黄土丘陵沟壑区植物基部土堆形成机理及其生态效应

Phytogenic mound refers to the convex micro-topography at the individual perennials plant basis in erodible regions. And this kind of micro-topography affects the processes of runoff, soil hydrology, and material migration. Thus, it is of important scientific significance for ecological protection and restoration of erodible and fragile areas to explore the formation mechanism and ecological effects of phytogenic mound. In this study, phytogenic mounds of different shoot architecture plants at different slope gradients in hilly-gully region of the Loess Plateau will be studied. And the theory of soil erosion, vegetation ecology and three-dimensional image analysis will be used. The characteristics and the changing of morphology for phytogenic mounds will be measured by three-dimensional laser scanner. The relationship between the shoot architecture parameters and phytogenic mound parameters will be revealed. And then, the similarities and differences mechanism of phytogenic mound formation for different shoot architecture plants will be discussed based on the experiments on erosion pin, splash erosion monitoring device and the measurement of root parameters. Meanwhile, topsoil physicochemical properties, seed bank, plant composition at the phytogenic mound and the surrounding area will be analyzed. And the roles of phytogenic mound for plant establishment and community succession will be detected. This study may help on further understanding of the relationship between vegetation and soil erosion, the development of micro-topography and the process of natural regeneration of vegetation in ecological fragile areas. At the same time, this study may offer practical guidance for building favorable micro-topography in the process of artificial vegetation restoration.

植物土堆是易侵蚀区多年生植物个体基部形成的一种隆起微地形，其影响了坡面径流、土壤水文和物质的迁移过程，因此，探讨这种微地形的形成机理和生态效应对于易侵蚀与生态脆弱区的生态保护和恢复具有重要科学意义。本研究以黄土丘陵沟壑区不同枝系构型植物在不同坡度等级下形成的植物土堆为研究对象，运用土壤侵蚀学、植被生态学和三维图像分析等方法，通过三维激光扫描仪测量植物土堆的形态及其变化特征，揭示植物枝系参数与土堆形态参数间的关系，在此基础上结合侵蚀针与溅蚀监测装置的布设和根系参数的测量，探讨不同枝系构型植物形成土堆机理的异同，同时分析植物土堆及其外围土壤理化性质、种子库及物种组成特征，探明其在坡面植物建植和群落演替过程中的作用。本研究对于深化植被与土壤侵蚀相互关系、坡面微地形发展过程和生态脆弱区植被自然更新过程的科学认识具有重要的理论价值，对人工植被恢复过程中构建有利微地形具有一定的现实指导意义。

植物土堆是易侵蚀区多年生植物个体基部形成的一种隆起微地形，其影响了坡面径流、土壤水文和物质的迁移过程，因此，探讨这种微地形的形成机理和生态效应对于易侵蚀与生态脆弱区的生态保护和恢复具有重要科学意义。.主要研究内容包括：不同坡度等级下不同枝系构型植物土堆形态特征与形成机理；植物土堆及其边缘土壤理化生性质、种子库组成和物种构成特征；探讨植物土堆在坡面植物建植和群落演替过程中的意义。.主要研究成果包括以下4方面（1）植物形成土堆形态变化特征：随着坡度的增加植物土堆形态从规则对称圆帽状结构转变为不对称的台阶状结构，土堆高度、底面积、底周长和土堆体积增加并在极陡坡达到最大值，坡度≥36°上述植物土堆形态参数呈减小趋势；0-25°主杆型植物土堆体积较大，而35°以上坡度为疏丛型植物土堆。（2）植物土堆形成机理：黄土丘陵沟壑区缓坡和陡坡条件下植物形成土堆的主要动力是由于植物冠幅内外不均衡的溅蚀、根系生长和枯落物的堆积，坡度≥25°植物土堆的形成主要是由于植冠外土壤表层侵蚀冲刷和径流沉积物在植物基部沉积。（3）植物形成土堆的“营养岛”效应：0-15°坡面上植物土堆土壤因子与植被间地差异不明显，随着坡度的增加植物土堆“营养岛”效应愈加明显；主杆型植物在缓坡和陡坡“营养岛”效应显著，而疏丛型植物在极陡坡和险坡土堆土壤的改善效益较大。（4）植物形成土堆坡面“物种库”效应：缓坡条件下植物形成土堆上植物幼苗密度和土壤种子库密度均下降；但在坡度≥15°条件下，植物土堆及其边缘幼苗密度和土壤种子库密度增加，且在土堆边缘0-10cm最大；不同枝系构型植物形成土堆幼苗和种子库多样性都表现为：主杆型＞疏丛型＞聚丛型＞簇丛型。.本研究发现植物形成土堆打断了坡面径流的连通性，拦截了径流及其所携沉积物，形成了坡面的“营养岛”效应，有效保护了种子繁殖植物的幼苗建植更新。研究结果对黄土高原坡面水分、养分及物质的迁移和转化过程、植被演替进程有着重要意义。