研究对比祁连山东部地区典型林分水源涵养能力变化规律及差异,以期为区域森林水源涵养能力提升和管理提供科学依据.以青海互助北山国家森林公园内的云杉纯林、白桦纯林、云杉白桦混交林、云杉青杨混交林、白桦青杨混交林和白桦落叶松混交林为研究对象,采用野外实测、称量、室内浸泡等方法对林地林冠层、枯落物层和土壤层的水文效应进行测定分析,通过敏感性分析和相关性分析选取林冠截留率、未分解层厚度、饱和导水率和土壤蓄水能力等8个指标,并采用熵权法和综合指数法对林地水源涵养能力进行评估.研究结果表明:祁连山东部地区6种典型林分林冠层、枯落物层和土壤层的水源涵养能力都受到林分类型的影响.(1)不同林分类型林冠层植被截留能力表现为针叶林＞阔叶林,混交林＞阔叶纯林;(2)枯落物的厚度和储量变化趋势一致,云杉纯林(针叶纯林)表现为未分解层＞半分解层,其他林分类型(针阔混交林、阔叶混交林和阔叶纯林)均表现为未分解层＜半分解层.(3)土壤孔隙度和饱和导水率整体上表现为混交林大于纯林,且针阔混交林更优.(4)6种典型林分水源涵养能力的综合评估结果表明:云杉白桦混交林(0.746)＞白桦落叶松混交林(0.547)＞云杉青杨混交林(0.504)＞白桦青杨混交林(0.480)＞白桦纯林(0.467)＞云杉纯林(0.244).综合来看,针阔混交林可以作为区域林分结构调整和营造新林的目标林分类型,特别是云杉白桦混交林和白桦落叶松混交林,同时,在新造林时,应避免直接营造云杉纯林.

通过圆盘入渗试验,探讨不同改良剂施用量下土壤入渗特性的变化,揭示添加生物炭和聚丙烯酰胺(PAM)对海涂围垦区盐碱土水力学参数、孔隙特征及不同级别孔隙水流贡献率的影响.结果表明:单施2％生物炭,土壤饱和导水率比对照增加46.4％;盐碱土饱和导水率随PAM施用量增加而减小.单施2％生物炭使土壤总有效孔隙度和半径＞100 μm的有效孔隙度分别增加8.3％和10.2％.单施PAM时,土壤总有效孔隙度和不同半径孔隙有效孔隙度均有减小趋势,其中,PAM梯度为1‰时最明显,减幅高达88％以上.施用生物炭和PAM后,半径＜100 μm的孔隙的水流贡献率呈下滑趋势,半径＞500 μm的孔隙对土壤水流运动起主导作用.

以色季拉山为代表的藏东南高原山地的水土流失已成为区域生态环境的重要问题.对色季拉山不同海拔梯度土壤物理性质进行分析,结果表明:(1)除海拔3600、4200m外,土壤容重随土层深度增加而增大;总孔隙度、毛管孔隙度随土层深度增加而减小;非毛管孔隙度随土层变化无明显规律;饱和含水率、毛管含水率、田间持水率均随土层深度增加而减小.(2)不同海拔梯度,土壤容重总均值、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度变化范围分别为:0.58-1.10g/cm3、57.00％-72.47％、53.33％-67.59％和3.20％-4.87％.饱和含水率、毛管含水率、渗透性具有相同规律,均为3800、3400m处最大,3200m和3600m处最小,4000-4600m居中,田间持水率随海拔梯度变化呈M型波动性趋势.(3)土壤物理性质具有较强的空间异质性,各指标间有明显的空间自相关现象.土壤物理性质各指标在不同土层和海拔间有较明显的差异性,人为干扰也是导致土壤物理性质空间异质性的重要原因.(4)总体上,色季拉山表层土壤(0-10cm)物理结构优于深层次(＞10-30cm)土壤;3200m和3600m处最差,4000-4600m居中,3400-3800m最佳.研究结果提示,以色季拉山为代表的藏东南原始森林地带,土壤结构脆弱,为保持水土,应防止旅游和森林生产经营的过度开发.

