指纹识别技术是量化流域侵蚀泥沙来源的有效手段,如何应用于火烧流域,仍有一些问题值得探讨。通过回顾相关文献,总结森林火灾通过植被、土壤和灰烬加剧土壤侵蚀的机制,介绍应用指纹技术研究火烧流域泥沙来源的案例,重点分析放射性核素、矿物磁性、物理性质、地球化学元素和有机组分等指纹因子在火烧迹地的含量和性质变化,论述各类指纹因子在火烧流域泥沙来源研究中的适用性,并提出未来应重点关注指纹技术的物理基础、火灾后土壤性质的时空变化规律、指纹因子稳定性验证、燃烧灰烬的影响以及大粒径泥沙的识别等问题。为促进火烧迹地指纹识别技术的研究、理解森林火灾对于流域产沙格局的影响、提升火灾流域水土保持和生态修复的有效性提供理论依据。

植被具有良好的水土保持效益,深入了解覆被结构特征与产流产沙关系是研究植被防蚀功能的基础。以鄂中地区典型森林植被为对象,通过人工模拟降雨试验研究5种覆被结构(灌木、草本、枯落物、灌木+草本、灌木+草本+枯落物)和侵蚀性降雨(60,90,120 mm/h)对坡面侵蚀产沙过程的影响。结果表明:(1)坡面产流率、产沙率随降雨时间先迅速增大,后缓慢增大,最后达到稳定趋势。降雨强度是坡面侵蚀产沙的主导因素,与产流时间、产流率和产沙率呈显著正相关关系(p＜0.01)。(2)在有/无枯落物存在的情况下,植被覆盖度、植株密度分别是坡面产流产沙的主要影响因素。径流含沙量在不同覆被结构覆盖下表现为:草本＞灌木＞枯落物＞灌木+草本＞灌草枯。(3)结构特征参数对产流产沙影响的优先等级为覆盖度、生物量、植株密度、多样性指标,即水平结构＞竖直结构＞物种组成＞空间格局。研究结果旨在揭示覆被结构对坡面侵蚀产沙的作用机理,为南方林地土壤侵蚀模型的构建提供科学参考。

退耕还林工程是黄土高原控制水土流失的主要措施之一,探讨退耕还林对土壤团聚体稳定性与土壤可蚀性的影响,可为黄土高原地区生态恢复和水土保持效益评价提供科学依据。以农田为对照,选取不同退耕年限(5,10,15,20,25,30年)刺槐林为研究对象,研究退耕还林后0—30 cm土层土壤团聚体稳定性和土壤可蚀性动态变化,并探讨土壤可蚀性与土壤团聚体稳定性之间的关系。结果表明:(1)＞0.25 mm水稳性团聚体含量、平均重量直径、几何平均直径随着退耕年限增加呈递增趋势,三者相比退耕前(农田)分别增加32%~79%,32%~98%,2%~60%。(2)土壤团聚体分形维数随着退耕年限增加呈递减趋势,较退耕前减少0.6%~6.0%;土壤有机质随着退耕年限增加呈递增趋势,较退耕前增加8.4%~38.9%。(3)土壤可蚀性因子(K)随着土层增加而增加,但随退耕年限增加呈递减趋势,随退耕年限递增(K)分别减少1.0%,2.7%,3.6%,3.9%,5.0%,7.9%。(4)退耕还林后,＞0.25 mm水稳性团聚体含量和土壤团聚体分形维数是土壤可蚀性变化的主要驱动因子; 地上生物量通过影响＞0.25 mm水稳性团聚体含量和土壤团聚体分形维数间接影响土壤可蚀性因子(K),且总效应最大。退耕还林后地上生物量增加对土壤团聚体的形成与稳定,以及土壤可蚀性降低起着重要作用,且退耕还林可显著提高团聚体稳定性,降低土壤可蚀性。

为建立适用于我国不同区域生产建设项目工程堆积体土壤侵蚀预测模型,在通用土壤侵蚀模型(universal soil loss equation,USLE)框架下,室内概化模拟不同土壤质地、坡度坡长、砾石质量分数等工况下的工程堆积体,通过大量人工模拟降雨试验,修订模型各因子,构建工程堆积体土壤侵蚀量预测模型,并对其进行验证。研究明确工程堆积体标准小区及各因子定义及计算方法,提出采用土石质因子代替传统的土壤可蚀性因子以便更加符合工程堆积体实际,构建以幂函数计算的坡度、坡长因子,与砾石质量分数的指数函数计算的土石质因子和降雨侵蚀力因子相乘的工程堆积体侵蚀量预测模型。经率定与验证,模型预测效果良好(R²＞0.8),且能适用于不同区域及工况下工程堆积体边坡土壤流失量预测,该模型参数少且易获取并具有物理意义,现场操作性和实用性强。研究成果为生产建设项目水土保持工作及水行政主管部门的监督执法提供技术指导及科学依据,具有较大的科学意义与指导生产实践价值。

