黃土區兩種植物籬不同部位土壤持水特征對比

黨宏忠， 黨漢瑾， 李 衛， 馮 偉， 莫保儒

(1.中國林業科學研究院 荒漠化研究所， 北京 100091； 2.甘肅省林業科學研究院， 甘肅 蘭州 730000)

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黃土區兩種植物籬不同部位土壤持水特征對比

黨宏忠1， 黨漢瑾1， 李 衛1， 馮 偉1， 莫保儒2

(1.中國林業科學研究院 荒漠化研究所， 北京 100091； 2.甘肅省林業科學研究院， 甘肅 蘭州 730000)

摘要：[目的] 研究植物籬不同部位土壤持水性能的分異特征，指導植物籬系統的設計與經營管理。[方法] 在測定檸條、山杏兩種典型植物籬土壤水分物理參數的基礎上，利用van Genuchten模型比較分析植物籬系統帶內、帶間的土壤水分特征曲線及其參數。[結果] (1) 兩種植物籬在土壤總孔隙度、水穩性團聚體含量、滲透系數等方面均高于耕地(對照)，其中檸條植物籬帶內土壤總孔隙度(66.36%)、水穩性微團聚體含量(35.50%)和有機質含量(44.1 g/kg)比帶間分別高7.34%，1.95%和25.64%。山杏植物籬的這3項指標帶內比帶間分別高11.93%,29.33%和21.48%。(2) 檸條、山杏植物籬帶內土壤脫濕過程中凋萎系數分別是耕地的7倍和3.25倍，田間持水量分別是耕地的1.46和1.25倍，檸條植物籬土壤保水優勢更明顯。(3) 在相同的土壤水吸力下，土壤吸濕與脫濕過程中帶內土壤的水分含量均明顯高于帶間，帶內土壤的持水性更高，這與帶內較高的黏粒含量相一致；檸條帶內土壤水分含量高于山杏帶內，二者均高于耕地。[結論] 植物籬的二相結構能明顯促進帶內黏粒、微團聚體和養分的富集(有機質)，進而提高帶內土壤的持水性能和飽和滲透性能。

關鍵詞：水分特征曲線； 檸條； 山杏； 植物籬

植物籬是以一定間距帶狀密集種植木本或莖干較硬的草本植物形成的植物群落，具有典型的二相結構[1]。植物籬能通過籬笆攔截、根系固土和根系改良土壤而具有良好的水土保持功能[2-6]。在植物籬結構中，帶內植被的密集結構在強降雨時能有效地攔截徑流、促進入滲，而裸露(也見于種植草本或農田)的帶間在干旱年份又能發揮坡面產流、匯流的功能，從而提升帶內植被的水分供應水平，這對于北方干旱、半干旱區植被的生長及防護功能的維護至關重要。在帶狀植物籬這種二相結構的植被配置模式中，系統內土壤質地、結構會發生怎樣的變化，這種變化對系統的發育與維護有什么意義，特別是帶內土壤的持水特征會有何改變，目前還缺乏系統的研究。

土壤水分特征曲線是表示土壤水在非飽和狀態下的能量和數量之間關系、研究土壤水分的保持和運動基本特性的最基礎資料之一[7]。利用土壤水分特征曲線可進行土壤水吸力和含水率之間的換算，計算土壤的當量孔隙度，分析不同質地土壤的持水性和土壤水分的有效性，因而得到廣泛應用[8-14]。本文針對黃土區常見的兩種典型植物籬模式，以檸條植物籬和山杏植物籬為研究對象，利用經典van Genuchten(VG)模型擬合不同部位的土壤水分特征曲線并求解參數，來比較分析系統中不同部位土壤持水性能的分異特征，這對于明確植物籬系統結構演替與功能變化具有重要的意義。

1材料與方法

1.1　研究區概況

研究區選擇在土地利用類型全面、植物籬長勢良好的甘肅省定西市石家岔小流域，試驗區地理位置：東經104°39′14″，北緯35°43′18″，屬于黃土高原丘陵溝壑區第Ⅴ副區，海拔2 350 m，屬溫帶大陸性半干旱氣候，年平均氣溫5.7~7.7 ℃，全年無霜期146 d，多年平均降水量410.2 mm，多年平均蒸發量1 529.4 mm。研究區植物籬以檸條(Caraganakorshinskii)為主，其次為山杏(Armeniacasibirica)等。

