黄土高原水平沟—入渗孔组合的坡面水分调控效应

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiahou001
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气候变化和人类活动引起的生态系统退化严重影响了人与自然的和谐关系,植被恢复是缓解气候变暖和恢复退化生态系统的重要途径。黄土高原地区生态环境脆弱,虽然植被恢复得到了明显的改善,但植被恢复已达到土壤水资源植被承载力极限,土壤干层空间范围持续扩大和已恢复植被生长不良严重威胁到植被生态系统结构的稳定和生态服务功能的持续发挥。同时,黄土高原地区沟壑纵横,坡面严重的水土流失不仅导致有限的雨水资源无法补给土壤,而且造成了大量土壤养分资源的流失。在全球气候变化加剧和植被持续恢复的背景下,土壤水养资源短缺是制约当前黄土高原坡面植被生态系统稳定和可持续发展的最主要限制因素。如何通过调控坡面水土过程,进一步提高降雨径流资源化程度成为了缓解坡面植被恢复过程中土壤水养资源短缺亟需解决的重要科学与技术问题。针对以上科学问题和技术需求,本研究提出了“水平沟-入渗孔组合”降雨径流资源化提升技术,并以黄土高原坡面为研究对象,通过土柱模拟试验和野外控制试验,开展了入渗孔措施下的土壤水分蒸发过程与效应、水平沟-入渗孔组合措施下的坡面径流消减及土壤水分再分布、组合措施下的柠条坡地土壤水分养分生态环境改善效应研究。主要取得如下研究结果:(1)不同深度(20 cm、40 cm、60 cm、80 cm)入渗孔在0–26天的日蒸发量平均增加了14.14%,但在31–96天平均降低了10.63%,入渗孔的蒸发效应不会随着其深度的增加而加剧。与无遮盖入渗孔相比,遮盖入渗孔上表面和内表面(孔侧壁和孔底)在整个蒸发时期的平均日蒸发量分别降低了74.25%和4.25%,入渗孔的土壤水分蒸发损失主要是通过入渗孔上表面而非内表面。在降雨事件后,入渗孔、覆石、覆树枝、入渗孔-覆石、入渗孔-覆树枝措施均可有效抑制土壤蒸发,整个蒸发期的累积蒸发量分别显著减少了61.40%、33.47%、41.50%、54.15%、63.50%。入渗孔在14–97天的平均日蒸发量比覆石和覆树枝分别显著降低了65.36%和59.50%,入渗孔比覆盖在蒸发后期抑制土壤水分蒸发效果更好。在整个蒸发阶段,入渗孔-覆树枝组合措施是降雨事件后抑制土壤蒸发的最有效措施。(2)水平沟措施和水平沟-入渗孔组合措施的减流减沙效果与坡面产流量大小有关。在产流量较大条件下,组合措施比水平沟措施有更好的坡面径流泥沙消减性能。在雨季,组合措施显著增加了坡上70–200 cm和坡下70–280 cm各土层土壤含水量。经过两个雨季,组合措施明显改变了坡面不同坡位的土壤水分再分布,坡上和坡下水平沟位置处0–300 cm土壤储水量分别显著增加了18.57%和19.30%,显著增加了坡上水平沟位置处50–200 cm和坡下水平沟位置处50–300 cm土壤储水量。组合措施对坡上和坡下水平沟位置处0–300 cm土壤储水量影响中入渗孔的贡献率分别为104.15%和98.18%。坡面水平沟内增加入渗孔,距入渗孔水平方向30 cm内不同位置处的土壤水分环境均优于无入渗孔水平沟,改善效果随着距入渗孔距离的增加而降低,坡上和坡下水平沟内入渗孔、距入渗孔15 cm和30 cm位置处比无入渗孔水平沟内0–300 cm土壤储水量分别平均增加了19.18%、9.45%和5.37%。(3)柠条水平沟内增加覆盖、入渗孔和入渗孔-覆盖组合措施在旱季对整个剖面土壤储水量均无明显影响,入渗孔和入渗孔-覆盖组合措施在雨季明显改善了水平沟内50–150 cm土壤储水量,在坡面产流量较多条件下对深层土壤储水量的改善范围可达300 cm土层,但覆盖措施仅改善了0–50 cm土壤储水量。经过两个雨季,在柠条水平沟内增加覆盖措施无法增加降雨径流的补给深度,但增加入渗孔和入渗孔-覆盖组合措施下补给深度分别增加了40 cm和30 cm。入渗孔措施下水平沟内0–380 cm总土壤储水量增量显著提高了116.20%,入渗孔和入渗孔-覆盖组合措施下水平沟内50–150 cm剖面土壤水分得到显著恢复,组合措施对深层土壤水分的改善效果主要是入渗孔的作用,在入渗孔水平沟内增加树枝覆盖措施不利于降雨径流对深层土壤水分的补给。(4)经过两个雨季,柠条水平沟内增加入渗孔和入渗孔-覆盖组合措施可以显著提高水平沟内0–120 cm剖面平均土壤有机质和全氮含量,但增加覆盖措施的改善效果不显著。水平沟内不同土层养分含量变化对不同措施的响应有明显差异,覆盖改善了水平沟内浅层(0–10 cm)土壤养分环境,而入渗孔和入渗孔-覆盖组合措施改善了深层(60–100 cm)土壤养分环境。无任何措施的柠条水平沟内0–120 cm土壤碳氮储量均表现出明显的消耗,入渗孔措施下水平沟内则表现出显著的积累,尤其是80–120 cm剖面。(5)尽管水平沟内增加入渗孔或入渗孔-覆盖组合措施显著改善了土壤水分养分环境,但是对柠条生长的影响效果并不显著。不同措施对柠条生长的影响需要通过更长的试验周期进行准确评价。水平沟-入渗孔组合措施通过调控坡面降雨径流,有效减少降雨后土壤的无效蒸发,显著提高降雨径流对深层土壤水分的补给,明显改善柠条水平沟内深层土壤水分养分生态环境,组合措施对深层土壤环境改善的贡献主要来自入渗孔。本研究为缓解黄土高原坡面土壤水养资源短缺、深层土壤干燥化,促进黄土高原坡面植被生态系统的健康稳定提供科学依据和有效的技术措施。
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