为分析黄河水沙成因并预测未来水沙情势,选取黄河中游多沙粗沙区昕水河和朱家川2条流域为研究对象,依据水文站及雨量站1956—2018年降雨和径流泥沙实测数据,采用Mann-Kendall趋势及突变检验、累积距平法和Morlet连续小波分析等方法探讨流域水沙变化趋势,并利用双累积曲线法对水沙变化进行归因分析,量化气候变化及人类活动对水沙变化的相对贡献。结果表明:1956—2018年,昕水河和朱家川小流域年均径流量分别为11.9×10⁷,1.7×10⁷ m³,年均输沙量分别为12.3×10⁶,9.8×10⁶ t,径流和输沙量均呈显著减少趋势;2条流域的径流量突变年分别为1980年和1984年,输沙量突变年分别为1980年和1972年;选取的2条流域水沙变化存在明显周期性,径流变化的第1主周期分别为45年和16年,输沙量变化的第1主周期分别为9年和15年;降雨对昕水河和朱家川小流域径流量减少的贡献率分别为19%,8%,对输沙量减少的贡献率分别为25%,35%,远不及人类活动的贡献率,人类活动是径流和输沙量锐减的主导因素。研究结果可为黄河水沙治理提供科学性建议。

为减少坡耕地作物播种至出苗期间的水土流失,通过模拟降雨试验研究不同播种方式形成微地形对水土流失的影响,共设置6个处理,T1处理为深开沟播种(沟深20 cm),T2处理为浅开沟播种(沟深10 cm),T3处理为塘播,T4处理为起高垄播种(垄高20 cm,宽30 cm),T5处理为起低垄播种(垄高10 cm,宽15 cm),T6处理为无处理直接播种(空白对照),各处理分别以10°,15°,20°坡度在40,80,120 mm/h雨强下进行27场模拟降雨试验。结果表明:开沟和起垄播种处理都能有效减轻水土流失,各处理的水土保持效果为T1＞T4＞T2＞T5,T3和T6间差异不显著,T1的水土保持效果最好,在各坡度和雨强下,较T6地表径流产生时间延缓65.9%~178.1%,入渗强度增大102.6%~195.1%,地表径流量减少75.6%~82.6%,土壤侵蚀量减少95.3%~99.1%。深开沟播种T1和起高垄播种T4能够很好地将雨水积留在沟或垄沟中,并且能有效防止沟中积水破垄或越沟流出,其中T1防止沟中积水越沟流出效果最好,仅在极少情况下发生。通过研究不同播种方式形成的微地形对水土流失的影响,对于坡耕地作物生长前期水土保持具有参考意义。

为探明生物结皮如何改善土壤物理性质从而促进水土保持,针对黄土高原风沙土和黄绵土上发育的藓结皮,以无结皮为对照,原状取样后分别使用高分辨率CT扫描仪和高精度土壤贯入仪测定其孔隙性状与穿透阻力,并构建结构方程模型剖析生物结皮对土壤孔隙度和穿透阻力的作用途径。结果表明:藓结皮发育改变土壤孔隙特征参数,并显著提高表层0—2 cm土壤总孔隙度(p＝0.01),在此土层内,风沙土和黄绵土上藓结皮的总孔隙度比无结皮分别增加1.62,2.12倍,且藓结皮的孔隙度随土层深度增加呈指数降低。藓结皮和无结皮的土壤面孔率在0—1 cm土层内均急剧下降,但藓结皮整体面孔率显著高于无结皮(p＜0.001)。随土层深度增加,藓结皮的土壤穿透阻力总体呈增大趋势,但在结皮层中部发生突变,越过结皮层后趋于平稳。在2种土壤上,藓结皮的面孔率与穿透阻力均呈对数负相关关系,无结皮中则分别呈线性正相关和对数负相关关系。黄土高原藓结皮通过改变孔隙度和机械组成等间接途径,极显著地提升表层土壤穿透阻力,增强土壤表面稳定性,为区域水土保持和生态恢复提供有利条件。

南方花岗岩崩岗侵蚀区崩壁常见形似内凹洞的特殊地貌(龛穴),该地貌的发育可引起崩壁失稳并扩大崩岗侵蚀范围。通过刻画龛穴形态演变过程,研究龛穴发生的物质条件与驱动因素,并结合力矩分析方法构建力学模型评价崩壁及龛穴稳定性。研究表明:龛穴形态演变经历"雏形—发育—形成"3个过程,剖面土层异质性是龛穴发育的基础条件,水力与重力作为外部因素共同作用驱动龛穴发育。龛穴稳定性随其高度增加、角度减小而降低。龛穴的发育可能是崩岗溯源侵蚀启动的标志,遏制龛穴形成有利于提高崩壁稳定性,研究结果为崩岗侵蚀治理提供理论依据。

