施永屯小流域不同土地利用類型土壤物理性質(zhì)研究

土壤水分是制約黃土丘陵區(qū)生態(tài)建設和土地可持續(xù)利用的關鍵因子,認識不同土地利用類型的土壤水分狀況對該地區(qū)植被恢復和土地資源的有效利用具有重要的理論和實際意義.本研究采用ec-5土壤水分傳感器,對黃土高原園則溝流域坡耕地、梯田、棗園和草地生長季內(nèi)（5—10月）0～160cm土壤剖面含水量進行連續(xù)監(jiān)測,探討這4種典型土地利用類型的土壤水分變化特征.結果表明：在降水常態(tài)年和干旱年,不同土地利用方式土壤水分的季節(jié)變化、蓄水特征及垂直分布均存在差異.在2015年干旱年,梯田表現(xiàn)出良好的蓄水保墑效果,0～60cm土層生長季平均土壤含水量分別比坡耕地、棗園和草地高2.6%、4.2%、1.8%（p〈0.05）,0～160cm土層儲水量分別比坡耕地、棗園和草地高43.90、32.08、18.69mm.在2014年常態(tài)年,棗園0～60cm土層生長季平均土壤含水量分別比坡耕地、梯田和草地低2.9%、3.8%、4.5%（p〈0.05）;在干旱年,0～160cm土層有效水儲量僅占土壤總儲水量的35.0%.不同土地利用方式下均是表層（0～20cm）與中層（20～100cm）土壤水分的灰色關聯(lián)度較大,且土壤水分變化態(tài)勢的相似程度表現(xiàn)為梯田〉草地〉坡耕地〉棗園.對于試驗區(qū)內(nèi)的坡耕地,可考慮改造為梯田,以提高雨水資源的有效利用、促進生態(tài)農(nóng)業(yè)建設;而針對黃土丘陵區(qū)旱作棗園土壤缺水嚴重的現(xiàn)象,需采取適當水分管理措施以降低棗樹自身耗水和其他無效耗水,實現(xiàn)棗園可持續(xù)發(fā)展.

通過對比晉西黃土區(qū)蔡家川流域人工刺槐林地、人工油松林地、退耕荒草地和農(nóng)地土壤有機碳和總氮含量的差異性,探討了土地利用變化對該流域土壤碳氮儲量的影響。結果表明：（1）4種土地利用類型下,土壤有機碳和總氮均表現(xiàn)出表聚效應,且荒草地垂向降幅最大,各樣地土壤有機碳和總氮均呈極顯著線性正相關;（2）油松林地0—48cm土層有機碳含量高于其他樣地,刺槐林地0—48cm土層總氮含量顯著高于其他樣地,而4種土地利用類型在48—96cm土層和96—160cm土層中有機碳和總氮含量差異不顯著;（3）從蔡家川流域退耕土壤固碳和固氮效應整體而言,退耕林地具有顯著的土壤碳氮固存效應,隨著人工林地面積占比的增加,流域土壤總有機碳和總氮儲量相應增加。

通過對比晉西黃土區(qū)蔡家川流域人工刺槐林地、人工油松林地、退耕荒草地和農(nóng)地土壤有機碳和總氮含量的差異性,探討了土地利用變化對該流域土壤碳氮儲量的影響。結果表明：（1）4種土地利用類型下,土壤有機碳和總氮均表現(xiàn)出表聚效應,且荒草地垂向降幅最大,各樣地土壤有機碳和總氮均呈極顯著線性正相關;（2）油松林地0—48cm土層有機碳含量高于其他樣地,刺槐林地0—48cm土層總氮含量顯著高于其他樣地,而4種土地利用類型在48—96cm土層和96—160cm土層中有機碳和總氮含量差異不顯著;（3）從蔡家川流域退耕土壤固碳和固氮效應整體而言,退耕林地具有顯著的土壤碳氮固存效應,隨著人工林地面積占比的增加,流域土壤總有機碳和總氮儲量相應增加。

以國家自然科學基金為依托建立模擬實驗區(qū),探究不同施工機械和碾壓次數(shù)下的土壤物理指標(壓實度、容重、孔隙度、含水量、電導率和溫度)的變化。研究結果表明:隨土層深度的增加,壓實度、容重和電導率逐漸遞增,孔隙度、含水量和溫度逐漸遞減;隨碾壓次數(shù)的增加,壓實度和容重逐漸遞增,孔隙度逐漸遞減,土壤含水量、電導率和溫度先增加后降低,其中使用自卸汽車時,3次碾壓指標值最高,使用履帶式推土機時,5次碾壓指標值最高,而使用履帶式推土機的處理效果要好于使用自卸汽車;通過對各處理與對照間的擬合度分析發(fā)現(xiàn),使用履帶式推土機碾壓5次的土壤中各指標與對照擬合度最高,表明采用\"履帶式推土機×碾壓5次\"的組合,復墾土壤中物理性質(zhì)與正常土壤最為接近。

