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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 31 卷 第 24 期摇 摇 2011 年 12 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
柑橘黄龙病株不同部位内生细菌群落结构的多样性 刘摇 波,郑雪芳,孙大光,等 (7325)………………………
小兴安岭红松径向生长对未来气候变化的响应 尹摇 红,王摇 靖,刘洪滨,等 (7343)……………………………
污水地下渗滤系统脱氮效果及动力学过程 李海波,李英华,孙铁珩,等 (7351)…………………………………
基于生态系统服务的海南岛自然保护区体系规划 肖摇 燚,陈圣宾,张摇 路,等 (7357)…………………………
羌塘地区草食性野生动物的生态服务价值评估———以藏羚羊为例 鲁春霞,刘摇 铭,冯摇 跃,等 (7370)………
湖北省潜江市生态系统服务功能价值空间特征 许倍慎,周摇 勇,徐摇 理,等 (7379)……………………………
滇西北纳帕海湿地景观格局变化及其对土壤碳库的影响 李宁云,袁摇 华,田摇 昆,等 (7388)…………………
基于连接性考虑的湿地生态系统保护多预案分析———以黄淮海地区为例
宋晓龙,李晓文,张明祥,等 (7397)
………………………………………
……………………………………………………………………………
青藏高原高寒草甸生态系统碳增汇潜力 韩道瑞,曹广民,郭小伟,等 (7408)……………………………………
影响黄土高原地物光谱反射率的非均匀因子及反照率参数化研究 张摇 杰,张摇 强 (7418)……………………
基于 GIS的下辽河平原地下水生态敏感性评价 孙才志,杨摇 磊,胡冬玲 (7428)………………………………
厦门市土地利用变化下的生态敏感性 黄摇 静,崔胜辉,李方一,等 (7441)………………………………………
我国保护地生态旅游发展现状调查分析 钟林生,王摇 婧 (7450)…………………………………………………
黄腹山鹪莺稳定的配偶关系限制雄性欺骗者 褚福印,唐思贤,潘虎君,等 (7458)………………………………
食物蛋白含量和限食对雌性东方田鼠生理特性的影响 朱俊霞,王摇 勇,张美文,等 (7464)……………………
具有捕食正效应的捕食鄄食饵系统 祁摇 君,苏志勇 (7471)………………………………………………………
桑科中 4 种桑天牛寄主植物的挥发物成分研究 张摇 琳,WANG Baode,许志春 (7479)………………………
栗山天牛成虫羽化与温湿度的关系 杨忠岐,王小艺,王摇 宝, 等 (7486)………………………………………
人工巢箱条件下杂色山雀的巢位选择及其对繁殖成功率的影响 李摇 乐,万冬梅,刘摇 鹤,等 (7492)…………
鸭绿江口湿地鸻鹬类停歇地的生物生态研究 宋摇 伦,杨国军,李摇 爱,等 (7500)………………………………
锡林郭勒草原区气温的时空变化特征 王海梅,李政海,乌摇 兰,等 (7511)………………………………………
UV鄄B辐射胁迫对杨桐幼苗生长及光合生理的影响 兰春剑,江摇 洪,黄梅玲,等 (7516)………………………
小麦和玉米叶片光合鄄蒸腾日变化耦合机理 赵风华,王秋凤,王建林,等 (7526)………………………………
利用稳定氢氧同位素定量区分白刺水分来源的方法比较 巩国丽,陈摇 辉,段德玉 (7533)……………………
2010 年冬季寒冷天气对闽江口 3 种红树植物幼苗的影响 雍石泉,仝摇 川,庄晨辉,等 (7542)………………
人参皂苷与生态因子的相关性 谢彩香,索风梅,贾光林,等 (7551)………………………………………………
芘对黑麦草根系几种低分子量有机分泌物的影响 谢晓梅,廖摇 敏,杨摇 静 (7564)……………………………
盐碱地柠条根围土中黑曲霉的分离鉴定及解磷能力测定 张丽珍,樊晶晶,牛摇 伟,等 (7571)…………………
不同近地表土壤水文条件下雨滴打击对黑土坡面养分流失的影响 安摇 娟,郑粉莉,李桂芳,等 (7579)………
煤电生产系统的能值分析及新指标体系的构建 楼摇 波,徐摇 毅,林振冠 (7591)………………………………
专论与综述
西南亚高山森林植被变化对流域产水量的影响 张远东,刘世荣,顾峰雪 (7601)………………………………
干旱荒漠区斑块状植被空间格局及其防沙效应研究进展 胡广录,赵文智,王摇 岗 (7609)……………………
利用农业生物多样性持续控制有害生物 高摇 东,何霞红,朱书生 (7617)………………………………………
研究简报
洪湖湿地生态系统土壤有机碳及养分含量特征 刘摇 刚,沈守云,闫文德,等 (7625)……………………………
氯氰菊酯和溴氰菊酯对萼花臂尾轮虫生殖的影响 黄摇 林,刘昌利,韦传宝,等 (7632)…………………………
学术信息与动态
SCOPE鄄ZHONGYU 环境论坛(2011)暨环境科学与可持续发展国际会议成功举办 (7639)……………………
《生态学报》3 篇文章入选 2010 年中国百篇最具影响国内学术论文摇 等 ( 玉 )………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*316*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*36*
室室室室室室室室室室室室室室
2011鄄12
封面图说: 泥炭藓大多生长在多水、寒冷和贫营养的生境,同时有少数的草本、矮小灌木也生长在其中,但优势植物仍然是泥炭藓
属植物。 泥炭藓植物植株死后逐渐堆积形成泥炭。 经过若干年的生长演变,形成了大片的泥炭藓沼泽。 这种沼泽地
有黑黑的泥炭、绿绿的草甸和亮晶晶的斑块状水面相间相衬,远远看去就像大地铺上了锦绣地毯一样美丽壮观。
彩图提供: 陈建伟教授摇 国家林业局摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 31 卷第 24 期
2011 年 12 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 31,No. 24
Dec. ,2011
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家 973 计划项目(2007CB407201)
收稿日期:2011鄄05鄄19; 摇 摇 修订日期:2011鄄10鄄27
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail:flzh@ ms. iswc. ac. cn
安娟,郑粉莉,李桂芳, 王彬.不同近地表土壤水文条件下雨滴打击对黑土坡面养分流失的影响.生态学报,2011,31(24):7579鄄7590.