为比较饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特征并明确其临界水力学特性,进行5个坡度(2°,5°,10°,15°,20°)和3个雨强(30,60,90 mm/h)组合 条件下的室内人工模拟降雨试验,在测得坡面片流、细沟流及其转变的临界流速的基础上,计算得到片流、细沟流及其转变的临界水力学参数,包括水深、雷诺数、弗劳德数和达西阻力系数。结果表明:在不同侵蚀阶段,片流流速为0.064~0.151 m/s,细沟流流速为0.175~0.350 m/s,雨强和坡度在不同侵蚀阶段对流速和水深的影响程度存在差异。片流均为层流,＜10°坡时,片流为缓流,片流多居缓层流流态;中、大雨强条件下,细沟流均为过渡流,＞5°坡时细沟流均为急流,细沟流多为急过渡流流态。片流达西阻力系数与坡度和雨强呈负相关关系,细沟流达西阻力系数与坡度和雨强呈正相关关系。坡面径流由片流转为细沟流的临界流速为0.100~0.165 m/s。流速改变坡面形态,导致细沟侵蚀发生的临界水流流态和水流阻力随坡度和雨强变化的规律不同。研究结果对于认识饱和土壤条件下坡面不同侵蚀阶段径流水力学特性,进一步明确由片流转为细沟流的临界水力条件具有一定参考价值。

探究不同人为管理措施坡耕地地表微地形变化特征,阐明地表微地形变化对渗流响应,以期为紫色土坡耕地水土流失的有效防治与人为管理措施的合理布设提供科学依据。以平整坡面、穴播坡面和垄作坡面为研究对象,基于室内人工模拟渗流试验,开展5°和15°紫色土坡面微地形变化特征研究。结果表明:(1)渗流试验前后平整坡面、垄作坡面和穴播坡面微地形半方差函数在0~135°和180°~315°方向上呈中心对称分布,随地表坡度的增加分布范围逐渐缩小,且具有明显的方向性。渗流条件下,平整坡面和穴播坡面微地形各向异性的变化趋势较为一致,而垄作坡面微地形空间变异性较强。(2)渗流条件下,3种人为管理措施坡面高程均集中于-20~0 mm的变化区域,穴播坡面和垄作坡面高程值的分布较平整坡面离散。(3)与5°坡面相比,15°平整坡面地表糙度的变化对渗流的响应更为明显,且糙度变化率呈平整坡面＞穴播坡面＞垄作坡面;渗流作用下,各坡面中、下坡位地表糙度变幅较大。坡面初始起伏程度越剧烈,微地形对渗流侵蚀作用的骤变响应越明显。地表糙度可作为刻画坡面微地形响应渗流变化的指标,可较好地实现中、下坡位土壤侵蚀—沉积空间分布的表征,以期为阐明紫色土坡面微地形变化与渗流侵蚀的耦合关系提供理论依据。

为探究围封对灌丛草地土壤优先流的影响,以宁夏吴忠市盐池县典型荒漠草原区为研究区,通过野外入渗染色试验、图像处理分析等方法,对围封荒漠草原灌丛草地土壤优先流的影响进行评价。结果表明:(1)围栏封育与放牧管理样地土壤水分入渗特征存在差异,在围栏封育样地,草地、天然柠条林地、人工柠条林地的入渗染色图像分别在0—125,0—115,0—105 cm呈现均匀分布,而在125—240,115—150,105—140 cm呈现染色分支,在放牧管理样地,草地、天然柠条林地、人工柠条林地入渗染色图像分别在0—80,0—70,0—80 cm呈现均匀分布,围栏封育导致土壤优先流发生深度更大;(2)土壤剖面染色面积比表现为围栏封育草地＞围栏封育天然柠条林地＞围栏封育人工柠条林地＞放牧管理人工柠条林地＞放牧管理天然柠条林地＞放牧管理草地,土壤染色深度表现为围栏封育草地＞围栏封育天然柠条林地＞放牧管理草地＞放牧管理天然柠条林地＞围栏封育人工柠条林地＞放牧管理人工柠条林地,围栏封育管理会导致土壤剖面染色面积比及染色深度增大;(3)土壤优先流变异系数表现为放牧管理天然柠条林地＞放牧管理人工柠条林地＞围栏封育天然柠条林地＞放牧管理草地＞围栏封育人工柠条林地＞围栏封育草地,放牧管理导致土壤优先流程度增加,而围栏封育降低灌木林地及草地的优先流程度。因此,在荒漠草原等干旱半干旱地区,围栏封育可作为提升土壤水分均匀入渗深度、降低优先流发生程度、提高土壤水分利用效率的重要管理方式。

为探究生物结皮发育驱动下土壤水蚀特征及机理,选取苔藓发育为优势种的退耕样地,设计5个盖度等级(1%~20%,20%~40%,40%~60%,60%~80%,80%~100%),以裸地为对照,在不同水流剪切力(6.12~19.64 Pa)下进行冲刷试验。结果表明:结皮发育显著影响土壤养分含量,且高盖度结皮覆盖下养分表聚效应更加明显。生物结皮发育显著影响土壤分离能力,裸地土壤分离能力为生物结皮的3.58~348.95倍,裸地细沟可蚀性(0.293 5 s/m)为生物结皮(0.001 0~0.082 2 s/m)的3.57~293.50倍。相对土壤分离能力及细沟可蚀性均随结皮盖度增加呈指数函数衰减,结皮冲破时间随结皮盖度增加呈指数函数增长;非线性回归分析表明,土壤分离能力可用水流剪切力、生物结皮盖度和土壤黏结力进行模拟(NSE=0.749)。综上,生物结皮发育显著提升土壤抗侵蚀性能,研究结果可为半湿润区水土流失防治及生物结皮管理利用提供理论参考。

