黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室-中国科学院水利部水土

土壤侵蚀模型研究综述周正朝上官周平(中国科学院水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室 ,712100, 陕西杨凌摘要近年来 , 人们对土壤水蚀形成过程及其模拟进行了广泛研究 , 并针对不同研究对象与目的 , 建立了土壤水蚀的经验预报模型、物理过程模型和分布式模型。

在对国内外一些主要的土壤水蚀模型进行评述的基础上 , 讨论土壤侵蚀模型研究与 GIS 技术和 BP 神经网络理论结合的发展趋势 , 同时结合土壤水蚀模型的开发和应用情况 , 提出了土壤侵蚀预报模型研究亟待解决的一些问题和我国土壤侵蚀预报模型研究的设想。

关键词土壤侵蚀 ; 模型 ; 预报 ; 参数收稿日期 :200309修回日期 :1016项目名称 :国家 973项目 (2002C B111502 ; 教育部博士点专项科研基金(20030712001作者简介 :周正朝 (1980—, 男 , 研究生。

主要从事植物生态与水土保持方向研究。

E 2mail :eco @ms. iswc. ac. cn 3刘宝元等 . 中国土壤侵蚀预报模型研究 . 第 12届国际水土保持大会 , 北京 ,2002土壤侵蚀预报模型的研发 , 是土壤和地理学科的前沿领域 , 也是引导和集成土壤侵蚀试验研究、促进土壤侵蚀和水土保持科研定量化的重要手段。

近 30年来 , 各国都投入了大量的人力和物力 , 研发土壤侵蚀预报模型 , 并取得了长足的进展。

根据模型建立的途径和模拟过程 , 模型通常可以分为经验模型、物理过程模型和分布式模型。

我们结合自己在黄土高原土壤侵蚀过程与预报方面的研究工作 , 对土壤水蚀过程模拟模型研究动态进行评述 ,提出了水蚀预报模型亟待解决的关键问题 , 以促进我国土壤侵蚀预报模型的建立 , 为生态环境改善提供科学依据。

1经验模型 (Empirical Model111国外土壤侵蚀经验模型研究动态国外土壤侵蚀经验模型 , 主要以通用土壤流失方程 (Universal S oil Loss Equation ,US LE 和修正的通用土壤流失方程 (Reversed Universal S oil Loss Equa2tion ,RUS LE 为代表。

实验室基金经费管理细则1．开放课题的经费不外拨，但由各课题负责人掌握，鼓励基金课题人员来室工作。

2．实验室基金资助课题经费开支应由主任签字后报销。

3．利用重点实验室课题完成的专著、论文、软件等研究成果均应标注重点实验室名称，未标注者不得使用该基金课题经费。

必须按照提交的合同内容认真完成预期成果，论文实验室应为唯一单位。

实验室基金课题资助人员论文署名规范（请务必认真执行）作者单位示例：李世清(1.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室；2…….)；英文例：Li Shi-qing（1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Institute of Water and Soil Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100 Shaanxi, P.R.China;2…….）4．每年应向实验室提交课题阶段进展报告。

5．申请课题完成后需要及时写出书面总结报告，并用PDF格式提交所发表论文（必须标注有实验室名称；尚待发表的待发表后补交）。

并请将获奖情况报与实验室备案。

6．本届基金预留30%经费在提交结题报告并通过验收合格后半年内还可再使用。

若未完成经费将收回。

7．为鼓励出成果出人才，对于在研究工作中取得高水平成果的客座研究人员，可按规定获得后续基金支持。

8．开放课题基金使用范围(1) 与课题直接相关的科研费用，包括：a、仪器使用费b、材料费、加工费、零星材料购置等消耗费(2)开展课题研究所必需的调研、考察及以实验室名称发表的论文审稿费、版面费（需有样稿）(3)同该课题有关的客座人员往来的旅差费、住宿费(4)报账票据台头必须写西北农林科技大学。

EPIC 模型中土壤侵蚀量的数学模拟李 军1，2（1. 西北农林科技大学农学院，陕西杨陵 712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨陵712100）摘 要：土壤侵蚀和生产力影响估算模型EPIC 是一种较有影响的农田生产管理和水土资源评价模型。

本文简要介绍了EPIC 模型中对侵蚀气象因素、土壤水蚀量、土壤风蚀量、侵蚀中营养物质流失量以及土壤耕作对侵蚀影响等环节进行数值模拟的主要数学方程，可供农田水土资源管理定量评价研究中借鉴。

关键词: EPIC 模型，土壤侵蚀，数学方程土壤侵蚀和生产力影响估算模型EPIC （Erosion －Productivity Impact Calculator ）（Williams 等，1984）是美国研制的一种基于“气候－土壤－作物－管理”综合连续系统的动力学模型，可以评价土壤侵蚀对土壤生产力的影响，用来估计农业生产和水土资源管理策略的效果。

EPIC 模型由气象模拟、水文学、侵蚀泥沙、营养循环、农药残留、植物生长、土壤温度、土壤耕作、经济效益和植物环境控制等模块组成，包含了三百多个数学方程。

本文仅简要介绍该模型中定量模拟描述土壤侵蚀量的主要数学方程，可供在我国农田水土资源管理定量评价研究中借鉴。

1 侵蚀气象因子模拟1.1 降水量EPIC 的降水模型是一重Markov 链模型，需要输入降水的逐月概率和雨－晴天转换概率。

雨天的概率直接用雨天日数来计算：（1） NDNWD PW /=（1）式中，PW 是雨天概率，NWD 是雨天日数，ND 是该月的天数。

晴天之后为雨天的概率可以用PW 的比例来表示：（2）（3） PWD W P β=)/()/(0.1)/(D W P W W P +−=β（2）、（3）式中，P （W/D ）是晴天之后为雨天的概率，P （W/W ）是雨天之后为雨天的概率，β是一个控制降水事件发生时间间隔的系数，取值范围通常为0.6～0.9。