為了解壓實對城市新建綠地土壤物理性質(zhì)的影響,以西安植物園新園區(qū)為研究對象,依據(jù)土壤壓實程度的不同以及地表植被的差異進行區(qū)域劃分,對不同區(qū)域內(nèi)的土壤分層采樣,并進行土壤容重、孔隙狀況、水分常數(shù)等物理性質(zhì)的測定。結果表明:隨著壓實程度的增加,土壤各層次間的發(fā)生規(guī)律發(fā)生了改變,土壤出現(xiàn)退化現(xiàn)象。研究區(qū)域內(nèi)的土壤容重偏高,平均值為1.52g/cm3;土壤總孔隙度、通氣孔隙度、土壤含水量、田間持水量、土壤飽和導水率明顯偏低,平均值分別為44.71%、12.81%、15.46%、20.77%、20.7mm/h。土壤容重與總孔隙度、通氣孔隙度、田間持水量、自然含水量、飽和導水率之間呈極顯著的負相關;通氣孔隙度與飽和導水率、自然含水量、田間持水量之間均呈現(xiàn)顯著的正相關。壓實對各層土壤物理性質(zhì)的影響表現(xiàn)為表層土>淺層土>深層土,人為踐踏產(chǎn)生的壓實只影響到表層土壤。

基于太湖流域平原區(qū)典型土地利用類型(林地、菜地)不同深度(10,20,40,60cm)土壤水分以及降雨的監(jiān)測數(shù)據(jù),分析2種土地利用類型下土壤水分變化對降雨的響應模式。結果表明:(1)菜地表層土壤水分波動較深層劇烈,而林地不同深度的土壤水分變化模式相似;(2)菜地表層土壤水分對降雨的響應受初始含水量影響顯著。初始土壤較干燥時,降雨入滲較快,10cm和20cm土壤水分對降雨的響應時間基本一致,而若初始土壤較濕潤,土壤水分對降雨響應的早晚與土壤深度正相關;(3)菜地土壤在40cm深度出現(xiàn)明顯分層,降雨入滲到該界面時停止下滲并不斷累積而趨于飽和;(4)受冠層截留以及地表枯枝落葉對雨水吸持的作用,中小降雨事件難以引起林地土壤水分的顯著變化,當發(fā)生較大強度的持續(xù)降雨時,林地深層土壤水分容易受到周邊側向壤中流匯水以及土壤大孔隙的優(yōu)勢流影響,而在集中性強降雨過程中,林地深層土壤水分變化則主要受土壤大孔隙的優(yōu)勢流影響。

對海倫市紅光農(nóng)場純大豆模式、分別復合種植7a和3a的落葉松-大豆復合模式及楊樹-大豆復合模式的土壤物理性質(zhì)進行了分析,結果表明:(1)各模式容重都有隨土壤層次的加深而增大的趨勢,種植3a的落葉松-大豆模式、楊樹-大豆復合模式與純大豆模式相比,前者能夠降低20~30cm、40~50cm土層土壤的容重,后者能夠降低0~20cm土層土壤的容重;復合7a的模式中,楊樹-大豆模式可以明顯降低各土層土壤容重,隨著復合年限的延長,落葉松-大豆模式和楊樹-大豆模式20~50cm、20~40cm土層土壤容重變化明顯。(2)復合3a的模式與純大豆模式相比,土壤孔隙度基本無明顯變化;復合7a的2種模式中,楊樹-大豆模式毛管孔隙度和總孔隙度分別高出純大豆模式6.31%和6.94%,并且楊樹-大豆模式土壤孔隙度均明顯低于落葉松-大豆模式,隨著復合年限的延長,2種模式土壤孔隙度基本無明顯變化。

該文依據(jù)不同植被類型與蓋度,對黃羊灘沙化土地的剖面特征和物理性質(zhì)進行了野外調(diào)查與室內(nèi)分析,結果顯示:土壤剖面呈通體沙質(zhì)特征,結構性差;機械組成以沙粒為主,容重與固相率遠高于正常的森林土壤,總孔隙度明顯偏低;流動沙地存在穩(wěn)定的干沙層,半固定沙地能形成干沙覆蓋,固定沙地不能形成干沙覆蓋層。風蝕沙地普遍具有耕性差的特點,固定沙地壘結緊實,流動、半流動沙地呈粗骨質(zhì)形態(tài)。

