第1章 植物生长与田间水循环
　　植物生长与水分消耗是田间水循环的重要组成部分，研究植物生长与水分消耗过程不仅有利于分析坡地水土养分流失特征，而且是确定植被水分承载能力的基础。为了分析田间水循环特征，在陕西省神木市和长武县等地开展不同类型植物截留、植物生长与水分消耗特征的研究工作。
　　1.1 植物叶面和茎秆截留特征
　　为了对比分析不同植物叶片截留差异性，根据黄土区气候条件和植物分布类型，选择2种木本植物和3种草本植物作为供试样本，其中木本植物有酸枣和刺槐，草本植物包括大豆、玉米和紫花苜蓿。这几种植物均是黄土区广泛分布的物种，且叶面绒毛及质地特征具有代表性，其形状和长势各有特点。大豆和玉米也是该地区的典型作物，供试植物生活习性及叶片特征见表1.1。
　　表1.1 供试植物生活习性及叶片特征
　　1.1.1 测定方法
　　为了测定不同植株及其茎叶的*大截留量，选择不同生育期的植物样本，用剪刀贴地表剪下。对于乔木及灌木，在植株上、中、下三个位置取点，分别用剪刀剪取发育完全的不同枝条，迅速移回实验室测定，每个物种设3组重复试验。为确保降雨前样本完全干燥，降雨前的日照干燥期至少为8d。通过平台扫描仪获取叶片标准图形，并使用MATLAB进行图像处理，计算叶面积。植物叶面和茎秆截留能力测定通常采用浸泡法[1-3]，浸泡法具有操作简单、方便的优点，是一种理想状态下测定叶片可吸附水量的方法。为了探讨浸泡法和人工降雨法测定植物叶片截留能力的差异，利用这两种方法分别测定不同植株及其茎和叶的*大截留量。
　　1）浸泡法
　　在实验室无风条件下，选择完整、健康且不同叶面积的叶片和不同生育期的茎，分别测定茎、叶的鲜重，将茎和叶用镊子夹住，分别浸泡在蒸馏水中30min，取出控水1min，待其不滴水时重新称重，吸附水量为浸泡后质量与浸泡前质量的差值。
　　2）人工降雨法
　　在实验室无风条件下，选择完整、健康且具有不同叶面积的叶片、不同生育期的茎和单株植物，分别测定单株植物、茎和叶的鲜重，利用针头式降雨器进行人工降雨试验，设计降雨强度（简称“雨强”）为100mm/h，降雨历时（降雨时间）为4min。一方面，较大降雨强度可使冠层快速达到*大截留量；另一方面，较短的降雨历时可减少降雨期间的蒸发[4，5]。将样本插入预先打好孔的高密度防水泡沫板上，保证降雨产生的茎秆流及时从出口排出。泡沫板上表面孔口与植株接触处用凡士林密封，防止水流损失。试样制作完毕后，将泡沫板上下表面及四周淋水，保证泡沫板降雨前后状态一致，称量试验样品初重[6，7]。叶片*大截留量为降雨前后样品质量的差值，植物特征测定指标包括株高、植株鲜重与干重、茎粗、茎高、茎鲜重与干重、叶面积、叶鲜重与干重、叶长、叶宽及叶周长。
　　3）计算方法
　　*大截留量为试验前后样本质量的差值，为了分析不同植物茎和叶截留能力的差异，分别对比分析不同叶片单位叶面积截留量及茎和叶片的截留率，具体计算公式为
　　（1.1）
　　（1.2）
　　（1.3）
　　（1.4）
　　式中，IP为植株*大截留量(g)；Im为单位叶面积*大截留量(g/m2)；M0为样本鲜重(g)；M1为样本浸水或降雨后重(g)；S为叶面积(m2)；Ir-leaf为叶片*大截留率(%)；Ir-stem为茎*大截留率(%)；Ileaf为叶片*大截留量(g)；Istem为茎*大截留量(g)。
　　1.1.2 浸泡法与人工降雨法测定*大截留量
　　1.1.2.1 浸泡法与人工降雨法测定叶片*大截留量