1.2　試驗材料

在對試驗區進行全面踏查的基礎上，根據植被生長年限、林分結構和群落物種組成，選取具有代表性的檸條帶狀植物籬和山杏帶狀植物籬做為研究對象，并以耕地(水平梯田，種植作物為馬鈴薯或小麥，未施有機肥)為對照，兩種植物籬基本情況見表1。

表1　植物籬樣地基本情況

1.3　研究方法

1.3.1土壤粒徑組成測定于2012年8月在植物籬系統帶間、帶內中間位置設置采樣點，并以耕地為對照，在深度為0—20 cm的表土層取樣(每層次3個重復)，取樣后帶回實驗室測定土壤粒徑組成和土壤水穩性團聚體含量，測定計算參照中華人民共和國農業行業標準《土壤檢測 第3部分：土壤機械組成的測定》(NY/T 1121.3—2006)執行[15]。

土壤容重、孔隙度、持水量的測定采用環刀法(200 cm3)取樣，參照中華人民共和國林業行業標準《森林土壤水分—物理性質的測定》(LY/T 1215—1999)進行測定。

1.3.2土壤水穩性團聚體、有機質的測定樣品獲取方法同上，其中土壤水穩性團聚體利用測定儀(WB65-LD)和濕篩法[16-17]測定，主要步驟為：風干土樣放置于孔徑為2，0.5，0.25和0.053 mm的套篩上，先緩慢潤濕土樣以減少空氣對團聚體結構的破壞，將套篩放入水中(保持套篩全部沒入水中)，豎直上下振蕩，5 min后將土粒轉移至鋁盒中，50 ℃烘干，稱重并計算其含量。有機質測定采用重鉻酸鉀容量法[18]。

1.3.3土壤水勢的測定與土壤水分特征曲線的擬合對檸條植物籬帶間、帶內、山杏植物籬帶間、帶內及耕地(對照)5個研究對象，用直徑20 cm的透明亞克力管取0—20 cm深的原狀土柱，每個部位取樣2個。在土柱的中間位置分別從管的對面兩側開小孔，插入ECH2O-5土壤水分傳感器和MPS-1土壤水勢傳感器(美國Decagon Devices公司)，接口處用玻璃泥密封，傳感器連接到數采器SQ2020(英國)。加濕過程采用10 s采集30 s記錄的時間間隔，脫濕過程采用每10 s采集1 min記錄平均值的時間間隔實時監測土壤水分及水勢變化動態，于2012年6月進行同步給水試驗，之后采取遮雨措施，放置2個月，記錄土壤吸濕過程和脫濕過程中水分、水勢的變化。

采用經典的van Genuchten模型〔VG模型，式(1)〕來擬合土壤水分特征曲線[19-21]。擬合過程采用專業程序RETC(6.02版本，美國鹽改中心開發)完成。借助該軟件嵌入的神經網絡預測模塊，通過輸入土壤砂、粉、黏粒含量及土壤容重數據先計算飽和滲透系數Ks(cm/d)，再利用VG模型中的式(2)，計算不同土壤水吸力下的非飽和滲透系數K。

(1)

(2)

式中：K(h)——滲透系數(cm/d)； Ks——飽和滲透系數(cm/d)。

2結果與分析

2.1　兩種植物籬系統土壤物理性質對比

按照國際制土壤質地分類系統[22]，試驗區土壤質地屬于粉質黏壤土組。從表2可以看出，兩種植物籬系統的土壤容重均小于耕地(對照)，土壤質地較疏松、孔隙比大。測定表明檸條帶內、帶間表層土壤總孔隙度分別為66.36%和61.82%，山杏植物籬帶內、帶間分別為74.89%和66.91%，均高于耕地(對照)的58.81%。兩種植物籬表層土壤的砂粒含量均高于耕地(對照)，黏粒含量均小于耕地(對照)，土壤質地趨于粗骨化，對比顯現出長期耕作對土壤結構的影響。兩種植物籬帶內的黏粒含量均高于帶間，體現了植物籬結構對坡面侵蝕的攔截與細粒物質的積聚效應。

