崩岗是我国南方花岗岩地区特殊的土壤侵蚀现象,给山区经济造成了严重的影响。为了探索南方花岗岩地区崩岗侵蚀剖面的水分特性,明确水分与崩岗发育的关系,本研究采用野外调查采样与室内分析的方法,运用土壤粒径分形理论,并结合Brooks and Corey 模型,模拟花岗岩崩岗剖面土壤水分特征曲线。选择通城县花岗岩崩岗剖面5 个层次(表土层、红土层、过渡层、砂土层和碎屑层)采集土样,通过对土壤粒径分布和土壤含水量的测定,分析分形维数与土壤粒径之间的关系。同时,应用土壤粒径分形理论,模拟土壤水分特征曲线,基于估算结果与实测结果的比较,探讨分形方法估算土壤水分特征曲线的可行性。结果表明:崩岗剖面土壤黏粒质量分数越大,土壤粒径分维值越大;土壤粒径分维值越大,土壤水分特征曲线的分维值则越大,两者之间线性关系较好;运用分形理论,模拟土壤水分特征曲线的预测值与实测值具有良好的一致性,模拟结果的精度随土层的深度增加而增加,模拟效果以土壤黏粒和粉粒质量分数较少、砂粒质量分数较多的土壤效果较好。研究结果为花岗岩崩岗机理的探索奠定了基础,对崩岗水分的研究具有指导意义。

为了促进滨海盐渍荒漠化地区的植被恢复、引种栽培与盐碱土的改良利用,以3 个白榆无性系Y65225、Y46和Y51 为试验材料,采用盆栽模拟方法,分析白榆无性系在不同浓度(0.0%、0.3%、0.5%、0.7% 和0.9%)NaCl 处理下抗氧化酶(SOD、POD 和CAT)活性、丙二醛(MDA)含量变化及各指标的相关性,并运用隶属函数法,综合评价3 个白榆无性系的耐盐性。结果表明:在各盐浓度胁迫下,Y51 能够维持较高的抗氧化酶活性,抗氧化能力最强;Y46 的抗氧化酶活性下降最大,抗氧化能力最差,Y46 的MDA 含量增加幅度最大,受到的盐害最大;Y51的MDA 含量增加幅度最小,受到的盐害最小。3 个白榆无性系的SOD 活性与POD 活性,呈极显著正相关,CAT 活性与SOD活性、POD 活性相关性不显著,CAT、POD 活性与MDA 含量相关性不强,SOD 活性与MDA 含量呈显著负相关关系,即SOD 活性的增加,可显著减少MDA 的积累,增强其抗盐性。综合各项指标,Y51 抗盐能力最强,Y65225 次之,Y46 最差。建议在滨海盐碱地区造林时,优先采用Y51 无性系。研究结果将为今后白榆无性系在盐碱地的栽培,提供一定的参考。

土壤的崩解特性是南方红土区土壤侵蚀的重要指标,也是开展水土保持工作的重要依据。作者选择花岗岩发育的2 个土壤剖面,分别采集淋溶层、淀积层、过渡层和母质层原状土壤样品。利用崩解仪进行崩解实验,测定剖面不同层次土壤崩解特性与初始含水率的关系。结果表明:在不同的初始含水率条件下,土壤崩解特性均表现为淋溶层和淀积层土壤崩解缓慢,过渡层和母质层崩解迅速;初始含水率的递变,对淋溶层和淀积层土壤达到崩解完全所需用时影响较大,对过渡层和母质层土壤影响较小;随着初始含水率的减小,淋溶层和淀积层的最大崩解量逐渐增加,风干状态时可趋于完全崩解;过渡层和母质层均可全部达到完全崩解,初始含水率对其影响较小。研究结果可为治理南方崩岗水土流失提供依据,也为探索崩岗的发生机制提供参考。