　　叶面积是表征植物生理形态的主要指标，两种方法测定不同植物的单位叶面积*大截留量如表1.2所示。人工降雨法和浸泡法测定的叶片*大截留量差异均显著（显著水平p<0.05），且人工降雨法较浸泡法高1.46%～47.46%。该结果与余开亮等[8]分别采用浸泡法和人工降雨法测定的高寒草甸冠层截留结果基本一致。由于降雨容易在叶面形成大量的水滴，当水滴尺寸小于非光滑体，水滴将填满粗糙表面的凹槽，若水滴与固体表面的接触面积较大，水滴与固体表面的作用力也较大，使叶片对水的持留能力较强。大豆、酸枣、玉米、紫花苜蓿及刺槐的单位叶面积*大截留量依次减小，浸泡法测定的单位叶面积*大截留量从刺槐的30.08g/m2到大豆的122.84g/m2，人工降雨法测定的单位叶面积*大截留量从刺槐的32.76g/m2到大豆的181.14g/m2。有研究显示，接触角越大，越不利于叶片持水，接触角大于90°为不润湿叶片，叶面持水量较小。适量稀疏绒毛有利于刺破水滴表面，诱导水滴分散成膜，但密集绒毛反而不利于叶片持水。其中，刺槐、紫花苜蓿的接触角均大于90°，因此刺槐和紫花苜蓿的单位叶面积*大截留量相对较小，有绒毛的紫花苜蓿叶片持水量高于叶面光滑的刺槐。在试验中，将疏水性强的刺槐叶片用镊子夹住浸入水中，叶片漂浮在水面上不被润湿。王会霞[9]研究发现，蜡质叶面具有疏水性，当叶片表面蜡质层厚度减小时，水与叶面之间的黏性剪切力增大，使得水滴更易在叶片表面铺展。对于叶面接触角较小的大豆、玉米、酸枣而言，其中叶面有绒毛且无疏水性蜡质的大豆单位叶面积*大截留量*大，说明大豆叶面绒毛利于持水；玉米、酸枣的叶面均有蜡质，但叶面密被绒毛的玉米单位叶面积*大截留量较低，说明酸枣叶面蜡质含量较小，利于液滴在叶片表面铺展。在试验中，将酸枣叶片浸入水中时，水滴在叶面呈水膜状态。这些结果显示，叶面表面特征对截留量会产生较大的影响。
　　表1.2 两种方法测定不同植物的单位叶面积*大截留量（单位：g/m2）
　　为了进一步分析浸泡法与人工降雨法的关系，采用转换系数a将浸泡法与人工降雨法测定的单位叶面积*大截留量进行转换。
　　（1.5）
　　式中，Im-rainfall为人工降雨法测定的单位叶面积*大截留量均值(g/m2)；Im-soak为浸泡法测定的单位叶面积*大截留量均值(g/m2)。
　　大豆、酸枣、紫花苜蓿、刺槐和玉米的转换系数a分别为1.475、1.037、1.451、1.089和1.037，均大于1，说明人工降雨法测定的单位叶面积*大截留量大于浸泡法的测定值。因此，在测定叶片单位面积*大截留量时，可以采用简单方便的浸泡法进行测定，再根据式（1.5）转化为更接近实际降雨状态的人工降雨法测定值。
　　1.1.2.2 浸泡法与人工降雨法测定茎*大截留量
　　采用浸泡法和人工降雨法分别测定不同植物茎*大截留量，并分析株高和茎粗与茎*大截留量的关系，对其进行相关性分析。结果表明茎*大截留量与茎粗和株高的乘积呈线性正相关关系，如图1.1所示。人工降雨法和浸泡法测定的茎*大截留量有显著差异（显著水平p<0.05）。对比发现，浸泡法测量的茎*大截留量高于人工降雨法，与表1.2中单位叶面积*大截留量的试验结果相反，说明茎截留特性与叶片截留特性不同。植物截留量包括植物体吸收的水分和表面附着的水分两部分。浸泡法使茎完全浸入水中，且时间较长，更有利于样本充分吸收水分，说明茎相对叶片更容易吸收水分，其吸收的水量高于表面附着的水量，导致浸泡法测量结果明显高于人工降雨法，而叶片的截留量主要以叶片表面附着的水量为主，因此人工降雨法更利于叶片表面持留水分。
　　图1.1 不同植物茎*大截留量随茎粗与株高乘积的变化曲线
　　根据数据点变化趋势，采用线性函数对茎*大截留量与茎粗和株高乘积的关系曲线进行拟合，即
　　（1.6）
　　式中，Istem为茎*大截留量(g)；α为拟合系数；d为茎粗(cm)；H为株高(cm)。
　　表1.3显示了植物茎*大截留量与茎粗×株高关系的拟合结果，决定系数R2较高，达到显著性水平（显著水平p<0.01），表明茎*大截留量和茎粗×株高之间满足很好的线性关系。拟合系数α反映茎截留能力受株高和茎粗影响的程度，两种方法测定的不同植物类型间α差异显著（显著水平p<0.05）。浸泡法的拟合系数α高于人工降雨法，即浸泡法测得的茎*大截留量高于人工降雨法。进一步观察拟合结果可以看出，浸泡法和人工降雨法拟合系数α均表现为酸枣、大豆、刺槐、紫花苜蓿、玉米依次减小的趋势，说明这5种植物茎截留能力受株高和茎粗影响的程度逐渐减小。
　　表1.3 植物茎*大截留量与茎粗×株高函数关系拟合结果