为揭示土壤颗粒组成在垂直和水平方向上的分布规律,采集砒砂岩区典型坡面0—100 cm剖面的土壤,运用经典统计学测定其颗粒组成。结果表明:坡面0—100 cm土壤质地主要为砂壤土(59.21%)和壤砂土(36.40%)。随土层深度增加,砂粒含量增加,粉粒和黏粒含量减少,土壤逐渐呈现粗粒化的趋势;坡面尺度上,表层0—10 cm砂粒为弱变异,其余各层各粒级均为中等程度变异,且随土层深度增加变异性增强,不同粒级的变异系数表现为砂粒＜粉粒＜黏粒。沿坡面等高线方向,样带B粗粒化程度最弱,10 cm土层以下,样带B粗粒化程度最强。沿垂直坡面等高线方向,坡中砂粒含量(73.60%)相比于坡上和坡下分别增加6.90%(p＜0.05)和11.66%(p＜0.05),坡下粉粒(31.85%)和黏粒(3.10%)含量相比于坡上和坡中分别增加13.13%(p＜0.05),23.59%(p＜0.05)和4.36%,51.70%(p＜0.05),坡中粗粒化程度最强,坡下是细颗粒堆积的主要区域。研究结果可加强对砒砂岩区坡面土壤颗粒空间分布规律的认识。

水源涵养是生态系统最重要的服务功能之一,黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要强调聚焦重点区域,恢复重要生态系统,对强化水源涵养能力提出了新的要求。收集并分析伊洛河流域1975-2019年的气象及下垫面资料,采用InVEST模型产水模块计算1975-2019年伊洛河流域每5年1期共9个时段的产水量,采用流速系数、土壤饱和导水率等对产水量进行修正,估算流域的水源涵养量,具体分析伊洛河流域降水、产水与水源涵养的特征及其相关关系。结果表明:1975-2019年,伊洛河流域多年平均水源涵养量为11.3 mm,多年平均产水量为143.2 mm,产水量及水源涵养量整体呈现先增后减的变化趋势,在1980-1984年达到峰值;流域水源涵养能力空间分布特征为上游植被丰富、土石山区水源涵养能力强,中下游相对较弱;对流域气象要素单相关及复相关分析,水源涵养能力与降水显著正相关,与参考作物蒸散发相关性不显著;流域内土地利用变化在一定程度上影响水源涵养能力空间分布,上游水源涵养高值区及退耕还林还草区受影响显著。研究结果可为相似流域水源涵养能力的评估提供参考。

为分析黄土高原不同类型侵蚀沟形态特征及其区域差异,以黄土高原第一副区和第五副区小流域为例,基于无人机影像(0.15 m)及DEM(1 m),分析沟谷网络特征和各类型侵蚀沟的数量特征,并对比冲沟和切沟的二维、三维形态参数。结果表明:丘一区小流域主沟支沟比为1∶35.6,远小于丘五区小流域主沟支沟比(1∶22.0),且各级沟谷密度多高于丘五区,表明丘一区支沟数量多,发育程度较高,地表更破碎,沟谷系统形态更复杂。丘一区和丘五区侵蚀沟类型都以切沟为主,密度分别为9.72,14.22 km/km²,冲沟密度分别为4.27,4.23 km/km²,冲沟数量虽少,但沟谷面积较大。切沟在沟谷网络分级中主要集中在1级,冲沟主要分布于1~3级,干沟多为3~5级。丘一区切沟除纵比降较大外,其他形态参数均明显小于丘五区,说明丘五区切沟规模更大,但两区冲沟形态差异较小。切沟、冲沟的体积和面积之间都具有显著的幂函数关系,但丘一区冲沟和切沟的判定系数更高,表明其同类侵蚀沟在形态上更具有相似性。研究结果为黄土高原侵蚀沟准确统计和小流域水土保持综合治理提供参考。

采用矩阵式插钎法对盐湖防护体系不同防护功能区地表进行野外观测,探究吉兰泰盐湖防护体系地表蚀积特征。结果表明:吉兰泰盐湖防护体系不同防护功能区地表蚀积月际变化呈现明显的波动性。流沙固阻带、封沙育草带主要以风蚀为主,防风阻沙带和盐湖防护林带主要以风积为主。地表沉积物质由外向内趋于细化。流动阻沙带和封沙育草带粒度组成主要以细砂和中砂为主;防风阻沙带和盐湖防护林带粒度组成主要以极细砂和细砂为主。盐湖防护体系表层沉积物平均粒径Φ值、分选系数、峰态和偏度分别为1.66~3.32,0.99~2.91,1.23~2.05和-0.08~-0.89。表层沉积物平均粒径、分选系数、偏度、峰态随着盐湖防护体系由外向内逐渐增加。总体看来,盐湖防护体系营建使地表沉积物趋于细化,有利于土壤细粒物质沉积,对地表起到一定保护作用。

