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Predictions of soil and nutrient losses using a modified SWAT model in a large hilly-gully watershed of the Chinese Loess Plateau

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International Soil and Water Conservation Research 2021年第2期9卷 291-304页

作者： Wenhai Shi mingbin huang The State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau Institute of Soil and Water ConservationNorthwest A&F UniversityYanglingShaanxi Province712100China School of Water and Environment Chang’an UniversityXian710054China CAS Center for Excellence in Quaternary Science and Global Change XianShaanxi710061China University of Chinese Academy of Sciences Beijing100049China

Hydrological models are effective tools for assessing the effects of soil and nutrient losses on land ***(Soil and Water Assessment Tool)model is widely used to simulate soil and nutrient losses caused by various management ***,its performance of predicting nutrient loss has not been assessed adequately on the Loess *** study proposed a modified SWAT model by incorporating the modified Soil Conservation Service curve number method,the storm-based Chinese soil loss equation and the nutrient loss *** observed daily data of runoff and sediment over 16 years and the monthly soluble phosphorus(P)and nitrate losses over 9 years and 4 years,respectively at the outlet of the upper Beiluo river(UBR)basin were used to assess the model *** sensitivity and uncertainty analyses of parameters to runoff,sediment,soluble P and nitrate in the modified SWAT were *** findings during calibration and validation showed that the modified SWAT was highly accurate in terms of model efficiency(calibration:0.83,0.83,0.48,and 0.49;validation:0.58,0.57,0.53,and 0.65)for runoff,sediment,soluble P loss and nitrate loss,*** model efficiency indicated that the modified SWAT could accurately predict soil and nutrient losses at the river basin scale for the Loess ***,the temporal variations from month to year and the spatial variations at the sub-basin scale for soil loss and the total N and P losses were analysed using the data simulated by the modified *** results indicated that the critical loss period occurred in July and August,and the Grain for Green project significantly affected the hydrological behaviour and reduced the soil and nutrient losses in the UBR basin.

关键词： Sediment Runoff Total N Total P

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Estimating the optimal vegetation coverage for the dominant tree and shrub species over China's northwest drylands

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Science China Earth Sciences 2024年第5期67卷 1500-1517页

作者： Zhongdian ZHANG Xiaoxu JIA Ping ZHU mingbin huang Lidong REN Ming’an SHAO School of Geographic Sciences Xinyang Normal UniversityXinyang 464000China Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling Institute of Geographic Sciences and Natural Resources ResearchChinese Academy of SciencesBeijing 100101China College of Resources and Environment University of Chinese Academy of SciencesBeijing 100190China Yellow River Delta Modern Agricultural Engineering Laboratory Chinese Academy of SciencesBeijing 100101China State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau Institute of Soil and Water ConservationNorthwest A&F UniversityYangling 712100China

Anthropogenic revegetation is an effective way to control soil erosion and restore degraded ecosystems in China's northwest drylands(NWD).However,excessive vegetation cover expansion has long been known to increase evapotranspiration,leading to reduced local water availability,which can in turn threaten the health and services of restored *** the optimal vegetation coverage(OVC)is critical for balancing the trade-off between plant growth and water consumption in water-stressed areas,yet quantitative assessments over the entire NWD are still *** this study,a modified Biome BioGeochemical Cycles(Biome-BGC)model was used to simulate the long-term(1961–2020)dynamics of actual evapotranspiration(ET_(a)),net primary productivity(NPP),and leaf area index(LAI)for the dominant non-native tree(*** and ***)and shrub(*** and ***)species at 246 meteorological sites over *** modified model incorporated the Richards equation to simulate transient unsaturated water flow in a multilayer soil module,and both soil and eco-physiological parameters required by the model were validated using field-observed ETadata for each *** distributions of OVC(given by the mean maximum LAI,LAI_(max))for the dominant species were determined within three hydrogeomorphic sub-areas(i.e.,the loess hilly-gully sub-area,the windy and sandy sub-area,and the desert sub-area).The modified Biome-BGC model performed well in terms of simulating ET_(a) dynamics for the four plant *** distributions of mean ET_a,NPP,and LAI_(max)generally exhibited patterns similar to mean annual precipitation(MAP).In the loess hilly-gully sub-area(MAP:210 to 710 mm),the OVC respectively ranged from 1.7 to 2.9 and 0.8 to 2.9 for *** and *** the windy and sandy sub-area(MAP:135 to 500 mm),the OVC ranged from 0.3 to 3.3,0.5 to 2.6 and 0.6 to 2.1for ***,*** and ***,*** the desert sub-

