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《侵蚀和干旱逆境下黄土高原水土资源时空过程及其调控》可供从事区域治理、农业、生态修复等方面的工作人员和生态学、地理学、资源与环境科学以及水土保持与荒漠化防治等专业的高等院校师生及科技人员参考使用。
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| 內容簡介： |
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《侵蚀和干旱逆境下黄土高原水土资源时空过程及其调控》在土壤侵蚀防治与旱地农业发展的交叉领域，就黄土高原水土资源时空过程及其调控进行了研究，由理论创新带动技术开发，为区域水土保持、农业生产与社会经济发展服务。 《侵蚀和干旱逆境下黄土高原水土资源时空过程及其调控》首先阐述了黄土高原土壤物质组成、土壤质量演变、土壤碳库以及土壤微生物等的影响因素及驱动机制，随后就水蚀风蚀交错区、非均质土壤、生物炭添加、退耕地生物结皮等条件下的土壤水文过程及特征进行了分析，进而就土壤水分有效性、高塬沟壑区水循环过程及其对环境变化的响应做了深入地探讨，最后从综合的角度就侵蚀与干旱条件下黄土高原水土资源时空过程与有效利用研究进行了论述。
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| 目錄：
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序
前言
第1章黄土高原土壤矿物质组成及其分布特点1
1.1黄土高原南缘武功全新世黄土-古土壤土壤黏土矿物组成及分布1
1.2黏土矿物风化转化及其环境指示意义5
1.2.1伊利石的风化特征6
1.2.2全新世矿物风化的时序特征7
1.2.3时空变迁的矿物学证据10
1.3氧化铁化学形态及分布特征12
1.4黄土高原无机碳14
1.4.1黄土高原土壤无机碳储量与密度分布15
1.4.2黄土丘陵区无机碳分布的影响因素25
参考文献36
第2章黄土高原典型生态区植被恢复与土壤质量演变42
2.1云雾山草地自然恢复的土壤环境效应42
2.1.1草地自然恢复对土壤物理性质的影响44
2.1.2草地自然恢复对土壤化学性质的影响46
2.1.3草地自然恢复对土壤微生物学性质的影响47
2.1.4云雾山典型草原生态系统价值评估49
2.2上黄综合治理小流域不同恢复模式下土壤质量的变化50
2.2.1不同植被恢复模式下土地利用格局的动态变化51
2.2.2不同植被恢复措施对土壤物理性质的影响52
2.2.3植被恢复对土壤化学性质的影响56
2.2.4植被恢复对土壤微生物的影响59
2.3延河流域植被恢复对土壤质量的影响63
2.3.1植被恢复对团聚体的影响63
2.3.2不同植被类型对土壤化学性质的影响64
2.3.3不同植被类型对土壤微生物量的影响65
参考文献71
第3章黄土高原农林草地土壤碳库构成与变化特征74
3.1生态系统中土壤有机碳循环及有机碳库构成75
3.1.1土壤有机碳与土壤性质的关系75
3.1.2土壤有机碳循环76
3.1.3土壤对有机碳的固定作用及其影响因素77
3.1.4土壤有机碳库的主要构成组分及土壤中有机碳的分布特征81
3.2黄土区农田土壤碳库演变及其驱动因素87
3.2.1黄土区不同区域农田土壤有机碳的含量88
3.2.2黄土区不同区域农田土壤有机碳的累积与固定特征91
3.2.3黄土区农田土壤碳库演变的驱动因素分析93
3.3黄土丘陵区林地土壤有机碳的累积与变化94
3.3.1人工柠条林地土壤有机碳的变化95
3.3.2人工柠条林地土壤有机碳的固定量与储量96
3.3.3不同类型林地土壤有机碳的变化97
3.3.4不同类型林地土壤有机碳的固定量与储量99
3.4黄土丘陵沟壑区草地土壤有机碳的累积与变化101
3.4.1不同种类草地土壤有机碳的含量变化和垂直分布特征102
3.4.2不同恢复年限草地土壤活性有机碳103
3.4.3不同恢复年限草地土壤微生物量碳与有机碳的关系104