近年来,受气候变化与人类活动的双重影响,许多国内外河流的河川径流都受到强烈影响。以嘉陵江上游西汉水的礼县水文站控制流域为研究区,在对1960—2016年研究区年径流量进行突变点分析和趋势分析的基础上,使用8种基于Budyko假设的气候弹性系数法的水量平衡方程式进行流域径流变化归因分析。结果表明:(1)研究区潜在蒸散发呈显著增加趋势(p＜0.01),径流量呈显著减小趋势(p＜0.01),降水量呈不显著减少趋势(p＞0.1),径流量的突变点发生在1994年,并以此为界,把研究时段划分为基准期和变化期;(2)8种基于Budyko假设的方法得出的气候变化对于径流减少的贡献率为40%~50%,人类活动贡献率为50%~60%,占主导作用。在气候变化中,8种方法得出的流域降水的敏感性系数为2~3,流域蒸散发的敏感性系数为-1~-3;(3)人类活动对于径流减少的主要作用形式是通过改变下垫面来表现的。由于植被保护措施实施,1990—2010年研究区域的林地面积增加68.42 km²,在所有土地类型中变化最大,表明人类活动对于下垫面的影响显著。

为评估东北地区风蚀气候侵蚀力及其对区域气候变化的响应,基于东北地区66个气象站点1981—2019年气象数据,采用风蚀气候侵蚀力计算方法,解析东北地区风蚀气候侵蚀力空间分布特征、时间变化趋势及其对气候变化的响应。结果表明:近39年(1981—2019年),东北地区风速和相对湿度呈下降趋势,降水量呈波动增加趋势,气温呈上升趋势;风蚀气候侵蚀力整体呈西高东低趋势,全区平均为18.8,空间变化范围为0.9~63.8;春、夏、秋和冬季的风蚀气候侵蚀力分别为10.4,1.4,4.1和2.9;全区年风蚀气候侵蚀力平均每10年减小3.71,春、夏、秋和冬季平均每10年分别减小2.05,0.24,0.96和0.44;风蚀气候侵蚀力有明显的空间性(西高东低)和季节性(春季高,夏季低)。39年来,全年及四季的风蚀气候侵蚀力整体呈下降趋势。研究结果可为不同农业种植区土壤风蚀防治提供理论依据。

精确提取梯田对于水土保持动态监测和评价非常必要,建立黄土高原小流域梯田提取技术流程可为水土流失防治提供技术支持。以甘肃省天水市水土保持科学试验站坚家山小流域为研究区域,采用无人机影像数据,基于尺度参数评估工具以影像的纹理特征为输入层,确定最优分割尺度参数;选用光谱特征和可见光植被指数为分类特征,使用面向对象分类方法对梯田进行提取。结果表明:(1)以局部方差变化率101作为多尺度分割的尺度参数时,梯田边界明显,光谱、纹理和形状特征对于描绘梯田边界具有巨大的潜力;(2)采用可见光植被指数植被颜色指数(CIVE)、超绿指数(EXG)、超绿超红差分指数(EXGR)、绿蓝比值指数(GBRI)、绿红比值指数(GRRI)、归一化蓝绿差异指数(NGBDI)、可见光波段差异植被指数(VDVI)、Woebbecke指数(WI)分别作为梯田提取的分类特征,其中,EXG植被指数精度最高,梯田提取精度为72.60%,并提出一种基于最邻近分类器以综合指数(CIVE、WI、EXG、EXGR)为分类特征,建立分类阈值的梯田提取方法,梯田提取精度为91.20%,相较于以单植被指数的分类方法精度提高18.60%。研究基于无人机影像的多尺度分割的面向对象方法可适用黄土丘陵区梯田的提取,尤其采用综合植被指数可以显著提高分类精度。

以陕北地区典型乡村——榆林市米脂县高西沟村为例,探究其在水土保持措施下土地利用景观格局变化及驱动因素,对黄土丘陵区水土保持、景观格局优化、美丽乡村建设和生态可持续发展具有指导意义。基于高西沟1986年、2004年、2022年遥感影像,借助ArcGIS、ERDAS和FRAGSTATS等软件,运用动态度、转移矩阵、景观格局指数对土地利用变化进行分析,并对其驱动因素展开探讨。结果表明:(1)林地和草地是高西沟的主导地类,约占区域总面积的80%,耕地、未利用地呈减少趋势,水域和建设用地无较大变化;土地利用综合动态度逐渐降低,土地利用变化趋于平稳。(2)研究区林地转入面积最为显著,主要由耕地转入,林地整体增加112 hm²;而耕地主要由草地转入,未利用地则向草地转出。(3)林地为高西沟土地利用景观格局中的最大优势斑块,且破碎程度最高,研究区各景观类型斑块形成较为稳定的连接,景观连通性较好;整体景观格局演变分散,各景观类型的面积差距越来越大,优势景观明显,整体破碎程度高。(4)高西沟土地利用变化受水土保持、产业结构和相关政策影响。水土保持是高西沟耕地减少、未利用地开发和林草大面积增加的主要驱动因素,产业结构调整和国家政策与财力资助是高西沟土地利用景观格局优化的辅助影响因素。