第29卷第4期2022年8月水土保持研究R e s e a r c ho f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o nV o l .29,N o .4A u g.,2022收稿日期:2021-06-18 修回日期:2021-07-08资助项目:国家自然科学基金(41877083,41440012,41230852) 第一作者:许小明(1990 ),男,山西广灵人,博士研究生,研究方向为植被恢复的水土保持效益评价㊂E -m a i l :1559668557@q q.c o m 通信作者:张晓萍(1971 ),女,河南温县人,研究员,博士生导师,主要从事植被恢复的水土保持效益评价研究㊂E -m a i l :z h a n g x p@m s .i s w c .a c .c n 黄土高原地区林地枯枝落叶层水土保持效应研究进展许小明1,易海杰2,何亮1,吕渡2,贺洁1,邹亚东1,王浩嘉1,薛帆1,田起隆2,王妙倩1,张晓萍1,2(1.西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌712100;2.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨凌712100)摘 要:枯枝落叶层是林地垂直结构中参与水文循环过程的重要作用层,在涵养水源和保持水土中发挥着重要作用㊂黄土高原经过20年植被快速恢复,枯落物覆盖使近地表植被特征和生态过程变化明显,这必将影响地表土壤水分入渗㊁产汇流等水文和土壤侵蚀过程㊂为全面掌握黄土高原地区林地枯枝落叶层的水土保持效应研究动态,系统回顾了林地枯枝落叶层在凋落动态㊁蓄积量变化㊁截留降雨㊁阻延地表径流㊁提高土壤抗蚀抗冲能力和增加土壤入渗等方面的研究历史㊂分析了目前林地枯枝落叶层研究中存在的若干问题,提出未来黄土高原地区应加强野外坡面枯落物原位长期监测和降雨试验研究,开展多地貌㊁多尺度研究,关注天然林和人工林枯枝落叶层水土保持功能的对比研究,以及水文物理过程模型建立和参数确定,并重视林地枯枝落叶层的保护和监管㊂关键词:林地;枯枝落叶层;水土保持效应;黄土高原中图分类号:S 714 文献标识码:A 文章编号:1005-3409(2022)04-0415-07R e s e a r c hA d v a n c e s o n W a t e r a n dS o i l C o n s e r v a t i o nE f f e c t s o fF o r e s tL i t t e rL a ye r o n t h eL o e s sP l a t e a u X U X i a o m i n g 1,Y IH a i j i e 2,H EL i a n g 1,L ÜD u 2,H EJ i e 1,Z O U Y a d o n g 1,WA N G H a o j i a 1,X U EF a n 1,T I A N Q i l o n g 2,WA N G M i a o q i a n 1,Z H A N G X i a o p i n g1,2(1.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f S o i lE r o s i o na n dD r y l a n dF a r m i n g on t h eL o e s sP l a t e a u ,I n s t i t u t e o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n ,N o r t h w e s tA&F U n i v e r s i t y ,Y a n g l i n g ,S h a a n x i 712100,C h i n a ;2.I n s t i t u t e o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n ,C A S &MW R ,Y a n g l i n g ,S h a a n x i 712100,C h i n a )A b s t r a c t :L i t t e r i sa n i m p o r t a n t l a y e r i n v o l v e d i nt h eh y d r o l o g i c a l c yc l e p r o c e s s i nt h ev e r t i c a l s t r u c t u r eo f f o r e s t l a nd s ,a n d p l a y s a n i n d i s pe n s a b l e r o l e i nw a t e r r e t e n t i o na n d s o i l c o n s e r v a t i o n .Af t e r 20y e a r s o f r a p i d v eg e t a t i o nr e s t o r a t i o no nth eC hi n e s eL o e s sP l a t e a u ,l i t t e rc o v e r a g ei nf o r e s t l a n d sh a sc a u s e ds i gn i f i c a n t c h a n g e s i nv e g e t a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n de c o l o g i c a l p r o c e s s e s o n t h en e a r s u r f a c e ,w h i c hw i l l c e r t a i n l y a f f e c t t h eh y d r o l o g i c a l a n d