研究坡面次降雨土壤入渗及产流产沙特征,对于坡地水土流失防治及水土资源管理利用具有重要意义。基于广东省五华县水土保持试验推广站野外径流场2014 年的观测数据,研究不同下垫面条件下坡面入渗及产流产沙特征。次降雨入渗量与地表植被盖度间存在显著相关关系(P <0.05,R² =0.95)。入渗量随降雨强度增加,呈先增后减的变化趋势,存在入渗量达最大值的临界降雨强度;人工林及灌草地临界降雨强度为19.9 ~ 27.8 mm/ h,均高于自然撂荒地。次降雨径流深和土壤流失量与地表植被盖度间,存在显著负相关关系(P <0.05),相关系数超过0.9。土壤侵蚀率随径流系数呈幂函数增加趋势,径流中泥沙浓度随径流系数、降雨侵蚀力呈对数函数增加趋势,土壤流失量随降雨侵蚀力及次降雨径流深均呈线性递增趋势。次降雨径流深20 mm 为土壤流失量变化拐点,径流深超过20 mm 后,土壤流失量随径流深递增速率较快。

为揭示崩岗侵蚀对土壤速效养分及化学计量比的影响,选取福建省长汀县黄泥坑崩岗群微度、中度和强度崩岗3 处为研究对象,测定和分析了0 ~30 cm 土层集水坡面、崩壁、崩积体以及沟道部位的土壤基本物理性质、速效养分及化学计量特征。结果表明:1)随着侵蚀强度的增加,硝态氮和速效磷质量分数表现为强度> 中度> 微度,中度侵蚀崩岗铵态氮质量分数最低,速效钾质量分数最高;从水平方向上,各速效养分质量分数表现为速效钾(AK)> 铵态氮> 硝态氮> 速效磷(AP);垂直方向上,各速效养分质量分数大致随着土层深度而降低,但同一侵蚀强度内各质量分数差异较小。2)土壤速效氮为铵态氮与硝态氮的总和(AN),AN/ AP 比表现为微度> 强度> 中度,微度与中度差异显著(P <0.05);AK/ AN 比为中度> 微度> 强度,中度与强度差异显著(P <0.05);AK/ AP 比为微度>中度> 强度,微度与中度差异显著(P <0.05)。3)从集水坡面、崩壁、崩积体至沟道,3 种类型崩岗的铵态氮和硝态氮平均值都呈降低的趋势,速效磷逐渐升高,速效钾在崩积体处最低,其他3 个部位变化不大;土壤AN/ AP、AK/ AP比呈降低的趋势,AK/ AN 比在沟道处最高。4)速效养分化学计量比与砂粒、粉粒、pH 和有机质皆密切相关,黏粒、容重和含水率对其影响相对较小。

通过探讨土壤水盐分布特征对地下水矿化度的响应规律,为泥质海岸带盐碱土的合理利用和水土保持防护林的栽植管理提供科学依据。以栽植3 年生柽柳苗木的土壤柱体为研究对象,在1.8 m 的地下水水位下,分别模拟设置淡水(0g/L)、微咸水(3g/L)、咸水(8 g/ L)和盐水(20 g/ L)4 种地下水矿化度,并以不栽植柽柳的土壤柱体为对照,测定分析不同地下水矿化度处理的土壤水分、盐分以及溶液绝对浓度等水盐参数。结果表明:地下水矿化度可显著影响不同剖面的土壤水盐参数。随地下水矿化度的升高,整个土柱的含水量和含盐量均呈现升高趋势,而土壤溶液绝对浓度呈下降趋势。其中:柽柳土柱相对含水量均值在4 种矿化度下,分别比对照下降24.4%、20.6%、11.3%和4.7%;微咸水、咸水和盐水矿化度下,柽柳土柱的含盐量均值,分别比对照下降67%、5.6% 和8.7%。不同地下水矿化度条件下,随土壤深度的增加,土壤水分呈升高趋势,土壤溶液绝对浓度呈下降趋势,土壤盐分则表现为先下降再升高,并在80cm土壤深度下,盐分达最低值。地下水矿化度的升高,有利于盐分随水分向土壤表层迁移。栽植柽柳可显著降低土柱的含水量、含盐量和土壤溶液绝对浓度,但随地下水矿化度的升高,栽植柽柳对土壤水分的降低作用在减弱,而抑制盐分作用在增强。

