蚀的调控效果最佳.上述结果可为草地侵蚀过程研究及黄土高原草被建设与管理提供科学依据.

根据对全球降雨格局的预测,降雨的季节分配和强度已发生明显变化.为探讨降雨季节分配对热带次生林幼苗生长及根系形态的影响,于广东省茂名市电白区的热带次生林开展短期人工模拟降雨实验,设置雨季推迟(DW)、雨季增雨(WW)和对照(CT,正常自然降雨)3种处理,探究2种固氮树种幼苗铁刀木(Cassia siamea)、大叶相思(Acacia auriculiformis)和 3 种非固氮树种香樟(Cinnamomum camphora)、红车(Syzygium hancei)、蒲桃(Syzygium jambos)不同功能型树种幼苗细根形态特征对降雨季节分配改变的响应.结果表明:雨季增雨显著增加了 5种幼苗细根的根长、根表面积、根体积、根生物量及比根长;显著降低香樟细根的根长和比根长,同时降低香樟粗根的比根长;显著增加红车粗根根长、根表面积、根体积和生物量,显著增加大叶相思粗根体积和根平均直径;雨季增雨处理显著增加了两种固氮树种铁刀木和大叶相思细根根长、根表面积、根体积和生物量,也显著增加了铁刀木细根的平均直径;雨季增雨处理显著增加红车细根根长、蒲桃粗根体积、香樟和红车的细根生物量;雨季推迟对幼苗根系的影响较小,仅显著降低香樟幼苗根长、大叶相思粗根表面积、蒲桃的粗根和香樟细根的比根长,仅显著增加红车的粗根体积和平均直径、铁刀木的粗根体积和蒲桃粗根平均直径;固氮树种在雨季推迟以及雨季增雨情况下,根系生物量、根体积等指标高于自然降雨;热带次生林5种幼苗根系对干旱(雨季延迟)具有一定的忍受性,细根对雨季增雨的响应更加敏感,雨季增雨对固氮树种细根形态特征的改变比非固氮树种更大,固氮树种对于异常降雨适应性更强;热带次生林林下幼苗根系形态能够较好地适应降雨季节分配的改变,进而维持群落的更新及稳定性.

降雨是黄土高原地区土壤水分的最主要来源.为探明降雨减少对黄土高原半湿润区土壤养分和土壤微生物群落的影响,以刺槐人工林为研究对象,通过搭设透光遮雨板将部分穿透雨导流至样地外,实施了4年减少总降雨输入约47％的处理,测定了在不同降雨条件下林地的土壤养分含量、土壤微生物多样性及群落结构特征,分析了土壤养分和土壤微生物对降雨减少的响应.结果表明:减雨处理4年后(1)处理样地土壤有机碳、全氮、全磷含量均低于对照样地,全氮含量差异达到显著水平(P<0.05).(2)对照样地生长季和非生长季土壤微生物多样性差异不显著,减雨处理样地非生长季的细菌均匀度显著低于处理样地生长季和对照样地非生长季(P<0.05);降雨减少对细菌和真菌的群落结构有显著影响(P<0.05),降雨减少显著降低了酸杆菌门(Acidobacteria)的相对丰度,提高了放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、子囊菌门(Ascomycota)和被孢霉门(Mortierellomycota)的相对丰度(P<0.05).(3)土壤有机碳、全氮含量与部分细菌相对丰度显著相关,土壤全氮含量与被孢霉门真菌相对丰度显著正相关(P<0.05).综上所述,减雨处理4年对土壤养分含量影响较弱,对细菌多样性影响显著,对细菌和真菌群落结构有显著影响,且土壤养分含量与土壤微生物相对丰度之间存在相关关系,研究结果为进一步探讨降雨量持续减少对黄土高原半湿润区人工林的影响提供了理论参考.