s o i l e r o s i o n p r o c e s s e s s u c h a s s o i l i n f i l t r a t i o n ,s u r f a c e r u n o f f a n d c o n f l u e n c e .I no r d e r t o c o m p r e h e n s i v e l yg r a s p t h e d y n a m i c s o f s o i l a n dw a t e r c o n s e r v a t i o n e f f e c t s o f l i t t e r l a ye r i nf o r e s t l a n d s o n t h e L o e s sP l a t e a u ,w e s y s t e m a t i c a l l y r e v i e w e d t h e r e s e a r c h p r og r e s s o f l i t t e r l a ye r i nf o r e s t l a n d s i n t e r m s o f t h e l i t t e r d y n a m i c s ,a c c u m u l a t i o n c h a ng e s ,r a i n f a l l i n t e r c e p t i o n ,s u r f a c e r u n o f f i n t e r c e p t i o n ,s o i l e r o s i o n r e s i s t -a n c e a n d s o i l i n f i l t r a t i o n .S o m e e x i s t i n gp r o b l e m s i n th e c u r r e n t s t u di e so n l i t t e r l a ye r i nf o r e s t l a n d so nt h e L o e s sP l a t e a uw e r e a n a l y z e do b j e c t i v e l y .I n t h e f u t u r e ,t h e l o ng -t e r mi n -s i t u m o n i t o r i n g a n d r a i n f a l l e x pe r i -m e n t s o nf i e l ds l o p e ss h o u l db es t r e ng th e n e d ,a n d m u l ti -l a n d f o r m a sw e l la s m u l t i -s c a l ed yn a m i cs t u d i e s s h o u l db e c a r r i e do u t .I na d d i t i o n ,w ea r es u p p o s e d t o p a y a t t e n t i o nt o t h ec o m p a r a t i v es t u d i e so nt h ee c o -h y d r o l o g i c a l f u n c t i o n so f l i t t e rl a y e r i nn a t u r a l f o r e s t sa n da r t i f i c i a l f o r e s t s ,a n de s t a b l i s hh y d r o -p h ys i c a l p r o c e s sm o d e l s a n dd e t e r m i n e t h e r e l e v a n t k e yp a r a m e t e r s ,a sw e l l a s e n h a n c e t h e p r o t e c t i o n a n d s u pe r v i s i o n of l i t t e r l a ye r i nf o r e s t l a n d s .K e y w o r d s:f o r e s t l a n d s;l i t t e r l a y e r;s o i l a n dw a t e r c o n s e r v a t i o ne f f e c t s;L o e s sP l a t e a u全球范围内,黄土高原以水土流失最为严重而闻名于世[1]㊂据陕县水文站观测资料显示,1919 1959年黄土高原地区多年平均输沙量为16亿t[2-3]㊂为控制严重水土流失造成的原位效应和异位效应,自20世纪70年代末期,国家和地方各级政府陆续实施了流域综合管理(1970s 1980s)和退耕还林(草)(1999年至今)等一系列重大水土保持措施㊂据统计,黄土高原地区水土流失面积由1980年代早期的4.3ˑ105k m2下降到2018年的2.14ˑ105k m2[1,3]㊂多年平均输沙量由过去的1.6ˑ109t减少至2000 