生物结皮是黄土高原常见的地表覆被物,在灌草群落下方及植被间空地上广泛发育,深刻影响着灌草植物种子的二次扩散和定居,但目前针对生物结皮对种子二次扩散影响的研究较少,且种子二次扩散的主导因素尚不明确.该研究以风沙土和黄绵土上的生物结皮(藻结皮和藓结皮)为对象,以无结皮为对照,利用倾斜摄影测量法测定了地表粗糙度,并通过风力扩散实验测定地表粗糙度对6种不同形态灌草植物种子的移位率、损失率和扩散距离的影响,继而结合Spearman相关性分析,研究灌草种子在生物结皮表面扩散的主导因素.研究结果表明:(1)与无结皮相比,风沙土藻结皮和藓结皮的地表粗糙度分别增加了6.69倍和6.13倍,黄绵土上分别增加了2.52倍和1.45倍.(2)风沙土上,干燥条件下的地表粗糙度比湿润条件下增加了26.56%,而在黄绵土上则降低了9.42%.(3)在干燥条件下,风沙土生物结皮的地表粗糙度比黄绵土上增加了16.84%,湿润条件下则降低了16.38%.(4)风沙土上,种子在生物结皮表面的移位率、损失率和扩散距离分别比无结皮降低了77.1%、95.4%和72.2%,在黄绵土上则分别降低了76.5%、93.8%和66.8%.土壤类型和干湿条件对生物结皮上种子扩散特征的影响不显著.(5)种子移位率、损失率和扩散距离与地表粗糙度极显著负相关,种子移位率和损失率与土壤含水量显著负相关,种子损失率和扩散距离均与种子密度显著负相关.综上,黄土高原生物结皮主要通过增加地表粗糙度阻碍种子扩散,增强种子聚集,进而影响黄土高原灌草植被的空间分布特征与群落动态.

以黄土高原水蚀风蚀交错区黄绵土和风沙土上发育30年的典型藓结皮为对象,分6层采集0～12 cm土层土样,研究了藓结皮对不同土层4种水解酶活性的影响及其与土壤养分的关系.结果表明:与无结皮相比,黄绵土藓结皮的脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性分别提升了2.4、7.6、20.7、2.4倍,而风沙土藓结皮的这4种水解酶活性分别提升了3.5、22.2、22.3、2.0倍;黄绵土和风沙土藓结皮的体积含水量分别降低了6.5％和0.8％,温度分别降低了0.8和2.5℃;黄绵土藓结皮的有机质、碱解氮和速效磷含量分别提升了2.5、2.9和3.6倍,风沙土分别提升了3.6、3.0和6.6倍.4种水解酶的活性与土壤养分含量呈显著正相关,与土壤含水量呈显著负相关;而土壤温度与脲酶活性呈显著正相关,与蛋白酶活性呈显著负相关.黄土高原水蚀风蚀交错区2种土壤藓结皮均能显著提升水解酶活性,这是藓结皮加速土壤养分周转的重要因素;通过改变土壤含水量和温度等酶促反应条件间接影响酶活性,是藓结皮促进土壤酶活性的重要途径.

