本研究依托国家林草局六盘山森林生态定位站,于2019年生长季(5月17日—10月12日)对香水河小流域华北落叶松人工林树干液流进行连续观测,并同步监测气象条件与土壤环境(土壤温度和土壤水分),分析不同天气下华北落叶松树干液流的综合环境响应.结果表明:在日尺度上,华北落叶松树干液流速率呈先升后降的变化趋势,液流速率大小表现为:晴天＞阴天＞雨天;树干液流速率在晴天呈单峰变化趋势,在阴、雨天均呈多峰变化趋势.晴天的液流启动时间和峰值时间早于阴、雨天,持续时间多于阴、雨天.不同天气树干液流的主导因子存在明显差异,饱和水汽压差是晴天和阴天树干液流的主导因子,其贡献率分别为31.1％和27.4％,而雨天液流的主导因子为太阳辐射,贡献率为40.1％.主成分分析表明,晴天树干液流的综合影响因子为水热复合因子(大气温度、土壤温度、土壤体积含水量)、水汽蒸腾因子(相对湿度、饱和水汽压差)和辐射因子(太阳辐射);阴、雨天树干液流的综合影响因子为蒸腾驱动因子(相对湿度、太阳辐射、饱和水汽压差)、综合热量因子(大气温度、土壤温度)和土壤水分因子(土壤体积含水量).晴天液流分别滞后于水热复合因子、水汽蒸腾因子和辐射因子110、80和70 min到达峰值;阴天和雨天液流分别提前于蒸腾驱动因子、综合热量因子和土壤水分因子10、20、30 min和140、60、150 min到达峰值.

黄土高原不同小流域由于环境特点和植被恢复方式的不同,导致其生态效益存在地带性差异.为了研究不同环境和植被恢复方式下土壤理化性质的差异性及影响机制,选取黄土高原两个小流域不同植被恢复方式(油松人工林、侧柏人工林和自然恢复对照)作为研究对象,对比分析植被恢复方式和环境特点对土壤养分储量和水分状况,以及植被生长状态等生态恢复效益的影响和贡献.结果表明:(1)吉县自然恢复下全氮含量最高,均值为0.79g/kg;有机碳均值含量表现为定西油松最高,吉县对照次之,其均值分别是16.91g/kg,13.46g/kg;全磷含量和全钾含量最高的是吉县油松样地和定西的侧柏样地,其均值为2.40g/kg和23.43g/kg.(2)土壤速效氮、速效磷、速效钾的含量,吉县的油松样地、侧柏样地和自然对照样地分别高于定西2.89％,81.03％和7.49％.(3)基于主成分分析(PCA)和方差分解(VP)结果,在不同小流域影响土壤养分和水分含量的主要因素有所差异.其中吉县和定西小流域影响土壤养分的主要因素分别为土壤物理性质和植被属性,解释度分别为79.92％、55.3％;而土壤含水量主要受降水量和土壤-植被共同影响,其解释度分别为87.06％、43.53％.综上结果表明,多雨条件的吉县地区植被适合自然恢复,而相对干旱的定西地区植被则适合人工恢复.考虑黄土高原植被恢复的人工和自然恢复方式,结果证明不同小流域的降水量与土壤含水量等环境特点影响植被生长状态和植被恢复的生态效益,可为因地制宜的科学植被恢复策略提供数据和理论支持.

青藏高原水分循环研究是一个受到广泛关注的热点问题,但流域尺度内水分运移的研究相对薄弱.本文基于氢氧稳定同位素技术(δ2H和δ18O)研究了青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站(海北站)的典型流域内的降水、浅层地下水、中层地下水、沼泽水、泉水、河水、湖水和土壤水的时空变异,利用MixSIAR模型定量分析各水体的水分来源与交换.结果表明:海北站小流域不同水源氢氧稳定同位素特征存在显著差异,湖水和降水同位素值变幅大于其他水体,湖水同位素富集程度高于其他水体;浅层地下水(3 m)是小流域水源涵养发挥的重要调节库,泉水是浅层地下水的地表表现形式;土壤水是小流域重要的水源涵养体,是大气降水-浅层地下水(3 m)-中层地下水(20 m)垂向交换的过渡,土壤水、浅层地下水通过横向径流向河流、沼泽进行水分补充.本研究可为高寒小流域水文模型的优化和水资源利用提供依据.