煤矿复垦区土壤水对植物生长、溶质运移以及土壤环境的变化起着至关重要的作用.定量揭示煤矿复垦区土壤水下渗过程是亟待诠释的关键科学问题.本研究通过测定典型矿区不同深度土壤非饱和导水率、容重、总孔隙度和粒径等水动力学参数,结合染色示踪试验,刻画矿区非饱和带土壤水运移过程.染色示踪结果显示30、60 L和90 L这3种实验下渗水量条件下,水流沿X方向侧向扩散的最大距离分别为10、30 cm和35 cm,沿Y方向侧向扩散的最大距离分别为10、25 cm和30 cm.互相关函数显示随着下渗水量增大,水流扩散作用也在加强,但过多水量并没有明显增加下渗深度和扩散距离.吸力大于300 hpa时,0.01-0.05 mm土壤粒径含量和非饱和导水率呈负相关关系;吸力和非饱和导水率采用指数函数拟合效果较好(r2＞0.9),对拟合参数a、b和土壤容重(x)进行回归分析:a=0.0015x2-0.00499x+0.0004,b=0.0583x2 +0.1234x-0.072.同一吸力下土壤容重大的土样非饱和导水率较小;吸力值为300hpa是非饱和导水率的转折点;非饱和导水率和土壤容重呈现负相关关系,和总孔隙度呈现正相关关系,且二者的相关性随吸力的增加而降低.

开展工程措施进行植被恢复是防治水土流失的有效方式.在黄土高原半干旱小流域,工程措施能够利用有限的降水资源,促进植被恢复.以甘肃定西龙滩小流域典型水土保持工程措施鱼鳞坑和反坡台为研究对象,采用配对实验设计,在实测土壤水分特征曲线基础上,分别利用Brooks-Corey、Gardner和van Genuchten模型对不同工程措施的土壤水分特征曲线进行模拟.研究结果发现:反坡台(10.63％)、鱼鳞坑(9.78％)粘粒含量显著高于对照样地(9.66％),粉粒含量反坡台(71.42％)与鱼鳞坑(70.74％)显著高于对照样地(67.85％).较之对照样地,反坡台和鱼鳞坑饱和导水率分别提高53.5％和46.9％.3种模型均能够很好的拟合不同工程措施土壤水分特征曲线.较之对照,工程措施长期开展后,鱼鳞坑和反坡台的土壤有效水分分别提高15％和9％,且对表层土壤水分有效性的改善更为显著.

陇中旱农区生产力水平低而不稳,而保护性耕作措施是农业可持续发展的重要途径.本研究依托2001年建立在陇中旱农区的长期不同耕作措施的定位试验,研究了不同耕作措施对土壤水分入渗、蒸发、作物产量和水分利用效率的影响.该试验共设6个处理,分别为传统耕作(T)、免耕秸秆覆盖(NTS)、免耕(NT)、传统耕作+秸秆翻入(TS)、传统耕作+覆膜(TP)、免耕覆膜(NTP),春小麦和豌豆年间轮作.结果表明:与T处理相比,NTS处理的小麦地和豌豆地的土壤容重显著降低,总孔隙度显著增加.保护性耕作措施降低了豌豆地0～5 cm土壤渗吸率,NTS处理渗吸率比T处理降低56.2％.保护性耕作提高了土壤饱和导水率,无论小麦地和豌豆地,NTS均比T处理显著提高了饱和导水率,增幅为52.8％～ 107.1％.保护性耕作显著降低了作物生育期棵间蒸发量,NTP、TIP、NTS比T处理降低了14.4％～ 50.8％,并减弱了雨后土壤蒸发.保护性耕作提高了作物产量和水分利用效率,NTS、TP、NTP的产量比传统耕作提高了9.5％～62.8％,水分利用效率比传统耕作提高了0.4％～50.9％.因此,在陇中旱农区,保护性耕作措施可以提高水分利用效率,增加作物产量.

研究水蚀风蚀交错区土地利用方式转变对土壤水气传输的影响,可为黄土高原生态恢复过程中有限水土资源的高效利用提供参考.为了分析不同土地利用方式下的土壤水气传输特性,探究饱和导水率(Ks)、导气率(Ka)和相对气体扩散率(Dp/Do)间的关系,对柠条地、撂荒地、苜蓿地、农地和裸地样地0～5 cm深度土层原状土,采用定水头法测定Ks,气室法测定Dp/Do,土壤导气率测定仪测定田间持水量(FC)下的Ka.结果表明:土壤0～5 cm容重(ρb)的大小顺序为苜蓿地＞裸地＞撂荒地＞柠条地＞农地,撂荒地、裸地和苜蓿地ρb与农地差异显著.土壤总孔隙度(Φ)的大小顺序为农地＞柠条地＞撂荒地＞裸地＞苜蓿地,相比农地,苜蓿地、裸地和撂荒地土壤Φ分别低7.5％、4.7％和3.1％.充气孔隙度(ε100)的大小顺序为农地＞撂荒地＞柠条地＞裸地＞苜蓿地,苜蓿地、裸地、柠条地和撂荒地ε100分别较农地低38.3％、33.6％、12.8％和10.1％.土壤Ks的大小顺序为撂荒地＞柠条地＞苜蓿地＞裸地＞农地,其中,撂荒地K8显著高于其他4种土地利用方式;土壤Ka的大小顺序为撂荒地＞苜蓿地＞柠条地＞裸地＞农地,撂荒地与农地之间差异显著;土壤Dp/Do的大小顺序为撂荒地＞柠条地＞苜蓿地＞农地＞裸地,其中,柠条地和撂荒地土壤Dp/Do显著大于农地,分别较农地高36.8％和61.6％.土壤Ks和FC条件下的Ka、Dp/Do之间呈显著相关.土地利用方式转变显著改变了土壤的通透性,耕地撂荒或者种植柠条及苜蓿改善了表层土壤导水和导气性能,农地和裸地土壤水气传输能力较差.