An J, Zheng F L, Li G F,Wang B. Effect of raindrop impact on nutrient losses under different near 鄄surface soil hydraulic conditions on black soil slope.
Acta Ecologica Sinica,2011,31(24):7579鄄7590.
不同近地表土壤水文条件下雨滴打击对
黑土坡面养分流失的影响
安摇 娟1,3,郑粉莉1,2,*,李桂芳1,3, 王摇 彬2
(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,杨凌摇 712100;
2. 西北农林科技大学资源环境学院,杨凌摇 712100;3.中国科学院研究生院,北京摇 100049)
摘要:目前,土壤水分饱和和壤中流条件下,雨滴打击对养分流失的影响尚不清楚。 通过 3 个近地表土壤水文条件(自由入渗、
土壤水分饱和与壤中流)下,土槽上方架设与不架设尼龙纱网模拟降雨对比试验,研究雨滴打击对黑土坡面侵蚀过程及 NO3 鄄N、
NH4 鄄N与 PO4 鄄P随径流和侵蚀泥沙迁移的影响。 结果表明,纱网覆盖消除雨滴打击后坡面侵蚀量和泥沙浓度分别减少
59郾 4%—71. 6%和 57. 3%—73. 0% ,不同水文条件下减少量的排序为:自由入渗>壤中流>土壤水分饱和。 消除雨滴打击后养
分随径流流失的减少仅在自由入渗条件下体现较明显,该水文条件下 NO3 鄄N、NH4 鄄N 与 PO4 鄄P 流失分别减少 33. 3% 、23. 1%和
40郾 7% ;3 种水文条件下,消除雨滴打击均明显减少养分随泥沙的流失,其中自由入渗条件下减少效果最明显,该水文条件下,
NO3 鄄N和 NH4 鄄N流失分别减少 20. 9%—54. 9%和 25. 0%—62. 3% ,而 PO4 鄄P流失减少在 74. 6%以上。 雨滴打击增大了 NO3 鄄N
的淋失,但对 NH4 鄄N与 PO4 鄄P的淋失几乎无影响。 消除雨滴打击后,自由入渗条件下养分的等效径流迁移深度减少 26. 7%—
42. 6% ,而土壤水分饱和与壤中流条件下基本无变化。 以上研究结果为有效防治坡面土壤侵蚀和农业非点源污染提供科学理
论依据,尤其是在壤中流出现的地方。
关键词:土壤水分饱和;壤中流;雨滴打击;土壤侵蚀过程;养分流失
Effect of raindrop impact on nutrient losses under different near 鄄surface soil
hydraulic conditions on black soil slope
AN Juan1,3, ZHENG Fenli1,2,*, LI Guifang1,3,WANG Bin2
1 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and
Ministry of Water Resources,Yangling 712100, China
2 College of Resources and Environment, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China
3 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Soil erosion is largely initiated by raindrop impact on soil surface. Raindrop impact not only disperses soil
material, but also enhances the disturbance of runoff, thus significantly affects soil erosion processes and nutrient losses.
However, few investigations have addressed the effect of raindrop impact on soil loss and nutrient loss under soil saturated
and seepage conditions. A laboratory study was designed to quantify effect of raindrop impact on soil erosion processes and
nutrient losses (NO3 鄄N, NH4 鄄N and PO4 鄄P) of black soil in the Northeast China under different soil surface water regimes.
Three soil surface water regimes were tested: freely draining soil profile with rainfall (FD), saturated soil water profile with
rainfall (Sa) and seepage under 20 cm hydrologic pressure with rainfall (SP). Under each hydraulic condition, two surface
cases were included with and without raindrop impact through placing nylon net over soil pan. Results showed that the
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elimination of raindrop impact greatly reduced soil loss and sediment concentration by 59. 4%—71. 6% and 57. 3%—
73郾 0% , respectively, and the reduction effect were in order FD>SP>Sa. Effect of raindrop impact on nutrient losses by
runoff was only pronounced for FD treatment, and NO3 鄄N, NH4 鄄N and PO4 鄄P losses by runoff reduced by 33. 3% , 23. 1%
and 40. 7% after eliminating raindrop impact for FD treatment, respectively. However, the elimination of raindrop impact
greatly decreased nutrient losses by soil loss for all soil surface water regimes, among the reduction effect was the most
pronounced for FD treatment, NO3 鄄N and NH4 鄄N were with decrease rate of 20. 9%—54. 9% and 25. 0%—62. 3% ,
respectively, while PO4 鄄P loss reduced by above 74. 6% . Raindrop impact enhanced NO3 鄄N leaching, while it had no
obvious influence on NH4 鄄N and PO4 鄄P leaching. After eliminating raindrop impact, for FD treatment, the effective depth
of transport by runoff of nutrient decreased by 26. 7%—42. 6% , while for Sa and SP treatments, it varied slightly. These
findings supply scientific support to control soil erosion and non鄄point source pollution on slope, especially the place where
seepage flow occurs.