建立近自然度评价体系对于修复森林生态功能、保障森林可持续发展有着重要的意义,然而近自然度尚未有统一的评价体系.祁连山地区的森林系统承担着我国西部重要的水源涵养功能,对其现存的人工林客观地开展基于水源涵养能力的近自然评价是亟需解决的问题.以祁连山东部金禅沟、塔尔沟小流域 40 个不同林分起源的云杉纯林、白桦纯林、云杉白桦混交林为对比研究样地,对涉及近自然度和水源涵养能力的指标进行敏感性分析,筛选出中高敏感度指标,通过欧氏距离法结合熵权法定量评价人工林近自然度,通过模糊物元法定量评价森林水源涵养能力,然后采用 6 种方法对近自然度和水源涵养得分分布进行拟合(R2＞0.4),并利用K-means法建立了 4 个近自然度评价等级.研究表明祁连山东部地区大部分人工林近自然度评级处于半天然林阶段,通过改造纯林为针阔混交林可以同时提高其近自然度与水源涵养能力.研究旨在构建基于水源涵养能力的近自然度评价体系,为森林生态服务功能修复提供理论支持.

为了解黄土区不同土层土壤容重分布特征及其影响因素,本研究以晋西黄土区蔡家川流域为对象,运用经典统计学和地统计学方法分析了蔡家川流域98个样点不同土层(0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm)土壤容重的分布特征以及主要影响因子及其贡献率.结果表明:(1)土壤容重介于0.79～1.78 g·cm-3,在0～100 cm深的土层中随土层深度的增加而增加;土壤容重变异程度随土层深度的增加而减小,在0～40和40～100 cm处分别表现为中等和弱度变异.(2)土壤容重在0～40 cm 土层的最佳拟合模型为高斯模型,在40～100 cm 土层为指数模型;随土层增加土壤容重空间依赖性下降,在0～20、20～60和60～100 cm 土层分别呈强度、中度和弱度空间依赖.(3)0～40 cm 土层土壤容重主要受植被和土壤因素影响,而40～100 cm土层土壤容重主要受海拔和土壤因素的影响,表明30多年植被恢复对土壤容重的影响主要集中于表层.以上结果对深入认知植被恢复背景下区域土壤容重分布规律、科学评估区域植被恢复生态效益和生态服务具有重要参考价值.

流域径流过程及其组分来源识别是水资源合理利用的前提.为明确植被类型对流域径流组分的影响与定量贡献,本研究以山西吉县蔡家川主沟流域及5个不同植被类型小流域为研究对象,监测2场典型降雨产流过程及其氢氧同位素时空变化特征,探讨小流域径流过程差异及其组分来源.结果表明:在中雨条件下,事件水对各个流域河道流量的贡献率为封禁森林(94.3％)＞蔡家川主沟(83.1％)＞农牧复合(64.3％)＞人工-次生林(52.4％)＞农地(0.3％)＞次生林(0.0％);而在小雨条件下,人工-次生林(52.4％)＞封禁森林(58.5％)＞农地(40.6％)＞次生林(15.8％)＞农牧复合(12.5％)＞蔡家川主沟(9.3％),次生林、封禁森林小流域事件水对径流贡献率大于人工林,次生林具有更强的径流调蓄能力.封禁森林、农牧复合流域在中雨强度条件下事件水的贡献率大于小雨强度条件,而农地、人工-次生林、次生林流域则相反.事件水对林地小流域径流贡献率大于农地小流域,可能与农地小流域沟口建有淤地坝有关.本研究结果可为晋西黄土区水源涵养和径流变化归因分析提供科学依据.

刺槐是广泛分布于黄土高原的典型水土保持植物.以黄土丘陵区甘肃天水吕二沟小流域为研究区,分析了刺槐径向生长过程及其对气候因子的响应,并开展了利用刺槐年轮估算小流域年径流量、年输沙量的适用性评估.研究表明:(1)吕二沟刺槐人工林的径向生长随林龄呈明显的下降趋势,在幼龄林阶段(1-10 a)刺槐处于快速径向生长期((4.17±0.74)mm/a),之后逐渐下降,中龄林、成熟林、过熟林阶段(11-40 a)平均生长速率为(2.31±0.41)mm/a,较前期下降了 44.60％.刺槐胸高断面积增量(BAI)在1-10 a平均以(5.46±2.13)cm2/a的速度生长,在11-40 a仍保持上升趋势但年际间生长波动较大,生长速率平均为(10.80±1.95)cm2/a,流域刺槐生长并未发生明显衰退.(2)刺槐的径向生长与温度多呈负相关,与降水、相对湿度及帕默尔干旱指数(PDSI)多呈正相关.其中刺槐径向生长与上年8月、9月(P＜0.05)及当年7月均温、最高温呈显著负相关(P＜0.01),与当年5月最低温呈显著正相关(P＜0.05);与当年6月、7月降水量和上年8月、当年7月相对湿度呈显著正相关(P＜0.05),与当年3月相对湿度显著负相关(P＜0.05);与上年6月、上年10月—当年1月及当年3月—8月PDSI显著正相关(P＜0.05),干旱胁迫明显抑制流域刺槐生长.(3)1978-2017年吕二沟流域年径流量、年输沙量呈减少趋势,年际间波动较大,存在明显丰枯阶段.流域径流输沙受降水量影响显著,且径流输沙显著正相关(P＜0.001).(4)利用刺槐年轮估算吕二沟流域年径流量、输沙量效果良好(P＜0.02),方法可行.比较而言,相对自然条件下即人类干扰较少时径流输沙估算优于人类活动影响时期.利用树轮宽度反演水文过程可为缺乏水文观测资料区域提供参考.