2018年的2.44ˑ108t[2,4-5]㊂植被恢复是遏制黄土高原地区土壤侵蚀和控制黄河输沙的最重要的因子且其作用具有长效性[6],这已被1999年至今黄土高原地区锐减且近些年保持低位稳定的年输沙量所证明[2,7-8]㊂过去有关植被水土保持功能的研究,主要关注林冠层降雨截留㊁削弱雨滴动能[9-11]和根系土壤层在增加降雨入渗㊁固土防蚀能力和减少径流输移等[12-15]方面的作用㊂然而针对黄土高原林地枯枝落叶层的水土保持效应研究比较薄弱㊂枯枝落叶层,即死地被物层,是森林垂直结构中最重要的层次,是参与森林水文循环过程中的重要作用层,在涵养水源和保持水土中发挥着重要作用[16-18]㊂国内学者就黄土高原地区典型天然林地和人工林地(乔木㊁灌木)枯枝落叶层凋落速率㊁分解速率㊁蓄积量变化㊁水分含量㊁截留降水㊁持水能力㊁降低雨滴溅蚀㊁抑制土壤蒸发㊁阻延地表径流㊁土壤表层理化性质改善㊁养分归还和提高生物活动强度等方面开展了一些有意义的研究[10,18-22],有助于明晰林下枯落物的分布特征和减轻土壤侵蚀的重要作用㊂较为系统性地归纳和分析黄土高原地区林地枯枝落叶层水土保持综合效应,可以及时报导最新研究成果,促进对黄土高原半干旱㊁半湿润地区主要林地枯落物分布规律的深入认识,并深刻理解其持水能力㊁拦蓄径流和调控土壤侵蚀的生态功能㊂本文从6个方面梳理当前黄土高原地区林地枯枝落叶层水土保持功能的研究现状,并对其进行综合评价,提出需要进一步研究的科学问题,以期为黄土高原地区林地枯枝落叶层水土保持功能的深入研究㊁植被恢复措施优化和森林抚育管理提供科学支撑㊂1林地枯枝落叶层水土保持效应研究现状森林是陆地防止水土流失的积极因素,枯枝落叶层(O层)是森林生态系统特有的层次,是近地表水文效应的主要作用层,对保护森林土壤资源,减轻土壤侵蚀具有非常重要的作用,根据分解程度,划分为3个层次,即未分解层㊁半分解层和粗腐殖质化层[6,18,23]㊂国内外科研工作者很早认识并重视到枯枝落叶层在涵蓄降水㊁拦蓄泥沙方面的水文功能,并陆续开展了一系列野外定位研究和室内试验,取得了许多重要成果[18,24-38]㊂由图1可知,以往有关黄土高原地区乔木㊁灌木群落枯枝落叶层的野外调查样地(黑色点位)主要分布在区域中南部㊂土石山区㊁丘陵沟壑区和高塬沟壑区虽均有分布,但以土石山区研究最多,主要涵盖六盘山㊁子午岭㊁黄龙山和秦岭地区,而水土流失严重的丘陵沟壑区和高塬沟壑区的研究相对较少㊂以往研究主要采用野外坡面样地调查㊁定位监测㊁野外自然和人工模拟降雨㊁室内人工模拟降雨和浸泡等方法来研究天然林和人工林主要恢复植被类型[山杨(P o p u l u sd a v i d i a n a D o d e)㊁油松(P i n u s t a b u l i f o r m i s C a r r.)㊁刺槐(R o b i n i a p s e u d o a c a c i a L.)㊁栎树(Q u e r c u s L.)和沙棘(H i p p o p h a er h a m n o i d e s L i n n.)等]枯枝落叶层的水土保持效应(表1)㊂图1黄土高原不同地貌类型区林地枯枝落叶层主要调查样地的空间分布1.1枯枝落叶层凋落及蓄积量动态变化枯枝落叶层是森林生态系统物质能量循环中的一个重要垂直结构层次,具有重要的生态水文功能,研究枯落物的凋落动态对掌握枯枝落叶层积累特征,识别枯落物初级生产力具有重要意义㊂常见的枯落物凋落动态研究方法主要有野外样地凋落物收集器法和蓄积量定期实测法[22]㊂气候植被带和植被类型等是导致林地枯枝落叶凋落起始时间和凋落过程产生差异的重要影响因子㊂黄土高原地区不同气候带或同一气候带内典型植被类型枯枝落叶在年㊁季节㊁月和半月尺度的凋落速率已被研究[22,43]㊂北部森林草原带和南部森林带落叶乔木㊁灌木植被分别在9月中下旬和10月上中旬叶片开始凋落㊂受不同树种生态学特性影响,其凋落过程存在差异㊂研究表明,黄614水土保持研究第29卷土高原地区落叶阔叶林和灌木林地,如山杨㊁栎树㊁刺槐㊁桦树(B e t u l a p l a t y p h y l l a)和沙棘等枯枝落叶以9月和10月最为集中,该阶段凋落量约占全年凋落总量的75%以上[19]㊂而针叶林如油松,其凋落过程主要发生在10月 次年4月,呈现明显的节律性[53]㊂凋落物主要成分均为落叶,约占总凋落量的60%~90%[43],又以半分解层为主[54-55]㊂森林枯枝落叶层蓄积量随凋落量和分解量的变化而一直处于动态变化中㊂以乔木群落为例,吴钦孝等[54]认为陕北丘陵沟壑区人工山杨林和油松林枯落物分别以1月份和4月份蓄积最大,而10月和7 8月蓄积量分别达到全年最低值㊂在中龄林的林分结构下,山杨林和油松林枯落物蓄积量均无明显增减㊂蓄积量受植被类型㊁密度㊁林龄㊁地形因子㊁气候(温度和降水)和人为活动等因子的影响㊂黄土高原地区枯落物蓄积量表现为乔木群落>灌木群落>草本群落[39];针叶林枯落物蓄积量>落叶阔叶林[48]㊂六盘山地区华北落叶松(L a r i x p r i n c i p i s-r u p p r e c h t i i M a y r.)枯落物厚度和蓄积量随密度增大存在一定上限,密度在1600株/h m2时厚度和蓄积量最大[55]㊂不同坡向㊁坡度㊁坡位等地形因子的对比分析表明阴坡枯落物蓄积量较阳坡枯落物蓄积量明显增加,陡坡不利于枯落物蓄存,枯落物蓄积量表现出下坡位>中坡位>上坡位㊂黄土高原从南到北,随降水量的递减,枯落物蓄积量表征为减少的趋势㊂人为放牧㊁火灾和采伐林木等也会减少枯落物的蓄积量㊂表1黄土高原地区林地枯枝落叶层主要研究成果地貌类型调查地点植被类型测定指标研究方法参考文献丘陵沟壑区陕西安塞站及纸坊沟流域陕西宜君县 内蒙古鄂尔多斯陕西安塞站刺槐㊁油松㊁沙棘和狼牙刺刺槐㊁杨树㊁柠条和黄蔷薇沙棘凋落动态和持水性质凋落物蓄积量空间变化蓄积量和持水特征野外样地调查㊁定位监测和浸泡法野外样地调查浸泡法[22][39][40]土石山区六盘山香水河小流域黄龙山铁龙湾林场子午岭连家砭林场秦岭山地桦树㊁辽东栎和华北落叶松山杨㊁油松和沙棘柴松㊁油松㊁山杨㊁辽东栎㊁桦树㊁沙棘㊁白刺花㊁虎榛子和胡枝子锐齿栎㊁油松和华山松凋落物持水特征和截持降雨过程凋落和分解速率㊁蓄积量㊁截留降雨㊁拦蓄效应㊁击溅侵蚀㊁提高土壤抗冲性和增加土壤入渗等凋落物厚度㊁蓄积量㊁分解状况㊁持水特征和拦蓄效应凋落速率和蓄积量㊁地表蒸发量㊁持水特征和养分含量野外定位监测㊁人工模拟降雨试验和浸泡法野外定位监测㊁溅蚀板法㊁水槽法㊁人工模拟降雨试验野外样地调查㊁定位监测和浸泡法野外定位监测㊁浸泡法和化学分析[10],[18],[20],[21],[40],[41][19],[42],[43],[44],[45],[46][47],[48][29]高塬沟壑区山西吉县蔡家川流域山西吉县红旗林场山西吉县蔡家川流域甘肃泾川县官山林场刺槐㊁油松㊁沙棘和虎榛子油松㊁刺槐和山杨刺槐㊁油松和刺槐ˑ油松混交林刺槐截持降雨能力凋落物糙率系数n值蓄积量和持水特征蓄积量和持水特征野外定位监测试验槽法野外样地调查和浸泡法野外样地调查和浸泡法[49][50][51][52]1.2枯枝落叶层截留降雨能力森林垂直结构分层中,除林冠层以外,枯枝落叶层具有截留林内降水,减少林地净雨量,延缓地表产汇流过程,补充土壤水分的作用[25,44],其截留机理一直被关注[56]㊂依据枯落物的截留速率,将其划分为截留阶段㊁渗透阶段和饱和阶段[18,20,57]㊂截留量大小不仅与不同植被类型枯落物蓄积量存在直接关系,还与其自身特性(分解速率和持水能力)有关[58]㊂随林地郁闭度增加,枯落物厚度和蓄积量一般越大,截留降水能力越强㊂当枯落物厚度超过标准厚度(0.8~ 