为动态监测水土流失治理和生态文明建设示范区长汀县近年来的土壤侵蚀的时空变化,利用美国土壤侵蚀流失方程(USLE 模型),以1988—2013 年9 个时期的Landsat 系列遥感数据,结合实地考察和地形、土壤、气象水文资料,定量估算福建省长汀县近25 年的水土流失变化情况。结果表明:1)长汀县境内水土流失主要以轻度侵蚀为主,水土流失严重区域主要分布在长汀县中部地区以及南部乡镇,以河田镇、濯田镇、三州乡和策武乡等最为严重。2)从1988—2013 年遥感动态监测结果来看,水土流失情况总体得到明显的改善;1988—1994 年间,水土流失量逐渐增大;1994 年水土流失最为严重,1994 年后水土流失情况逐年改善,特别是2003 年以后,长汀地区植被改善明显,尤其是中部水土流失重灾区,有较显著改善。通过对研究区的动态监测,可掌握长汀县水土流失的变化情况和治理成效,同时为了解长汀县水土流失现状和制订治理方案提供科学根据。

为了解侵蚀红壤碳、氮、磷分配格局及化学计量特征,本文在长汀县侵蚀红壤区选取不同恢复年限(2、13、30、33 年)、立地条件相近、样地情况基本一致的马尾松林作为研究对象,以未治理侵蚀地(CK1)和次生林(CK2)为对照,对其土壤总有机碳、全氮和全磷质量分数及其化学计量比的特征进行测定和分析。结果表明:1)随恢复年限的增加,土壤总有机碳和全氮质量分数呈线性增加,土壤全磷质量分数无显著变化,恢复2 ~ 33 a 的马尾松林土壤总有机碳、全氮和全磷质量分数仍显著低于CK2 土壤,表明土壤肥力的恢复是一个漫长的过程。2)土壤C:N、C:P、N:P随恢复年限的增加呈上升趋势,恢复2 ~33 a 的马尾松林土壤C:N 逐渐趋向CK2。3)土壤C:N 和C:P 与土壤总有机碳质量分数呈正显著相关,土壤N:P 与全氮质量分数呈显著正相关,土壤N:P 与全磷质量分数相关性不显著,表明侵蚀退化红壤恢复过程中,土壤化学计量比主要受土壤碳和氮质量分数的控制,暗示着侵蚀红壤现阶段的植被恢复对N 素的响应比对P 素的响应更敏感。

植被覆盖是陆地生态系统的主体,研究植被空间分布格局与土地利用之间的关系,对于生态环境保护和水土流失防治具有积极意义。以南水北调中线工程水源地,丹江流域为研究对象,利用MODIS 250 m NDVI 数据,结合地理信息系统技术,对丹江流域NDVI 等级分布图和DEM 图叠加,得到NDVI 不同海拔、坡度和坡向等地形因子的分布情况,并且与土地利用进行相关分析。结果表明:1)丹江流域NDVI 平均值为0.84,表明流域植被覆盖较好。高植被覆盖分布于流域边缘高山区,东北和东南较集中;中植被覆盖分布于丹江流域河道两侧川塬区和低山区,西北和南部较集中;低植被覆盖位于丹江流域川道区,呈点和线状分布。2)不同海拔和坡度,植被覆盖面积呈单峰分布,平地的植被覆盖面积接近0;不同坡向植被覆盖面积差异不明显。3)除坡向外,不同海拔和坡度,高、中植被覆盖与耕地、林地和草地显著相关;不同地形因子下,低植被覆盖与建设用地和水域显著相关。丹江流域植被覆盖度与人类活动范围呈逆向分布,说明人类活动对植被分布影响较大;优化土地利用,适当增加林地覆盖面积,有利于提高丹江流域的水土保持功能。

为提高森林多功能经营水平和森林效益,以福建省将乐国有林场内典型的杉木及其混交林为例,以17 个易测因子为自变量,分别以森林生物量积累功能、水源涵养功能、保育土壤功能以及生物多样性保护功能为因变量,建立林分结构与功能的多元线性回归模型,并利用主成分分析法得到森林综合功能模型。结果表明:1)林分年龄、平均胸径和密度对森林的各项功能均具有一定的影响,林分平均高更侧重于影响森林的水源涵养功能。2)决定森林多功能水平的林分因子主要为林分年龄和林分平均胸径。3)在55 块调查标准地中,森林综合功能指数最高为453,最低为-153。将乐国有林场82%的杉木林综合功能良好,18% 的杉木林木材生产能力和多样性保护能力较弱,需针对这部分林分进行结构调整以提高森林的多功能性。