3.4.4恢复草地土壤有机碳的固定与累积105
3.5黄土坡面土壤有机质迁移过程及流域有机碳输移通量107
3.5.1不同坡面特征条件下土壤和流失泥沙中有机质含量的比较107
3.5.2坡面土壤有机质流失强度与坡长的关系108
3.5.3坡面土壤有机质流失强度与坡度的关系110
3.5.4流域泥沙有机碳输移通量及其与降雨的关系111
3.6黄土丘陵沟壑区小流域土壤有机碳空间分布及其影响因素113
3.6.1小流域剖面土壤有机碳含量空间分布特征113
3.6.2地形和土地利用对小流域土壤有机碳含量变化的影响116
3.6.3深层有机碳含量对小流域土壤有机碳储量的贡献120
3.6.4坡向与坡位对小流域梯田土壤有机碳变化的影响121
参考文献124
第4章黄土高原不同土地利用类型土壤微生物组成与碳氮循环135
4.1黄土高原土壤微生物组成135
4.2根瘤菌和菌根真菌的分布及其在环境修复和植物抗逆中的作用136
4.2.1黄土高原地区根瘤菌的多样性及其环境修复潜力137
4.2.2黄土高原地区菌根真菌的分布及其在植物抗逆中的作用139
4.3黄土高原土地利用类型对土壤有机碳和土壤微生物的影响140
4.3.1土壤有机碳的作用140
4.3.2黄土高原施肥和土地利用类型对土壤有机碳的影响140
4.3.3黄土高原不同土地利用类型土壤微生物的差异142
4.3.4黄土高原农田和果园覆盖对土壤微生物的影响144
4.4黄土高原农田施肥对氮循环微生物的影响及其与土壤氮循环之间的联系146
4.4.1黄土高原农田施肥对土壤氮循环过程的影响146
4.4.2黄土高原农田施肥对土壤氮循环微生物的影响147
4.4.3黄土高原土壤氮循环微生物与氮循环过程之间的联系148
参考文献149
第5章黄土高原水蚀风蚀交错区土壤水转化过程与调控156
5.1土地利用对坡地水循环的影响156
5.1.1研究区概况与方法157
5.1.2三种植被措施下剖面土壤水分季节变化158
5.1.3三种植被措施下径流量及水分利用效率160
5.1.4丰水年土壤水分恢复161
5.2典型植被耗水过程164
5.2.1试验材料与方法165
5.2.2植物生长季0~260cm土层储水量167
5.2.3不同土地利用方式下土壤水分消耗与补给深度168
5.2.4土壤水分消耗与补充特征分类172
5.3地表覆盖对人工草地水分利用的影响172
5.3.1试验材料与方法172
5.3.2不同覆盖处理下浅层土壤温度与水分变化174
5.3.3不同覆盖处理下土壤剖面水分的变化176
5.3.4不同覆盖处理苜蓿产量及水分利用效率比较177
5.4柳树耗水特征与影响因素177
5.4.1研究地区及方法178
5.4.2不同土壤质地下柳树树干液流变化规律差异180
5.4.3柳树树干液流对大气干旱和土壤干旱的响应181
5.4.4不同土壤质地柳树树干液流量的差异182
参考文献186
第6章非均质土壤坡面水土过程研究189
6.1非均质土壤水土过程研究现状189
6.1.1土壤水分运动190
6.1.2坡面产流过程191
6.1.3土壤水分配和转化192
6.2非均质土壤坡面入渗193
6.2.1试验条件及方法193
6.2.2产流前入渗量194
6.2.3坡面降雨入渗过程195
6.3非均质土壤坡面产流198
6.3.1坡面径流水力学参数计算方法198
6.3.2坡面径流水动力学参数199
6.3.3坡面径流流速变化200
6.3.4坡面径流量变化201
6.4非均质土壤坡面产沙202
6.4.1雨强对坡面总产沙的影响202
6.4.2坡面产沙过程203
6.4.3含沙率与产沙量的关系204
6.5非均质土壤水土过程参数及模拟206
6.5.1非均质土壤饱和导水率206
6.5.2非均质土壤水分入渗过程模拟209
参考文献219
第7章生物炭添加对黄土高原土壤水分的影响223
7.1生物炭对土壤导水性能的影响224
7.1.1生物炭对土壤饱和导水率的影响224
7.1.2生物炭对土壤入渗性能的影响226
7.2生物炭对土壤持水特征的影响232
7.2.1生物炭对土壤水分特征曲线的影响232