土壤有效磷(Olsen-P)含量的变化过程及其与土壤磷素平衡和作物产量的关系是科学推荐施磷的基础.本文通过设置于黄土高原黄绵土区持续34年(1981-2015)的长期定位试验,研究了长期不同施肥处理对作物磷素携出量、土壤磷素平衡、土壤Olsen-P含量的影响及其演变过程,同时对土壤Olsen-P含量与磷素平衡和作物籽粒产量的相关关系进行了分析.试验采用裂区设计,主处理为施用有机肥(M)和不施用有机肥,副处理为不施化肥(CK)、单施氮肥(N)、氮磷肥配合施用(NP)和氮磷钾肥配合施用(NPK).结果表明:不同施肥处理和作物类型对磷素携出量和磷素平衡都有显著影响.CK、N、NP、NPK、M、MN、MNP和MNPK处理小麦的磷素携出量多年平均值为8.63、10.64、16.22、16.21、16.25、17.83、20.39、20.27kg·hm-2,而油菜为4.40、8.38、15.08、15.71、10.52、11.23、17.96、17.66 kg·hm-2,小麦的携出量略高于油莱.土壤磷素盈亏量与磷素投入量呈显著正相关,土壤磷素盈余为零,种植小麦的最小土壤磷素投入量为10.47 kg· hm-2,而油菜为6.97 kg·hm-2.土壤磷素盈亏量显著影响土壤有效磷的变化过程.长期不施磷的CK和N处理,土壤有效磷含量随试验年限延长而逐渐降低,年均分别降低0.16和0.15 mg· kg-1,而NP、NPK、M、MN、MNP和MNPK处理土壤有效磷含量随试验年限的延续而逐渐增加,年均增幅在0.02～0.33 mg·kg-1.土壤磷素累积盈亏量与土壤有效磷含量间存在显著的正相关关系,不施用有机肥和施有机肥处理可分别用线性模型y=0.012x+9.33和y=0.009x+ 11.72显著拟合.不施有机肥处理小麦籽粒产量与土壤有效磷含量呈显著正相关,而施有机肥处理两者间的相关性不明显,两者的小麦籽粒产量和土壤有效磷含量可以用线性分段模型拟合.小麦土壤有效磷农学阈值为14.99 kg·hm-2,油菜籽粒产量虽随土壤速效磷含量增加呈增加的趋势,但相关性不显著,表明在黄土高原黄绵土区,当土壤有效磷含量高于14.99 mg· kg-1时,种植小麦应减少磷肥施用量或不施磷肥.

氮肥利用率是确定推荐施氮量和施氮效果评价的关键参数.本文通过黄土高原黄绵土区持续34年(1981-2015年)的长期定位试验,研究了长期不同施肥处理对氮肥当季利用率和累积利用率的影响及氮肥当季利用率与累积利用率的关系.结果表明:除试验起始年(1982)外,不同施肥处理对小麦、油菜和胡麻3种作物氮肥的当季利用率和累积利用率都有显著影响,其中小麦以氮磷钾配施(NPK)处理平均氮肥当季利用率最高,其次为氮磷配施(NP)处理,分别较单施氮肥(N)处理提高了77.7％和62.0％;油菜也以氮磷钾配施(NPK)处理平均氮肥当季利用率最高,其次为有机肥与氮磷钾配施(MNPK)处理,分别较单施氮肥处理提高了93.7％和65.6％.有机肥与氮肥配施(MN)处理氮肥当季利用率较单施氮肥(N)处理显著增加,而有机肥与氮磷配施(MNP)和氮磷钾配施(MNPK)处理氮肥当季利用率较相应氮磷配施(NP)和氮磷钾配施(NPK)处理明显降低.氮肥当季利用率与作物籽粒产量存在显著的线性正相关关系,而累积利用率与作物籽粒产量的相关关系不明显.表明与氮肥累积利用率相比,当季利用率能较及时地反映特定土壤肥力、作物种类、品种和环境条件下的肥料利用率特征.

集雨-壤中防渗技术是在起垄覆膜垄沟覆草技术的基础上提出的一项新技术.为了探讨集雨-壤中防渗技术在陕北黄土丘陵区山地果园的应用效果,在米脂县党塔苹果科技示范基地山地红富士苹果园布设对照(CK)、黄绵土夯实防渗(L1)、红黏土防渗(R1)、红黏土夯实防渗(R2)4种处理,测定了不同防渗层类型的土壤容重、稳渗率以及不同处理的土壤水分、果实品质、产量和水分利用率.结果表明:红黏土夯实防渗层防渗效果最好,其土壤容重(1.61g·cm-3)最高,持水量最低,稳定入渗率(0.02 mm·min-1)最小,采用Kostiakov经验公式方程能很好地模拟不同防渗处理水分入渗特征.在整个苹果生长季节,不同防渗处理均能提高集雨沟下O～ 60 cm土层的土壤含水量,其中,R2的含水量始终最高,在旱季可以达到苹果树生长发育适宜的含水量标准;壤中防渗处理60 cm土层以下20～ 30 cm范围内存在一个明显的“低湿层”,但低湿层至200 cm土层的土壤含水量变化趋势较为稳定,较CK略有增加;集雨-壤中防渗处理能够提高果实产量和水分利用率、改善品质.其中,R2处理的产量比CK提高了19.2％,优果率提高了26.5％,水分利用效率提高了24.5％.建议陕北黄土丘陵区山地苹果生产中大力推广集雨-壤中防渗技术.

