分析坡面上方汇流和土壤管道崩塌对黑土坡面水蚀过程的影响,可为黑土侵蚀退化防治提供重要科学依据.本研究基于坡面汇流模拟试验,设计3个上方汇流强度和3种近地表土壤水文条件(无土壤管道、有土壤管道无管道流、有土壤管道流),研究坡面上方汇流和土壤管道崩塌对黑土坡面水蚀过程的影响,量化土壤管道侵蚀对黑土坡面侵蚀的贡献.结果表明:1)坡面侵蚀量随上方汇流强度的增加而增加,当上方汇流强度从30 L·min-1增加到40和50 L·min-1时,坡面侵蚀量分别增加100.0％～111.5％和214.8％～289.2％.2)土壤管道发生和管道流形成加剧了坡面水蚀过程,30、40和50 L·min-1上方汇流强度下有土壤管道无管道流和有土壤管道流处理的坡面侵蚀量分别是无土壤管道处理的1.4～1.6倍和1.7～2.1倍.此外,3种上方汇流强度下有土壤管道无管道流和有土壤管道流处理的土壤管道侵蚀对坡面土壤侵蚀的贡献分别为26.7％～37.6％和40.5％～51.9％.3)土壤管道崩塌加剧了细沟侵蚀过程,30、40和50 L·mim-1上方汇流强度下有土壤管道无管道流和有土壤管道流处理的细沟侵蚀量较无土壤管道处理增加38.1％～66.0％和93.7％～128.4％.因此,上方汇流强度增加使坡面水流流速增大,导致坡面径流侵蚀能力和搬运能力增强,从而增加了坡面侵蚀量;土壤管道崩塌也加剧了细沟侵蚀过程,尤其是土壤管道崩塌瞬间地表径流全部转化为土壤管道流,极大增加了坡面水流流速,加剧了坡面侵蚀过程,进而增加了坡面侵蚀量.

耕作与水蚀是黑土区坡耕地碳库退化的主导因素,为进一步探究土壤有机碳(SOC)及其组分对不同侵蚀驱动力(耕作、水力)的响应格局,基于该区耕作侵蚀与水蚀模型,在定量表达耕作侵蚀-沉积量与水蚀量的基础上,利用地统计学的方法,分析了东北黑土区典型漫岗地形坡面尺度SOC及其3种组分的空间分布特征.结果表明:耕作侵蚀与沉积速率分别表现为坡上＞坡下＞坡中＞坡脚和坡脚＞坡下＞坡中＞坡上;水蚀速率表现为坡下＞坡脚＞坡中＞坡上;坡下陡坡位置耕作侵蚀与水蚀协同引起严重的土壤流失.虽然耕作侵蚀速率(0.02～ 7.02t·hm-2·a-1)远小于水蚀速率(5.96～101.17 t·hm-2·a-1),但耕作侵蚀在全坡面范围均可对SOC产生不同程度的影响,而水蚀则主要在坡下径流汇集区显著影响SOC的累积-损耗.受水蚀与耕作侵蚀-沉积作用影响,SOC、颗粒有机碳、水溶性有机碳在侵蚀点含量低于沉积点,而微生物生物量碳变化趋势相反;耕作侵蚀通过影响颗粒有机碳参与SOC的积累-损耗过程.