7.2.2生物炭对土壤田间持水量的影响235
7.3生物炭对土壤水分蒸发过程的影响239
7.3.1土壤累积蒸发量变化239
7.3.2土壤日蒸发量变化243
7.3.3土壤含水量比较246
7.3.4蒸发失水比246
参考文献250
第8章黄土高原地区生物结皮土壤水文效应252
8.1黄土高原生物结皮的形成?演替及分布253
8.1.1黄土高原生物结皮的形成及演替253
8.1.2黄土高原生物结皮的类型和分布254
8.2生物结皮对土壤理化属性的影响255
8.2.1生物结皮对土壤有机质含量的影响255
8.2.2生物结皮对土壤物理属性的影响256
8.2.3生物结皮土壤的持水性和斥水性259
8.2.4生物结皮土壤糙度及其影响因子261
8.3生物结皮对土壤水分入渗及再分布的影响263
8.3.1生物结皮对土壤水分渗透性的影响263
8.3.2测定方法对生物结皮水文效应的影响266
8.3.3生物结皮对水分入渗参数的影响268
8.3.4生物结皮对土壤水分再分布的影响269
8.4生物结皮对土壤水蒸发的影响270
8.4.1生物结皮对土壤水分蒸发过程及蒸发量的影响270
8.4.2生物结皮对土壤水蒸发参数的影响271
8.4.3生物结皮土壤水分蒸发的影响因素272
8.5生物结皮对坡面产汇流的影响273
8.5.1不同类型生物结皮对坡面产流的影响273
8.5.2不同类型生物结皮对坡面产流参数的影响275
8.6生物结皮对土壤储水量的影响277
参考文献279
第9章黄土高原土壤水分有效性研究284
9.1土壤水分有效性动态曲线285
9.1.1土壤有效含水量285
9.1.2土壤水分有效性分级286
9.1.3土壤水分有效性动态曲线287
9.2土壤水分有效性评价指标与影响因素288
9.2.1土壤水分有效性评价指标288
9.2.2土壤水分有效性的影响因素291
9.3三种典型黄土的水分有效性294
9.3.1三种典型黄土的水分物理性质294
9.3.2三种典型黄土水分对冬小麦有效性296
9.3.3三种典型黄土水分对玉米的有效性305
9.3.4三种典型黄土水分对刺槐的有效性312
9.4三种典型黄土水分有效性综合评价319
9.4.1Hydrus-1D模型介绍320
9.4.2模型运行参数321
9.4.3土壤水分有效性影响因素综合评价322
9.4.4土壤?气象和植物覆盖的差异对临界水分阈值的影响323
参考文献329
第10章高塬沟壑区水循环过程及其对环境变化的响应336
10.1降水和潜在蒸散特征及其对全球变暖的响应336
10.1.1气候变化预测方法337
10.1.2降水与潜在蒸散的时空特性341
10.1.3降水和潜在蒸散的未来变化趋势预测344
10.2地表径流对人类活动和气候变化的响应347
10.2.1环境变化水文效应347
10.2.2当前人类活动和气候变化对地表径流的影响348
10.2.3未来气候变化的水文效应351
10.2.4径流对未来气候变化的响应352
10.3土壤水分及其与土地利用变化的关系356
10.3.1不同利用方式下土壤水分特征356
10.3.2不同利用方式下的土壤干层状况363
10.3.3不同利用方式下的蒸散分析364
10.4黄土塬区地下水补给机制分析367
10.4.1黄土塬区地下水补给机制问题367
10.4.2长武塬区地下水补给机制分析368
参考文献371
第11章黄土高原水土资源时空过程与有效利用377
11.1侵蚀与干旱条件下黄土高原水土资源时空过程特征377
11.1.1黄土高原侵蚀与干旱共存的自然背景377
11.1.2土壤水分运动?地表蒸散及循环特征378
11.1.3农林草地土壤养分与碳循环机制及过程383
11.2黄土高原农业生产和生态建设对区域水土环境的影响386
11.2.1农业生产?生态建设与区域水土环境386
11.2.2农业生产对区域水土环境的影响388
11.2.3生态建设对区域水土环境的影响389
11.3水土资源保持与有效利用的调控机制及措施394
11.3.1水土资源保持与有效利用的调控机制394