增加地表粗糙度是生物结皮影响干旱和半干旱地区地表水文与土壤侵蚀过程的重要途径.本文针对黄土高原水蚀风蚀交错区典型小流域,使用链条法测定了裸沙、物理结皮以及不同发育阶段生物结皮(藻、藻-藓混生、藓)的地表粗糙度,比较了不同地形(坡度和坡向)和土壤条件(土壤类型和含水量)下生物结皮地表粗糙度的差异,分析了生物结皮对地表粗糙度特征的影响及其与地形因素和土壤属性的相关关系.结果 表明:与裸沙相比,随着物理结皮、藻结皮以及藻-藓混生结皮的相继发育,地表粗糙度由0.67持续增加至16.76(F=194.31,P＜0.01);各发育阶段中,藻-藓混生结皮的地表粗糙度最高,为无结皮土壤的25倍,但由藻-藓混生结皮发育至藓结皮后地表粗糙度骤减了52.7％(仍大于裸沙和物理结皮);生物结皮的地表粗糙度在10°～30°坡度范围内差异不显著,但在30°～40°坡度下其地表粗糙度显著增加(F=10.05,P＜0.01),增加幅度达25.5％;且阳坡藓结皮的地表粗糙度显著高于阴坡(t=-5.70,P＜0.01),为阴坡的1.3倍;生物结皮的地表粗糙度随含水量变化波动较为剧烈,任意含水量下黄绵土上发育的藓结皮的地表粗糙度均高于风沙土上发育的藓结皮(F=187.16,P＜0.01),前者平均为后者的2.1倍;黄绵土上藓结皮的地表粗糙度与有机质含量呈显著负相关(r=-0.998,P=0.04),而与其他土壤属性的相关性不显著.综上,黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮的发育显著增加了地表粗糙度,其关键影响因素是生物结皮的发育阶段以及坡度和坡向.

干旱和半干旱地区生物结皮的普遍发育显著改变了表层土壤的结构与养分富集特征,但其对土壤养分迁移和淋失的影响目前尚不明确.本研究针对黄土高原风沙土和黄绵土上发育的藓类生物结皮,以Ca2+和Cl-为示踪离子开展溶质穿透试验,对有无生物结皮层及其覆盖下不同深度土壤的溶质运移特征进行了研究.结果 表明:在0～～5 cm土层,生物结皮覆盖延缓了风沙土和黄绵土的溶质穿透过程,其Cl-的穿透时间比无结皮延长了3.83(风沙土)和2.09倍(黄绵土),而Ca2+则分别延长了2.50和2.73倍.生物结皮覆盖条件下,表层0～5 cm土壤溶质完全穿透所对应的孔隙体积数比下层5～10 cm土壤更高,且其穿透历时更长;其中,Cl-的穿透时间分别增加了67.3％(风沙土)和51.8％(黄绵土),Ca2+的穿透时间分别增加了8.0％和33.7％.生物结皮覆盖降低了土壤孔隙水流速(37.5％～70.2％);除风沙土的5～10 cm土层外,生物结皮使溶质弥散系数提高了1.73～6.29倍,使溶质弥散度提高了2.77～20.95倍.置换液完全穿透土壤后,风沙土和黄绵土的生物结皮层Ca2+含量显著高于无结皮,其分别比无结皮高4.14和2.58倍.研究证实,生物结皮覆盖能够提高表层土壤对养分的吸附与固持能力,从而减少土壤表聚养分的深层渗漏和流失,对干旱和半干旱地区退化土壤的肥力提升与植被恢复具有重要意义.