为评价小浪底库区30年来土壤侵蚀特征及其影响因素,基于RUSLE模型,估算小浪底库区1990—2020年土壤侵蚀模数,分析土壤侵蚀时空变化特征,并结合地理探测器定量分析植被覆盖度、土地利用类型、海拔、坡度和降雨量等影响因子对土壤侵蚀格局的影响。结果表明:(1)小浪底库区土壤侵蚀模数从1990年的3 150 t/(km²·a)下降至2020年的1 554 t/(km²·a),土壤流失总量减少50.00%。高等级土壤侵蚀持续向低等级侵蚀转变,从1990—2020年,剧烈、极强烈、强烈、中度和轻度侵蚀面积分别下降53.92%,64.51%,55.65%,39.68%和3.28%,而微度侵蚀面积则上升41.13%。现阶段土壤侵蚀强度以微度侵蚀为主,其次是轻度侵蚀,两者分别占总侵蚀面积的60.02%和24.08%。(2)小浪底库区严重的土壤侵蚀主要分布在库区西南部(平陆县、陕州区)、东南部(济源市、孟津县)和中部(垣曲县)等人类活动集中的部分地区,但在时空上呈收缩聚集的特征。(3)植被覆盖度与土地利用类型对小浪底库区土壤侵蚀强度的解释力高于其他因子,植被覆盖度最高可解释42.09%的土壤侵蚀,土地利用类型最高可解释28.64%的土壤侵蚀,双因子的协同作用增强对土壤侵蚀的解释力。低海拔(＜718 m)、缓坡(8°~16°)地区由于人类活动可及性高,植被覆盖度较低是土壤侵蚀的高风险区,可加强这些区域的生态恢复及水土 保持措施建设。

为探究宁夏引黄灌区生态承载力和可持续发展情况,基于生态足迹法,通过生态服务价值当量对生态足迹模型中的通用均衡因子和产量因子进行本地化,定量评价引黄灌区2010—2019年不同土地利用生态承载力状况,并将生态承载力结果与通用因子计算结果进行对比分析,结果表明:(1)优化后均衡因子的 平均值为水域(11.735)＞林地(1.561)＞草地(0.901)＞耕地(0.785)＞建筑用地(0.073)＞未利用地(0.027),产量因子均值为耕地=建筑用地(1.701)＞水域(1.681)＞林地(1.680)＞草地(0.684),较好地反映宁夏引黄灌区生态系统提供生产服务的能力和国家水平的差异。(2)2010—2019年,宁夏引黄灌区生态承载力和生态足迹的总体变化趋势是先下降再提高,生态足迹始终小于生态承载力。(3)研究区内人均生态承载力一直在提高,生态盈余不断扩大,生态质量不断提高。宁夏引黄灌区生态承载力和生态足迹的研究,为区域的生态建设提供理论支持,对于以点带面助推黄河流域生态保护和高质量发展具有重要意义。

为揭示宁夏绿洲平原蒸散水文过程演变引起的区域耗水变化规律,在谷歌地球引擎平台下,利用2001—2020年的MOD16A2蒸散数据,基于Sen趋势度、重新标度极差分析、多元回归残差分析等时空分析手段,对宁夏绿洲平原蒸散时空演变特征开展研究,并分析其驱动因素。结果表明:(1)2001—2020年间,宁夏绿洲平原的年平均蒸散量为355.37 mm,且呈6.75 mm/a的增加趋势(p＜0.01),其中,耕地的年蒸散为443.50~605.47 mm,明显高于区域平均蒸散;同时,多年平均蒸散远高于同期降水量,故维持绿洲生态系统平衡需要大量引黄灌溉水源。(2)宁夏绿洲平原蒸散在空间上有一定的异质性,并与地表覆盖类型差异有关,表现出耕地区高、草地和城市建成区低的规律。(3)宁夏绿洲平原有77.60%的区域其蒸散呈显著增加,但2020年后将有93.90%的区域蒸散变化趋势将发生逆转。(4)人类活动强烈地驱动宁夏绿洲平原蒸散的增强,其中,人类活动协同气候变化共同正向驱动的区域占53.96%。(5)蒸散的逐渐增强,导致宁夏绿洲平原流域内的水分亏缺显著,即供给生态系统光合生产以及回补土壤储水在减少。综上,近些年,宁夏绿洲平原的人为垦殖活动显著增强生态系统的耗水量,给区域水资源供给带来压力,未来应控制合理的农业垦殖力度并加强农业结构调整,以减缓水资源压力。