Key Words: soil saturated; seepage condition; raindrop impact; runoff and sediment yield; nutrient losses
雨滴打击不仅使土粒产生分散和移动,为坡面径流搬运提供侵蚀物质,还通过增强坡面薄层水流的扰动
而增加径流的挟沙能力,因此雨滴打击对坡面侵蚀的分离和搬运过程均有重要影响[1鄄4]。 Meyer[5]研究了降
雨能量对细沟侵蚀的影响,结果表明消除雨滴打击后细沟侵蚀量减少 50% 。 郑粉莉[6]等通过纱网覆盖消除
雨滴打击后发现在较小雨强时 5—20毅坡面上不发生细沟侵蚀,且坡面总侵蚀量减少 35%—61% ;而在较大雨
强时,坡面细沟侵蚀量减少 38%—64% ,坡面总侵蚀量减少 31%—55% 。 雨滴打击使吸附于土壤颗粒上的养
分发生解吸,从而使进入径流中的养分浓度升高;同时,雨滴打击分散颗粒影响着土壤入渗、孔隙封闭及结皮
的形成,从而影响养分的淋溶。 Ahuja[7]等的研究表明,雨滴打击通过增强养分的混合和扩散,可显著增加养
分从土壤溶液到径流的迁移。
自由入渗、土壤水分饱和与壤中流 3 种水文条件之间是有关联的,它们代表了坡面不同部位的土壤水分
状况[8]。 坡顶或坡上部一般发生自由入渗,当土壤水分达到饱和之后,坡下部或坡脚处常会出现壤中流。 很
多研究表明[9鄄11],随壤中流流失的溶解态和吸附态养分是农业非点源污染的最大来源,控制坡面壤中流的形
成是减少农业养分流失的关键所在。 壤中流的形成减少了土壤颗粒间的粘结力,降低了土壤抗侵蚀能力,增
大了侵蚀强度从而对作物产量产生影响。 因此,研究壤中流条件下坡面侵蚀机理及其养分流失过程有重要的
理论和实践意义。 东北黑土区是我国主要商品粮产区,严重的水土流失直接威胁着国家的粮食战略安全。 乱
砍乱伐致使很多土地得不到植被的保护,雨滴打击所导致的溅蚀在黑土区普遍存在[12鄄13],但关于雨滴击溅及
输移泥沙的研究非常缺乏[14]。 黑土层下面为黄土状亚黏土或湖相沉积物,质地较为黏重,长期耕作形成了坚
硬的犁底层,夏季降水集中时易产生地表径流和渗出流,极易形成“上层滞水冶现象,土体容易受到侵蚀和淋
溶影响;早春冻融交替致使壤中流很容易形成。 据中国科学院东北地理与农业生态研究所的观测资料表明,
东北黑土区壤中流在丰水年可达到总径流量的 20% ; 初春的融雪侵蚀中,壤中流也占到融雪量的较大比例。
东北黑土区地形最显著的特点之一就是坡长长,坡长一般为 500—1000 m, 最长可达 2000 m,因此壤中流现
象较普遍。 目前,已有的研究仅解释了自由入渗条件下,消除雨滴打击对坡面侵蚀的减少作用以及 “混合深
度冶确定,尚不清楚土壤水分饱和与壤中流条件下,雨滴打击是如何影响坡面侵蚀和养分流失。 本文通过 3
个水文条件下(自由入渗、土壤水分饱和与壤中流),土槽上方架设与不架设尼龙纱网的模拟降雨对比试验,
分析不同近地表土壤水文条件下雨滴打击对黑土坡面侵蚀过程及养分流失的影响,为黑土区坡面尤其是壤中
流出现地方的水土保持措施配置与农业非点源污染防治控制提供科学依据。
1摇 试验材料与方法
1. 1摇 试验材料
降雨试验在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人工模拟
0857 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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降雨大厅进行。 降雨设备为侧喷式人工降雨装置,采用 2 组单喷头对喷,降雨高度为 16 m,雨滴直径与雨滴
分布与天然降雨的相似[15]。 试验用土均为黑土(20cm 耕层土),采自吉林省榆树市刘家镇合心村南城子屯
(北纬 44毅43忆28义,东经 126毅11忆47义)。 其中,pH 值为 5. 92,粘粒、粉粒与砂粒含量分别为 20. 30% 、76. 38%和
3. 32% ,硝态氮、铵态氮和水溶性磷含量分别为 18. 08、16. 01 mg / kg和 1. 48 mg / kg。 试验土风干后未过筛,沿
自然节理将其掰成小于 4 cm的土块以保持原有的土壤结构。
试验所用土槽尺寸规格为:长伊宽伊高 = 100cm伊50cm伊45cm,下端设集流装置采集径流泥沙样,土槽底板
均匀打孔,用于模拟天然透水底面。 供水装置由恒压箱和供水系统组成,供水管连接试验土槽底部。 利用土
壤毛管吸水原理,通过稳压供水装置对试验土槽从下而上供水。 具体试验装置见图 1。
箱
图 1摇 模拟试验装置
Fig. 1摇 The experimental equipment
1. 2摇 试验设计
针对东北黑土区坡面不同部位的水文机制并结合野外实际观测情况, 本文设计了 3 个水文条件:自由入
表 1摇 试验设计
Table 1摇 Design of experimental treatments
处理
Treatment
土壤水文条件
Soil surface
hydraulic
conditions
重复次数
Number of
replications
施肥量 (kg / hm2)
Fertilizer
input rate
无纱网覆盖 FD 2
Without nylon Sa 3
net cover SP 3 氮:200
纱网覆盖 FD 2 磷:90
With nylon Sa 3
net cover SP 3
摇 摇 FD:自由入渗;Sa:土壤水分饱和; SP:壤中流
渗(FD)、土壤水分饱和(Sa)与壤中流(SP)。 小区上
方架设尼龙纱网(孔径约 1 mm伊1 mm),纱网距土槽
表层高度 10 cm。 色斑法测定架设与不架设纱网翻耕
裸露地处理的雨滴直径,发现纱网覆盖后雨滴动能被
消除 99. 6% [16]。 东北典型薄层黑土区坡耕地的坡度
一般为 1—7毅,很少有超过 10毅,因此本文设计的试验
坡度为 5毅。 降雨强度是结合当地侵蚀性降雨标准进
行设计。 设计历时为 1h的 60 mm / h降雨强度的次侵
蚀性降雨,此降雨强度可引起强度以下坡耕地土壤侵
蚀。 肥料类型(尿素和过磷酸钙)和施肥量是根据当
地实际调查情况确定。 具体试验设计见表 1。
自由入渗处理为不供水,让水在重力作用下自由入渗。 当供水水头的高度与和土槽表面最低点平行,土
槽表面有充分积水时,认为满足土壤水分饱和条件。 当供水水头的高度高出土槽表面最低点 20 cm,试验土
槽出口有水匀速流出时,即达到壤中流条件。 土壤水分饱和与壤中流条件下,降雨过程中始终保持设定的水
头高度进行稳压供水直至降雨结束。
1857摇 24 期 摇 摇 摇 安娟摇 等:不同近地表土壤水文条件下雨滴打击对黑土坡面养分流失的影响 摇
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1. 3摇 试验步骤
为保证良好的透水性,试验土槽底部铺 10 cm厚细沙。 细沙上部按照 1. 20 g / cm3的容重每 5cm一层填装
黑土,装土厚度为 25cm。 填装上层土之前,用 1cm厚的木板抓毛下层土壤表面,防止土层之间出现分层现象。
称取所需填装表层 0—2 cm的土,再称取 21. 4 g尿素(含氮 46% )和 64. 7 g过磷酸钙(含 P2O516% ),并充分
