黄土高原半干旱区草地土壤水分动态变化过程及其植被承载力

Soil moisture is the crucial link between hydrologic and biogeochemical processes. Its temporal and spatial dynamics are at the heart of ecohydrology. In semi-arid loess plateau, soil moisture is the key variable synthesizing the action of climate, soil, and vegetation on the water balance and the dynamic impact on plants. The research objective of this proposal is to understand soil moisture dynamics and its carrying capacity for vegetation in semi-arid grassland of loess plateau. This objective will be achieved by laboratory and field experimental conduction and mathematical modeling. The spatial variability of soil moisture in the specific grassland of loess plateau (Yunwushan grassland) will be analyzed firstly through dense sampling. And a soil moisture dynamic model will be developed by integrating the grassland hydrologic processes. Finally, a soil moisture carrying capacity for vegetation model will be developed through coupling the soil moisture dynamic model with a biogeochemical model. The results of the proposal can provide some criteria for grassland ecological restoration and management in semi-arid region of loess plateau.

草地植被建设是黄土高原半干旱区水土保持和生态恢复的重要内容之一，然而该地区独特的自然条件决定其土壤水资源十分有限。土壤水是草地生态系统的重要生态因子，其动态变化影响草地生态水文过程。本项目拟对黄土高原半干旱区典型草地生态系统（宁夏固原云雾山草原）土壤水分动态变化过程及其植被承载力开展研究，通过野外采样、定点监测、室内测定及数学模拟等手段，分析土壤水分空间变异性及其动态变化过程，构建草地土壤水分动态变化过程模型，并将其与植被生产力过程模型耦合建立草地土壤水分植被的承载力模型。项目研究结果可为黄土高原半干旱区草地生态系统的建设和管理提供依据。

本项目以宁夏固原云雾山草原自然保护区为研究区域，通过野外采样、定点监测、室内测定及数学模拟等手段，分析封育草地土壤理化性质和水动力学参数的空间变异性及土壤水分的动态变化过程，揭示长期封育草地土壤性质、微环境以及植被生长对不同枯落物覆盖的响应，应用Hydrus-2D开展坡面草地土壤水分运动模拟，耦合非饱和带土壤水分运动模型Hydrus1D与植物生长模型Epic-Crop模拟封育土壤水分动态过程和草地植物生长过程，分析其土壤水分植被的承载力。.区域尺度土壤干容重各层平均值在1.06-1.11 g/cm3范围变化，各层平均饱和含水率在0.5-0.6cm3/cm3。NO3—N各层平均值在7.4 – 4.2mg/kg范围内；NH4+—N各层平均值在0.8 – 0.5mg/kg范围内。土壤容重和pH值随深度的增加逐渐增大；土壤饱和含水率、铵态氮和硝态氮含量随深度增加逐渐降低。地下生物量主要分布在0-50cm，且随深度的增加而降低，0-10cm土层的生物量占地下生物量的50%。.枯落物对比处理试验发现不同枯落物覆盖对降雨后土壤水分衰减速率存在影响，总体趋势无枯落物覆盖土壤水分衰减最快，原枯落物覆盖次之，两倍枯落物覆盖相对衰减较慢。枯落物覆盖对土壤温度表现为无枯落物覆盖最高，两倍枯落物覆盖次之，原枯落物覆盖下温度最低。.土壤中总碳、总氮含量均随土壤深度的增加而减小，总碳含量随草地生长先减小后增大。土壤C/N比随土壤深度增加而增大。不同枯落物的覆盖对土壤总碳氮的影响不明显。土壤pH值总体上原枯落物和两倍枯落物处理情况较高，无枯落物覆盖下略低。在植物生长后期，平均株高在50-60cm。对比不同覆盖情况，原枯落物覆盖平均株高最大，两倍枯落物覆盖次之，无枯落物覆盖平均株高最小。.草地地上和地下生物量的年际变化趋势相似，原枯落物覆盖下生物量最大，两倍枯落物覆盖次之，无枯落物覆盖生物量最小。地下生物量随着深度的变化逐渐减小，根系生物量主要集中在0-50cm，表层的生物量占总地下生物量的40%。.草地坡面土壤水分动态变化过程模拟表明坡面位置对表层土壤水分动态变化的影响要大于深层土壤，40~50cm土层以下土壤水分含量几乎不随坡位发生变化。Hydrus1D与Epic-Crop模拟结果显示耦合模型对草地生长前期和中期模拟结果相对较好，但在植物生长后期，由于植物开始枯萎，生物量模拟效果有所下降。