关键词： Optimal vegetation coverage Water balance Leaf area index Biome-BGC model Dryland

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An empirical approach to predict regional organic carbon in deep soils

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Science China Earth Sciences 2023年第3期66卷 583-593页

作者： Jingjing WANG Xiaorong WEI Xiaoxu JIA mingbin huang Zhipeng LIU Yufei YAO Ming’an SHAO State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau Northwest A&F UniversityYangling 712100China Institute of Soil and Water Conservation Ministry of Water Resources and Chinese Academy of SciencesYangling 712100China CAS Center for Excellence in Quaternary Science and Global Change Xi’an 710061China Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling Institute of Geographic Sciences and Natural Resources ResearchChinese Academy of SciencesBeijing 100101China College of Resources and Environmental Sciences Nanjing Agricultural UniversityNanjing 210095China College of Urban and Environmental Sciences Northwest UniversityXi’an 710127China

Deep soil organic carbon(SOC)plays an important role in carbon *** predicting deep SOC at the regional scale is crucial for the accurate assessment of carbon sequestration potential in soils but has been challenging for a ***,we developed a depth distribution function-based empirical approach to predict SOC in deep soils at the regional *** validated this approach with a dataset from four regions of the world and examined the application of this approach in China’s Loess *** found that among the reported depth distribution functions describing vertical patterns of SOC,the negative exponential function performed best in fitting SOC along the soil profile in various ***,the parameters(i.e.,Ceand k)of the negative exponential function were linearly correlated to surface SOC(0–20 cm)and the changing rates of SOC within the topsoil(0–40 cm).Based on the above relationships,the empirical equations for predicting the negative exponential parameters are *** validation results from site-specific and regional dataset showed that combining the negative exponential function and such empirical equations can precisely predict SOC concentration in soils down to 500 cm *** study provides a simple,rapid and accurate method for predicting deep soil SOC at the regional scale,which could simplify the assessment of deep soil SOC in various regions.

关键词： Deep SOC Empirical approach Negative exponential function Depth distribution Spatial pattern

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Behaviours of Soil-Root Interface and Their Variations with Wheat Varieties

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Pedosphere 1997年第2期7卷 133-140页

作者： huang mingbin KANG SHAOZHONG ZHANG FUCANG and LI YUSHAN(State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Institute of Soil and WaterConservation, Academia Sinica and Mnistry of Water Resoumes, Shaanxi, Yangling 712100 (China))(N State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau Institute of Soil and Water Conservation Academia Sinica and Ministry of Water Resources Shaanxi Yangling 71S100 China Northwestern Agricultural University Shaanxi Yangling 71S100 China

Water movement into and out of roots depends on the water potential difference between the bulk soiland the root xylem and the total hydraulic conductance of the pathway, which can be divided into three parts,i.e. soil conductance, soil-root conductance and root conductance. The vaues and relative importance varywith soil water content. The general rule is that water uptake by roots is mainly limited by radial hydraulicconductance of roots in wet soils, the soil-root interfaCe becomes a major limiting factor to water uptake inmoderately dry soils, and the water uptake is limited by the rapidly decreasing soil hydraulic conductance inseriously dry soils. Meanwhile these limiting factors vary with crop variety, and these variations can be usedto evaluate the drought-resistance and water use efficiency of crops.

关键词： crop variety hydraulic resistance soil-root interface

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不同类型重构土壤水分运移特征

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农业工程学报 2024年第3期40卷 94-102页

作者：郭拿拿黄明斌西北农林科技大学资源环境学院杨凌712100 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杨凌712100

为探究不同类型重构土壤对水分再分布过程和土壤持水量的影响,该研究以砒砂岩、砂黄土和粗砂土为试验材料进行室内土柱试验,设置5种不同类型重构土壤(砒-粗、砂-粗、砒-砂-粗、砂-砒-粗、混-粗),测定各处理在入渗过程、排水过程以及蒸... 详细信息