长期机械耕作压实会对土壤的物理性质和水力特性产生显著影响,进而影响土壤优先流强度,但机械耕作压实对土壤优先流强度的影响仍存在较大争议.本研究在临泽绿洲农田边缘持续压实区(CC)和正常耕作区(对照,CK)分别设置3个样方,利用亮蓝溶液进行原位染色试验,测定土壤容重、土壤孔隙度和土壤饱和导水率等指标,分析长期机械压实对土壤优先流的影响.结果 表明:长期机械耕作压实对耕作层(0～20 cm)的土壤物理和水力特性无显著影响,而对犁底层20～60 cm的土壤物理和水力特性影响显著(P＜0.05).其中,持续压实区土壤剖面20～60 cm土壤容重增加了10.8％,土壤总孔隙度减少了11.9％,土壤饱和导水率减少了32.3％.长期机械耕作压实显著改变了土壤优先流特征及强度.持续压实区的土壤优先流呈现明显的横向流,显著区别于正常耕作区的大孔隙流;并且持续压实区的土壤优先流显著大干正常耕作区的土壤优先流(P＜0.05),主要体现在最大入渗深度(P＜0.05).本研究结果表明,长期机械耕作压实显著改变了耕作层以下的土壤物理和水力特性,并加强了土壤优先流强度.

土壤层下渗和贮蓄水分的水文功能是森林保持水土、涵养水源的基础.以三峡山地大老岭林区为研究区,采集常绿林、落叶林和草地覆盖下不同坡位的原状土样,测定其饱和导水率和水分特征曲线,分析植被类型和坡位对土壤水分参数和库容的影响.结果 表明:常绿林地的入渗性能最好,饱和导水率为7.80-322.81 cm/d,大于落叶林地(0.33-137.03 cm/d)和草地(0.84-115.80 cm/d);坡位间差异表现为上坡高于下坡.不同样地的饱和含水量差异较小,但毛管持水量和田间持水量差异明显,草地最大,为20.77％-50.39％;不同坡位比较表现为下坡高于上坡.不同样地土壤水库容量差异较大,由田间持水量得到的库容量占总库容量的百分比以草地最大(63.25％),其次是落叶林地,常绿林地最小;坡位上表现为下坡的田间持水库容大于上坡.饱和导水率与土壤总孔隙度、有机质含量呈显著正相关,与容重呈显著负相关;饱和含水量、毛管持水量、田间持水量均与土壤总孔隙度、有机质含量和粉粒含量呈显著正相关,与容重、砂粒含量呈显著负相关.综合以上,草地持水性能最强,利于保蓄水分,常绿林地最弱,更利于水分入渗,补给地下水,下坡位的持水性能强于上坡位.

小流域是黄土高原水土流失治理的基本单元,对其植被的空间分布特征和影响因素研究是该地植被恢复和重建的基础.为此,在黄土高原水土流失最为严重的水蚀风蚀交错带选取一小流域,调查了其植被分布与土壤性质等的变化,并用地统计学方法和冗余分析(RDA)方法研究了植物群落特征的空间变异特征及其主要影响因子.结果表明:该小流域共有植物27种,隶属于12科25属,以豆科、禾本科和菊科植物最多,占种总数的59.3％;总体上群落结构简单、组织水平低.群落地上生物量(AGB)和盖度(C)平均达到205.7 g·m-2和57.7％,高于中国北方草地的平均值,但物种多样性水平较低.在空间尺度上,AGB为中等强度空间相关,丰富度指数(R)、多样性指数(H)、优势度指数(D)和均匀度指数(J)具有强烈的空间相关性;AGB呈斑块状和带状空间分布,在半阴坡和靠近小流域汇水口处最高;其余群落特征的空间分布较为破碎,R、H和J均在半阴坡坡顶较高.AGB和C主要受土壤有机碳、矿质氮、全氮、土壤含水量和海拔的影响,R、H、D和J主要受土壤饱和导水率、容重、砂粒和粉粒含量的影响.研究结果对于水蚀风蚀交错带植被恢复和生态系统结构与功能评估具有一定的指导价值.