近年来,黄河中游许多流域径流量呈现减少的趋势,这与区域大规模的植被恢复密切相关.但是,汾河源区径流量却呈现了增加的相反趋势,有关变化环境对该区域径流及其组分的影响机制尚不明晰.因此,研究选取汾河源区北石河流域为研究区域,利用 9 种数值模拟法对 1962-2018 年河川径流进行分割并分析其适用性,采用Mann-Kendall检验法和累积距平法对径流、地表径流及基流进行了趋势分析和突变检验,评价了植被恢复和气候变化对径流及其组分的影响.结果表明:(1)在 9 种数值模拟法中,Lyne-Hollick滤波法的估算精度相对较高,其日基流过程线能较好地反映基流的滞后性和稳定性,因此更适用于研究区的基流估算;(2)流域多年平均径流深、地表径流深、基流深和基流指数分别为 181.2 mm、67.4 mm、113.8 mm和 0.68,基流是径流的主要组成部分.流域年径流和年地表径流均呈现不显著的增加趋势,而年基流呈现显著的增加趋势,基流的增加是径流变化的主要直接原因,三者的突变时间均出现在1994 年左右;(3)降水的变化引起了径流、地表径流及基流的增加,降水增加是径流变化的主导因素(贡献率为 78.1%—79.4%),而植被恢复引起了径流和基流的增加以及地表径流的减少,其主要原因在于植被恢复能够促进降水入渗,减少地表径流,同时北石河流域的土壤和地貌条件使增加的降水入渗量更多地形成了基流,植被恢复的基流增加效应超过了地表径流减少效应,从而最终增加了径流总量.研究结果可为汾河源区植被合理恢复及水资源可持续利用提供科学依据.

为了探究渭北旱塬苹果园不同水肥管理模式下的土壤水分差异,于2013-2016年在地处渭北旱塬的陕西省白水县田家洼村进行了田间试验,设置了3个不同果园水肥管理方式:农户模式(单施化肥,FM)、现有模式(推荐施肥配合地膜覆盖,EM)、优化模式(有机无机肥配施配合双元覆盖,OM),并对0～300 cm土层土壤水分进行了测定.结果表明:优化模式可以显著提高0～200 cm土层土壤贮水量,0～100 cm土层土壤含水量在干旱季节较农户模式和现有模式分别增加5.6％和15.3％,优化模式200～300 cm土层土壤水分相对亏缺指数低于现有模式,在干旱年份可以提高降雨入渗,降雨入渗达到300 cm,同时优化模式可以提高果园0～300 cm土层土壤降水补充量,稳定土壤水分变化,有效缓解了深层土壤干燥化程度.优化模式4年平均产量较农户模式和现有模式分别提高36.6％和22.5％.综上,优化模式可以通过提高土壤有效含水量,改善浅层和深层水分状况,提升土壤水分利用效率,在提高产量的同时,缓解土壤深层干燥化程度.

人工柠条林地表广泛分布的土壤结皮对地表水文过程有重要的影响.该研究以荒漠草原人工柠条林生物土壤结皮为研究对象,通过有无结皮处理下旱季和雨季表层土壤水文过程的监测以及土壤水文物理特性的分析,进一步在季节尺度上揭示生物土壤结皮地表水文效应的形成及其影响因素.结果表明:(1)人工柠条林表层土壤结皮层水分含量动态在旱季和雨季表现出了截然相反的格局,其持水效应在以小降水为主,土壤蒸发强烈的夏季体现最为典型,但是进入雨季结皮的相对持水效应弱化甚至丧失.(2)由于生物结皮活性的季节转换,人工柠条林表层土壤容重、饱和含水率、总孔隙度在季节尺度上发生了不同程度的变化.(3)无论是旱季还是雨季,生物结皮的存在都会降低土壤水分入渗性能,而无论有无结皮覆盖,雨季土壤水分入渗速率都低于旱季.