为研究坝上地区人工林土壤水势动态,以结缕草(Zoysia japonica)为对照,选取坝上地区典型人工林小叶杨(Populus simonii Carr.)和樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica),研究其生长季不同时间、空间土壤水势和变异系数及晴天和降雨下土壤水势变化。结果表明:(1)人工林和草地土壤水势变化趋势相同,在生长季前期和后期土壤水势较高,中期土壤水势进入波动下降期,但不同植被进入波动期时间不同,樟子松晚于小叶杨和结缕草。小叶杨、樟子松、结缕草土壤水势最低值分别出现在70,10,30 cm处,最低值分别为-1 257.24,-747.97,-830.11 kPa。小叶杨、樟子松和结缕草土壤水势变异系数最大值分别在9月10 cm、7月10 cm、7月30 cm处,其值分别为-155.9%,-208.0%,-183.6%。总体上,变异系数生长季中期大于前期和后期,表层大于深层。(2)晴天人工林和草地土壤水势差的最大值与日均温度之间存在显著的相关关系,随着日均温度升高,水势差最大值也增大。典型晴天大气温度在日内上下波动,土壤水势呈现滞后波动,在生长季浅层土壤最为明显。(3)不同降雨量与土壤水势差呈现相关关系,随着降雨量升高,土壤水势差也随之升高。典型降雨事件下,中雨和大雨剖面土壤水势迅速上升,小雨事件下主要呈现波动变化。从不同植被来看,草地土壤水势较人工林波动更为剧烈。综上,生长季樟子松土壤水势进入波动期最晚,波动幅度最大。而土壤水势对于大气温度和降雨的响应方面,结缕草最为敏感。研究结果对于指导当地人工林建设与水资源高效管理具有重要意义。

陕西汉江流域是"南水北调"中线工程的主要水源地,属于国家重点生态功能区。研究流域内景观格局的时空变化特征、生态系统服务价值和景观生态风险的相关性,对保持流域内生态系统稳定性、保障流域生态安全具有指导意义。基于2000年、2005年、2010年、2015年、2020年陕西汉江流域5期土地利用数据,采用景观格局指数计算、生态系统服务价值评估、景观生态风险评估等方法,研究景观格局变化下生态系统服务价值、景观生态风险的时空演变机制及空间相关关系。结果表明:(1)2000—2020年,流域内景观格局斑块破碎程度降低、异质性和连通性减弱、多样性增加,各地类景观向复杂化方向发展;(2)研究时域内,研究区ESV总体增加5.23亿元,气候调节价值最高,占比41.70%,以较低和中等价值等级为主,占比约61.62%;(3)研究时域内,研究区ESR整体呈小幅减少趋势,降幅1.40%,以较低和中等生态风险等级为主,占比约61.55%;(4)陕西汉江流域生态系统服务价值与生态风险之间存在显著负向空间相关性。景观格局变化使陕西汉江流域生态系统服务功能升高,生态风险降低,两者空间自相关性减弱。

为深入分析流域水沙变化特征及其驱动因素,揭示水沙变化机理机制。以赣南濂水流域为研究区,基于1965—2020年的水文气象数据和土地利用数据,在年尺度和场次暴雨尺度,利用Mann-Kendall检验法、累积距平法、水沙关系曲线、经验统计分析法等,分析水沙变化特征,建立不同时期水沙关系,并定量评估降雨变化和人类活动对水沙变化的贡献率。结果显示:(1)在年尺度,流域径流深、输沙量分别呈非显著下降和极显著上升趋势,突变年份分别为1998年和1995年。(2)与基准期相比,变化期不同时间尺度的径流深和输沙量波动更大,且水沙相关性均增强,表征外界人为干扰的参数(a)和河流本身输沙能力的参数(b)均增大。(3)在年尺度和场次暴雨尺度,降雨变化和人类活动对径流减少的贡献率分别为-1.1%,101.1%和30.2%,69.8%,对输沙增加的贡献率分别为0.5%,99.5%和-2.0%,102.0%。研究成果可为流域的水沙合理调控及生态可持续发展奠定基础。

为探讨红壤侵蚀区不同植被类型下土壤磷素有效性,选取福建长汀红壤丘陵生态系统国家定位观测研究站的裸地(CK)、针叶林(CF)、针阔混交林(CB)以及阔叶林(BF)4种植被类型,分别测定其铁氧化物、各级磷素形态,并采用高通量测序技术对解磷菌(PSM)进行测定。结果表明:随着植被类型的转变,中等活性磷含量增加,低活性磷含量总体上减少,游离态氧化铁(Fe_d)含量逐渐减少。土壤中解磷菌的丰富度和多样性随植被类型的转变增加。在门分类水平上,优势类群主要有变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、异常球菌—栖热菌门(Deinococcus-Thermus)等。变形菌门和酸性磷酸酶的含量随植被类型的转变总体呈现出增加趋势,变形菌门与ACP呈极显著正相关。综上所述,随着植被类型转变,稳定态磷逐渐向可利用态磷转化,土壤潜在磷源增加;游离态氧化铁含量的减少有利于有机磷的解吸和矿化,进而增加磷的有效性;解磷菌群落结构与多样性变化会受到土壤理化性质的影响,解磷微生物可通过分泌酸性磷酸酶的方式水解有机化合物并降解固定在土壤的无机磷,进而提高磷的有效性。