喀斯特区坡耕地水土及养分流失不仅是该区土地质量退化、土地生产力衰退主要原因,同时也是该区地下水质污染的重要因素.为揭示喀斯特坡耕地地表和地下二元空间结构下的土壤养分流失机制,以喀斯特坡耕地为研究对象,通过模拟其地表微地貌及地下孔(裂)隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究不同雨强下喀斯特坡耕地地表及地下水土及其氮、磷、钾流失特征.结果表明:(1)小雨强(50mm/h)和中雨强下(70mm/h),喀斯特坡耕地坡面产流主要以地下产流为主;大雨强下(90mm/h),地表径流高于地下径流;产沙方式则表现为由小雨的地表和地下产沙并重到中大雨强的地表产沙为主的一个转变过程.(2)在降雨侵蚀过程中,径流各养分输出浓度均表现出一定的初期冲刷效应,受土壤吸附作用影响,雨强对全钾(TK)和全氮(TN)的影响较全磷(TP)明显.(3)地表径流、地表泥沙和总泥沙各养分输出负荷均随雨强增大而增加,坡面径流泥沙总的TK输出负荷以泥沙为主,而TN和TP输出负荷则以径流为主;TP和TN在径流的输出负荷上以地下径流输出为主(其中TP地表负荷比在11.6％-46.2％,TN在7.0％-48.5％之间),而TK则以二者并重(地表负荷比在43.5％-57.0％之间);各养分在泥沙的输出负荷上则均以地表泥沙流失为主,其负荷比均在54.5％以上.研究结果可为喀斯特区坡耕地水土流失及养分流失的源头控制提供基本参数和科学依据.

土壤酶在养分矿化过程中起着至关重要的作用,是预测土壤向植物提供养分能力的特殊传感器.土壤酶的催化、生产和降解速率受水分调节,而全球气候变暖所引起的降水减少将对中亚热带地区森林生态系统造成深刻影响,但是关于中亚热带杉木人工林土壤酶活性对降水变化响应的研究还是相对匮乏.通过隔离降雨模拟实验减少50％的降水,探究干湿两季中亚热带杉木人工林表层土壤的理化性质、胞外酶活性和有效养分对降水减少的响应.研究的胞外酶有:参与碳循环的β-葡萄糖苷酶(βG)、纤维素水解酶(CBH)、酚氧化酶(PHO)、过氧化物酶(PEO).冗余分析结果显示:干季时的土壤酶活性主要是受土壤含水量、硝态氮和可溶性有机碳(DOC)的影响,湿季则主要受微生物量碳、DOC和铵态氮的影响.湿季的土壤酶活性总体大于干季的土壤酶活性.除了干季的酚氧化酶外,无论干季或是湿季,几乎所有土壤酶活性在降水减少后均有所提高,其中3G活性变化最为显著.这可能是因为中亚热带地区降水丰富,尽管进行了隔离降雨处理,但水分仍然未达到限制水平;也可能是酶活性对降水减少这种不利的环境变化做出的响应或适应策略.本研究也为未来气候变化降水减少下对预测碳循环和养分循环提供了一定的科学依据.

温度和水分影响森林生态系统的结构与功能,而全球变暖和降雨格局的改变是未来气候变化的趋势.我国中亚热带地区森林覆盖率大,碳库丰富,可溶性有机质(DOM)作为森林生态系统的重要组成部分,气候变化对它的数量和组成具有重要的影响.本文对我国湿润亚热带地区杉木人工林土壤进行模拟增温以及隔离50％的降雨试验,利用光谱技术手段研究增温及隔离降雨对土壤可溶性有机质(DOM)的数量及其结构的影响.试验设对照(CK)、增温(W)、隔离降雨(P)、增温与隔离降雨的交互作用(WP)4种处理.结果表明,与对照相比,土壤增温后,0-10cm和10-20cm土层的土壤可溶性有机碳(DOC)和可溶性有机氮(DON)增加,但其芳香性指数和腐殖化程度降低,增温加速DOM的流失,不利于土壤有机质的稳定.季节变化影响土壤的环境,导致隔离降雨有使DOM的数量增加或减少的趋势;在旱季(2014年10月和2015年1月),隔离降雨降低了土壤DOM的数量,但其芳香性指数和腐殖化程度增加,而进入雨季(2015年4月),隔离降雨有使DOM增加的趋势,但其组分中的芳香化合物较少.增温和隔离降雨的交互作用在一定程度上促进DOM的产生,其结构比对照简单.温度和降雨对DOM的影响较为复杂,在全球气候变化背景下,只有长期对其进行观测并探讨其他因素带来的影响才能深入了解气候变暖和降雨格局的变化对土壤碳、氮的影响.

为研究气候变化背景下降水格局对森林土壤碳排放机制的影响,在南亚热带马尾松人工林中模拟穿透雨减少50％,采用室内恒温培养法研究减水处理对土壤和不同粒级团聚体有机碳矿化的影响.结果表明:1～2mm团聚体有机碳累积矿化量高于其他粒级团聚体.干湿季减雨样地表层土壤含水量分别是对照样地的82.1％和82.7％,而其0.106 ～ 0.25 mm土壤团聚体质量分数分别比对照增加1.8％和4.2％.与对照相比,穿透雨减少显著降低了干季土壤和微团聚体易矿化碳库的矿化速率(k1),增加了土壤和＜1 mm团聚体难分解碳库的分解速率(k2),但对土壤有机碳累积矿化量无显著影响.相关分析表明,土壤和微团聚体k1呈显著正相关,土壤和0.25～1 mm团聚体k2呈显著正相关.受团聚体结构、水分条件和土壤有机碳含量的影响,穿透雨减少对干季土壤易矿化和难分解有机碳的矿化分别起抑制和促进作用.