长芒草(Stipabungeana)群系是欧亚大陆草原区东南部的主要针茅草原类型之一,中国特有群系类型,以黄土高原及其周边为集中分布区.由于农业开垦等人为活动,其天然植被保存不多,现有分布破碎化严重或处于不稳定的演替阶段.该文利用2013-2019年在全国范围内调查的108个样地的数据,对长芒草群系的地理分布、物种组成、生态特征和群落分类做了详细的描述和研究.结果表明:长芒草群系在陕北、宁南、陇东、陇中、晋北、阴山南部黄土丘陵和鄂尔多斯高原的分布较为集中,通常发育在黄绵土或栗钙土上,海拔高度在(1)631-3 174(4 098)m之间.108个样地内共记录到种子植物37科109属214种,大多为偶见种或稀有种,生活型组成以地面芽植物或多年生杂类草居多,水分生态类型以旱生,尤其是中旱生和典型旱生植物居多,区系地理成分以东亚成分、东古北极成分和亚洲中部成分较多.群落的高度、盖度、生物量及物种丰富度变化幅度均较大,这些与生境的湿润程度和干扰状况密切关联.长芒草群系划分为7个群丛组,37个群丛.

原油进入土壤后会堵塞土壤孔隙,影响土壤斥水性,改变土壤水分运动状况.本研究利用土柱模拟的方法,研究了不同原油污染程度(0、0.5％、1％、2％、4％)对黄绵土和风沙土水分入渗过程的影响.结果 表明:随着原油含量的增加,两种土壤湿润锋的推进速度和入渗速率均减小,土壤原油污染程度为4％时湿润锋运移到土柱底部的所需时间最长,污染程度为0时湿润锋运移到土柱底部的所需时间最短,黄绵土湿润锋达到土柱底部所需最长时间是最短时间的5倍,风沙土最长时间是最短时间的48倍;当湿润锋运移到土柱底部时,黄绵土的累积入渗量随原油含量的增加而减小,而风沙土的累积入渗量先增大后减小;在高浓度(2％、4％)原油处理下,风沙土的累积入渗量曲线出现"翘尾"现象.Kostiakov入渗模型和Philip入渗模型比Green-Ampt模型能更好地模拟不同原油处理下的黄绵土土壤水分入渗过程,但对风沙土而言,两种模型对低浓度(0、0.5％、1％)原油处理的土壤水分入渗过程拟合较好.原油污染能够显著影响土壤水分入渗过程,且对风沙土的影响更大.

针对西北地区土壤肥力下降、保水保肥能力差的问题,选用黄绵土和灌漠土两种土壤类型,以玉米和箭筈豌豆为指示作物,通过盆栽试验,研究施用0、20、40、60 g·kg-1有机酸土壤调理剂对土壤养分和作物生长的影响.结果 表明:施用有机酸土壤调理剂可以降低作物生育期土壤水分蒸发散失;显著提高土壤中有效养分含量,对磷素的提升效果尤为明显,较未施用有机酸土壤调理剂处理速效磷含量和占比最高,分别提高256.5％和227.4％.在黄绵土上,随着调理剂施用量的提高,玉米和箭管豌豆的地上部干重均表现出先上升后下降的趋势,用量为20 g·kg-1时达到最大值;当土壤调理剂用量超过20 g·kg-1时,土壤全盐含量显著上升,箭筈豌豆出苗率显著下降.在灌漠土上,调理剂施用量对玉米土壤全盐含量的影响不显著,当调理剂用量为60 g·kg-1时,箭管豌豆土壤全盐含量显著提高;箭筈豌豆和玉米地上部干重分别在调理剂用量为40和60 g·kg-1时最大.因此,在黄绵土上种植箭管豌豆和玉米时调理剂的最佳施用量均为20 g·kg-1,在灌漠土上的最佳施用量分别为40和60 g· kg-1.