表2　植物籬不同部位表層(0-20cm)土壤質地

土壤水穩性團聚體是表征土壤肥力和土壤結構、反映土壤通透性、穩定性和抵抗侵蝕能力的關鍵性指標，對不同部位土壤大團聚體(>2.0 mm)、小團聚體(2.0~0.25 mm)和微團聚體(0.25~0.053 mm)3個粒級水平的測定結果表明，兩種植物籬系統表層土壤水穩性團聚體含量均明顯高于耕地(表3)。對于檸條植物籬系統，帶內水穩性團聚體總量高于帶間，可能與帶內檸條茂盛的根系分布對土壤結構的改良有關，另一方面也與植物籬通過攔截形成的帶內較細土粒的聚集有關。對于山杏植物籬系統，帶間的土壤水穩性團聚體總量卻高于帶內，這可能與帶間種植紫花苜蓿對土壤的改良作用有關，但是對于其中的微團聚體含量，帶內仍然要高于帶間，仍體現出植物籬帶對土壤侵蝕細粒的積聚效應。

土壤有機質是土壤質地和土地生產力的決定性因素。根據全國土壤普查暫行技術規程中的土壤有機質分級(6級)指標[23]，檸條植物籬系統帶內表層土壤有機質含量(表3)屬于1級水平，有機質極豐富，帶間部位屬于2級水平。山杏植物籬系統帶內有機質也高于帶間(但總體水平較低，均屬于4級)，帶內表層有機質含量高于帶間的現象也證實了植物籬系統具有攔截增肥效應。由于土壤有機質主要富集在土壤細小顆粒中，土壤中粒徑<0.02 mm的微團聚體和<0.002 mm的黏粒是土壤養分的主要載體，因此可見，植物籬系統均有利于帶內結構的改善與養分的富集，特別是檸條的須根發達，且多分布于0—30 cm表層土壤中，其對徑流中黏粒的攔截和對土壤的固持作用均較好。同時，帶內土壤有機質的富集效應不僅與植物籬攔截土壤細小顆粒密切相關，還與其凋落物和根系的腐解及對土壤團聚體的改善密不可分，植物籬改變了土壤顆粒分布，從而改變了土壤有機質含量；檸條莖葉茂盛，凋落物多，腐殖質層厚，有利于有機質的積累。而山杏植物籬中，有機質含量整體較低，一方面是因為山杏基部莖葉少，主根較深，對土壤黏粒的攔截作用較弱，另一方面也與帶間紫花苜蓿定期刈割為主的經營方式有關，限制了帶間枯枝落葉的積累。

表3　兩種植物籬不同部位表層土壤水穩性團聚體、有機質含量

2.2　檸條植物籬系統的土壤水分特征曲線擬合

土壤中黏粒含量的增多會使土壤中的細小孔隙發育良好，因此土壤的黏粒含量愈高，同一吸力條件下土壤的含水率愈大，或同一含水率下的土壤吸力值愈高。測定表明檸條帶內黏粒含量是帶間的1.25倍(表2)，無論是吸濕過程還是脫濕過程，在相同的土壤水吸力下，帶內表層土壤的水分含量明顯高于帶間(圖1)，表明帶內土壤具有更高的持水性能，這對于在低土壤水吸力時(土壤水分虧缺)保證植物的水分吸收至關重要，這種差異的形成與帶內灌木良好的根系發育對土壤結構的改良直接相關，也與植物籬攔截促進微小土壤顆粒聚集的效應是一致的。黏粒含量的增加使得帶內表層土壤孔徑分布更為均勻，隨著土壤吸力的提高，土壤含水率的下降趨緩。

圖1　檸條植物籬系統不同部位土壤水分特征曲線

利用van Genuchten模型擬合的水分特征方程，推算不同部位表層土壤的凋萎系數(-1 500 kPa)[24]與田間持水量(-33 kPa)[25](表4)，結果表明，在土壤的吸濕過程中，檸條帶內、帶間的凋萎系數分別為21%和11%，田間持水量分別為39%和31%；在脫水過程中檸條帶內、帶間的凋萎系數分別為28%和9%，田間持水量分別為41%和28%。

對比發現對于檸條帶內土壤，在相同的土壤水吸力下脫濕過程所對應的土壤水分含水率要高于吸濕過程，證實了脫水過程滯后性的存在，但對于檸條帶間土壤，在相同水吸力下脫濕過程所對應的土壤含水率略低于吸濕過程，說明帶間土壤的保水性能更低，這與其較低的黏粒含量、微團聚體含量及有機質含量(表3)是一致的。

