西南喀斯特地区不同退耕模式的土壤水文效应及其控制因素

Karst landscape is widely distributed in southwest China with extensive outcrops, shallow soils, and sparse vegetation. Due to high solubility of carbonate rocks, there are a lot of cracks, hollows, and channels in surface and subsurface of karst landscape, and therefore the capacity in soil retaining water is low. The priority goal of the "grain for green" program or any other ecological engineering should be to improve the soil hydrological functioning. This study will integrate multiple approaches of literature reviewing, in-situ monitoring, field survey, model simulation to quantify the effectiveness of different measures (modes) of the "grain for green" program and to uncover the underling mechanisms. Based on this study, we will make some pedo-transfer functions for estimating soil hydrological properties, test and improve the performance of the BEST method in estimating soil hydrological properties, and optimize the specific measures (modes) applied for this program. On the one hand, this study will form the theoretical and technical support to optimize different measures of the "grain for green" program, thereby facilitating the sustainable implementation of this program; on the other hand, this study would facilitate the multidisciplinary and their respective advancements of the disciplines such as ecological restoration, soil hydrology (hydropedology), ecohydrology and ecosystem service etc.

我国西南喀斯特地区土层浅薄、持水保水能力弱，因此，土壤水文功能的提升应成为退耕还林（草）和植被恢复等生态治理工程的首要目标。本研究拟采取文献调研、样带调查、定位监测和模型模拟等方法和技术手段，研究不同退耕模式的土壤水文效应及其控制因素，进而评估和改进BEST土壤水文性质测定和估算方法的适用性和通用性，构建估算土壤水文性质的土壤转换函数，优化喀斯特地区退耕模式。本研究的实施一方面为优化喀斯特地区退耕模式、实现可持续性的生态恢复提供理论和技术支持；同时又能够促进恢复生态学、土壤水文学（水文土壤学）、生态水文学和生态服务等多个学科的交叉和发展。

西南喀斯特区生态环境脆弱，水土流失严重。自1999/2000年以来，实施了大面积的退耕植被恢复工程，使得该区植被得到了快速恢复与重建，也导致区域生态水文过程发生一定改变。为此，本项目利用样方调查、定位观测和模型模拟系统研究了不同退耕模式及田间管理措施对土壤水文性质的影响。结果表明，不同的退耕植被恢复模式可显著影响土壤水文性质，环境因子和土壤属性解释土壤饱和导水率65%的变异，其中植被类型所占比例最大，为11.29%，因此，植被类型的选择在退耕还林（草）实施过程中非常重要，是土壤水文功能提升的重要影响因素；不同田间管理措施对土壤水文功能也有一定影响，施氮水平对土壤饱和导率的影响比刈割频率和刈割强度更为明显，其中土壤饱和导水率随着施氮水平的增加以及刈割频率的增加趋于减小，即过量施肥会导致土壤板结；同时发现土壤水文性质有显著的季节变化，土壤饱和导水率在干的秋冬季节较高，而在湿润多雨的春夏较低，可能是连续降雨和高降雨强度引起的；加入土壤高光谱数据显著提升了传统土壤水文性质估算模型的性能（土壤转换函数），如相对于仅基于土壤物理化学属性，加入土壤高光谱数据的土壤饱和导水率估算模型其精度提升了33%（有高光谱：R2=0.42; RMSE=1.12 ；无高光谱：R2=0.09; RMSE=1.38）；证明了S-index是一个有效的反映土壤物理和化学质量的综合土壤质量指数，并进一步新构建了仅以土壤容重与有机碳为输入变量的S-index神经网络估算模型（R2 = 0.81），有益于S-index指数在区域尺度上的应用。该研究为优化喀斯特地区的植被恢复模式、实现可持续性的生态恢复提供了理论和技术支持，对于评价退耕还林（草）工程的生态效益具有重要的理论和实践意义。该项目共计发表SCI论文16篇，其中第一标注9篇（一二区8篇），第二标注5篇，第三标注1篇，第八标注1篇。培养博士后2名，博士生2名，硕士生1名。