降雨及其产生的地表径流是造成水土流失的主要原因之一,水土流失所带来的河床抬高、水质污染等环境问题亟待解决。本文通过广西桂林漓江滨岸带内建立的7 个试验小区,在汛期内观测自然降水条件下各小区的产流产沙情况,研究漓江滨岸带内植被对地表产流产沙的影响,从而为漓江水土流失防治以及面源污染治理等问题提供参考。结果表明:1)植被覆盖能显著拦截坡面径流、沉积泥沙,且植被盖度愈高拦截效果愈显著;2)在草本覆盖处理中,狗尾草植被覆盖处理截流减沙效果较其他几种草本植物覆盖处理好,可作为漓江滨岸带裸露退化区域优先选择的植物种;3)纯草本植物配置的植被带截流减沙效果优于草灌相结合配置的植被带;4)地表径流量、产沙量与降雨量、降雨强度之间在P <0.01 水平上显著正相关,径流量与产沙量之间存在密切的线性关系。由此,采用增加裸坡坡面植被覆盖、选择狗尾草作为漓江快速绿化的草种、坡面上部建立截留措施等方式,可有效减轻坡面水土流失,缓解由水土流失带来的面源污染等问题。

定量分析气候变化和人类活动对径流的影响是探究径流演变机制及水土流失防控的关键之一。采用Trend free prewhitening MK 检验法分析闽江干流及3 大子流域1960—2010 年径流和气象要素的变化特征,并将经验判别法和气候弹性系数法相结合,分析气候变化和人类活动对闽江流域径流变化的影响。结果表明:闽江流域的年径流、降雨量总体呈上升趋势,潜在蒸发量则为下降趋势,且在20 世纪70 年代初发生突变;闽江干流和3大子流域的气候变化导致径流增加,其中降雨量的增加和潜在蒸发量的减少是主要原因,而人类活动主要起减流的作用;干流和3大子流域气候变化对径流变化的贡献率高于人类活动,仅21 世纪初建溪流域和沙溪流域除外。可见,气候变化是闽江流域径流增加的主要原因,但人类活动的影响不容忽视。

采用野外调查和室内分析相结合的方法,测定巧家县境内干热河谷区6 种典型林型(华山松+马桑+黑麦草、华山松+兴安落叶松、核桃、华山松、花椒、桑树)林地和对照(农田)的主要理化性质,并利用隶属函数评价法,评价6 种林型的土壤改良效应,旨在为退耕还林筛选理想的林型提供科学依据和实践参考。研究结果表明:1)退耕后,不同林型林地土壤物理结构得到不同程度改善,土壤养分状况进一步好转,土壤密度、土壤含水量、有机质质量分数、土壤全量养分和速效养分的质量分数均表现为乔灌草混交林> 乔木混交林> 纯林;2)不同林型土壤改良效应综合评价结果为华山松+ 马桑+ 黑麦草> 华山松+ 兴安落叶松> 华山松> 农田> 桑树> 核桃> 花椒,华山松+ 马桑+ 黑麦草乔灌草混交模式土壤改良综合效应最佳,其次是华山松+ 兴安落叶松:在不同树种的纯林之间,华山松土壤改良效应综合评价最高,核桃和桑树土壤改良效应综合评价相当,花椒最差。可见,华山松+ 马桑+ 黑麦草乔灌草混交是当地土壤改良的理想模式,适宜大力推广。