表4　Van Genuchten模型對吸濕、脫濕過程土壤水分特征曲線擬合結果

2.3　山杏植物籬系統的土壤水分特征曲線的擬合

分析結果表明，山杏植物籬系統不同部位間表層土壤水分特征曲線也具有一定的差異，在同一土壤水吸力條件下(脫濕過程)，帶內土壤含水率一般高于帶間(圖2b)，具有與檸條植物籬一致的規律，體現出植物籬這種配置結構攔截泥沙促進微小土壤顆粒聚集的富帶效應。

在同一土壤水吸力條件下(吸濕過程)，山杏帶間土壤含水率低于對照耕地(圖2a)，帶內、帶間、耕地間的這種相對關系與其黏粒含量的相對大小具有一致性(表2)，說明土壤質地對土壤持水特征的重要影響。在脫濕過程中，利用van Genuchten模型擬合方程推算的山杏帶內、帶間的凋萎系數分別為13%和7%，田間持水量分別為35%和37%，這里帶間田間持水量略高于帶內，這與山杏植物籬年限短(8 a), 帶間多年生植被(紫花苜蓿)生長良好，帶間表層土壤粉粒含量(68%)高于帶內(64%)，土壤水穩性團聚體總量也是帶間(58.04%)高于帶內(55.40%)的規律相一致，可見，盡管植物籬結構的攔截效應在早期就可能明顯，但對表層土壤的改良作用及肥力水平的提高是一個長期積累的過程，在植物籬形成的早期，帶間草本豐富的淺層根系可能使帶間的土壤持水性能優于帶內，但隨著年限的增長，帶內的富帶效應將突出，正如在前述檸條植物籬中所證實的那樣。

圖2　山杏植物籬土壤水分特征曲線的比較(帶內吸濕過程缺失)

與帶內、帶間之間的明顯差異不同，山杏植物籬帶間與耕地在吸濕過程中的土壤水分特征曲線比較接近(圖2a)，這是因為山杏帶間屬于退耕地(8 a前)。同樣地，對通過van Genuchten模型擬合參數的推算得出吸濕過程中山杏帶間(帶內因傳感器故障而數據缺失)、耕地(對照)的凋萎系數分別為8%和11%，田間持水量分別為24%和21%。可以看出，山杏帶間表層土壤的加、脫過程得到的凋萎系數比較接近(8%和7%)，但田間持水量脫濕過程(37%)明顯高于吸濕過程(24%)，滯后特征明顯，這種滯后也表現在耕地在脫濕過程的凋萎系數(4%)明顯低于吸濕過程(11%)，以及計算的脫濕過程的田間持水量(28%)高于吸濕過程(21%)。土壤水分滯后現象的變化也證實土壤水吸力與含水率間的關系不是單值函數，可能依其干燥、濕潤的歷史不同呈現復雜的變化。

2.4　兩種植物籬系統土壤持水特征的對比分析

在土壤的干化(脫濕)過程中，土壤保持水分能力的高低對植物的生存往往有著重要的影響。檸條灌木林由于茂盛的淺層根系及豐富的枯枝落葉，使得表層土壤的結構更加優良，表現在水穩性團聚體含量、有機質含量均較山杏帶內和耕地高(表3)，尤其是帶內有機質含量是帶間和耕地的2.44~2.74倍。從對測得的帶內脫水過程中土壤水吸力與含水量間的關系來看(圖3)，在相同的土壤水吸力下，檸條植物籬土壤水分含量明顯高于山杏植物籬，且二者均高于耕地對照，這種優勢在高吸力階段(>700 cm)表現更加突出，檸條帶內土壤的保水性的這種優勢極大地強化了檸條抵御極端干旱的能力。計算表明，檸條、山杏植物籬帶內脫濕過程中的土壤凋萎系數(-1 500 kPa)分別是耕地的7和3.25倍，田間持水量(-33 kPa)分別是耕地的1.46和1.25倍，表現出林地對土壤保水效應及檸條植物籬已經形成的較山杏更強的土壤持水性能。