为探究不同类型重构土壤对水分再分布过程和土壤持水量的影响,该研究以砒砂岩、砂黄土和粗砂土为试验材料进行室内土柱试验,设置5种不同类型重构土壤(砒-粗、砂-粗、砒-砂-粗、砂-砒-粗、混-粗),测定各处理在入渗过程、排水过程以及蒸发过程中土壤水分的动态变化;同时利用Hydrus-1D模型对不同类型重构土壤的入渗和蒸发过程进行模拟分析。结果表明,有砒砂岩层存在的重构土体对入渗过程有明显阻滞作用,且砒砂岩层越厚、位置越靠上阻滞效果越明显,土柱达到稳渗时稳渗率越低;蒸发过程中,砒-砂-粗处理累积蒸发量为52 mm,显著高于其他重构土壤(P<0.05),而砂-砒-粗处理土柱累积蒸发量最小(32.1 mm),蒸发结束时相对蒸发速率低至0.07;在蒸发过程中,上细下粗型层状重构土壤水分损失来自表层土壤和下层粗砂土。利用优化后的土壤水力参数和Hydrus-1D模型可以较好地模拟重构土壤水分运动过程。较低的均方根误差和高的决定系数证明模型能准确模拟各类型土柱的累积排水量、累积蒸发量和蒸发过程剖面含水量的动态变化。混-粗土柱的持水能力高于其他土柱,说明该重构类型可作为晋陕蒙地区土壤复垦的重构方案。

关键词：土壤入渗过程蒸发过程土壤持水量 Hydrus-1D模型模拟

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土壤质地对玉米不同生理指标水分有效性的影响

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农业工程学报 2010年第2期26卷 82-88页

作者：吴元芝黄明斌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 中国科学院研究生院北京100049

为确定土壤质地对玉米不同生理指标水分有效性的影响,该文利用3种土壤(重壤土、中壤土和砂壤土)的盆栽控水试验和1种土壤(重壤土)的田间小区控水试验,研究了玉米不同生理指标随相对土壤含水率(土壤含水率占田间持水率的比)的动态变化。... 详细信息

为确定土壤质地对玉米不同生理指标水分有效性的影响,该文利用3种土壤(重壤土、中壤土和砂壤土)的盆栽控水试验和1种土壤(重壤土)的田间小区控水试验,研究了玉米不同生理指标随相对土壤含水率(土壤含水率占田间持水率的比)的动态变化。结果表明:3种土壤中各生理指标相对值在相对土壤含水率降低到土壤水分阈值之前保持不变,低于此阈值时随相对含水率的进一步降低而线性降低,且均可用分段函数来拟合(R2=0.824～0.999)。土壤水分有效性大小排序为:砂壤土>中壤土>重壤土,而且瞬时生理指标的土壤水分阈值低于日变化和整个试验阶段的累积指标。因此土壤质地和不同生理指标的时间尺度都会影响玉米生理指标对土壤水分有效性的响应。

关键词：土壤质地土壤水分有效性作物生长指标气体交换指标生物量指标

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不同类型层状土壤持水能力的研究

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农业工程学报 2013年第19期29卷 105-111页

作者：任利东黄明斌樊军西北农林科技大学资源环境学院杨凌712100 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室杨凌712100

为了了解不同类型层状土柱持水能力,利用砂土和砂黄土2种土壤,设置3种不同厚度分层土柱(11.25、22.5、45 cm)和2种匀质对照土柱,测定了土柱自初始饱和条件下的排水过程;同时利用匀质土柱测定结果标定2种土壤水力参数,通过Hydrus-1D模型... 详细信息

为了了解不同类型层状土柱持水能力,利用砂土和砂黄土2种土壤,设置3种不同厚度分层土柱(11.25、22.5、45 cm)和2种匀质对照土柱,测定了土柱自初始饱和条件下的排水过程;同时利用匀质土柱测定结果标定2种土壤水力参数,通过Hydrus-1D模型对不同类型层状土柱排水过程进行模拟分析,获得了不同类型层状土柱的田间持水量。结果表明,层状土柱持水能力随着分层厚度的减小而增加,当分层厚度减小到一定程度时土柱持水能力不再随着分层厚度的减小而增加,该临界厚度取决于下层粗质土壤对上层细质土的吸力与上层细质土壤进气吸力之间的相对大小。本试验所用2种土壤分层临界厚度大约在5 cm左右;土柱失水主要来自下层较粗质地土壤,由饱和时的0.385 cm^3/cm^3减小到0.04 cm^3/cm^3。上层细质土壤含水量随着分层厚度的减小而增加。研究结果可为干旱半干旱地区矿区恢复和污染物填埋提供理论指导。

关键词：土壤水模型持水能力进气值 Hydrus-1D模型

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基于SHAW模型的黄土高原半干旱区农田土壤水分动态模拟

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农业工程学报 2007年第11期23卷 1-7页

作者：成向荣黄明斌邵明安中国科学院水利部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

黄土高原半干旱区土壤蒸发强烈,准确地掌握土壤水分动态对于旱地农业水分管理至关重要。应用基于物理基础的一维水热耦合SHAW（The Simultaneous Heat and Water）模型,模拟了陕西子洲岔巴沟流域1964～1967年土壤水分和土壤蒸发的动态特... 详细信息

