A dried soil layer (DSL) formed in the soil profile is a typical indication of soil drought caused by climate change and/or poor land management. The responses of a soil to drought conditions in water-limited systems and the impacts of plant characteristics on these processes are seldom known due to the lack of comparative data on soil water content (SWC) in the soil profile. The occurrence of DSLs can interfere in the water cycle in soil–plant–atmosphere systems by preventing water interchanges between upper soil layers and groundwater. Consequently, a DSL may limit the sustainability of environmental restoration projects (e.g., revegetation, soil and water conservation, etc.) on the Loess Plateau of China and in other similar arid and semiarid regions. In this study, we investigated and compared the impacts of soil type, land use and plant characteristics within each of the three climatic regions (arid, semiarid, semihumid) of the Loess Plateau. A total of 17,906 soil samples from 382 soil profiles were collected to characterize DSLs across the Plateau. Spatial patterns of DSLs (represented by four indices: (1) DSL thickness, DSLT; (2) DSL forming depth, DSLFD; (3) mean SWC within the DSL, DSL-SWC; and (4) stable field water capacity, SFC) differed significantly among the climatic regions, emphasizing the importance of considering climatic conditions when assessing DSL variations. The impact of land use on DSLs varied among the three climatic regions. In the arid region, land use had no significant effect on DSLs but there were significant effects in the semiarid and semihumid regions (P < 0.05). The development of DSLs under trees and grasses was more severe in the semiarid region than in the semihumid region. In each climatic region, the extent of DSLs depended on the plant species (e.g., native or exotic, tree or grass) and growth ages; while only in the semiarid region, the DSL-SWC and SFC (P < 0.001) were significantly influenced by soil type. The DSL distribution pattern was related to the climatic region and the soil texture, which both followed gradients along the southeast–northwest axis of the Plateau. Optimizing land use can mediate DSL formation and development in the semiarid and semihumid regions of the Loess Plateau and in similar regions elsewhere. Understanding the dominant factors affecting DSLs at the regional scale enables scientifically based policies to be made that would alleviate the process of soil desiccation and sustain development of the economy and restoration of the natural environment. Moreover, these results can also be useful to the modeling of the regional water cycle and related eco-hydrological processes.

Abstract Soil hydraulic parameters are vital for precisely characterizing soil hydrological processes, which are critical indicators for regulating climate change effects on terrestrial ecosystems and governing feedbacks between water, energy, and carbon–nitrogen cycles. Although many studies have integrated comprehensive soil datasets, data quality and cost challenges result in data completeness deficiencies, especially for deep soil information. These gaps not only impede methodological endeavours but also constrain soil parameter-based ecosystem process studies spanning from local profiles to global earth system models. We established a soil dataset across the entire Yellow River Basin (YRB) (795,000 km 2 ) using high-density in situ field sampling. This observation-based dataset contains records of soil texture (2924), bulk density (2798), saturated hydraulic conductivity (2782), and water retention curve parameters (1035) down to a maximum depth of 5 m. This dataset, which extends the recorded data range for deep soil hydraulic parameters, is valuable as a direct data resource for environmental, agronomical and hydrological studies in the YRB and regions with similar pedological and geological backgrounds around the world.

In order to clarify the dynamic failure mechanism in deep buried tunnels, a modeling test of the dynamic response of the surrounding rock in deep buried tunnels under the action of explosion plane wave was carried out by using the geotechnical multi-functional test device. Based on Froude's similarity theory, a model with dimensions of 1600 × 1300 × 400 mm was constructed using low-strength cement mortar. Using the detonating fuse as the explosive source, the explosion tests were conducted with an equivalent TNT amount of 52.8 g and 105.6 g, respectively. According to the measured data, the stress and deformation characteristics of the surrounding rock, the motion and deformation characteristics of the tunnel and the dynamic instability process of the tunnel were analyzed. The results show that explosive stress waves exhibit exponential attenuation above the arch crown of the tunnel, with the rate of attenuation depending on the amount of explosive used. The deformation process of the surrounding rock of the crown in the tunnel arch under the action of the explosion stress wave was compression followed by tension, which fully proves the existence of the reflected tensile wave. Movement and deformation parameters within the tunnel escalate as the explosive charge increases, especially at the crown of the arch. According to the monitoring results of the motion camera, the dynamic instability process of the tunnel was divided into several stages, such as initial calm, tunnel vibration, particle ejection, atomization, local block ejection, and return to calm. The results of the study have important reference value for the safe excavation and effective support of deep underground engineering.

Earthworm communities influence soil carbon and nitrogen circulation by altering the diversity and composition of microbial communities, which improves soil fertility. Studying the soil nutrient composition and bacterial communities change in response to earthworm community natural invasion may be key to exploring earthworm ecological functions and accurately assessing C and N mineralization in artificial forests and croplands. In this study, we examined the communities of five earthworm species in ecosystems characterized by six different land-use types, such as buttonwood forest, walnut forest, apple orchard, kiwi orchard, ryegrass land, and corn field. The Metaphire baojiensis (d) and Amynthas carnosus planus were dominant earthworm species. Among different land-use types, earthworm densities ranged from 2 to 27 ind·m−2 in summer and 15 to 40 ind·m−2 in spring. However, surface vermicompost weight in summer (296.7 to 766.0 g·m−2) was greater than in spring. There was a positive correlation between the weight of the vermicompost and earthworm numbers in the same season. Soil carbon (C) and total nitrogen (N) of vermicompost ranged from 5.12 to 20.93 g·kg−1 and from 0.52 to 1.35 g·kg−1, respectively. Compared with soil, the contents of vermicompost C and N increased 2.0 to 4.3 times and 1.6 to 7.7 times, respectively. The average C/N of vermicompost (9.5~23.5) was higher than in the soil (7.3~19.8). Due to the higher abundances of C and N in the soil of corn fields and kiwi orchards, which cultivate higher abundances of earthworms and more vermicompost, the C and N and C/N of vermicompost is higher than in the soil. C and N were accumulated by earthworms’ excreting and feeding activity instead of vegetation in vermicompost. Earthworm community structure plays key roles in decreasing bacterial diversity and adding Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria, Bacteroidetes, and Chloroflex in vermicompost, resulting in enriching soil C and N content and increasing C/N in vermicompost. Therefore, the evaluation of different vegetation ecosystems in soil C and N pool accumulation and mineralization should be given more attention regarding the function of earthworm communities in the future.