11.3.2水土资源调控与承载力398
11.3.3水土资源保持与有效利用的技术措施404
参考文献406
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第1章黄土高原土壤矿物质组成及其分布特点
赵巍谭文峰方临川
土壤矿物质是土壤的主要组成物质，构成了土壤的“骨骼”。土壤矿物质主要来自成土母质，按其成因可分为原生矿物和次生矿物两大类。土壤原生矿物是指各种岩石受到不同程度的物理风化而未经化学风化的碎屑物，其原来的化学组成和结晶构造均未改变。土壤原生矿物的种类和含量，随母质的类型?风化强度和成土过程的不同而异。土壤中的粉砂粒?砂粒几乎全是原生矿物。土壤的原生矿物，除构成土壤的大小颗粒外，还是土壤中各种化学元素的最初来源。次生矿物是原生矿物经风化后重新形成的新矿物，不同于原生矿物其化学组成和结晶构造都发生改变。次生矿物是土壤物质中最细小的部分粒径0.001mm，具有胶体的性质，所以又称之为黏土矿物或黏粒矿物，它是土壤固体物质中最有影响的部分，影响着土壤许多重要的物理和化学性质，如吸收性?膨胀收缩性?黏着性等。因而无论在土壤发生学，还是在农业生产上，都具有重要意义。
土壤矿物质种类虽不多，但其含量和组合方式复杂多样，可反映母质和成土因素的综合影响。由于土壤矿物质的粗细不同，可形成不同的土壤质地。土壤矿物质提供了除氮素以外植物所需的大量和微量营养元素。而各种次生黏土矿物具有吸附保存呈离子态养分的能力，并表现出不同的吸收性?保蓄性?黏性和膨胀?收缩性。所以土壤矿物质与土壤的理化特性?土壤肥力有密切关系。
1.1黄土高原南缘武功全新世黄土-古土壤土壤黏土矿物组成及分布
黏土矿物在土壤中的存在状态?含量及其组合方式复杂多样。在内?外地质营力的作用下，地球表面的岩石?矿物发生着种种变化，这些变化直接影响到黏土类矿物的化学性质?物理性质和晶体结构。黄土中的黏土矿物在风化?搬运?堆积和成岩作用的各个阶段，由于物理?化学及生物条件的差异，相应产生了矿物成分和晶体结构的变化与变异。在常压条件下，黏土矿物的种类?数量及结构变化又与气候条件温度?湿度及其变率等密切相关。因此对黄土黏土矿物的研究，既直接与黄土的工程性质有密切关系，又是探索第四纪时期地球表层演化历史和发展规律的有效途径。本节以陕西武功全新世黄土-古土壤序列为例说明黄土高原黏土矿物的组成及分布。
武功全新世黄土-古土壤序列剖面的采样土坑高4~5m，剖面完整，土壤学与地层学层次清晰图1-1。野外观察剖面特征见表1-1。
利用X射线衍射X-raydiffraction，XRD技术进行鉴定与半定量分析，发现整个剖面黏粒矿物组成类型相似，图1-2是剖面黏土矿物的半定量分析结果。剖面中以伊利石55%~70%为主，绿泥石5%~15%和蛭石+层间羟基物矿物hydroxy-interlayeredminerals，HIM0~30%次之，高岭石5%~10%含量较少，且随剖面深度没有明显变化，另外含有少量的石英?弱晶型蒙脱石和或伊蒙混层矿物Territoetal.，2006。黄土-古土壤序列中层状硅酸盐矿物组成的一致性在黄土高原其他区域也得到了证实Gylesjoetal.，2006;Kalmetal.，1996;Zhangetal.，1987;刘东生，1985。
马兰黄土层中存在微量的蒙脱石5%，但是全新世古土壤层几乎不含蒙脱石。马兰黄土层黏粒样品含有较多的绿泥石，而古土壤层中绿泥石和伊利石的含量较上覆黄土层和下伏马兰黄土层低;古土壤层中的蛭石含量明显增加，高于上覆黄土层和下伏马兰黄土层。古土壤层中亦存在少量层间羟基物矿物HIM。与颗粒组成?CaCO3含量及磁化率的剖面变化图1-3~图1-5一致，剖面黏土矿物组成特征与成壤过程呈相应的周期变化。
1.2黏土矿物风化转化及其环境指示意义