以陕北吴旗县自然恢复15 年的合沟流域为例,探究植被在自然恢复过程中的群落结构和植物多样性特征,为半干旱黄土区人工林草植被构建提供科学依据。实验采用样方法,从地貌部位、坡向及坡度3 个方面对研究区植物群落结构和植物多样性进行调查分析。结果表明:1)合沟流域自然恢复15 年后仍以草本群落为主,地带性植被类型是铁杆蒿+ 长芒草群落;2)先锋乔木和灌木已经出现在沟底和切沟、塌陷地、缓台等土壤水分条件较好的坡面微地形中;3)植物多样性在地貌部位上从大到小的顺序依次是梁峁坡、梁峁顶、沟坡和沟底,随坡向的大小顺序是阴坡> 半阳坡> 半阴坡> 阳坡,随坡度的增大呈现先减小后增大再减小的“S冶形变化,在32毅处取得最大值。建议在人工植被建设的过程中,沟底和水分条件好的坡面微地形可以适当配置乔木和灌木,而阳坡陡坡以保护和恢复草本植物为主。

为了解褐煤基材料对土壤复合体铅形态的影响和污染退化修复机制,将褐煤以及褐煤基改性材料,混入铅污染的土壤中培养4 个月,提取其中的土壤复合体,测定各组复合体中的各形态铅。结果表明:施用褐煤基有机材料后,水稳性复合体增加。1)6 种铅化学形态在各复合体中分布状况不同。各改良剂处理的离子交换态、铁锰氧化物结合态和碳酸盐结合态铅在复合体中分布的大小顺序均为:G0 > G1 > G2 ,各处理从G0 到G1 ,交换态铅质量分数下降了8.74% ~32.22%,从G1 到G2 各处理下降了2.73% ~ 26.74%;弱有机态和强有机态、残渣态铅分布顺序为:G0 < G1 、G2 。2)施用有机材料均引起了3 组复合体中交换态铅质量分数的下降,各处理交换态铅质量分数平均下降了2.73%~32.22%;普遍提高了弱有机态和强有机态铅质量分数,弱有机态铅最高提高51.23%,强有机态铅最高提高67.65%,对残渣态铅没有显著影响。3)所有改性材料改性后均提高了G2 组中的交换态铅,普遍降低强有机态铅质量分数,碳酸盐态铅质量分数未有显著变化。因此,施用褐煤基有机改良剂,促进了水稳性复合体的形成,降低了复合体中交换态铅质量分数,对土壤铅起到了钝化作用。褐煤有机材料对交换态和有机态铅影响较大,对铁锰氧化物态、碳酸盐态和残渣态影响较小。

土壤侵蚀会破坏土地吞食农田,降低土壤肥力,直接影响水土资源的利用和保护。雨滴击溅作用下,地表土壤颗粒会发生位移,引起表层土壤颗粒的分离。以华北土石山区作为研究对象,通过野外人工模拟降雨试验,采用改良后的摩根溅蚀盘和雨滴发生器,利用色斑法结合叶面积系数法测定不同条件下的土壤溅蚀量。结果表明:1)溅蚀量随土壤前期含水量增大而增大、与雨滴动能呈正相关(R2 >0.96,P <0.05);2)溅蚀量和植被覆盖度呈非线性负相关(R² >0.99,P <0.05),植被覆盖度越大,土壤溅蚀量随降雨强度增大的幅度越小;3)植被主要通过叶面积改变雨滴直径,通过株高改变降雨高度,对降雨进行再分配,进而改变雨滴动能。叶面积系数越小、株高越低,植被对溅蚀的阻挡作用越强。

冰川积雪是寒区固体水资源的重要组成部分,在全球气候变暖背景下,进行冰雪融水量的计算具有重要意义。本文以青藏高原纳木错流域为研究对象,近40 年,纳木错流域气温增幅达到0.04℃/ a,所对应的是流域冰川年退缩率达到1.12 km²/ a,湖泊面积扩张速率达到2.1 km²/ a。借助第1、2 次中国冰川编目数据和MODIS 遥感影像资料,基于水量平衡建立冰川体积融水径流量经验公式(包括冰川区降水量、冰川消融量、蒸发量和融水径流量等参数),并采用SRM 积雪消融模型(积雪覆盖衰减率、气温直减率、度日因子值和径流系数等参数),分别对纳木错流域内的冰川和积雪融水径流量进行估算,从而实现大尺度稀缺资料的高寒地区水文模拟。结果表明:纳木错流域年均冰川融水径流量是2.99 亿m³/ a,积雪融水径流量是8.10 万m³/ a,冰川融水量约是积雪融水量的38 倍。通过比较纳木错流域气温升高、冰川退缩和湖泊扩张之间的关系,纳木错湖泊增加水量约为流域内冰川融水径流量的80%,远高于季节性积雪融水的补给量;因此,可以推测随着气候变暖,纳木错流域东南侧念青唐古拉山大面积冰川的急剧消融,是造成纳木错湖泊扩张的重要原因之一。