黄土高原半干旱区土壤蒸发强烈,准确地掌握土壤水分动态对于旱地农业水分管理至关重要。应用基于物理基础的一维水热耦合SHAW（The Simultaneous Heat and Water）模型,模拟了陕西子洲岔巴沟流域1964～1967年土壤水分和土壤蒸发的动态特征,以及神木六道沟流域2006年坡地和梯田土壤水分变化。结果表明,除表层土壤水分模拟结果偏差较大,其他土层模拟值与实测值基本吻合,模拟期土壤水分模拟的相对平均绝对误差（Relatively Mean Absolutely Error,RMAE）为5.2%～11.4%。1964～1967年土壤累积蒸发量模拟值与实测值平均相对偏差为0.8%～6.1%,土壤蒸发的模拟值与实测值较为一致。因此,SHAW模型可以用于黄土高原半干旱区农田土壤水分动态规律研究。

关键词：黄土高原土壤水分土壤蒸发 SHAW模型

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干旱-半干旱地区深层渗漏研究方法综述

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中国水土保持科学 2016年第2期14卷 155-162页

作者：段良霞黄明斌西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学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

深层渗漏(DP)是水文循环的重要环节,准确评价DP对于分析水文循环规律,合理制定水资源规划和地下水可持续利用具有重大意义,尤其是在水资源短缺的干旱-半干早地区,开展该项研究更具价值。目前,干旱-半干旱地区DP的评价方法主要有经验方... 详细信息

深层渗漏(DP)是水文循环的重要环节,准确评价DP对于分析水文循环规律,合理制定水资源规划和地下水可持续利用具有重大意义,尤其是在水资源短缺的干旱-半干早地区,开展该项研究更具价值。目前,干旱-半干旱地区DP的评价方法主要有经验方法、物理方法、示踪方法和数值模拟方法。由于经验系数需要校正,因而经验方法应用到其他区域受到限制;物理方法又可分为蒸渗仪法、土壤水分通量法、水量平衡法、达西方法以及地下水位动态监测法;示踪方法主要从示踪剂的峰值、剖面形状和总含量来计算DP,此方法不是对DP的直接测定,且没有考虑示踪剂的空间变异;数值模拟理论上可对各种条件下的DP进行模拟和预测,但获取参数的难度较大。针对各方法存在的优缺点,将现有评价方法相结合,相互验证,可提高模拟精度;鉴于DP的时空变异性,将现有方法与GIS等新技术集成,可评价大尺度DP的空间异质性;同时,进行长时间序列的野外观测,既可直接获取DP的动态信息,也可为各方法参数的获取提供数据支持。

关键词：深层渗漏经验方法物理方法示踪方法数值模拟方法

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砂性层状土柱蒸发过程实验与数值模拟

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土壤学报 2014年第6期51卷 1282-1289页

作者：任利东黄明斌西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学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

为了了解不同类型层状土柱蒸发特性,利用砂土和砂黄土2种土壤,设置3种不同厚度分层土柱(11.25、22.5、45 cm)和2种均质对照土柱,测定了土柱蒸发过程中累积蒸发量、相对蒸发速率和剖面含水量的变化;同时利用2种均质土柱排水过程优化的土... 详细信息

为了了解不同类型层状土柱蒸发特性,利用砂土和砂黄土2种土壤,设置3种不同厚度分层土柱(11.25、22.5、45 cm)和2种均质对照土柱,测定了土柱蒸发过程中累积蒸发量、相对蒸发速率和剖面含水量的变化;同时利用2种均质土柱排水过程优化的土壤水力参数和Hydrus-1D模型对2种均质土柱和3种不同类型层状土柱蒸发过程进行模拟分析。结果表明,均质砂黄土蒸发第一阶段持续长达34 d,累积蒸发量显著高于均质砂土和其他3种不同类型分层土柱,土柱剖面含水量变化进一步证明表层覆盖砂土可显著抑制土壤蒸发。利用排水过程优化的水力参数,HYDRUS-1D可以较好地模拟层状土柱蒸发过程。研究结果对干旱半干旱区土壤水分管理具有指导意义。

关键词：蒸发速率累积蒸发量剖面含水量 Hydrus-1D模型

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