本試驗以甘肅省莊浪縣桃木山林場的修枝后10年、20年的華北落葉松人工林為試驗對象,對其林下土壤物理性質(zhì)進行了研究,結果表明不同的修枝強度間差異顯著。

調(diào)查分析了武夷山不同類型毛竹林的土壤水分物理性質(zhì)狀況。結果表明,不同類型毛竹林的土壤容重大小為對照地>竹杉林>竹闊林>毛竹純林;土壤總孔隙度大小為毛竹純林>竹闊林>竹杉林>對照地;各林地土壤最大持水量、毛管持水量大小為毛竹純林>竹闊林>竹杉林>對照;最小持水量大小為毛竹純林>竹杉林>竹闊林>對照;三項持水量依次是對照值的1.04~1.19倍、1.06~1.14倍、1.09~1.14倍。毛竹林分在0~60cm土壤層的質(zhì)地較為疏松,孔隙增多,透氣性好,有利于水分的運輸與貯存,適宜毛竹鞭根生長,因此,科學合理地經(jīng)營毛竹林分,避免過度人為干擾可有效改善林分的水分物理狀況,促進竹林豐產(chǎn)。

該文以半干旱荒漠區(qū)典型湖泊紅堿淖為例,分析水分減少引起流域土地利用/覆蓋類型發(fā)生變化進而對土壤理化性質(zhì)特征產(chǎn)生的影響。結果表明,紅堿淖濕地流域土地利用類型呈現(xiàn)以湖泊為中心由鹽堿沼澤向沼澤化草甸、草地、草原化沙地、沙地變化,土壤粉粒和黏粒含量減少,砂粒增加,土壤含水量降幅19.17%~82.20%。與鹽堿沼澤相比,沼澤化草甸、草地、草原化沙地、沙地土壤有機質(zhì)含量分別下降了7.73%、32.01%、52.32%、53.42%;全氮含量分別下降了2.05%、4.46%、31.56%、34.15%;全磷含量分別下降了34.82%、36.80%、31.40%、47.25%。深層土壤有機質(zhì)、全氮、全磷含量在不同土地覆蓋類型中差異更明顯。土壤有機質(zhì)、全氮和土壤全磷含量與土壤粒度存在顯著相關關系。

隨著鄱陽湖流域開發(fā)進程加快,土地利用類型勢必發(fā)生轉移,從而對鄱陽湖流域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。為了能反映鄱陽湖流域由于土地利用變化對土壤侵蝕的影響效應,本文通過采用3s技術手段,獲取鄱陽湖流域土地利用空間數(shù)據(jù)與土壤侵蝕數(shù)據(jù),引入土地利用變化轉移矩陣指數(shù)和土壤侵蝕強度指數(shù),對鄱陽湖流域土地利用變化和土壤侵蝕效應空間關系進行定量分析。結果表明:①1985年～2000年間,影響鄱陽湖流域土壤侵蝕強度變化的土地類型主要集中在農(nóng)田、林地和草地,而水域、工礦居民用地與未利用地三種土地類型對土壤侵蝕強度變化總體變化不大;②加重土壤侵蝕強度的主要是林地轉化為農(nóng)田、林地轉化為草地、草地轉化為農(nóng)田;而土地利用類型農(nóng)田轉化為林地、林地內(nèi)部之間的轉化減輕了侵蝕強度。土地利用類型和土壤侵蝕強度之間的定量研究結果反映了土壤侵蝕效應的變化,與鄱陽湖流域的水土流失現(xiàn)實情況一致。

西南岔河為湯旺河一級支流,隨著人類活動對下墊面的影響,河道內(nèi)的懸移質(zhì)泥沙含量逐年增多。本文應用swat(soilandwaterassessmenttool)分布式水文模型構建了流域水沙模型,研究分析了西南岔河流域1995—2015年土地利用空間變化對土壤侵蝕的影響,模擬分析了綠化對減輕水土流失的作用,為當?shù)厮帘３诌x擇灌木品種和種植規(guī)模提供依據(jù)。