搅拌混匀。 每次降雨准备 4 个同样的土槽,2 个用于预降雨后水分和养分剖面观测,另外 2 个用于降雨试验。
为减少试验土槽表面的变异性和确保每次试验前土壤含水量一致,利用 20 mm / h 降雨强度进行前期预降雨。
预降雨过程中将 1 mm 伊 1 mm尼龙纱网覆盖在土槽之上以减弱雨滴打击力。
预降雨结束 24 h后进行降雨强度为 60 mm / h的模拟降雨。 坡面产流后,每隔 2 min 采集一次径流泥沙
样,待径流稳定后取样间隔增加到 5 min,整个降雨过程持续 60 min。 每次降雨过程中收集 100—200 mL 雨
水,用于测定雨水中养分背景值。 降雨完成后,待径流样称重后取径流上清液 100 mL,过滤后储存在 4益的冰
箱中,以备养分含量测定;泥沙样品 55益下烘干称重。 降雨试验前,在供采集土样的试验土槽 25、50 cm和 75
cm处按 0—1、1—2、2—5、5—10、10—15 cm和 15—20 cm土层深度分别采集土壤样品,并将同一采样深度的
土样混合,用同样的方法采集降雨后试验土槽的土样。
1. 4摇 养分化学分析
径流样过滤处理后,用流动分析仪直接测定其中 NO3 鄄N和 NH4 鄄N的浓度,钼蓝比色法紫外分光光度计测
定可溶性 PO4 鄄P的浓度。 土样和泥沙样品研磨后过 1 mm筛,以蒸馏水为浸提液,按水土(质量比)10颐1 混合,
振荡 30 min后,用高速离心机离心 10 min(8000 r / min),上清液过滤后用流动分析仪直接测定其中 NO3 鄄N和
NH4 鄄N的浓度,钼蓝比色法紫外分光光度计测定其 PO4 鄄P的浓度。
1. 5摇 NO3 鄄N、NH4 鄄N和 PO4 鄄P随径流和侵蚀泥沙流失的计算
对于每场降雨,地表径流中养分的流失量用下式计算:
L =移
n
i = 1
C i 伊 R i (1)
式中, L为一场降雨地表径流中养分的流失量(mg);C i为地表径流中养分的浓度(mg / L);R i为第 i 的径流体
积(L);n为采集样品的总个数。
对于每场降雨,侵蚀泥沙中养分的流失量用下式计算:
LS =移
n
i = 1
Cs 伊 Ms (2)
式中,Ls为一场降雨侵蚀泥沙中养分的流失量(mg);Cs 为侵蚀泥沙中养分的浓度(mg / kg);Ms 为第 i 的泥沙
量(kg);n为采集样品的总个数。
1. 6摇 流速与径流深计算
为防止染色剂对养分测定造成影响,利用 GUY[17]推导的公式(3)计算流速。
淄 = 酌s
3[ ]滋
1
3
q
2
3 (3)
式中, 淄为平均流速(m / s); 酌为水的比重(kg / m3);s为水力坡度( sin兹 ); 滋为粘滞性系数(cm2 / s); q为单宽
流量(m3 / m / s)。
根据公式(3)计算所得流速,利用公式(4)计算得出径流深:
h = Q淄Bt (4)
式中, h表示为径流深(m); Q 为 t 时间内的径流量(m3); B为水流宽度(m) ; t为采样时间(s)。
2摇 试验结果与分析
2. 1摇 不同近地表土壤水文条件下雨滴打击对径流量与侵蚀量的影响
从表 2 得知,自由入渗条件下无纱网的径流量为 33. 7 mm,径流系数为 0. 56,纱网覆盖消除雨滴打击后径
2857 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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流量减少了 15. 4% 。 预降雨后土壤剖面湿润峰深度 13 cm,降雨结束后无纱网与纱网覆盖下的湿润峰深度分
别为 17 cm和 19 cm。 可见,消除雨滴打击后,土壤入渗率和入渗深度都有所增加。 土壤水分饱和与壤中流条
件下,降雨几乎全部转化成径流,因此径流量在消除雨滴打击后未发生明显变化。
表 2摇 不同近地表土壤水文条件下径流量与侵蚀量
Table 2摇 Runoff and soil loss under different soil surface hydraulic conditions
水文条件
Soil surface
hydraulic conditions
径流量 / mm
Runoff
无纱网 纱网覆盖
泥沙量 / (g / m2)
Sediment yield
无纱网 纱网覆盖
产沙率 / (g / min)
Sediment yield rate
无纱网 纱网覆盖
泥沙浓度 / (g / L)
Sediment concentration
无纱网 纱网覆盖
FD 33. 7 28. 5 53. 6 15. 2 0. 46 0. 14 1. 59 0. 43
Sa 51. 4 51. 6 59. 8 25. 4 0. 54 0. 24 1. 29 0. 55
SP 60. 3 57. 1 90. 2 26. 5 0. 81 0. 21 1. 54 0. 53
与消除雨滴打击后的削减径流作用相比,其减沙作用更为明显。 自由入渗条件下,消除雨滴打击后侵蚀
量减少了 71. 6% ,这与郑粉莉[16]的研究结果一致。 土壤水分饱和与壤中流条件下的减沙效益分别为 59. 4%
和 70. 6% 。 可见,3 种水文条件下,消除雨滴打击均明显减少了侵蚀量。 纱网覆盖消除雨滴打击后,自由入渗
条件下,产沙率和泥沙浓度分别减少 69. 6%和 73. 0% ;土壤水分饱和条件下,相应的减少率分别为 55. 6%和
57. 3% ;壤中流条件下,相应的减少率分别为 74. 1%和 65. 6% 。 上述研究结果进一步表明雨滴打击对土壤颗
粒分散有重要贡献。
图 2 描述了不同土壤水文条件下径流泥沙浓度随降雨历时的变化。 自由入渗条件下,无纱网覆盖下,径
流泥沙浓度随降雨历时呈现急剧下降后又缓慢增加的趋势;纱网覆盖下,呈现逐渐下降后趋于稳定的趋势。
土壤水分饱和与壤中流条件下,无纱网与有纱网覆盖下,径流泥沙浓度随降雨历时均呈现逐渐下降并在降雨
20 min后趋于稳定。 进一步分析发现,在降雨 20min 后, 自由入渗条件下,无纱网与纱网覆盖之间的泥沙浓
度差异随降雨的进行逐渐增大,而土壤水分饱和与壤中流条件下,该差异趋于稳定。 以上研究结果表明,雨滴
打击对土壤侵蚀过程的影响与土壤水文条件紧密相关。 纱网覆盖消除雨滴打击的减沙效益在降雨后期较佳,
泥沙浓度减少率达到 50. 0%—82. 2% 。 说明虽然雨滴对土壤颗粒的分散主要在降雨初期体现,却为后来径
流搬运提供了丰富的物质来源。
2. 2摇 不同近地表土壤水文条件下雨滴打击对养分流失的影响
为探讨雨滴打击对养分流失的影响,本文分析了无纱网与纱网覆盖下养分随径流和泥沙的流失。 利用公
式(1)和(2)分别计算出养分随径流和侵蚀泥沙的流失量,其中径流中养分的浓度已扣除雨水背景值浓度(雨
水中硝态氮、铵态氮和水溶性磷含量分别为 7. 02、0. 124 mg / L和 0. 0013 mg / L)。 从图 3 和图 4 中可看出,纱
网覆盖消除雨滴打击后,养分随径流和泥沙的流失量均明显减少。 与养分随径流流失相比,雨滴打击对养分
随泥沙流失的影响更为明显。
当水文条件从土壤自由入渗过渡到土壤水分饱和,再到壤中流时,纱网覆盖下 NO3 鄄N 随径流的流失量分
别为 0. 08、0. 83 kg / hm2 和 3. 33 kg / hm2,较无纱网下分别减少 33. 3% 、-10. 67%和-3. 4% ;纱网覆盖下NH4 鄄N
