论文部分内容阅读
1999年以来,为防止严重的土壤侵蚀,大规模植被恢复在黄土高原开展,生态环境得到明显改善。植被是控制水土流失的有效措施之一,植被恢复过程中近地表特征诸如冠层、枯落物、生物结皮和根系等发生了显著变化,然而上述变化阻控土壤侵蚀过程的作用机制仍不清楚。基于此,本文选取黄土高原植被演替中后期典型草地（白羊草和铁杆蒿）,通过逐层去除法,设置5种近地表特征处理,每种处理布设2个径流小区重复处理,连续2年观测记录自然降雨（共计58场降雨,其中29场有效降雨）、植被近地表特征和土壤理化属性的动态变化,系统研究了典型草地近地表特征、土壤理化性状以及坡面产流-产沙特征,阐明了土壤侵蚀过程的响应机制,同时量化了冠层、枯落物、生物结皮、植物根系与径流和泥沙的相互关系,计算了草地近地表因子的减流、减沙贡献率,为系统评估黄土高原草地水土保持效益,构建适用于黄土高原的土壤侵蚀预测模型提供了理论和数据支撑。得到的主要结论如下:（1）白羊草和铁杆蒿草地的土壤理化特征在年内均存在一定波动,但无显著变化规律。整体来看,两种草地的容重和孔隙度基本相同。其中,白羊草和铁杆蒿样地的容重均值分别为1.10和1.12 g/cm3,变化范围分别为0.99～1.19 g/cm3和1.05～1.17g/cm3;总孔隙度平均分别为58.35%和57.75%,变化范围分别为54.99%～62.53%和55.89%～60.45%;二者的平均毛管孔隙度分别为45.40%和46.54%,变化范围分别为42.29%～50.78%和43.71%～49.46%。受根系的影响白羊草和铁杆蒿土壤饱和导水率较高,均值分别是0.27 cm/min和0.17 cm/min,变化范围分别是0.18～0.39 cm/min和0.12～0.27 cm/min。此外,由于根系形态及其分布等差异,白羊草样地的土壤粘结力（8.04k Pa）高于铁杆蒿样地（7.93 k Pa）,二者的变化范围分别为5.51～9.96 k Pa和4.97～9.93k Pa。（2）草地近地表特征在年内随季节变化呈不同程度的增长趋势。7、8和9月白羊草群落盖度、高度、地上生物量和根系生物量分别是48.44、67.11、76.55%,19.5、40.8、69.9 cm,265.0、284.0、365.0 g/m2,4.8、4.9和5.3 kg/m3;铁杆蒿群落盖度、高度和生物量分别是14.97、45.22、54.5%,62.6、67.8、70.1 cm,180.3、252.2、272.1 g/m2,2.2、2.7和3.0 kg/m3,均随季节变化呈增长趋势。枯落物累积盖度及其生物量、生物结皮盖度变化范围分别为14.9%～34.3%、69.4～198.6 g/m2、77.1%～94.8%。此外,白羊草与铁杆蒿样地地上生物量分别与其盖度和株高呈线性或幂函数增加关系,枯落物盖度和生物量以及根系和地上生物量之间均存在线性增加关系。由于植物本身属性和土壤微环境等不同,两种草地的近地表特征也存在一定差异。（3）草地近地表特征的交互作用显著提高了坡面的抗侵蚀作用。随着近地表要素的增加,不同近地表处理（T1～T4）径流小区的产流量和产沙量逐渐降低。对于累积产流量而言,白羊草样地T1～T4处理比裸地（T0）分别减少81.3%、87.5%、53.2%和17.9%,铁杆蒿样地减少了49.4%、19.1%、5.7%和0.6%。对于累积产沙量,白羊草样地分别降低了97.2%、91.9%、64.7%和43.9%,铁杆蒿样地降低了58.3%、17.3%、6.1%和2.5%。此外,草地坡面的产流产沙特征在不同程度上受到近地表特征、土壤属性和降雨特征的影响。其中,两种草地不同处理单位面积产沙量和径流深均随最大30分钟雨强(I30)呈幂函数增加（P<0.01）。然而,由于降雨强度不同以及植被和土壤在短期监测内无显著变化,导致坡面产流产沙与植被和土壤整体无显著相关关系。最后,回归分析结果表明,坡面产沙量可用土壤粘结力、降雨强度和坡面径流量的幂函数进行表征(Sed=103.735coh-4.490Q1.076I300.298,R2=0.710,P<0.001,NES=0.846)。（4）两种典型草地不同近地表要素的减流作用不尽相同。其中,白羊草样地的生物结皮减流量为负值（-26.00 L）,即促进产流,而其他要素均表现为抑制产流,白羊草样地的减流量的变化范围为77.74～146.77 L,铁杆蒿样地为7.73～56.69 L。两种草地的近地表要素均可显著抑制产沙,减沙量的变化范围分别为0.09～0.93 kg和0.62～7.19 kg。进一步分析发现,I30是影响草地近地表要素减流减沙量的关键因素。其中,白羊草样冠层、枯落物、根系以及铁杆蒿冠层和枯落物的减流量均随I30呈幂函数增加（P<0.01或P<0.05）,而两种草地所有近地表要素的减沙量均与I30呈幂函数增加关系（P<0.01或P<0.05）。此外,回归分析结果表明,土壤流失比率与植被盖度、结皮盖度、枯落物生物量及根系生物量系数成反比。（5）整体而言,两种典型草地均可有效地抑制土壤侵蚀过程,但不同近地表要素的减流减沙相对贡献存在一定差异。对于减流而言,白羊草样地的总贡献为82.1%,其中,生物结皮促进产流,其贡献率为-5.4%,其余要素的分别为冠层（46.8%）>枯落物（27.6%）>根系（13.2%）。铁杆蒿的总减流贡献为56.1%,各要素的贡献依次为冠层（25.7%）>枯落物（23.8%）>结皮（4.3%）>根系（2.3%）。对于减沙而言,白羊草和铁杆蒿的总贡献分别为99.4%和97.5%。其中,白羊草样地不同要素的减沙贡献由小到大依次为冠层（32.6%）>枯落物（25.8%）>结皮（22.5%）>根系（18.5%）,铁杆蒿样地的表现为结皮（29.1%）>枯落物（26.8%）>冠层（24.3%）>根系（17.3%）。此外,由于植被群落特征差异,白羊草样地整体的减流效益比铁杆蒿样地高了46.3%,减沙效益高了1.9%。