1.2c m),在场次降雨过程中,枯落物厚度的差异不会造成其截留降水量的显著差异[57]㊂持水能力越大的枯落物层,分解速率越高,截留能力越强[59]㊂此外,枯落物干湿程度㊁降雨特征(降雨量㊁降水时长和雨强等)和植被类型等均会影响其截留量[18]㊂马雪华[59]研究认为,在降水初期,枯落物较为干燥,其截留量随降水量增大而增大,而截留率表征为相反的变化特征;截留量存在最大阈值,不会随降水过程的持续继续增加[18,49]㊂黄土高原典型土石山区 六盘山主要森林类型枯枝落叶层对大气降水截留的研究结果[18]表明,针叶林林内年截留量和截留率明显高于阔叶林,截留量总体与枯落物蓄积量呈正比例关系㊂此外,枯落物截留降雨能力具有明显的季节和月尺度变化㊂以油松林为例,季节尺度上,截留量表现出夏季>秋季>春季>冬季;月尺度上,6 9月截留量超过全年总截留量的50%[18]㊂1.3枯枝落叶层阻延地表径流能力地表径流流速及流量是土壤侵蚀的主要动力,枯落物覆盖能够直接增大近地表粗糙度,致使地表径流阻力系数增加,径流流动时间延缓,坡面径流流速降低,有利于增加林地土壤入渗,减小径流冲刷土壤,抑制洪峰形成或推迟洪峰过程㊁削减洪峰流量[16,18,41,50,58]㊂枯落物714第4期许小明等:黄土高原地区林地枯枝落叶层水土保持效应研究进展层在很大程度上就是黄土高原国土整治28字方略 全部降水就地入渗拦蓄 中 拦蓄 作用的具体物质和功能化结构的重要部分[60]㊂研究表明子午岭地区不同植被类型枯落物拦蓄量的大小表征为森林>灌丛[47]㊂黄土高原25ʎ坡面覆盖1c m厚度的枯枝落叶,其径流速度为裸坡的1/10~ 1/15[61]㊂坡长(60m)相同时,天然次生林㊁人工林和裸露荒坡的汇流时间分别为30~40m i n,10~20m i n和5.9 m i n,林地汇流时间明显长于裸露荒坡,枯枝落叶层对径流的阻延作用非常显著[62]㊂坡度和径流深(或降雨强度)与枯枝落叶层阻延地表径流速度呈反比,枯枝落叶层厚度则与其呈正比[18,41,57]㊂不同植被类型对比发现,宁南六盘山区华北落叶松枯枝落叶层有效拦蓄深(1.63mm)为辽东栎(Q u e r c u sw u t a i s h a n i c M a r y.)ˑ少脉椴(T i l i a p a u c i c o s t a t a M a x i m.)混交林(0.56mm)的2.9倍,这主要源于华北落叶松枯落物蓄积量较大[63],这已被在子午岭地区的研究结果[48]所证明㊂1.4枯枝落叶层持水能力栽植密度㊁枯落物类型㊁蓄积量㊁组分㊁分解程度的不同,会造成截持降水能力的差异[64]㊂目前,多数研究采用风干枯落物浸泡法来实测枯落物的最大持水量㊁最大持水率和持水过程[20-21]㊂研究结果表明枯落物在浸水前期(2h以内),吸水速度快,尤其在0.5h以内;随浸泡时间延长吸水能力逐渐下降,24h基本达到饱和;枯落物持水量与浸泡时间表征为对数函数关系[65]㊂人工降雨法实测的枯落物持水量也经历了从快速增加到缓慢增加直至趋于稳定的过程[57]㊂不同栽植密度的华北落叶松人工林枯落物最大持水率总体随栽植密度增大而增大,但存在一定的上限,密度在1600株/h m2持水率达到最大值[55]㊂黄土高原地区主要林分类型枯枝落叶层吸水量呈现出华北落叶松>青杨(P o p u l u s c a t h a y a n a R e h d.)>油松>樟子松(P i n u s s y l v e s t r i s v a r.m o n g o l i c aL i t v.),这主要与不同林分叶片生物学特性和结构有关[18]㊂枯落物持水量多少受蓄积量影响,据研究,宁南山区主要乔木和灌木群落枯枝落叶层最大持水率介于177%~387%,乔木群落枯落物蓄积量和最大持水量均大于灌木群落[21]㊂相同林龄条件下,针叶林由于分解速率慢,蓄积量大,其最大持水量>针阔混交林>阔叶林㊂从枯枝落叶层各组分来看,半分解层蓄积量㊁最大持水量和最大持水率均高于未分解层[18]㊂1.5枯枝落叶层抗蚀抗冲能力林地枯枝落叶层覆盖地表对减轻或消减土壤溅蚀具有决定作用㊂黄土高原地区林地土壤溅蚀量通常发生在7 8月,约占全年总溅蚀量的60%以上㊂在土壤类型和坡度相同情景下,枯枝落叶层厚度㊁最大30m i n雨强和林内降雨量是影响林内土壤溅蚀量的主要影响因素[66]㊂吴钦孝等[18]研究结果表明,随油松林和山杨林枯落物厚度增加,林地表土溅蚀量迅速减少,当枯落物厚度达到2c m以上,溅蚀量基本趋近于0㊂和山杨林相比,油松林随枯落物厚度的增加溅蚀量减少较慢,可能由于油松松针较山杨树叶地表覆盖度低㊁分解速率慢和叶片形态小等因素导致㊂林地枯枝落叶层有利于削减坡面径流流速和动能,提高土壤抗冲能力,研究发现林地枯落物随厚度增加抗冲能力明显增强,当枯枝落叶层厚度达到2c m厚度时,即使在暴雨条件下,坡面土壤侵蚀总体得到控制[44,46]㊂汪有科等[45]研究表明黄土高原地区主要植被类型枯枝落叶层抗冲能力表征为油松>山杨>沙棘>刺槐㊂在覆盖1c