　　为了进一步分析浸泡法与人工降雨法之间的关系，提出转换系数b，实现浸泡法与人工降雨法测定结果的相互转化，关系式为
　　（1.7）
　　式中，Istem-rainfall为人工降雨法测定单位茎粗与株高乘积下茎*大截留量(g)；Istem-soak为浸泡法测定单位茎粗与株高乘积下茎*大截留量(g)；b为转换系数。
　　刺槐、大豆、酸枣、玉米和紫花苜蓿的转换系数b分别为0.142、0.321、0.590、0.629和0.697，b均小于1，且依次增大。因此，在测定茎*大截留量时，可以采用方便简单的浸泡法进行测定，再根据式（1.7）转化为更接近实际降雨状态下的人工降雨法测定值。
　　1.1.3 *大截留量与植物特征参数的相关性
　　采用人工降雨法测定单株植物和叶片*大截留量，分析结果表明，对于完整植株而言，不同植株的株高和茎粗与植株*大截留量相关性均不明显。对于草本型的大豆、紫花苜蓿和玉米而言，单株植物*大截留量与植株鲜重呈很好的正相关关系（R2>0.90），这与卓丽等[10]采用浸泡法测定草坪型结缕草冠层截留的试验结果一致。对于乔木型的酸枣和刺槐，单株植物*大截留量与植株鲜重相关性不明显。分析植株干重与植物*大截留量的关系，以及叶片的叶干重、叶面积和叶片*大截留量的关系（图1.2）。植株的*大截留量与植株干重均呈很好的线性正相关关系，结果如图1.2（a）所示。对比不同植物的*大截留量可以看出，大豆、酸枣、玉米、紫花苜蓿和刺槐植株的*大截留量依次降低，与表1.2中不同植物叶片*大截留量的大小排序结果相同，但与表1.3中不同植物的茎*大截留量的大小排序结果不同，说明单株植物截留降雨时叶片截留起到主要作用。对于植物叶片而言，叶片的叶长、叶宽、叶周长、叶鲜重与叶片*大截留量相关性不显著，而叶面积和叶干重与叶片*大截留量呈很好的线性正相关关系，如图1.2（b）和（c）所示。
　　根据曲线变化趋势，采用线性函数对植株及叶片*大截留量与植物特征参数进行拟合，拟合结果为
　　（1.8）
　　（1.9）
　　（1.10）
　　式中，IP为植株*大截留量(g)；Ileaf为叶片*大截留量(g)；MP为植株干重(g)；Mleaf为叶片干重(g)；S为叶面积(m2)；β、η、均为拟合系数，分别代表单位植株干重*大截留量、单位叶片干重*大截留量及单位叶面积*大截留量的拟合系数。

目录
总序一
总序二
总序三
前言
第1章 植物生长与田间水循环 1
1.1 植物叶面和茎秆截留特征 1
1.1.1 测定方法 1
1.1.2 浸泡法与人工降雨法测定*大截留量 2
1.1.3 *大截留量与植物特征参数的相关性 6
1.1.4 植物叶片与茎*大截留量 8
1.2 黄土塬区小麦和玉米地的水循环特征 8
1.2.1 研究方法 8
1.2.2 自然降雨条件下玉米冠层截留特征及影响因素 11
1.2.3 黄土塬区小麦和玉米地蒸散特征及主控因素 16
1.3 黄土塬区苹果园的水循环特征 21
1.3.1 研究方法 21
1.3.2 苹果园降雨再分配特征 24
1.3.3 不同降雨年型的苹果园蒸散特征 29
1.3.4 降雨和土壤入渗与蒸散的关系 32
1.4 水蚀风蚀交错区干燥化土壤植被恢复 33
1.4.1 试验方法 33
1.4.2 不同植被恢复方式下土壤水分变化特征 35
1.4.3 多年限土地平均含水量变化特征 35
1.4.4 多年限土地剖面含水量变化特征 37
1.4.5 紫花苜蓿地降雨入渗和产流产沙特征 38
参考文献 46
第2章 植被生长与土壤理化性质 47
2.1 植物生长特征 48
2.1.1 植物株高的增长特征 49
2.1.2 植物盖度的增长特征 50
2.1.3 植物地上生物量的增长特征 51
2.1.4 地下生物量的增长特征 52
2.1.5 植物生长的数学模型 53
2.1.6 植物的耗水特性和水分利用效率 57
2.2 植物生长过程中土壤理化性质的变化特征 58
2.2.1 土壤物理性质的变化特征 58
2.2.2 土壤养分含量的变化特征 66
2.3 土壤理化性质与植物生长的关系 76