为了预测和评估全球气候变化背景下森林生长和生产力对降水格局变化和季节性干旱的响应,以南亚热带红锥和马尾松人工林为对象,设置穿透雨减少50％和不减雨(对照)处理,开展连续3年(2015-2017年)的模拟试验,研究降雨减少对人工林胸径生长、凋落物量和叶面积指数的影响.结果表明:与对照相比,穿透雨减少导致红锥2017年胸径增长量显著降低31.8％,而对马尾松无影响;红锥叶面积指数平均降低8.8％,马尾松叶面积指数降低7.2％或者不变;红锥林2015年枝凋落量和2017年凋落物总量分别增加29.6％和35.8％,马尾松林2015年其他树种(除了马尾松以外)叶凋落量显著减少50.7％,而其他凋落物组分无显著变化.短期穿透雨减少对人工林产生了干旱胁迫作用,这种作用存在年际变异和树种差异.

为研究气候变化背景下降水格局变化对森林生长和碳固持的影响,2012年在我国南亚热带地区选择广泛分布的马尾松(Pinus massoniana)人工林为研究对象,分别设置3块20 m×20 m的模拟降雨减少50％和对照样地,每个样地随机设置5个距地面40 cm的1m×1 m的凋落物收集框,2016年1-12月每隔1月收集各样地林冠层凋落物,比较研究减水处理对凋落物组分产量和基本化学性质的短期影响.结果表明:马尾松人工林针叶凋落物量及其所占比例显著高于其他凋落物组分(P＜0.05),减雨处理对马尾松人工林凋落叶和总量无显著影响(P＞0.05).与对照相比,减雨处理分别增加凋落针叶含碳量和凋落果含氮量27.4 g/kg和5.1 g/kg,以及凋落针叶的木质素含量、阔叶纤维素含量和皮半纤维素含量3.9％、5.2％和4.0％(P＜0.05),但显著降低凋落皮碳、纤维素含量和凋落果的碳氮比(P＜0.05).凋落物N、P含量具有协同性,含碳量与木质素含量显著正相关(P＜0.05).模拟降雨减少处理初期并未显著改变南亚热带马尾松人工林总凋落物量,但增加了凋落针叶的木质素含量和含碳量.本研究预示短期穿透雨减少可能降低南亚热带马尾松人工林凋落物的分解能力,由此降低马尾松人工林土壤中凋落物源性碳的输入量.

借助室内人工模拟降雨试验为研究手段,以强降雨过程中红壤丘陵区坡菜地侵蚀泥沙颗粒组成及土壤团聚体稳定性变化特征与规律为研究目的,分别在不同坡长(2,3,4m)、不同植被覆盖度(0,30％,60％,90％)条件下进行了有效模拟降雨试验共计12场次,每场次降雨试验的产流历时设计为30min,固定雨强为2.0mm/min.试验结果表明:1)侵蚀泥沙中颗粒粒径以＜2μm粘粒和2-20μm细粉粒为主.在原土中,粘粒(0-2μm)和细粉粒(2-20μm)含量之和占总量的43.92％,在泥沙中粘粒和细粉粒之和占总量的约57.08％,均出现不同程度的增加;2)在不同处理中,坡面土壤＞1mm干筛法团聚体含量明显大于湿筛团聚体(＞1mm)的含量,可认为水稳性团聚体的含量更能作为衡量土壤结构的稳定性的指标.＞ 0.25mm团聚体分散度(PAD0.25)和＞2mm团聚体分散度(PAD2)含量均出现增大,而＞0.25mm水稳性团聚体含量(WAS0.25)减少,植被覆盖度对土壤团聚体稳定性影响明显强于坡长;3)WAS0.25含量是影响侵蚀泥沙的颗粒粒径分布的主要因素,随着坡面土壤中WAS0.25的增加,侵蚀泥沙的平均重量直径逐渐降低.同时,泥沙颗粒平均直径与土壤团聚体平均重量直径(MWD团聚体)含量呈极显著负相关,可知坡面大团聚体越稳定,坡面土壤的粗化过程越不易形成.