由人类活动所导致的锡林郭勒草原草场退化、土地沙化等问题日趋严重,区域土壤水资源评价及其科学管理显得尤为重要.为确定锡林郭勒典型草原不同放牧条件对深层土壤剖面水分动态及降水入渗补给的影响,选取1979年以来禁牧(UG79)、1999年以来禁牧(UG99)和持续放牧(CG)3个小区6个土壤剖面,基于不同深度土层的质量含水量、C1浓度等数据,分析了放牧对深层土壤水分特征的影响,且利用氯质量平衡法估算了降水入渗补给量.结果 表明:1)禁牧可以提高土壤含水量,且禁牧时间越长,效果越显著,尤以表层最为明显.整个土壤剖面(0-5 m)土壤质量含水量的平均值表现为UG79＞UG99＞CG,但各处理间差异不显著;0-2 m UG79处理土壤剖面质量含水量分别比UG99和CG处理高26.6％和33.7％,储水量分别高87.19 mm和82.52 mm,且UG79处理与UG99、CG差异显著,但UG99与CG之间差异不显著;除局部地区受土壤颗粒组成影响含水量不同外,各处理2-5 m土层含水量和储水量差异较小;2)不同处理土壤含水量影响因素不同,0-2 m土层含水量主要受地表植被状况和土壤性质的综合影响,而2-5 m土层则主要受土壤颗粒组成的影响,但随着禁牧年限的增加,土壤有机质(SOM)含量对土壤水分的影响越来越大.UG79整个土壤剖面含水量与土壤颗粒含量和SOM含量呈极显著相关关系,UG99与CG处理0-2 rn含水量与SOM含量呈极显著相关关系,2-5 m土壤含水量与土壤颗粒含量呈极显著相关关系,而与SOM含量相关性不显著;3)氯质量平衡法估算得出年降水入渗补给率为UG79＞ UG99＞ CG,35年和15年禁牧分别将降水入渗补给率提高了130.2％和44.5％;考虑干沉降的不确定性,研究区年降水入渗补给率为1.95-7.61 mm·a-1,仅占年降水量的0.55％-2.13％.总之,禁牧能够增加土壤含水量和储水量,增加降水对土壤水分的补给,但降水不是该区地下水的主要补给源.

沟坡作为黄土丘陵区小流域水土流失最为活跃的区域,探究不同下垫面植被类型下的土壤水分循环特征对于沟坡地植被恢复具有重要意义.基于氢氧同位素示踪技术,通过野外水样采集和室内同位素分析旨在揭示植被类型对沟坡地土壤水分循环的影响机制.结果 表明:(1)各水体氢氧同位素均遵循:降水＞刺槐林地土壤水＞草地土壤水＞地表水＞地下水,降水的变异系数最大,地表水和地下水的变异系数较小.(2)草地土壤水主要以降水补给为主,所占比例为59.12％,刺槐林地土壤水则以深层土壤水的上升补给为主,所占比例为60.97％.短阵性暴雨条件下,草地土壤水运移速率较刺槐林地高约1 cm/d,且主要发生在0-50 cm土层.(3)土壤水的垂向运移为地下水的主要补给形式,草地土壤水对地下水的补给比例为51.64％,约比刺槐林地高0.52％.表明植被类型对土壤水分循环特征具有一定的影响,刺槐林对深层土壤水分利用强度较大,可能加剧深层土壤干层化,而草地更有利于降水入渗以及地下水补给,该研究可为小流域沟坡的生态修复和综合治理提供科学依据.

中国西北地区通过大量种植中间锦鸡儿(Caragana liouana)进行生态治理,在荒漠草原带上形成人工灌丛景观,改变了生态系统的结构和功能,影响到地-气水汽循环过程,研究该人工灌丛群落的蒸散特征,对揭示其生态水文效应和指导地方生态治理实践具有重要意义.该文以宁夏盐池荒漠草原带上的人工灌丛群落为例,利用茎流-蒸渗仪法测定了2018年5-8月的灌木蒸腾和丛下蒸散,并分析了环境因子对人工灌丛群落蒸散的影响.结果表明:(1)茎流-蒸渗仪法所测的群落蒸散与水量平衡法、涡度相关法得到的群落蒸散有较好的一致性,茎流-蒸渗仪法能适用于荒漠草原带入工灌丛群落蒸散及其组分结构的测定;(2)观测期内晴天的灌木蒸腾速率和丛下蒸散速率日变化趋势相近,均为单峰曲线,群落蒸散主要发生在日间,但灌丛最大蒸腾速率的出现时间比丛下蒸散最大速率的出现时间晚1 h;(3)5-8月间灌木累积蒸腾为83.6 mm,日平均蒸腾量为0.7 mm·d-1,季节变化呈抛物线状;同期丛下累积蒸散为182.5 mm,日平均蒸散量为1.5 mm·d-1;丛下蒸散明显大于灌木蒸腾;(4)观测期间人工灌丛群落累积蒸散266.1 mm,而同期的降水量为222.6 mm,陆面水分收支处于亏缺状态;(5)净辐射是影响蒸散最主要、最直接的驱动因素,且能够影响其他因子进而对人工灌丛群落蒸散产生作用.综上,人工灌丛引发荒漠草原地带陆面水分收支亏缺的现象,在生态恢复与重建中须引起注意.