为探讨国家水土保持重点建设工程对项目区土壤侵蚀的防控作用,以淮河流域沂蒙山大峪小流域项目区和大别山桃岭小流域项目区为对象,采用遥感调查和地面调查相结合的方法,研究重点工程实施后,项目区土壤侵蚀状况的变化,分析不同措施对土壤侵蚀的防控效果,以期为认识和评价国家水土保持重点建设工程的实施效果提供参考。结果表明:1)2 个项目区在重点工程实施后,土壤侵蚀面积和土壤侵蚀模数大幅度降低。沂蒙山大峪项目区和大别山区桃岭项目区土壤侵蚀面积消减率为88.9%和76.3%,侵蚀模数降低率76.7%和72.1%,侵蚀模数降低到243 和314 t/ (km²·a)。土壤侵蚀防控效果以沂蒙山大峪项目区高于大别山桃岭项目区,主要原因与2 项目区实施的防治措施配置不同,以及与不同防治措施对土壤侵蚀防控效果的差别有关。2)重点工程不同防治措施对土壤侵蚀的防控效果,以梯田工程措施和水平阶工程措施明显大于封禁补植措施。2 项目区中,坡耕地梯田工程区的土壤侵蚀模数降低率82.5%和83.8%,坡式林地水平阶工程区(大别山区桃岭项目区)的土壤侵蚀模数降低率70.3%,疏林地封禁补植区的土壤侵蚀模数降低率39.5%和55.2%。

增强土壤蓄水保墒性能,是提高干旱半干旱区造林质量的重要举措之一。以黑龙江西部为背景,选取覆膜、覆秸秆和覆沙3 种地表覆盖措施,采用对比的研究方法,探讨半干旱区地表覆盖保墒的抗旱造林技术。结果表明: 3 种地表覆盖措施不同程度提高了土壤含水率,平均提高幅度分别达58.93%,32.91% 和24.97%,且以降水较少的春季最为明显;3 种覆盖措施造林成活率分别提高了13.9,11.7 和10.6 百分点,与对照差异显著。对应地表覆盖处理下的樟子松,2008—2013 年间的年均高生长量提高了23.35%,5.08% 和9.64%;通过对3 种地表覆盖材料及相应处置费用的市场经济核算,其造林成本分别比对照增加了4.4%,9.3% 和9.2%。采用隶属函数值法,以造林成活率、造林初期6 a 的年均高生长量和初期造成成本提高幅度为指标,对各处理措施进行评价和排序,其结果为:覆膜> 覆沙> 覆秸秆> 对照.

深层渗漏(DP)是水文循环的重要环节,准确评价DP对于分析水文循环规律,合理制定水资源规划和地下水可持续利用具有重大意义,尤其是在水资源短缺的干旱半干早地区,开展该项研究更具价值。目前,干旱半干旱地区DP的评价方法主要有经验方法、物理方法、示踪方法和数值模拟方法。由于经验系数需要校正,因而经验方法应用到其他区域受到限制;物理方法又可分为蒸渗仪法、土壤水分通量法、水量平衡法、达西方法以及地下水位动态监测法;示踪方法主要从示踪剂的峰值、剖面形状和总含量来计算DP,此方法不是对DP的直接测定,且没有考虑示踪剂的空间变异;数值模拟理论上可对各种条件下的DP进行模拟和预测,但获取参数的难度较大。针对各方法存在的优缺点,将现有评价方法相结合,相互验证,可提高模拟精度;鉴于DP的时空变异性,将现有方法与GIS 等新技术集成,可评价大尺度DP的空间异质性;同时,进行长时间序列的野外观测,既可直接获取DP 的动态信息,也可为各方法参数的获取提供数据支持。