西北旱区土壤干层形成过程与调控机制

A dried soil layer (DSL) generally exits in the northwest arid region of China, which has great impacts on vegetation growth, watershed scale hydrologic cycles, and regional water resource utilization. Knowledge of DSLs is important for rational vegetation construction and assessment of “Grain-for-Green” program. This calls for urgent studies on the formation processes, dynamic simulation, and reasonable management of DSL. The project will be conducted in three typical catchments (Tarim downstream in Xinjiang, Liudaogou catchment in Shenmu, Shaanxi, and Wangdonggou catchement in Changwu, Shaanxi) in the northwest arid area of China. Various techniques including isotope tracing, field monitoring, lab experiment, and numerical simulation will be involved. Specifically, neutron probes and Cosmic-ray soil moisture observing system will be used to monitor soil water content in deep profiles. This project will be oriented by three objectives. Firstly, we aim to study water transport processes in Soil-Water-Vegetation-Transfer system (SVATs), establish dynamic indices for characterizing DSL, and reveal the development processes of DSL and its spatio-temporal patterns under different climatic zones; Secondly, we will develop soil water movement model within low water potentials that coupled with plant roots distribution characteristics and growing ages, further improving the Soil Water Carrying Capacity for Vegetation (SWCCV) model; Finally, we will analyze controlling factors of DSLs, reveal the DSL’s regulation mechanisms under different management practices, and find the optimal ways to regulate DSL reasonably. We expect the obtained results will be conductive to the sustainable vegetation restoration and eco-environment construction in the northwest arid area of China.

西北旱区下伏土壤干层制约植被生长，影响流域水循环和区域水资源利用。土壤干层研究对该区合理植被建造和退耕还林还草效益评估具有重要意义，相关研究取得了一些进展，但关于土壤干层形成过程、干层动态模拟及合理调控等方面的研究亟需加强。本项目以西北旱区典型小流域（新疆塔河下游、陕西神木六道沟、陕西长武王东沟）为研究对象，采用中子仪、宇宙射线等方法测定土壤水分，利用同位素技术，结合野外定位观测、室内盆栽及模型模拟，研究土壤-植被-大气系统中水分传输过程，提出判定土壤干层的动力学指标，揭示不同气候区土壤干层发生发展过程与时空演变规律；通过建立考虑植物根系特征、生长年限及低水势段（与干层相应）土壤水分运动相耦合的过程模型，拓展小流域土壤水分植被承载力模型；分析土壤干层主控因素，揭示不同管理措施下土壤干层的调控机制，提出增强土壤干层科学调控的可能途径。研究结果可为西北旱区植被建造、生态与环境建设提供科学依据。

西北旱区下伏土壤干层制约生态系统稳定与健康，影响区域水循环和水资源可持续利用。项目围绕干层内土壤水分对植物生长有效性和土壤干层强度对土壤-植被-大气传输体中水分运移影响两个关键科学问题，在试验观测、区域调查、控制实验和模型模拟基础上，提出了综合土壤水动力学和植物生理生态学的土壤干层判定动力学新指标，确定了干层调控的土壤水分阈值，揭示了西北旱区不同尺度土壤水力参数和土壤干层的时空分异特征及影响因子，阐明了不同植被类型土壤干层的发育过程及其与恢复年限的关系，模拟分析了土壤干层对土地利用类型和模式变化的响应特征，构建了区域尺度土壤水分植被承载力模型，模拟了刺槐、柠条和苜蓿1961-2014年土壤水文与生物地球化学耦合过程，确定了不同类型人工植被盖度的上限阈值，提出了通过调整植被密度、改变土地利用方式或采取工程措施有效调控土壤干层的可能途径。项目共发表论文84篇，在Science Bulletin、Journal of Hydrology、Agriculture Ecosystems & Environment和Geoderma等期刊发表SCI/SSCI收录论文63篇(其中第一标注SCI论文19篇)，CSCD收录论文21篇(其中第一标注论文13篇)，完成了任务书指标(发表学术论文30-35篇，其中SCI收录论文20篇以上)。培养研究生22名，博士后4名；2名骨干获得国家自然科学基金优秀青年基金资助，2名骨干获得中国土壤学会优秀青年学者奖。项目负责人2017年增选为中国科学院院士，获得中国土壤学会科技一等奖(2017年)、中国科学院教育教学成果二等奖(2017年)和陕西省自然科学一等奖(2020年)。提交了关于加强草地建设，防控黄土高原风沙区水资源过度消耗和农田沙化的建议咨询报告。项目成果对深入认识西北旱区土壤干层发生机制及分布状况和有效植被建造具有重要的科学与实践意义。