m厚度枯落物的油松㊁山杨㊁沙棘和刺槐林地上,冲刷1g土壤所需消耗的能量比坡耕地分别增大27.3,24.0,6.5,3.5倍㊂1.6枯枝落叶层增加土壤入渗能力枯枝落叶层能够有效增加土壤入渗,减少地表径流,发挥森林涵养水源的重要作用[67-68]㊂其一,枯枝落叶层覆盖地表,减轻了降雨溅蚀力,保护表土结构和土壤孔隙,阻滞径流[69],利于降雨入渗,增加土壤含水量;其二,枯枝落叶层参与土壤团粒结构形成,改善了表土结构和土壤物理性状,尤其是对0 10c m土层的改善作用最为明显,提高了土壤表层的腐殖质层厚度[44,64]㊂林地表层土壤疏松,有机质含量高,土壤容重小,根系发育,总孔隙度和毛管孔隙度增加,透水性好,促进降雨就地迅速入渗,滞后雨季降水汇流过程,是改变黄土高原地区以超渗产流为主要侵蚀动力土壤侵蚀模式的关键地表结构组成[18,53]㊂郭忠升等[69]对宁南六盘山区主要林分土壤入渗特征的研究表明,林区样地土壤稳渗速率主要介于7.14~22.32m m/m i n,不同土地利用类型土壤平均稳渗速率表征为天然林>人工林>灌木林>草地>农地,其中未采伐林地>采伐林地,与刘向东等[10]在六盘山区森林表层土壤的入渗规律基本一致㊂陈云明等[40]对黄土丘陵沟壑区人工沙棘林地和荒坡土壤入渗能力的对比研究表明,人工沙棘林地在整个测定时段内土壤入渗速率均高于荒坡,尤其以入渗前期差异最大㊂2研究中存在的问题目前,围绕黄土高原主要地貌类型区林地枯枝落叶层的生态水文功能开展的系列研究,对于深刻理解林地枯落物这一特殊层次在拦蓄地表径流,增加土壤入渗,814水土保持研究第29卷发挥水土保持作用等方面具有重要的理论和实践指导意义,有利于重视和保护枯落物层,提高林地经营管理水平,促进当地生态环境保护和高质量发展㊂通过梳理文献,发现以往枯落物的研究过程中,仍然存在一些尚需研究的问题㊂例如,一些研究在估算森林恢复过程中的水土保持效益时,更多地关注和考虑了林冠层盖度,对森林垂直结构分层中非常重要的近地表枯枝落叶层重视程度不够㊂部分土壤侵蚀预报模型缺乏从林地枯枝落叶层盖度㊁厚度及其生态水文功能的角度来评估其水土保持功能㊂目前,黄土高原地区不同气候植被带枯枝落叶层水土保持功能的对比研究有所不足㊂枯枝落叶凋落速率观测方面,对植被快速恢复和生态环境持续改善的丘陵沟壑区和高塬沟壑区长期定位连续观测明显不够㊂枯落物持水能力方面,主要基于充分供水条件下即采用室内浸泡法来研究其最大持水量㊁吸水速率和模拟持水过程,计算出的结果和野外大雨量级(20~30m m/24h)降雨条件下枯落物的最大持水能力基本一致[58]㊂缺乏对不同气候带典型树种在年内自然场次降雨事件和人工降雨变雨强情景下,野外坡面原位枯枝落叶层持水能力的对比分析㊂同时,对不同演替阶段主要树种枯枝落叶层保水保土效益的对比研究不足,缺乏植被演替过程上的分析㊂天然林和人工林枯枝落叶层生态水文功能的对比研究需要进一步加强,以明晰天然林和人工林枯落物水土保持功能的差异㊂另外,有关枯枝落叶层水文功能建立的大多为经验统计模型,物理过程模型存在空白[70]㊂3进一步研究的科学问题黄土高原地区近20a来,随着植被迅速恢复和生态环境持续改善,河川径流和输沙量锐减[7,71]㊂裸露荒坡林草植被建设,尤其是乔灌林地枯枝落叶这一明显而又关键的层次对减轻坡面土壤侵蚀,增加降雨就地入渗具有十分重要的意义[6,18,57]㊂枯枝落叶层水文过程是森林水文过程中不可忽视的一环,理解林地坡面土壤入渗 产汇流过程,明确枯枝落叶层在林地恢复中的水土保持意义对提高林地质量,促进黄土高原生态保护高质量发展具有重大意义㊂基于目前枯枝落叶层生态水文功能研究中存在的一些问题,未来可以考虑从以下几个角度,瞄准科学问题开展进一步的研究㊂3.1开展长时间㊁多气候梯度㊁多地貌和多尺度研究黄土高原从东南到西北跨越温带落叶阔叶林带㊁森林草原带㊁典型草原带和荒漠草原带4个陆地自然带,调查不同气候植被带主要植被类型枯落物厚度㊁盖度和蓄积量长时间序列动态变化特征,未来着眼于不同地貌类型区㊁不同气候梯度带枯落物生态水文功能的对比研究,开展微地貌㊁多尺度(坡面尺度 小流域尺度 大流域尺度 区域尺度)的枯落物水文过程研究㊂土石山区作为重要的河源区,开展秦岭㊁子午岭㊁吕梁山和太行山等水源涵养区枯枝落叶层保持水土的研究工作有助于深刻理解林地枯落物在山区薄层土壤分布带的生态水文意义㊂3.2增强野外坡面长期观测和原位降雨试验研究在黄土高原典型地貌类型区,依据气候植被带从南到北的梯度变化,分别选取区域有代表性的乔灌木林分坡面样地,定位观测枯枝落叶在年㊁季和月尺度上的凋落动态和蓄积量的时空变化特征并予以对比分析㊂考虑到枯枝落叶层在野外的自然结构状态不被破坏,基于此,分别开展自然场次降雨事件和人工模拟变雨强情景下不同林分枯落物类型㊁不同厚度枯落物在截留降雨㊁拦蓄地表径流和抗冲抗蚀能力的对比研究,以揭示和理解林地枯落物在保持水土中的特殊意义㊂加强枯枝落叶层在极端降雨条件下减少坡面地表径流的贡献率分析,有助于理解枯枝落叶层在森林水文过程中的重要作用㊂3.3加强天然林和人工林枯枝落叶层的对比研究黄土高原地区天然林基本上为天然次生林,主要分布在子午岭㊁秦岭㊁黄龙山和六盘山等土石山区,而人工林主要指在历史时期为减少水土流失通过人工措施形成的森林㊂自1999年国家退耕还林政策实施以来新增加的林地以人工林为主,其中丘陵沟壑区和高塬沟壑区分布最多㊂在相似气候条件和地形因子条件下,开展天然次生林和人工林相同林分类型随林龄㊁林分密度变化下枯枝落叶层蓄积量㊁厚度㊁盖度特征及其生态水文功能的对比研究,对于厘清天然次生林和人工林枯落物在水土保持效益中的差异,指导人工林营林规划方案设计和造林地管理具有突出的实际指导意义㊂3.4物理模型建立和参数确定枯枝落叶层作为近地表特殊的水土保持作用层,在林地水土保持效益中,发挥主导作用㊂枯枝落叶层作为联结土壤-植被-大气连续体中非常重要的薄层介质,尤其是枯枝落叶-腐殖质层这一复合层次在减轻土壤侵蚀㊁改善土壤质量和增加土壤入渗方面的综合效益日益受到更多的关注㊂开展黄土高原不同地貌类型区典型植被类型枯枝落叶层水文动态特征,建立具有物理意义的林地枯枝落叶层水土保持评价模型,对影响模型评估结果的主要参数,如枯落物种类㊁厚度㊁盖度㊁堆积状态㊁分解状态和叶片特征等进行确定和修正㊂914第4期许小明等:黄土高原地区林地枯枝落叶层水土保持效应研究进展。

