黄土高原不同气候区土壤干层与植被的互馈过程与机制

The ecological environment of the Chinese Loess Plateau has been made a great improvement under the profound impacts of eco-environment construtions conducted in the past decades, but its ecosystem remains fragile. Due to the increasing negative effects of eco-hydrology, the study of a dried soil layer (DSL) becomes one of the research hotpots. Further studies such as the quantitative characteristics of the DSL in deep soils, the soil water availability within the DSL and the coupling relationships between the DSL and its control processes, are increasingly needed. This project will be conducted in the three typical small watersheds in different climatic zones across the Loess Plateau. Self-designed depth-profile sampling system will be used to increase sampling depth. Meanwhile, isotope techniques, field monitoring, and laboratory simulation methods will be combined. We aim (1) to investigate the dynamic relationships between the DSL and aboveground vegetation productivity under different climate zones and land use types, (2) to analyze the water flux at the interface of the DSL boundary, and the movement processes and availability of soil water within the DSL, (3) to ascertain the sources of plants water and their utilization ratio as well as seasonal dynamics on the different climatic zones, and (4) to reveal the mutual feedback mechanism between the DSLs dynamic and vegetation productivity. Understanding this knowledge is helpful for the scientific prevention/control of the DSLs, the sustainable vegetation restoration and layout, as well as the reasonable use of the limited water and soil resources.

黄土高原几十年来的生态环境建设取得明显成绩，但生态系统依然脆弱。土壤干层因其凸显的生态水文负效应而成为当前土壤水分研究的热点之一，相关研究取得显著进展，但关于深剖面土壤干层量化特征、土壤干层中的水分有效性、土壤干层与植被生长的耦合机制等研究还需加强。本项目以黄土高原不同气候区的典型小流域为研究对象，采用自制深剖面取样系统拓深取样深度，利用同位素技术，结合野外定位监测、室内模拟分析等手段，研究不同气候区不同土地利用方式下土壤干层与植被生产力的动态关系，分析土壤干层界面处的水分通量、土壤干层内的水分运动过程与水分有效性，查明不同气候区典型植物的水源特征、吸收利用比例与季节动态，揭示土壤干层与植被之间的相互作用过程与机制，为黄土高原土壤干层调控、植被建设与布局提供直接依据，服务于区域有限水土资源合理利用。

研究团队按照项目任务书开展相关科学研究，以黄土高原不同气候区的典型小流域为对象，采用自制深剖面取样系统进行野外取样，结合原位监测、同位素分析、室内模拟等手段，主要研究了不同气候区土壤干层的特征与量化、干层演变与土壤水分收支、地上植被生产力动态与植物水分来源、干层与植被相互作用过程等，分析了干层内的水分运动过程、水分通量与水分有效性、典型植物水源特征与季节动态等。结果表明，不同气候区的干层厚度（DSLT）、干层内平均土壤含水量（DSL-SWC）、干层量化指标（DSL-QI）等具有明显差异，林地、草地和农地的DSL-QI值分别为0.39、0.36和0.13。小流域尺度，DSLT、DSL-SWC在空间上表现为中等空间变异性，在时间上分别表现为中等和弱的空间变异性；DSLT的时间变化受气象因子的显著影响，而植被格局和地形要素显著影响小流域的平均DSL-SWC。在0-18 m深度，随着植物生长年限增加，DSL-SWC整体上呈减小趋势，而DSLT和干层内土壤水分亏缺数量为增加趋势，在苹果种植9-17年期间，DSLT的形成速率最快（168 cm/年），且干层内土壤水分的亏缺速率最大（181 mm/年）。通过比较地上植物生产力、深剖面土壤有效水数量以及干层量化特征，发现地上植被配置模式显著影响土壤干层状况和植被生产力，草地是半干旱区最优的土地利用方式。土壤干层内的水分运动与通量主要受植被耗水的影响，人工植被的不合理引入会导致2 m以下呈现出土壤水分急剧减小的土层，该土层的土壤水分与鲜根系总长度显著相关。植物用水策略具有季节性特征，在雨季前，刺槐利用2-5 m干层中土壤水分的比例可达55.4%；随着雨季来临，利用浅层土壤水分的比例有所增加，0-2 m土层的耗水比例占64.0%。这些研究成果为定量评估土壤干层生态水文效应提供了科学参考，有助于土壤干层科学防控与有限水土资源合理利用。在该项目支持下，目前发表科研论文16篇（均标注该项目的课题号），其中SCI论文11篇、EI论文1篇，培养硕士生3名（已毕业），相关成果获 “第十二届中国土壤学会科学技术奖”一等奖（项目负责人为第二持证）。