随径流的流失量分别为 0. 10、0. 23 kg / hm2 和 0. 42 kg / hm2,较无纱网下分别减少 23. 1% 、14. 1%和 2. 4% ;纱
网覆盖下 PO4 鄄P随径流的流失量分别为 27. 7、100. 5 kg / hm2 和 124. 2 g / hm2,较无纱网下分别减少 40郾 7% 、
1郾 5%和 5. 4% 。 以上研究结果表明,自由入渗条件下消除雨滴打击对养分随径流流失的减少效果最明显,这
是因为消除雨滴打击后径流量减少造成的。
当水文条件从土壤自由入渗过渡到土壤水分饱和,再到壤中流时,纱网覆盖下 NO3 鄄N 随泥沙的流失量分
别为 11. 77、20. 04 g / hm2 和 39. 06 g / hm2,比无纱网下分别减少 54. 9% 、41. 7%和 20. 9% ;NH4 鄄N随泥沙的流
失量分别为 2. 79、6. 17 g / hm2 和 9. 72 g / hm2,比无纱网下分别减少 62. 3% 、51. 7%和 25. 0% ;PO4 鄄P随泥沙的
流失量分别为 0. 06、0. 46 g / hm2 和 0. 54 g / hm2,比无纱网下分别减少 94. 0% 、74. 6% 和 75. 6% 。 可见,消除
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图 2摇 径流泥沙浓度随降雨历时的变化
Fig. 2摇 Sediment concentration as a function of duration of rainfall
雨滴打击后养分随泥沙的流失明显减少,其中自由入渗条件下流失减少效应最明显。 进一步分析发现,与雨
滴打击对 NO3 鄄N流失的影响相比,其对 NH4 鄄N和 PO4 鄄P流失的影响更明显。 这是由于 NH4 鄄N和 PO4 鄄P 易被
土壤吸附,富集比高。
2. 3摇 不同近地表土壤水文条件下雨滴打击对养分淋溶的影响
降雨条件下,养分不仅随径流泥沙迁移,还随入渗水分向土壤深层迁移。 雨滴打击在减少土壤入渗的同
时还加大了吸附于土壤颗粒表面的养分的解吸,因而会对养分的淋溶造成一定影响。 图 5 描述了不同水文条
件下 NO3 鄄N、NH4 鄄N与 PO4 鄄P的剖面分布。 由图 5 可见,纱网覆盖消除雨滴打击后养分的剖面分布趋势未发
生明显改变。 自由入渗条件下,NO3 鄄N浓度随土壤深度增加而增加,这是因为 NO3 鄄N 是非吸附性物质易随水
分的移动而迁移;土壤水分饱和与壤中流条件下,呈现先增加后减少的趋势。 3 种水文条件下,NH4 鄄N浓度随
土壤深度增加均呈现先增加后减少的趋势;PO4 鄄P 浓度随土壤深度增加均呈现先增加后减少并趋于稳定,主
要集中于施肥层内,几乎未发生淋溶。
张亚丽[18]研究了自由入渗条件下秸秆覆盖对黄土坡面矿质氮随径流流失的影响,发现秸秆覆盖提高了
NO3 鄄N淋失峰值浓度,但不能促进 NH4 鄄N淋失,本文的研究结果也表现出同样的趋势。 自由入渗与土壤水分
饱和条件下,纱网覆盖下 NO3 鄄N的累积深度与无纱网下相同,但累积深度内的养分含量却高于无纱网下;壤
中流条件下,纱网覆盖下 NO3 鄄N的累积深度为 10—15cm,较无纱网下增加 5 cm,且该层内含量高于无纱网
下。 3 种水文条件下,无纱网与纱网覆盖下 NH4 鄄N的累积深度为 5—10cm,深于施肥层;自由入渗与土壤水分
饱和条件下,无纱网与纱网覆盖之间累积深度内 NH4 鄄N 含量差异不明显,但壤中流条件下,纱网覆盖下累积
深度内 NH4 鄄N含量较无纱网下减少 22. 4% 。 Galloway[19]认为当土壤对 NH4 鄄N的吸附达到饱和时,NH4 鄄N 也
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纱网覆盖
图 3摇 雨滴打击对养分随径流流失的影响
Fig. 3摇 Effect of raindrop impact on nutrient losses by runoff
会被淋洗而进入水体,这与本文的研究结果一致。 3 种水文条件下,无纱网与纱网覆盖下 PO4 鄄P 累积深度均
为 1—2cm,且无纱网与纱网覆盖之间累积深度内的含量差异表现出与 NH4 鄄N 相同的趋势。 以上研究结果表
明,壤中流条件下雨滴打击对养分累积深度及此深度内含量的影响更为明显。
2. 4摇 混合深度的确定
降雨条件下土壤在雨滴打击及径流冲刷作用下,形成一定深度的混合层,一般在 0—10 mm 之间[20鄄21]。
混合层内溶质参与径流迁移,而此层以下溶质不参与径流迁移。 王全九[22]等提出了等效径流迁移深度
(EDR)概念,建立了只考虑土壤溶质地表迁移总量的等效径流迁移深度模型:。
EDR = W籽CA (5)
式中, EDR为等效径流迁移深度(mm); W为径流迁移溶质总量(mg); 籽为土壤容重(g / cm3); C为土壤溶质
初始含量(mg / kg); A为土壤面积(m2)。
以往的研究主要集中于自由入渗条件下混合层深度的确定,土壤水分饱和与壤中流条件下溶质混合层深
度的研究还是空白。 本文利用公式(5)计算得出不同近地表土壤水文条件下养分等效径流迁移深度,列于表
3。 由表 3 得知,无论是无纱网还是纱网覆盖下,当水文条件从自由入渗过渡到土壤水分饱和再到壤中流,养
分的等效径流迁移深度均逐渐增加。 养分物质随水分的移动性越强,其等效径流迁移深度越大,EDRNO3鄄N >
EDRNH4鄄N> EDR PO4鄄P,这与张兴昌
[23]的研究结果一致。 土壤水分饱和与壤中流条件下,NO3 鄄N 的 EDR 都大于
10 mm,说明模型中不能简单用 10 mm代替整个混合层深度,土壤溶质迁移量同土壤水文条件有着密切关系。
NH4 鄄N与 PO4 鄄P的 EDR都小于 4 mm,说明混合层深度确定与化学物质特性有重要关系。 田坤[24]等利用人工
模拟地表径流(供水槽对土槽供水),研究自由入渗、土壤水分饱和与壤中流 3 种水文条件下溴化物的迁移,
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图 4摇 雨滴打击对养分随泥沙流失的影响
Fig. 4摇 Effect of raindrop impact on nutrient losses by soil loss
发现土壤水分饱和下混合层深度在 0. 93—4. 5 mm,壤中流条件下表现为整个土层都为混合层,与本文的研究
结果差异较大。 一方面本试验是在降雨下进行的,雨滴打击打击加强了养分的解吸释放,因此增大了土壤鄄径
流作用深度;另一方面,田坤等的试验是利用溴化钠饱和整个土层且填装土层厚度为 12 cm,并且采用的是团
聚体结构弱于黑土的黄绵土。
表 3摇 不同近地表土壤水文条件下养分等效径流迁移深度 / mm
Table 3摇 Effective transport depth of runoff under different soil surface hydraulic conditions
水文条件
NO3 鄄N
无纱网覆盖 纱网覆盖
NH4 鄄N
无纱网覆盖 纱网覆盖
PO4 鄄P
无纱网覆盖 纱网覆盖
FD 2. 43 1. 71 1. 10 0. 81 0. 47 0. 27
Sa 12. 99 14. 00 2. 23 1. 83 0. 93 0. 99