窟野河流域河川基流量变化趋势及其驱动因素雷泳南;张晓萍;张建军;刘二佳【摘要】河川基流量的变化是区域气候变化与人类活动的综合反映,其对维持生态系统健康具有重要的意义.以黄土高原水蚀风蚀交错区典型流域窟野河流域为研究对象,利用1959-2005年实测水文、气象资料,基于Chapman-Maxwell数字滤波法的基流量计算,分析窟野河流域河川基流量的变化趋势与演变特征,从气候变化和人类活动两方面探讨了河川基流量变化的驱动因素.结果表明:(1)近50年来,流域内7个时段(全年；春季、夏季、秋季、冬季；汛期、非汛期)的基流量均表现为极显著减少趋势,全年基流量的减少量为0.628 mm/a,并在1980和1996年发生两次明显的突变；(2)与基准期(1959-1979年)相比,水土保持效应期(1980-1995年)的全年日基流量在5％,50％和95％的频率上相对减少率分别为30％,38％和54％,煤炭开发期(1996-2005年)的全年日基流量在5％,50％和95％的频率上相对减少率分别为57％,68％和100％；(3)流域河川基流量减少是气候变化和人类活动共同作用的结果,降水量的变化一定程度影响基流量,但主要驱动因素是流域内大面积连片开采煤炭资源和过量开发利用地下水.【期刊名称】《生态学报》【年(卷),期】2013(033)005【总页数】10页(P1559-1568)【关键词】窟野河;基流;趋势;突变;驱动因素【作者】雷泳南;张晓萍;张建军;刘二佳【作者单位】中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌712100;中国科学院研究生院,100049,北京;中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌712100;西北农林科技大学水土保持研究所,杨凌712100;中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌712100;中国科学院研究生院,100049,北京;中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌712100;中国科学院研究生院,100049,北京【正文语种】中文河川基流是指由地下水补给河川的水量。

黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室学术委员会组成名单主任：秦大河，男，中国科学院院士，自然地理，中国气象局副主任：雷廷武，男，研究员，土壤侵蚀，中国科学院水利部水土保持研究所刘宝元，男，教授，土壤侵蚀，北京师范大学郑粉莉，女，研究员，土壤侵蚀，中国科学院水利部水土保持研究所委员：（以姓氏笔划为序）王全九，男，研究员，水资源与农业水土工程，中国科学院水利部水土保持研究所李凤民，男，教授，植物生理生态，兰州大学李锐，男，研究员，水土保持，中国科学院水利部水土保持研究所吴金水，男，研究员，土壤养分，中国科学院亚热带农业生态研究所邵明安，男，研究员，土壤物理，中国科学院水利部水土保持研究所杨金忠，男，教授，农田水利，武汉大学骆永明，男，研究员，土壤污染化学与生物修复，中国科学院南京土壤研究所倪晋仁，男，教授，水沙科学与环境工程，北京大学夏军，男，研究员，水文水资源，中国科学院地理科学与资源研究所康绍忠，男，教授，农业水土工程，中国农业大学傅伯杰，男，研究员，自然地理和景观生态，中国科学院资源环境科学与技术局高级学术顾问：山仑，男，中国工程院院士，植物生理生态，中国科学院水利部水土保持研究所朱显谟，男，中国科学院院士，土壤侵蚀，中国科学院水利部水土保持研究所安芷生，男，中国科学院院士，环境演变，中国科学院地球环境研究所刘昌明，男，中国科学院院士，水资源，中国科学院地理科学与资源研究所李玉山，男，研究员，土壤水分，中国科学院水利部水土保持研究所沈允钢，男，中国科学院院士，植物生理，中国科学院上海植物生理研究所唐克丽，女，国际欧亚科学院院士，土壤侵蚀与水土保持，中国科学院水利部水土保持研究所田均良，男，研究员，土壤侵蚀，中国科学院水利部水土保持研究所R.Horton，男，教授，土壤物理，美国依阿华州立大学（IOWA）Chi-hua Huang，男，教授，土壤侵蚀，美国国家土壤侵蚀研究实验室（NSERL USDA ARS）N.C.Turner，男，教授，植物生理，澳大利亚植物研究所（CSIRO）Robert Evans，男，教授，农业水土工程，美国农业部北部大平原农业研究室（NPARL-USDA-ARS）Dong Wang，男，教授，农业水管理，美国农业部农业水管理研究室（AWMR-USDA-ARS）Stewart.B. A，男，教授，农业水土资源，西德州农工大学农学院旱地农业研究所（West Texas A&M University）稻永忍，男，教授，旱地农业，日本鸟取大学中国科学院水土保持研究所文件水利部水字[2007]28号关于黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室第四届学术委员会换届的通知所属各部门：根据中国科学院《关于聘任黄土高原土壤侵蚀与旱地农业等2个国家重点实验室主任和学术委员会主任的通知》（计任通字[2007]1号）文件精神，依照《国家重点实验室建设与管理暂行办法》和《中国科学院开放研究实验室主任、学术委员会主任聘任办法》的有关规定，经国家重点实验室主任、学术委员会主任提名、所务会同意，完成了黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室第四届学术委员会的换届工作，现将组成人员名单通知如下：主任：秦大河，男，中国科学院院士，自然地理，中国气象局副主任：雷廷武(常务)，男，研究员，土壤侵蚀，中国科学院水利部水土保持研究所刘宝元，男，教授，土壤侵蚀，北京师范大学郑粉莉，女，研究员，土壤侵蚀，中国科学院水利部水土保持研究所委员：（以姓氏笔划为序）王全九，男，研究员，水资源与农业水土工程，中国科学院水利部水土保持研究所李凤民，男，教授，植物生理生态，兰州大学李锐，男，研究员，水土保持，中国科学院水利部水土保持研究所吴金水，男，研究员，土壤养分，中国科学院亚热带农业生态研究所邵明安，男，研究员，土壤物理，中国科学院水利部水土保持研究所杨金忠，男，教授，农田水利，武汉大学骆永明，男，研究员，土壤污染化学与生物修复，中国科学院南京土壤研究所倪晋仁，男，教授，水沙科学与环境工程，北京大学夏军，男，研究员，水文水资源，中国科学院地理科学与资源研究所康绍忠，男，教授，农业水土工程，中国农业大学傅伯杰，男，研究员，自然地理和景观生态，中国科学院资源环境科学与技术局高级学术顾问：山仑，男，中国工程院院士，植物生理生态，中国科学院水利部水土保持研究所朱显谟，男，中国科学院院士，土壤侵蚀，中国科学院水利部水土保持研究所安芷生，男，中国科学院院士，环境演变，中国科学院地球环境研究所刘昌明，男，中国科学院院士，水资源，中国科学院地理科学与资源研究所李玉山，男，研究员，土壤水分，中国科学院水利部水土保持研究所沈允钢，男，中国科学院院士，植物生理，中国科学院上海植物生理研究所唐克丽，女，国际欧亚科学院院士，土壤侵蚀与水土保持，中国科学院水利部水土保持研究所田均良，男，研究员，土壤侵蚀，中国科学院水利部水土保持研究所R.Horton，男，教授，土壤物理，美国依阿华州立大学（IOWA）Chi-hua Huang，男，教授，土壤侵蚀，美国国家土壤侵蚀研究实验室（NSERL USDA ARS）N.C.Turner，男，教授，植物生理，澳大利亚植物研究所（CSIRO）Robert Evans，男，教授，农业水土工程，美国农业部北部大平原农业研究室（NPARL-USDA-ARS）Dong Wang，男，教授，农业水管理，美国农业部农业水管理研究室（AWMR-USDA-ARS）Stewart.B. A，男，教授，农业水土资源，西德州农工大学农学院旱地农业研究所（West Texas A&M University）稻永忍，男，教授，旱地农业，日本鸟取大学二00七年五月二十八日中国科学院水利部水土保持研究所。