水分是荒漠植物生长最主要的限制因子,藓类结皮作为荒漠土壤表层重要覆被物,对土壤水分蒸发入渗具有重要影响.研究表明,在全球气候变化背景下,不确定的降水格局变化导致结皮层藓类植物出现集群死亡现象,但这一过程对荒漠地表土壤水分蒸发与入渗过程的影响及其机理尚不清楚.以古尔班通古特沙漠齿肋赤藓结皮为研究对象,利用便携式渗透计和蒸发仪,研究了结皮层藓类植物死亡对土壤水分蒸发与入渗的影响.结果 表明,与裸沙相比,藓类结皮的存在显著抑制了水分入渗,而藓类植物死亡的结皮层抑制作用最大,其初渗速率、稳渗速率和累积入渗量分别是活藓类结皮的39.89％、85.91％及64.48％,仅为裸沙的5.96％、13.13％及20.42％.在水分蒸发初期,裸沙的水分蒸发速率明显高于活藓类结皮和藓类植物死亡的结皮层,但藓类植物死亡的结皮层维持相对稳定的蒸发速率的时间长于裸沙和活藓类结皮,这也导致最终累计蒸发量以藓类植物死亡的结皮层最高、裸沙最低.可见,荒漠生物土壤结皮中藓类植物死亡会明显减少土壤水分入渗、增大水分蒸发,进一步影响荒漠表层土壤水分格局,从而影响生物土壤结皮与维管植物的水分利用关系.

研究坡面产流与降雨之间的关系是揭示降雨-径流产生机制以及土壤水分时空变化的关键.受特殊的地理条件限制,在青藏高原的典型高寒草原缺乏坡面产流的相关实测数据,限制了学术界对该区坡面产流特征及机制的理解.本研究选取色林错流域的典型高寒草原坡面为对象,通过开展坡面降雨、土壤水分和产流过程观测,探讨高寒草原坡面产流特征,诠释坡面降水-下渗-储存-产流机制;并结合土壤含水量、下垫面性质以及降雨强度、降雨量等特征的观测,分析影响坡面径流的主要因素.结果 表明:6-10月色林错流域坡面产流的模式主要为超渗产流;在小雨时,降雨量为7.6 mm,径流深为0.23 mm,水分入渗量为2.63 mm;在中雨时,降雨量为18.8 mm,径流深为0.68 mrn,水分入渗量为14.65 mm;在大雨时,降雨量为32.4 mm,径流深为0.78 mm,水分入渗量为30.49 mm;在暴雨时,降雨量为55.4 mm,径流深为0.89 mm,水分入渗量为47.59 mm,小雨、中雨、大雨和暴雨水分入渗分别发生于土壤0～5 cm、0～ 80 cm、0～10 cm和0～ 80 cm;厘清了研究区产流形成的最小降雨量和径流系数,率定了径流系数的主要影响因子,在低含水量(5％左右)时,产流形成的最低降雨量为5 mm;而在高含水量(8％左右)时,产流形成的最低降雨量为1.8 mm,径流系数大约为0.016,最大10 min降雨强度和土壤初始含水量是影响径流系数的主要因子.

大规模的采矿作业已对我国半干旱区植被生态造成很大破坏,矿区植被亟待恢复,以解决半干旱矿区日益恶化的生态环境问题.如何改良土壤、有效储存和利用降水是半干旱矿区复垦土地植被恢复的首要问题.本研究针对半干旱矿区复垦土地水分涵养功能不足的问题,提出利用凹凸棒土和当地砂土组配作为新覆土材料,并研究了外源凹凸棒土添加对神木矿区复垦土壤入渗、排水和储水能力的影响.结果表明:随着凹凸棒土含量的增加,土壤的累积入渗量减少4.8％～37.4％,入渗率减少6.4％～46.3％,湿润锋推进速度减小9.8％～116.9％,饱和导水率减小14.3％～59.5％,24 h和72 h排水量分别减少0.3％～4.3％和0.3％～2.5％,土壤最大储水量增加1.6％～22.4％.外源凹凸棒土的作用效果在添加量为150 t·hm-2时基本已达到最大,结合经济成本的最佳用量在30～150t·hm-2.本研究结果系统揭示了凹凸棒土对半干旱矿区土壤减渗保水的作用机理,证明其可以作为半干旱矿区复垦土壤改良的有效材料,为半干旱矿区土地复垦和植被恢复提供参考.