SP 53. 78 55. 45 3. 32 3. 37 1. 31 1. 23
自由入渗条件下,纱网覆盖消除雨滴打击后 NO3 鄄N、NH4 鄄N 与 PO4 鄄P 的 EDR 分别为 1. 71、0. 81 mm 和
0郾 27 mm,较无纱网覆盖下分别减少 29. 63% 、26. 36%和 42. 55% 。 这主要是因为雨滴打击能穿透径流层,影
响养分的解吸和释放。 土壤水分饱和与壤中流条件下,3 种养分的 EDR 在消除雨滴打击后基本无变化。 可
见,雨滴打击对降雨鄄径流鄄土壤的作用深度的影响与水文条件有关。 随着径流深度的增加,雨滴打击对降雨鄄
径流鄄土壤的作用深度的影响减弱。
3摇 讨论与结论
养分随径流泥沙迁移是一个复杂的过程,受诸多因素的影响。 目前的研究主要集中于降雨特性(雨强、
雨型等)、地形(坡度、坡长等)、植被覆盖度和不同土地利用类型[25鄄28]等。 降雨是土壤化学物质的溶剂和载
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雨前 雨前
雨前雨前
雨前 雨前
图 5摇 不同近地表土壤水文条件下养分在土壤剖面中的分布
Fig. 5摇 Distribution of nutrient concentrations in soil profile under different soil surface hydraulic conditions
体,还是土壤养分流失的动力。 雨滴打击对土壤侵蚀具有重大贡献,因此也是影响养分迁移的重要因子之一。
本文设计 3 种水文条件下,对比分析雨滴打击对黑土坡面侵蚀过程及 NO3 鄄N、NH4 鄄N 与 PO4 鄄P 随径流和侵蚀
泥沙迁移的影响。
3. 1摇 雨滴打击对土壤侵蚀过程的影响
消除雨滴打击后,土壤侵蚀量减少 59. 4%—71. 6% 。 不同水文条件下,雨滴打击对侵蚀的影响不同。 一
方面可能是雨滴打击对土壤颗粒的分散力不同;另一方面可能与结皮的形成有关。 高斌[29]等认为对某一土
壤类型一定水分含量内,雨滴打击对土壤颗粒的分散在一定径流深度内是恒定的,当超过了临界水深后分散
能力随着水深的增加而降低。 Ghadiri和 Payne[30]认为当径流深度小于一个雨滴直径时,雨滴打击对土壤颗
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粒的分散能力达到最大。 本试验中,色斑法测定 60 mm / h 下的雨滴直径为 1. 83 mm。 利用公式(4)计算得
出,自由入渗条件下,无纱网与纱网覆盖下径流深分别为 0. 8 mm和 0. 7 mm;土壤水分饱和与壤中流条件下,
无纱网与纱网覆盖下的径流深均为 0. 9 mm。 可见,3 种水文条件下,径流深均小于一个雨滴直径,说明雨滴
打击对土壤颗粒的分散未受到限制。 土壤水分饱和与壤中流的条件下,颗粒之间的粘结力降低且土壤抗剪强
度下降,因此土壤颗粒更容易被分散,且分散的颗粒易阻塞毛孔,从而土壤表面极易形成致密的封闭层。 试验
结束后,明显观测到土壤表面致密层的存在。 无纱网与纱网覆盖之间,径流泥沙浓度随降雨时间变化趋势的
差异进一步表明雨滴打击对侵蚀过程的影响随水文条件改变而变化。
3. 2摇 雨滴打击对养分流失的影响
降雨条件下土壤养分的迁移有两个过程:一是土壤养分随下渗水分向深层迁移;二是地表径流产生时,土
壤表层的养分在雨滴打击及径流冲刷作用下,随地表径流和侵蚀泥沙进行迁移。 许多学者认为耕作措施(免
耕、增加地表覆盖等)能减少养分随径流和侵蚀泥沙的流失[31鄄32]。 Sharpley[33]认为覆盖能减少 NO3 鄄N 的流
失,但不能减少 NH4 鄄N的流失。 本文的研究表明,消除雨滴打击后,养分随径流和泥沙的流失均减少,但随泥
沙流失的减少效应更为明显。 雨滴打击对养分随径流的影响只在自由入渗条件下体现明显,土壤水分饱和与
壤中流条件下几乎无影响,可能主要是由于:1)NO3 鄄N、NH4 鄄N 与 PO4 鄄P 主要随径流流失,随径流流失占到总
流失量的 78%以上(图 3—图 4),而消除雨滴打击后削减径流作用不明显;2) 流失的养分可能主要来自肥
料,从而掩盖了雨滴打击对养分的作用。 消除雨滴打击后,土壤侵蚀量明显减少,因此相应的减少了养分随泥
沙的流失,但减少效应与水文条件和养分形式有关。 养分的富集与颗粒的粒级有关[34],因此侵蚀泥沙的颗粒
分布差异可能是造成不同水文条件下雨滴打击对养分随泥沙流失影响不同的原因, 但仍需要进一步的研究。
薄层黑土胶体矿物组成以水云母类和蒙脱石为主[35],同晶置换现象普遍,NH4 鄄N与 PO4 鄄P通过静电引力被束
缚在粘土矿物表面。 因此,雨滴打击对吸附性物质的影响要高于非吸附性物质。
雨滴打击对降雨鄄径流鄄土壤的作用深度与水文条件有关。 自由入渗下,消除雨滴打击减少了养分的等效
径流迁移深度,说明雨滴打击使土壤表层养分与径流混合,同时它对下层土壤养分起到扰动作用,加速了土壤
养分的物理化学过程的进行。 随着土壤水分的饱和,雨滴打击对养分流失的影响减弱,养分的 EDR 无明显变
化。 造成这种现象的原因:1) 土壤水分饱和与壤中流条件下,养分在土壤表层富集,浓度达到最高;2)消除雨
滴打击后,养分流失无明显变化。 虽然消除雨滴打击明显减少了养分随泥沙的流失,但养分随径流流失量占
总流失量的 78%以上;3)流速无明显变化。 利用公式(3)计算得出土壤水分饱和条件下无纱网与纱网覆盖下
的流速分别为 2. 66 cm / s和 2. 62 cm / s,壤中流条件下相对应的流速分别为 2. 73 cm / s和 2. 85 cm / s。 由此得
知消除雨滴打击后,坡面土壤与地表径流的作用时间并没有增加,从而并没有增加养分的解吸。
致谢: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提供试验场地;毕桂
英和李秋芳老师对室内试验分析给予帮助,特此致谢。
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0957 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 24 December,2011(Semimonthly)
CONTENTS
The community structure of endophytic bacteria in different parts of huanglongbing鄄affected citrus plants
LIU Bo, ZHENG Xuefang,SUN Daguang,et al (7325)
………………………………
……………………………………………………………………………
A research on the response of the radial growth of Pinus koraiensis to future climate change in the XiaoXing忆AnLing
YIN Hong, WANG Jing, LIU Hongbin, et al (7343)
…………………
………………………………………………………………………………
Efficiency and kinetic process of nitrogen removal in a subsurface wastewater infiltration system (SWIS)