成土母质经过长期的物质反应?能量交换发育形成土壤，土壤形成过程是母质中原生矿物逐步向次生矿物转变的过程Chadwicketal.，2001。黏粒矿物包括层状硅酸盐矿物?氧化物水合物?碳酸盐等细颗粒无机组分，它们组成了土壤的骨架。黏粒矿物颗粒细小?比表面积较大，具有较强的活性，从而影响土壤的物理?化学及生物过程，并且能够通过改变其物质组成及晶体结构以适应土壤环境的改变Veldeetal.，2008。因此，黏粒矿物的风化转化受温度?湿度等环境条件的影响，不同类型和特性的矿物可指示土壤演化?环境的变迁。通常所说的矿物风化过程是矿物中碱土金属元素及硅淋失，最终形成铁铝氧化物和铁铝氢氧化物。碱土金属元素及硅淋失反映了由伊利石向蒙脱石?高岭石?三水铝石以及铁氧化物或铁氢氧化物转变的典型黏土矿物风化序列。长石和云母在气温稍低的弱碱性环境条件下发生层间脱钾，从而形成伊利石;晶格层间进一步脱钾，逐步风化转化成蛭石?蒙脱石;当处于湿热气候条件下，化学风化彻底，伊利石将分解为高岭石。蒙脱石多形成于富盐基?排水不良的土壤中，通常反映了寒冷的气候特征。高岭石在湿润气候酸性土壤中，强烈淋滤的条件下形成。土壤中的绿泥石多为原生矿物，在风化作用过程中，其水镁片的Fe2+易被氧化，绿泥石只能在化学风化作用较弱的地区保存。
黄土的黏粒成因是一个很复杂的问题，既有来自粉尘源区的碎屑成因黏粒，也有成壤过程中粘化作用的黏粒。次生黏土矿物在成土过程中由原生铝硅酸盐通过逐步去盐基形成刘东生，1985。不同的脱盐基阶段脱钾阶段—脱硅阶段—富铝化阶段可形成不同种类的次生黏土矿物。就黄土高原整体而言，黏粒以碎屑成因为主，成壤过程主要是对碎屑黏土矿物的晶体结构进行某些改变师育新等，1997;刘东生，1985。黄土堆积旋回不同阶段的地质条件，如堆积环境?风化作用和成岩变化都可能在黏土矿物中留下记录，表现在矿物组成?化学成分?物理性质和晶体结构上的差异陈云，1988;郑洪汉等，1985;何良彪，1982。因此，对黄土中黏土矿物组分和结构变化的研究有助于了解黄土堆积时的环境及其演化历史。
1.2.1伊利石的风化特征
伊利石层间脱钾过程中，膨胀晶层逐渐增多，衍射峰不对称性增强，伊利石结晶度illitecrystallinity，IC降低。伊利石的脱钾?风化程度可以用IC和伊利石化学指数illitechemistryindex，ICI来表示。常用的IC参数有镁Mg-甘油图谱中1.0nm峰的半高宽halfheightwidth，HHW和积分宽度integralbreadth，IB。IB是指和所分析的峰有相同面积和高度的矩形宽度。ICI是指镁Mg-甘油图谱中0.5nm峰和1.0nm峰的峰面积比值。已有研究表明Porteretal.，2001;Carnicellietal.，1997;Righietal.，1993，在风化成壤作用的早期阶段，绿泥石易于风化形成土壤黏土矿物如蛭石绿泥石混层矿物?蛭石和蒙脱石等和碎裂为细粒级，伊利石不易变化而残留下来。由于在化学风化过程中，绿泥石的风化速率大于伊利石的风化速率，因而风化剖面中绿泥石和伊利石发生分离。依据绿泥石和伊利石表生地球化学性质的差异，Zhao等2005提出用伊利石绿泥石的相对质量百分含量比值illitechloriteratio，IC来反映黏土矿物的风化强度?成壤环境及古气候的变化。
表1-2中列出了武功全新世黄土-古土壤剖面中不同土层的IC?IC和ICI。
整个剖面的IC比值在4.49~6.06。古土壤层的IC最大6.06±0.79，而上覆黄土层和下伏马兰黄土层的IC较小，在4.49~5.54变化。相对形成于干冷期的上覆黄土层和下伏马兰黄土层，全新世古土壤形成于夏季风强盛?降水量大的气候条件下，绿泥石的化学风化加剧，绿泥石含量降低，IC变大。剖面中伊利石1.0nm峰的HHW和IB分别在0.256~0.303?0.433~0.531°Δ2θ之间变化，随着深度的增加呈先增大后减小的变化规律，并且在古土壤层达到最大值，分别为0.303?0.531°Δ2θ。与上覆黄土层和下伏马兰黄土层相比，古土壤层的伊利石具有相对较大的HHW和IB，说明该土层中伊利石的结晶度较低。Ehrmann1998认为伊利石结晶度的降低是因为在暖湿的大陆气候下强烈的水解作用。ICI剖面变化趋势虽与HHW和IB相同，但是整个剖面的变化并不明显。根据Liu等2005的分
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