圖3　兩種植物籬帶內脫濕過程的土壤持水特征比較

2.5　兩種植物籬系統土壤水力傳導性能的比較

土壤水力傳導性能包括在飽和與非飽和狀態下土壤運輸水分的能力。土壤飽和滲透系數是表示土壤孔隙介質透水性能的綜合比例系數。本研究中利用通用的RETC程序，輸入土壤的砂、粉、黏粒含量及土壤容重數據，并借助神經網絡預測模塊計算出飽和滲透系數(Ks)，比較發現檸條植物籬帶內與山杏植物籬帶間均具有較高的Ks(圖4b)，這與它們具有較低的容重(表2)及較高的非毛管孔隙度(分別為7.28%和11.96%)相一致，而檸條帶間和山杏帶內土壤容重較大(表2，非毛管孔隙度分別為4.32%和4.78%)，土壤非毛管孔隙欠發達，Ks相對較低，可見土壤結構對土壤的飽和滲透性能具有更明顯的影響。兩種植物籬不同部位土壤Ks均高于耕地，表現出林地對土壤結構的改良效應。與檸條不同，山杏帶間的Ks值明顯高于帶內，結合前述山杏帶間田間持水量高于帶內的特征，可知植物籬種植結構與年限都可能成為影響植物籬系統土壤結構演變的主要因素。

圖4　土壤飽和導水率(Ks)及非飽和滲透系數〔K(h)〕隨水吸力的變化(山杏帶內的滲透系數數據缺失)

一般來說，在非飽和狀態下，由于土壤中部分孔隙為氣體所填充，土壤導水率大大低于飽和時的導水率。隨著土壤水吸力的增加和含水率的下降，水分只能在較小的土壤孔隙中流動，土壤孔隙越小，水流在其中流動所受的阻力愈大。從我們的測定結果也可以看出，檸條帶間非飽和導水率明顯高于其他土壤(部位)(圖4a)，檸條帶間的砂粒含量是其它部位的1.44~1.85倍(表2)，這說明非飽和土壤導水率的大小可能受土壤質地的直接影響。為了易于比較其他3個土壤(部位)間的關系，對不同水吸力下土壤非飽和滲透系數取以10為底的對數，結果顯示：在低水吸力階段(約<500 cm),盡管差異不明顯，但仍可以看出山杏帶間的非飽和導水率略高于檸條帶內與耕地(由于數據缺失尚不明確山杏帶內的非飽和導水特征)，但隨著水吸力的增加，檸條帶內的非飽和導水率超過山杏帶間和耕地，這與其具有相對較高的砂粒含量是相一致的。耕地(對照)的砂粒含量只有其他的54.27%～87.60%(表2)，其非飽和導水率始終最低，由于頻繁耕作對土壤結構的破壞，耕地表層土壤不利于水分的入滲補充。

3結論與討論

(1) 兩種植物籬表層土壤的總孔隙度、砂粒含量、水穩性團聚體含量、水力導度均高于耕地(對照)，體現出林草種植對土壤質地、結構的改良效應。

(2) 在植物籬系統內部，檸條植物籬帶內土壤結構明顯好于帶間，如土壤總孔隙度(分別為66.36%和61.82%)、水穩性團聚體總量(分別為63.35%和62.36%)、有機質含量(分別為44.1和35.1 k/kg)等，這種異質性的形成與帶內檸條茂盛的淺層根系分布對土壤結構的改良，以及植物籬攔截泥沙促使水肥富帶效應的形成直接相關，山杏植物籬也具有相似的規律。對于兩種植物籬，檸條植物籬系統帶內表層土壤有機質含量、水穩性團聚體總量均高于山杏，體現出固氮灌木樹種檸條對改良土壤結構及在培肥方面的優勢。

(3) 土壤質地的差異是影響土壤持水性能差異的主導因素，在相同的土壤水吸力下，無論是吸濕過程還是脫濕過程，兩種植物籬帶內表層土壤的水分含量明顯高于帶間，帶內土壤持水性更高，這與帶內土壤黏粒含量普遍較高相一致。相比較而言，檸條帶內土壤水分含量要高于山杏帶內(在相同的土壤水吸力下)，二者均高于耕地。