2.3.1 土壤养分与植物生长的关系 76
2.3.2 土壤物理性质与地下生物量的关系 95
参考文献 100
第3章 供水特征与坡地物质传输 101
3.1 雨滴动能对坡地水土养分径流流失特征的影响 101
3.2 降雨强度对坡地物质传输的影响 104
3.2.1 坡地产流产沙特征 104
3.2.2 降雨强度对径流氮磷流失特征的影响 105
3.2.3 降雨强度对土壤水分和养分含量垂直分布影响 108
3.3 降雨雨型对坡地物质传输的影响 110
3.3.1 降雨雨型对坡地产流、产沙和养分流失特征的影响 110
3.3.2 降雨强度发生时间对产流、产沙及养分流失特征的影响 112
3.3.3 不同降雨雨型下单宽流量与产沙率及养分流失率的关系 119
3.3.4 降雨雨型对坡地水流动力学特性的影响 122
3.3.5 不同降雨雨型下水蚀动力参数变化特征分析 126
3.4 间歇性降雨对坡地径流-土壤侵蚀-养分流失的影响 129
3.4.1 间歇性降雨时坡地径流、侵蚀及养分流失的特征 129
3.4.2 降雨次数对坡地径流、土壤侵蚀及养分流失总量的影响 135
3.5 上方来水流量与坡地物质传输 136
3.5.1 产流、产沙和养分流失的特征 136
3.5.2 上方来水的水流动力学特征 139
3.5.3 水流动力学参数与径流泥沙和养分流失的关系 143
3.6 上方来水条件下的坡地物质传输 146
3.6.1 植被盖度对坡地物质传输的影响 146
3.6.2 碎石覆盖对坡地物质传输的影响 151
3.7 自然降雨下的坡地物质传输 156
3.7.1 降雨量与径流深的关系 156
3.7.2 降雨量与侵蚀量的关系 158
3.7.3 降雨强度与径流深和侵蚀量的关系 159
3.7.4 径流泥沙和养分流失的变化特征 159
3.7.5 径流中硝态氮与铵态氮的浓度和流失量 161
3.7.6 泥沙中氮磷含量和流失量 163
参考文献 164
第4章 土壤和地形特征与坡地物质传输 165
4.1 土壤质地与坡地物质传输 165
4.2 土壤初始含水量与坡地物质传输 169
4.2.1 土壤初始含水量对平均入渗率及平均径流深的影响 169
4.2.2 土壤初始含水量对总产沙量的影响 170
4.2.3 土壤初始含水量对径流氮磷浓度的影响 171
4.2.4 土壤初始含水量对土壤氮磷垂直分布的影响 173
4.2.5 土壤初始含水量对氮磷径流流失率的影响 174
4.3 坡长与坡地物质传输 176
4.3.1 小尺度坡长对坡地物质传输的影响 176
4.3.2 中尺度坡长对坡地物质传输的影响 178
4.4 坡度与水土养分流失 188
4.4.1 坡度对粉壤土坡地水土养分流失的影响 188
4.4.2 坡度对砂壤土坡地水土养分流失的影响 195
4.5 坡形与坡地物质传输 197
4.5.1 坡形对坡地产流的影响 198
4.5.2 坡形对坡地产沙的影响 199
4.5.3 坡形对坡地养分流失的影响 200
4.5.4 坡形、施加PAM与坡地物质传输 203
参考文献 209
第5章　土壤结构改良与坡地物质传输 211
5.1 施加PAM与坡地物质传输 211
5.1.1 坡度对PAM调控坡地物质传输的影响 212
5.1.2 PAM施量对坡地物质传输的影响 219
5.1.3 PAM施用位置对坡地水土养分流失的影响 235
5.2 施加羧甲基纤维素钠对坡地土壤侵蚀及养分流失的影响 240
5.2.1 CMC-Na对土壤团粒结构的影响 240
5.2.2 CMC-Na施量对产流过程的影响 241
5.2.3 CMC-Na施量对产沙过程的影响 242
5.2.4 CMC-Na对坡地养分流失过程的影响 244
5.3 条施纳米碳与坡地物质传输 246
5.3.1 条施纳米碳对产流过程的影响 247
5.3.2 条施纳米碳对产沙过程的影响 250
5.3.3 条施纳米碳对径流养分流失过程的影响 253
5.3.4 降雨强度对纳米碳施用地水土养分流失的影响 262