土壤渗透能力是影响土壤侵蚀的重要因素之一,是反映土壤水源涵养及调节功能的重要指标,目前对于亚热带山地草甸土壤渗透性方面研究较少.江西武功山草甸是亚热带山地草甸的典型代表,以面积广和分布基准海拔低的特点,在华东植被垂直带谱中具有典型性和特殊性,但是人为干扰和过度旅游开发使武功山脆弱的山地草甸出现严重退化和破碎化态势.以武功山不同海拔及旅游干扰程度山地草甸土壤为研究对象,分别测定0-20 cm和20-40 cm土层土壤的初渗率、稳渗率、平均入渗率、前60分钟渗透总量、温度、湿度、容重、最大持水量、最小持水量、毛管持水量、pH、有机质、速效氮、速效磷、速效钾等理化指标,分析不同海拔及干扰程度草甸土壤渗透性特征,探讨影响土壤渗透性的相关因子,为亚热带地区退化草甸的修复及可持续经营提供参考.结果表明:(1) 1600-1800 m范围,随着海拔升高,土壤渗透性呈降低趋势,在1900 m范围土壤渗透性又有所提高,各海拔土壤渗透性排序为1600 m＞1700 m＞1900 m＞1800m.(2)随着干扰程度增强,草甸土壤渗透性呈降低趋势,各干扰程度的土壤渗透性排序为无干扰＞轻度干扰＞中度干扰＞重度干扰.(3)所有草甸分布区0-20 cm土层的土壤渗透性均高于20-40cm土层,初渗率＞平均入渗率＞稳渗率.(4)通用经验模型更适合武功山草甸土壤水分入渗过程,Horton模型次之,Philip模型和Kostiakov模型拟合效果都比较差.(5)土壤渗透性与土壤湿度、毛管持水量呈显著正相关(P＜0.05),与容重呈显著负相关(P＜0.05),初渗率及平均入渗率与速效氮含量显著正相关(P＜0.05),稳渗率、平均入渗率、渗透总量与速效钾含量呈显著正相关(P＜0.05).

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.

林下植被是生态系统的重要组分.通过对比分析红壤侵蚀区植被恢复过程中,林下有无芒萁覆盖地的土壤可溶性有机碳(DOG,Dissolved Organic Carbon)含量及其与地下根系生物量、地上植被淋溶液DOC含量的关系.结果表明:林下植被芒萁覆盖增加了地上叶片和地下根系生物量,土壤DOC含量及储量也显著增加(P＜0.05),芒萁覆盖对表层土壤(0-20cm) DOC的影响大于深层土壤(20-100cm)(P＜0.05);相关分析结果表明,林下芒萁覆盖地土壤DOC储量与细根生物量的垂直变化呈显著的正相关关系(P＜0.05),且随植被恢复年限的增加相关性显著增加,地下根系的垂直分布直接影响各土层DOC储量.不同植被恢复时期,林下芒萁覆盖地土壤DOC与鲜叶(马尾松+芒萁)和枯落物(马尾松+芒萁)淋溶液DOC均呈显著的正相关关系(P＜0.01),而林下裸露地土壤DOC仅与鲜叶(马尾松)淋溶液DOC呈显著的相关性(P＜0.01),林下芒萁覆盖地相对于裸露地枯落物淋溶液对土壤DOC储量的影响大于鲜叶.植被恢复过程中芒萁覆盖地土壤微生物生物量碳和微生物熵显著高于林下裸露地.因此,在植被恢复进程中,芒萁能够提供更多底物参与土壤物质与养分循环,对土壤DOC的贡献较大,为侵蚀区马尾松林恢复提供了重要的养分再吸收来源;同时芒萁覆盖增加了微生物活性,促进了微生物对土壤DOC的同化作用,提高了微生物碳源的利用率,对土壤有机碳的积累起着重要的作用.

砍伐是人类对植物种群最常见的干扰形式之一,种群结构及其动态在砍伐后会经历快速变化和调整时期.以长汀侵蚀退化地为研究区,基于砍伐迹地上马尾松种群4年生活史调查,利用积分投影模型(IPM,Integral Projection Model)结合传统种群统计分析方法,揭示砍伐迹地上马尾松种群增长率变化过程及个体生命率对种群的影响.结果表明:砍伐迹地上马尾松种群处于衰退状态(λ＜1),且衰退程度不断加深.4年内幼苗数量大幅度减少,幼年树和成树数量增加.死亡在生活史各个阶段均有出现,幼苗是死亡的主要来源;植株生长量随着个体的增大和时间的增加而增加,生长增量由大到小依次为:成年树,幼年树和幼苗;植株繁殖概率逐年提升,但新生幼苗数量逐年下降.弹性分析显示,个体尤其是幼苗的存活对种群至关重要,小径级植株的正生长有利于种群恢复,大径级植株的正生长不利于种群发展,而负增长和繁殖贡献均十分有限.