LI Haibo, LI Yinghua, SUN Tieheng, et al (7351)
……………………………
…………………………………………………………………………………
Designing nature reserve systems based on ecosystem services in Hainan Island
XIAO Yi, CHEN Shengbin, ZHANG Lu, et al (7357)
………………………………………………………
……………………………………………………………………………
Assessing ecological services value of herbivorous wild animals in Changtang grassland: a case study of Tibetan antelope
LU Chunxia, LIU Ming, FENG Yue, et al (7370)
……………
…………………………………………………………………………………
Spatial characteristics analysis of ecological system service value in QianJiang City of Hubei Province
XU Beishen,ZHOU Yong, XU Li,et al (7379)
…………………………………
……………………………………………………………………………………
Landscape pattern change and its influence on soil carbon pool in Napahai wetland of Northwestern Yunnan
LI Ningyun, YUAN Hua, TIAN Kun, et al (7388)
…………………………
…………………………………………………………………………………
Multi鄄scenarios analysis for wetlands ecosystem conservation based on connectivity: a case study on HuangHuaiHai Region, China
SONG Xiaolong, LI Xiaowen, ZHANG Mingxiang, et al (7397)
…
……………………………………………………………………
The potential of carbon sink in alpine meadow ecosystem on the Qinghai鄄Tibetan Plateau
HAN Daorui, CAO Guangmin,GUO Xiaowei, et al (7408)
………………………………………………
…………………………………………………………………………
The relations of spectrum reflectance with inhomogeneous factors and albedo parameterization ZHANG Jie, ZHANG Qiang (7418)…
Groundwater ecological sensitivity assessment in the lower Liaohe River Plain based on GIS technique
SUN Caizhi,YANG Lei,HU Dongling (7428)
………………………………
………………………………………………………………………………………
Ecological sensitivity of Xiamen City to land use changes HUANG Jing, CUI Shenghui, LI Fangyi, et al (7441)……………………
Investigation and analysis on situation of ecotourism development in protected areas of China
ZHONG Linsheng,WANG Jing (7450)
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Handicapping male鄄cheaters by stable mate relationship in yellow鄄bellied prinia, Prinia flaviventris
CHU Fuyin,TANG Sixian, PAN Hujun,et al (7458)
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Effects of dietary protein content and food restriction on the physiological characteristics of female Microtus fortis
ZHU Junxia, WANG Yong,ZHANG Meiwen,et al (7464)
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Predator鄄prey system with positive effect for prey QI Jun,SU Zhiyong (7471)…………………………………………………………
Volatile constituents of four moraceous host plants of Apriona germari ZHANG Lin, WANG Baode, XU Zhichun (7479)……………
Relationship between adult emergence of Massicus raddei (Coleoptera: Cerambycidae) and temperature and relative humidity
YANG Zhongqi, WANG Xiaoyi,WANG Bao, et al (7486)
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Nest site selection and reproductive success of Parus varius in man鄄made nest boxes
LI Le, WAN Dongmei, LIU He, et al (7492)
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A study on bio鄄ecology of the stopover site of waders within China忆s Yalu River estuary wetlands
SONG Lun,YANG Guojun, LI Ai, et al (7500)
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The spatial鄄temporal change variations of temperature in Xilinguole steppe zone