(4) 田間持水量和凋萎系數是評價土壤水分有效性的重要指標，一般分別以水吸力-33和-1 500 kPa時的土壤含水量來估算，但由于受土壤、植物、環境等的共同影響而有一定的誤差。一般認為黃土高原土壤田間持水量小于24%[26]，土壤凋萎系數小于9.42%[27]，本研究中通過水吸力計算的田間持水量變化在21%~41%，所計算的土壤凋萎系數變化在4%～28%。發現對于壤土、粉黏壤和黏土而言，實驗室測定的水吸力為-1 500 kPa時的土壤含水量比田間測定的持水量高[28]，土壤凋萎系數也隨土壤物理性黏粒(<0.001 mm)含量的增加而顯著增加[27]，這說明對于不同質地、結構的土壤需采用更加合理的方法測算土壤水分參數。

(5) 土壤結構對土壤飽和滲透性能的影響更加關鍵。在飽和狀態下，容重較低、非毛管孔隙更發達的檸條帶內與山杏帶間具有更高的飽和滲透系數，而在非飽和狀態下，隨著水吸力的增加，土壤滲透系數迅速下降，這其中檸條帶間非飽和導水率明顯高于其它土壤(部位)，這與帶間較高的砂粒含量相一致。

總體而言，兩種植物籬結構能明顯促進帶內黏粒含量、微團聚體含量增加和養分的富集(有機質)，從而提高帶內土壤的持水性能和飽和滲透性能，有利于土壤庫容的增加，同時，趨于黏性的質地變化可能降低土壤的非飽和滲透性能，反而有利于土壤有效庫容的保持。但是，植物籬結構的這種性能的大小也隨植物籬物種的生物學特性、帶間利用特征、植物籬年限而變化。

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Comparison of Soil Water Retention Characteristics for Different Part of Two Kinds of Hedgerow System in Loess Area

DANG Hongzhong1， DANG Hanjin1， LI Wei1， FENG Wei1， MO Baoru2

(1.InstituteofDesertificationStudies，ChineseAcademyofForestry，Beijing

100091,China; 2.GansuAcademyofForestry，Lanzhou，Gansu730070,China)

Abstract：[Objective] To study the differentiation characteristics of soil water retention in different part of the hedgerow system in order to provide guidelines for design and management of hedgerow systems.[Methods] Based on measuring the physical parameters of soil moisture forCaraganakorshinskiiandArmeniaccsibirica, the soil water retention curve as well as derived parameters of in-band and inter-band of hedgerow System were compared by van Genuchten model. [Results] (1) The total soil porosity, water stable micro-aggregates content and soil permeability was higher forC.korshinskiiandA.sibirica. hedgerows than farmland(as a check). Soil properties from the in-band ofC.korshinskiisuch as total soil porosity(66.36%), water stable micro-aggregates content(35.50%) and organic matter content(44.1 g/kg) were 7.34%, 1.95% and 25.64% higher than that from the inter-band, respectively. Similarly, the above three indicators from the in-band hedgerows ofA.sibiricawere 11.93%, 29.33% and 21.48% higher than that from the inter-band hedgerows, respectively. (2) The wilting coefficient ofC.korshinskiiandA.sibiricawas 7 and 3.25 times of farmland, respectively, and the field capacity was 1.46 and 1.25 times, respectively, which display a more obvious advantages in soil water retention of farmland. (3) The soil water content of the in-band hedgerows was higher than that from the inter-band for both moisture absorption and desorption process with the same soil water suction, which was consistent with the content of soil clay. The in-band soil water content ofC.korshinskiiwas higher than that ofA.sibirica. They were both higher than that in the farmland. [Conclusion] The two-phase structure of hedgerows can significantly promote the enrichment of soil clay, micro-aggregates and organic matter in in-band hedgerows, which is the key mechanism to improve soil water retention and saturated soil permeability.

Keywords:soil water retention curve;Caraganakorshinskii;Armeniacasibirica; hedgerows

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0078-07

中圖分類號：S152.7

收稿日期：2014-01-13修回日期：2014-04-17

資助項目：“十二五”國家科技支撐課題“農田水土流失生物防護關鍵技術研究”(2011BAD31B02)

第一作者：黨宏忠(1971—),男(漢族),甘肅省定西市人，博士,副研究員，主要從事干旱區生態水文與水土保持研究。E-mail:hzdang@caf.ac.cn。