土地利用/土地覆被變化及其環(huán)境效應研究成為當前土地變化科學研究的熱點領域。我國西南喀斯特山區(qū)山高坡陡,地形破碎,土壤侵蝕嚴重,不合理的土地利用方式是造成喀斯特山區(qū)土壤侵蝕的主要人文因素。本文采用\"3s\"技術和rusle模型,分析了近30年來貴州省貓?zhí)恿饔蛲恋乩?覆被變化的時空特征,模擬了不同土地利用空間格局下的土壤侵蝕狀況,探討了土地利用變化對土壤侵蝕的影響。結果表明:近30年來流域內(nèi)土地利用/覆被發(fā)生了顯著變化,1973年~1990年,水田、灌木林、其他林地、灌草地均在減少,旱地、有林地、水域、建設用地、裸巖地均在增加;1990年~2002年,水田、有林地、灌木林、灌草地、水域、城鎮(zhèn)農(nóng)村居民點建設用地均明顯增加,旱地和裸巖地均大幅度減少。流域土壤侵蝕模數(shù)由1973年的30.88t/(hm2.年)上升到1990年的35.08t/(hm2.年),2002年下降到28.16t/(hm2.年)。旱地和灌草地是流域發(fā)生土壤侵蝕的主要土地利用類型。封山育林、植樹造林和退耕還林,減少陡坡旱地,是流域進行水土流失治理的有效措施。

采用gis空間分析與傳統(tǒng)統(tǒng)計分析相結合的方法,通過在arcgis8.1的grid模塊中,對瀾滄江流域南段土地的柵格(grid)圖進行地圖代數(shù)運算,形成具有復合數(shù)據(jù)的新grid數(shù)據(jù)表;對新生成grid屬性表的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算,獲得研究時段內(nèi)不同空間范圍的土地利用轉移矩陣數(shù)據(jù)及各類用地上的土壤侵蝕數(shù)據(jù);通過土壤侵蝕綜合指數(shù)(index)的計算,反映了不同區(qū)域、不同土地利用類型上的土壤侵蝕程度及其變化.研究結果表明,耕地、其它林地、低覆蓋度草地上土壤受侵蝕的可能性較其它用地類型大;耕地、中覆蓋度草地、水域的土壤侵蝕強度較其它用地類型大;土地利用變化對土壤侵蝕變化的影響在瀾滄江中游和下游區(qū)域表現(xiàn)較為明顯,而在上游區(qū)域不明顯;上游區(qū)域土壤侵蝕的主導因素不是土地利用及其變化,而是地形、氣候等其它因素.

對杉木、馬尾松、濕地松、尾葉桉和馬占相思林的土壤物理性質(zhì)、凋落物持水量以及土壤貯水性能進行了研究。5種林分土壤的毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度均為上層大于下層,而土壤容重為上層小于下層?？傮w來看,5種林分中杉木和馬占相思林土壤疏松、孔隙度大;尾葉桉林土壤緊實、孔隙度小,馬尾松林和濕地松的土壤孔隙度中等。凋落物最大持水量呈現(xiàn)杉木林(18thm-2)>馬占相思林(15thm-2)>尾葉桉林(14thm-2)>馬尾松林(11thm-2)>濕地松林(10thm-2)。土壤是森林涵養(yǎng)水源的主體,其最大持水量占林地最大持水量的99%以上,順序為杉木林地和馬占相思林(2064和2061thm-2)>濕地松林(2041thm-2)>馬尾松林(2032thm-2)>尾葉桉林(1941thm-2)。林地最大持水量的順序為杉木林地(2082thm-2)>馬占相思林地(2076thm-2)>濕地松林地(2051thm-2)>馬尾松林地(2043thm-2)>尾葉桉林地(1955thm-2)。

本文以貴陽市喀斯特地區(qū)白云巖組土壤為研究對象,通過對該區(qū)典型土壤樣品的調(diào)查和分析,篩選和確定了土壤質(zhì)量評價指標,通過分析試圖研究土壤性質(zhì)與不同土地利用方式之間的關系,并用該研究結果對該研究區(qū)土地的可持續(xù)利用,提出一些建設性的意見和措施。

土壤質(zhì)量、土壤蓄水保肥能力和土壤養(yǎng)分吸收利用與土壤物理性質(zhì)有密切聯(lián)系。在甘肅省河西走廊民樂縣至高臺縣自東向西的天然降水梯度上,選擇荒漠區(qū)的7個研究點對土壤表層(0—20cm)和亞表層(20—40cm)分別采集42個土壤樣品,在野外采用張力入滲儀測定飽和導水率,室內(nèi)采用常規(guī)方法對土壤容重、孔隙度、顆粒組成等項目進行了測定。結果表明,在360～100mm的降水梯度上,荒漠土壤粉粒和黏粒含量降低,砂粒含量增加;伴隨著土壤的粗?；?引起土體的風散和結構的破壞,使土壤容重增加、孔隙度降低、持水性能下降等一系列物理性質(zhì)的惡化。土壤表層、亞表層飽和導水率ksat和變異系數(shù)cv分別為70.0%和86.3%,均是土壤表層和亞表層各物理性質(zhì)中變異系數(shù)最高的。