为明确黄土高原丘陵区第三副区典型流域-甘肃天水罗玉沟流域刺槐生长过程及其与气候关系随海拔变化的规律.利用树木年代学方法分别建立高、中、低3个海拔刺槐的标准年表,并分析不同海拔刺槐径向生长过程以及对气候变化的响应.研究结果表明:(1)中、低海拔刺槐径向生长与温度因素多为负相关,而高海拔刺槐径向生长与温度因素多呈正相关.高海拔刺槐生长与上一年生长季(6月)、休眠期(当年3-4月)和当年生长季(6月)均温、最低温和最高温呈显著正相关,其中受最低温影响最显著;中、低海拔刺槐与上一年生长季和当年生长季的均温、最高温和最低温呈显著负相关,低海拔受均温影响显著.(2)随海拔升高,刺槐径向生长与降水和相对湿度的正相关呈降低趋势.低海拔刺槐生长与上一年生长季(7-9月)和当年生长季(6-9月)降水、相对湿度呈显著正相关,中海拔刺槐与当年生长季(6-9月)降水、相对湿度呈显著正相关,而高海拔刺槐生长与上一年生长季(6-7月)相对湿度呈显著负相关.(3)低海拔刺槐与上一年6月—当年10月帕默尔干旱指数(PDSI)呈显著正相关;中海拔刺槐与上一年6月和当年2-10月PDSI呈显著正相关;高海拔刺槐与上一年6-7月PDSI呈显著负相关.中、低海拔刺槐遭受干旱胁迫,限制树木生长.在气候暖干化背景下,罗玉沟流域中、低海拔刺槐受水分胁迫更加严重.在黄土丘陵区开展水土流失治理生物措施经营管理过程中,须注意刺槐林生长对气候响应的海拔差异.

以山西吉县蔡家川小流域人工油松林、刺槐林及油松×刺槐混交林为对象,分析不同林型下油松和刺槐根生物量密度、根长密度、根表面积密度的垂直分布特征及其与土壤理化性质的关系.结果表明:与纯林相比,混交林中油松、刺槐的总根生物量密度提高75％以上;油松根系主要分布于浅层(0～40cm),刺槐根系集中在较深层次(40～80 cm).在不同径级的根系中以细根为主,细根的根长密度及根表面积密度表现为混交林中刺槐＞混交林中油松＞刺槐纯林＞油松纯林,细根的根生物量密度表现为混交林中油松＞混交林中刺槐＞油松纯林＞刺槐纯林;在垂直剖面上,油松纯林、刺槐纯林及混交林中油松、混交林中刺槐的总根生物量、细根生物量、根长密度和根表面积密度均随土层深度增加而减少.不同林型下油松、刺槐的细根根长密度、根生物量密度和总根长密度与土壤全氮、有机碳及含水量呈显著正相关,总根表面积密度与土壤有机碳、含水量及全氮呈显著正相关.油松和刺槐纯林及混交林的根系分布呈现出不同的规律,与纯林相比,混交林的根系生物量及其土壤养分、水分含量更高.

了解土壤侵蚀和泥沙连通性的空间分布特征对制定流域综合管理措施具有重要作用.本研究以辽西低山棕壤丘陵区二道岭小流域为对象,基于InVEST泥沙输移比模型,引入连通性指数和土壤流失模型作为泥沙连通性和土壤侵蚀强度空间分布特征的衡量指标,通过探究不同泥沙连通性等级和土壤侵蚀强度下坡度、坡向和土地利用特征,分析地形、土地利用类型、泥沙连通性和土壤侵蚀之间的关系.结果表明:二道岭小流域泥沙连通性平均值为-3.79,平均土壤侵蚀量为614 t·km2·a-1;高连通性主要出现在坡耕地中,较低的连通性主要分布在林草地中;93.3％流域面积的土壤侵蚀强度在中度以下,极强烈以上侵蚀面积仅占流域面积的1.1％.泥沙连通性等级越高,＜5°坡度的面积所占比例越高,其余坡度的面积占比相对稳定;耕地面积占比增加,林草地面积占比减少;阴坡面积占比降低,阳坡面积占比增加.随着土壤侵蚀强度的递增,＜8°坡度的面积占比增加,其余坡度的面积占比相对稳定;林草地面积占比减少,其他土地利用面积占比增加;阳坡面积占比总体增加,阴坡面积占比总体降低.土地利用是影响该流域土壤侵蚀与泥沙连通性响应关系的关键因素.