参考文献 271
第6章 地面覆盖与坡地物质传输 272
6.1 落叶层厚度对坡地径流养分流失的影响 272
6.1.1 落叶层厚度对产流特征的影响 272
6.1.2 落叶层贮水量估算 273
6.1.3 落叶层厚度对径流养分浓度的影响 274
6.1.4 落叶层厚度对径流养分流失总量的影响 276
6.1.5 落叶层厚度对土壤剖面养分分布的影响 276
6.2 秸秆覆盖量对坡地物质传输的影响 278
6.2.1 秸秆覆盖量对坡地水土养分流失过程的影响 278
6.2.2 秸秆覆盖量对坡地水流动力学特征的影响 281
6.3 植物对坡地物质传输的影响 284
6.3.1 植物对坡地水文过程的影响 285
6.3.2 植物对产沙过程的影响 291
6.3.3 植物对土壤养分流失的影响 306
6.4 碎石覆盖对坡地物质传输的影响 321
6.4.1 碎石覆盖对地表径流过程的影响 321
6.4.2 碎石覆盖对土壤侵蚀的影响 326
6.4.3 碎石覆盖对坡地水土养分流失的影响 338
参考文献 341
第7章 植被过滤带与坡地物质传输 342
7.1 概述 343
7.2 植被过滤带长度对坡地物质传输的影响 344
7.2.1 过滤带植物生长状况 344
7.2.2 植被过滤带长度对径流削减效果的影响 344
7.2.3 植被过滤带长度对径流中吸附态氮、磷流失量的影响 345
7.2.4 植被过滤带长度对溶解态氮、磷削减效果的影响 347
7.2.5 植被过滤带长度对总氮、总磷削减效果的影响 348
7.2.6 相关性分析 349
7.3 植物类型对植被过滤带径流养分削减效果的影响 349
7.3.1 不同类型植物的生长状况 350
7.3.2 不同类型植被过滤带对径流削减效果的影响 350
7.3.3 不同类型植被过滤带对径流中吸附态氮、磷流失总量的影响 351
7.3.4 不同类型植被过滤带对溶解态氮、磷削减效果的影响 352
7.3.5 不同类型植被过滤带对总氮、总磷削减效果的影响 353
7.3.6 相关性分析 354
7.4 植物种植密度对径流养分削减效果的影响 355
7.4.1 不同种植密度的植物生长状况 355
7.4.2 种植密度对径流削减效果的影响 356
7.4.3 种植密度对径流中吸附态氮、磷流失量的影响 356
7.4.4 种植密度对溶解态氮、磷削减效果的影响 357
7.4.5 种植密度对径流总氮、总磷削减效果的影响 358
7.4.6 相关性分析 359
7.5 植被过滤带作用下径流养分传输数学模型 360
7.5.1 模型建立 360
7.5.2 参数确定 363
7.5.3 模型参数推求与模型评估 363
参考文献 365
第8章 坡地物质传输数学模型 367
8.1 坡地产汇流数学模型 367
8.1.1 降雨条件下坡地产汇流数学模型 367
8.1.2 上方来水条件下坡地产汇流数学模型 374
8.2 水流冲刷下的土壤侵蚀模型 403
8.2.1 坡地土壤侵蚀模型的建立 403
8.2.2 土壤侵蚀模型参数确定与准确性评估 406
8.2.3 下垫面条件对模型参数的影响 409
8.3 土壤养分向地表径流传递的数学模型 415
8.3.1 降雨条件下土壤养分向地表径流传递的混合深度模型 415
8.3.2 基于降雨分散能力的土壤养分向径流传递模型 428
8.3.3 水流冲刷下土壤养分向地表径流传递的有效混合深度模型 441
8.3.4 水流冲刷下土壤养分向地表径流传递的等效混合深度模型 446
8.3.5 基于水流分散能力的土壤养分向径流传递模型 451
8.4 考虑降雨雨型影响的坡地水土养分传输数学模型 457
8.4.1 数学模型 457
8.4.2 模型参数确定 460
8.4.3 模型评估 461
8.5 次降雨土壤硝态氮随地表径流流失的经验公式 465
8.5.1 坡地土壤硝态氮径流流失公式的建立 465
8.5.2 经验公式参数的确定 468
8.5.3 经验公式构建与评价 472
参考文献 474