以毛烏素沙地榆林沙區(qū)樟子松人工林土壤為研究對象,分析不同林齡樟子松人工林土壤質(zhì)量含水量、土壤體積質(zhì)量、孔隙度時空變異規(guī)律。結果表明,土壤質(zhì)量含水量在流沙地為丘間地>迎風坡>背風坡>丘頂,在樟子松人工林為丘間地>背風坡>迎風坡>丘頂,并隨土層深度增加而增加,0～5cm土層質(zhì)量含水量樟子松人工林高于流沙地,5～25cm和25～50cm土層低于流沙地。土壤體積質(zhì)量在流沙地為丘頂>迎風坡>背風坡>丘間地,在樟子松人工林為丘頂>中部(迎風坡、背風坡)>丘間地,隨土層深度增加而增加,且樟子松人工林對應各層土壤體積質(zhì)量均小于流沙地。毛管孔隙度均為丘間地>中部(迎風坡、背風坡)>丘頂,土壤孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)隨土層深度增加而降低,樟子松人工林對應各層土壤孔隙度均大于流沙地。隨樟子松林齡增加,質(zhì)量含水量和孔隙度分別增加1.32%～21.82%、2.88%～12.00%,土壤體積質(zhì)量降低1.16%～7.12%。統(tǒng)計分析表明,所測指標總體上存在顯著差異。

土壤是人類生存和發(fā)展的必要物質(zhì)基礎,土地利用方式的改變直接影響土壤性質(zhì)。從土壤理化性質(zhì)和微生物特性兩個方面,綜述了土地利用變化對土壤性質(zhì)的影響,旨在為土地有效利用及可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

黃河三角洲是我國成土最快的河口三角洲之一,探索其土地利用過程中不同土地利用方式對土壤物理性質(zhì)的影響,對該區(qū)土壤肥力保持和土地資源的持續(xù)利用具有重要意義。選擇黃河三角洲棉田、麥田、葦?shù)?、堿蓬地和裸地等5種不同的土地利用方式,通過野外調(diào)查與室內(nèi)分析,研究不同土地利用方式下土壤主要物理特性的變異特征及影響因素。結果顯示,與裸地土壤相比,有植被土地利用方式土壤容重降低,土壤孔隙度、團聚體水穩(wěn)性、飽和含水量與毛管含水量也有相應的提高;土壤有機碳和速效氮、有效磷含量均有顯著增加,土壤總鹽分含量呈顯著降低趨勢。在所研究土壤中,土壤物理性質(zhì)依麥田-棉田-葦?shù)?堿蓬地-裸地的次序從最佳向最差過渡。逐步回歸分析和相關分析表明土壤容重、團聚體平均重量直徑和毛管孔隙度是土壤毛管含水量的主要影響因子,團聚體水穩(wěn)性主要由大于0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量和毛管孔隙度決定,土壤總鹽分含量影響土壤飽和導水率;大于0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量分別與土壤有機碳含量(r=0.8323)、速效氮含量(r=0.7558)和有效磷含量(r=0.9049)具有正相關關系。因此,黃河三角洲地區(qū)土地利用應以增加有機質(zhì)的投入,提高土壤水穩(wěn)性團聚體形成為基礎,促進土壤良好結構形成。這些結果為該區(qū)土壤肥力提高和土壤資源可持續(xù)利用提供參考依據(jù)。

為了實現(xiàn)土地的可持續(xù)利用和生態(tài)的可持續(xù)維護,以藉河流域5期土地利用數(shù)據(jù)和構建生態(tài)系統(tǒng)服務評價模型為基礎,運用馬爾科夫模型對藉河流域的土地利用及生態(tài)服務價值變化進行評估,結果表明:研究時段內(nèi)坡耕地、梯田、林地和草地的總面積占流域面積的90%以上,坡耕地面積逐期減少,梯田和林地面積增加;1975—2030年流域總的生態(tài)服務價值呈增加趨勢,草地和林地占總價值比例達到70%以上;預測2020年和2030年流域的生態(tài)服務價值分別增加到5.499億元和5.633億元,1975—2030年間單項生態(tài)服務價值中土壤形成與保持、維持生物多樣性、氣候調(diào)節(jié)和氣體調(diào)節(jié)4項占總價值的60%左右。