黄土丘陵区整地与植被恢复耦合作用的生态水文效应

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土壤质量和水文循环对黄土高原地区生态系统恢复至关重要。作为旱区生态修复的主要手段,整地方式和植被恢复带来的土壤生态水文效应直接关系区域生态恢复的可持续性。本研究选择甘肃省定西市龙滩流域为典型研究区,通过野外监测与室内分析,比较分析了整地措施和植被恢复类型对土壤理化性质、土壤水分动态、减流减沙、生态水文等的影响。论文取得了以下结果:  (1)整地方式下养分含量依次为水平沟、水平阶>鱼鳞坑>反坡台;植被类型养分对比结果:柠条>油松>山杏>侧柏。土壤养分含量随土层的增加而减少,一般0-1m养分平均含量只有表层含量的43.1%-86.8%;整地方式以水平沟与水平阶条件下的养分含量较高,植被类型则以柠条和油松的土壤养分含量较高。同时发现不同整地方式下土壤速效养分差异较大,而不同植被类型间的土壤全量养分差异较为明显。  (2)整地的土壤水力学性质相比对照有较明显提高。本研究发现整地使土壤水分平均提高1.88%(cm3·cm-3),相比自然坡面高出了22.62%。反坡台和鱼鳞坑的土壤水分含量分别提高了29.69%和15.55%。鱼鳞坑和反坡台作为两种典型的整地方式,饱和含水量相比对照小区分别提高了7.52%和4.24%,此外土壤有效水各提高4.74%和11.40%,说明整地措施可以有效提高土壤持水、供水能力,改善土壤水力学性质。此外,结果显示整地对表层土壤水力学性质的影响更大,与自然坡面对照相比,鱼鳞坑和反坡台0-20cm表层的土壤有效水含量分别提高了38.75%和23.84%,而深层(60-80cm)土壤有效水含量与对照只相差3.34%和3.85%。整地措施重塑了地表下垫面,改变了坡地微地形,有利于干旱地区收集雨水、防治土壤侵蚀、促进植被生长。  (3)不同整地方式之间水分含量由高到低依次是:水平沟>鱼鳞坑>反坡台。季节性变化对比,鱼鳞坑在生长季中期雨水较多时的水分含量相对较高,而反坡台在生长季初期与中后期的土壤含水量有更好的保持作用,所以不同地区可根据降雨量来的适宜整地方式。不同植被类型的水分含量之间:山杏水平沟>侧柏鱼鳞坑>侧柏反坡台>柠条水平阶>油松反坡台>油松鱼鳞坑,在传统植被恢复类型比较中,油松的耗水量较大。整地方式对土壤含水量的影响在表层有较显著差异,而植被对水分影响在深层土壤含水量存在明显的差异。  (4)影响土壤水碳储量的是植被和整地的共同作用。基于研究区的土壤理化性质和土壤水碳储量比较,发现0-1m内土壤储水量最高的山杏水平沟小区(124.68mm),而油松反坡台的土壤储水量最少(88.30mm);油松鱼鳞坑有着最高的土壤碳储量(9803.71g/m2),而山杏水平沟的土壤碳储量最低(8162.74g/m2);土壤养分储量的综合比较中,柠条水平阶和油松鱼鳞坑有较高的土壤养分储量,而山杏水平沟的养分储量较低。此外,土壤储水量在表层0-10cm主要受降雨影响(解释度58.8%),而在根际层(10-60cm)主要受整地和植被共同影响,而深层则主要受植被影响(68.8%和75.5%)。最后,土壤碳储量受整地方式的主导影响(解释度30.5%),而植被相对更影响土壤养分储量(SNS36.5%,SPS31.1%,SKS77.1%)。  (5)雨强、坡位与植被属性对产流产沙过程有重要影响。研究发现灌-乔-草的坡面配置模式有较好的减流减沙效应,其产流产沙速率分别为5.511·m-2·h-1和21.77g·m2·h-1,相比之下,乔-草-灌和乔-灌-草(乔木在上坡位)的坡面配置模式产流产沙可多达到18.34l·m-2·h-1和197.98g·m-2·h-1,所以配置格局最好的灌乔草相比乔草灌减流效益达到69.96%,减沙效益达到89.01%。通过RDA和相关分析表明,不同坡位的植被分布格局有着非常明显的差别,植被集中分配在中下段位置更有利于减流减沙效益,所以在实际坡面水土保持工作中,相同生物量或植被数量的工程作业应合理分配植被配置,达到最优的减流减沙效果。
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