WANG Haimei, LI Zhenghai,WU Lan, et al (7511)
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The growth and photosynthetic responses of Cleyera japonica Thunb. seedlings to UV鄄B radiation stress
LAN Chunjian, JIANG Hong, HUANG Meiling,et al (7516)
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Photosynthesis鄄transpiration coupling mechanism of wheat and maize during daily variation
ZHAO Fenghua, WANG Qiufeng, WANG Jianlin, et al (7526)
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Comparison of the methods using stable hydrogen and oxygen isotope to distinguish the water source of Nitraria Tangutorum
GONG Guoli,CHEN Hui,DUAN Deyu (7533)
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Effects of cold weather on seedlings of three mangrove species planted in the Min River estuary during the 2010 winter
YONG Shiquan, TONG Chuan, ZHUANG Chenhui, et al (7542)
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Correlation between ecological factors and ginsenosides XIE Caixiang,SUO Fengmei,JIA Guanglin,et al (7551)……………………
Effects of pyrene on low molecule weight organic compounds in the root exudates of ryegrass (Lolium perenne L. )
XIE Xiaomei, LIAO Min, YANG Jing (7564)
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Isolation of phosphate solubilizing fungus (Aspergillus niger) from Caragana rhizosphere and its potential for phosphate solubili鄄
zation ZHANG Lizhen, FAN Jingjing, NIU Wei, et al (7571)……………………………………………………………………
Effect of raindrop impact on nutrient losses under different near 鄄surface soil hydraulic conditions on black soil slope
AN Juan, ZHENG Fenli, LI Guifang,et al (7579)
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Emergy analysis of coal鄄fired power generation system and construction of new emergy indices
LOU Bo,XU Yi,LIN Zhenguan (7591)
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Review and Monograph
The impact of forest vegetation change on water yield in the subalpine region of southwestern China
ZHANG Yuandong, LIU Shirong, et al (7601)
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Reviews on spatial pattern and sand鄄binding effect of patch vegetation in arid desert area
HU Guanglu, ZHAO Wenzhi,WANG Gang (7609)
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Sustainable management on pests by agro鄄biodiversity GAO Dong, HE Xiahong, ZHU Shusheng (7617)……………………………
Scientific Note
Characteristics of organic carbon and nutrient content in five soil types in Honghu wetland ecosystems
LIU Gang,SHEN Shouyun,YAN Wende,et al (7625)
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Effects of cypermethrin and deltamethrin on reproduction of Brachionus calyciflorus
HUANG Lin, LIU Changli, WEI Chuanbao, et al (7632)
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《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研究原
始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方
法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
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第 31 卷摇 第 24 期摇 (2011 年 12 月)
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