不同植被覆盖度土壤氮素含量变化规律的研究可作为评价生态退化区植被恢复的指标之一.以福建省长汀县濯田镇黄泥坑崩岗群中三种不同植被覆盖度的毗邻崩岗为研究对象,比较其氮素含量的变化及不同部位氮素含量的变化规律.结果表明:植被覆盖度的提高能有效地减少土壤侵蚀,且与土壤的全氮含量及各部位的全氮含量均达到显著正相关,但同时也会增加硝态氮和铵态氮的流失,从而导致土壤中硝态氮、铵态氮的含量反而减少.而这三种不同植被覆盖度崩岗的全氮含量最高值均出现在集水坡面部位.与裸露崩岗和低覆盖崩岗不同的是,高覆盖崩岗的硝态氮与铵态氮的最大值也均出现在集水坡面部位.

氮素是限制陆地生态系统生产力的重要因子.采用时空代换法,以红壤侵蚀区未治理、恢复12年和30年的马尾松林为研究对象,对比分析了林下芒萁覆盖地与裸地表层土壤之间氮同位素、不同形态氮组分含量以及不同组分氮含量所占比例之间的差异.结果表明:在所有马尾松林中,芒萁覆盖增加了表层土壤的全氮含量,δ15N值则比林下裸地显著降低了33.8％-83.1％ (P＜0.05).随着恢复年限增加,林下芒萁覆盖地表层土壤δ15N值显著下降,而林下裸露地δ15N值没有显著变化(P＞0.05).不同恢复年限马尾松林的芒萁覆盖地表层土壤微生物生物量氮、可溶性有机氮和铵态氮含量显著高于林下裸地(P＜0.05),而硝态氮含量则显著低于林下裸地(P＜0.05).随恢复年限增加,表层土壤微生物生物量氮、可溶性有机氮、铵态氮含量均呈增加趋势,而硝态氮含量则呈下降趋势,不同形态氮占全氮比例表现为:微生物生物量氮＞铵态氮＞可溶性有机氮＞硝态氮.相关分析表明土壤δ15N值与硝态氮极显著正相关,与其他氮组分极显著负相关(P＜0.01).由此可见,与林下裸地相比,芒萁覆盖在植被恢复过程中有助于提高表层土壤中全氮、微生物生物量氮、可溶性有机氮和铵态氮含量,降低硝态氮的淋溶损失风险,促进土壤氮保持和积累,从而有利于退化红壤生态系统的恢复.

土壤保持服务作为一项重要的生态系统调节服务,是防止区域土地退化、降低洪涝灾害风险的重要保障.针对在全球范围内影响最大的土壤水蚀,基于土壤侵蚀、运移和输出过程,对土壤保持服务的概念、评估方法进行了梳理总结.土壤保持服务是指生态系统防止土壤流失的侵蚀调控能力及对泥沙的储积保持能力.土壤保持服务的评估往往是基于通用土壤流失方程RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation),以潜在土壤侵蚀量(裸地时土壤侵蚀量)与实际土壤侵蚀量之差,作为指标衡量.由于生态过程具有尺度依赖性,对土壤保持服务的有效评估,需要采用多尺度方法.土壤保持服务与人类需求紧密相关,在未来土壤保持服务研究中应强调连接土壤保持服务与人类福祉,对土壤保持服务产生、流动、使用的全过程及土壤保持服务时空动态与人类福祉变化的关系进行探究.

先锋树种马尾松种群的生存状态是南方红壤侵蚀退化区开展水土流失治理措施的关键前提.通过对长汀水土流失区侵蚀劣地“小老头松林”的样地调查,基于种群统计的方法,建立年龄结构图和静态生命表、绘制存活曲线和生存分析函数、应用时间序列模型,对侵蚀退化生境马尾松种群动态变化过程开展研究.结果表明:马尾松种群年龄结构呈基部极宽、顶部狭窄的金字塔型,幼龄个体数量丰富但续存率低,成年个体很少,种群增长性低;死亡在各个生活史阶段均有出现,个体存活曲线属于Deevey-Ⅱ型,种群处于动态稳定状态;种群在幼龄期和壮龄期的生存状况不稳定,新生苗和壮龄期个体死亡密度大;种群时间动态预测显示,未来成年个体数量将增多,种群呈增长趋势.今后的森林生态管理中,可针对幼龄个体和壮龄成年个体采取抚育措施,提高小老头松林的生态效益.