为探究贵州表层土壤有机质的空间变异特征及其主要影响因素,使用贵州省第二次土壤普查资料中193个土壤剖面数据,结合贵州省气象资料、土地利用类型图及土壤类型图等资料,运用地统计学和多元回归分析各因素对表层土壤有机质空间变异的解释能力。结果表明:(1)贵州省表层土壤有机质含量范围为0.05%~36.68%,平均含量为5.23%±4.96%,变异系数为94.90%;(2)表层土壤有机质在空间分布上表现出东北部高,西南部较低的格局;(3)半变异函数分析表明,贵州省土壤有机质主要受自然因素影响,海拔、CEC、耕作方式和土壤质地对表层土壤有机质含量变异的综合解释能力为35.9%,海拔作为最重要的影响因素能独立解释其变异的25.6%,CEC和耕作方式分别能解释11.3%,7.4%。贵州表层土壤有机质与年均气温呈负相关关系,与海拔呈正相关关系。研究区表层土壤有机质的分布与碳酸盐岩分布面积比例存在相关关系,整体上,随着喀斯特分布面积比例增大而受自然因素影响增大。喀斯特分布面积比例为0~10%区域主要受农业耕作施肥等人类活动的影响,11%~30%区域主要受海拔影响,31%~50%区域受年均温和CEC影响,51%~100%区域受到海拔、年均温、降水、CEC和pH等自然因素的综合影响更大。研究结果有助于定量化认识贵州的土壤有机质空间分布,为该地区土壤肥力调控和生态管理提供科学依据和资料参考。

对人类活动量化中考虑区域生态条件的差异,基于季节尺度,利用潜在NPP与实际NPP计算HAII,选取植被类型、高程、坡度等7个自然因子与HAII进行空间分异探测分析,以更细的季节尺度揭示多因子的影响规律。结果表明:在描述青藏高原人类活动对植被NPP的空间分异影响方面,HAII的解释力与显著性均优于人类活动值,其解释力最高为0.714。在多因子影响植被NPP空间分异方面,自然与人为因子均表现出明显季节差异,夏季人类活动解释力最高,春、秋季减弱,冬季则主要受自然因子影响。其中,坡度、温度、法向直射辐射量与散射辐射量在春、秋、冬季表现出单一的驱动影响,植被生存条件较好的夏季,因子出现明显拐点,降水因子的限制阈值随季节变化。因子交互作用中,人类活动、降水、气温及植被类型4个因子之间产生的交互作用是影响青藏高原NPP的主要驱动力。综合人类活动及多个自然因子,在青藏高原植被生态工程建设中,需主要考虑人类活动、降水、气温及植被类型4个因子,各季节主导因子不同。在干旱少雨地区,人类活动应被重点考虑。研究结果可为不同植被生境条件下的区域提供生态系统管理的参考依据。

为探讨微生物诱导碳酸钙沉淀技术(microbially induced calcium carbonate precipitation, MICP)和植物技术对污染矿区的固化效果。利用纺锤型赖氨酸芽孢杆菌(Lysinibacillus fusiformis)、碱蓬(Suaeda salsa)、红砂(Reamuria songarica)开展干旱半干旱高风蚀区尾矿污染固化试验。通过植物根系拉力及根—土复合体抗剪强度表征污染矿区响应效果。结果表明:MICP处理后红砂、碱蓬2种植物根系抗拉力分别增加59.9%,19.7%,抗拉强度分别降低7.4%,22.5%。较MICP处理前,100 kPa下红砂、碱蓬复合体抗剪强度分别提高62.7%,45.9%;200 kPa下分别提高130%,122%;300 kPa下分别提高26.8%,30.6%。胶结后,红砂、碱蓬根系中的半纤维素、纤维素、木质素的含量显著增加(p＜0.05),红砂根系分别增加64%,74%,153%;碱蓬根系分别增加24%,46%,95%。综上,MICP协同植被为干旱半干旱高风蚀尾矿区污染修复提供高效途径,研究结果对实现矿区自然环境改善,加速矿区的生态修复具有重大意义。

基于"十三五"期间(2016—2020年)滇池外海晖湾中、罗家营、观音山东、观音山中、观音山西、白鱼口、海口西和滇池南等8个采样点位底泥中7种重金属监测值,利用地质累计指数法及潜在生态危害指数法等评价方法,对重金属进行污染特征分析及生态风险评价。结果表明,As、Hg、Cr、Pb、Cd、Cu和Zn平均含量对比云南省土壤背景值分别超标0.46,4.70,0.47,0.73,3.47,1.17,1.13倍,且时空分布存在差异性。时间变化上,As、Cd、Cu、Zn含量总体呈下降趋势。空间分布上,As、Hg、Cr和Pb含量高值集中在滇池外海南部水域,Cd和Cu在东部水域较高,Zn含量则呈现北高南低的趋势。地质累计指数法和潜在生态危害指数法评价表明,8个点位中滇池南、晖湾中和观音山西重金属污染程度较高,潜在生态风险也较高,引起污染累积以及潜在生态风险的指标主要为Hg、Cd和Cu。重金属来源分析结果显示,As、Hg、Cr、Pb具有相似的污染来源,初步推断为工业污染源;Cu和Cd主要来自农业污染源。

为探明不同栽培措施下全膜覆土穴播种植对不同基因型冬小麦生产的土壤水分状况、产量和品质的影响,为旱作冬小麦覆膜适水种植与农业绿色可持续高质量生产提供依据。采用普通聚乙烯地膜覆土穴播(PE)和生物降解地膜全膜覆土穴播(BM)2种覆盖材料种植方式,以传统露地穴播(LD)为对照,研究不同栽培措施对冬小麦土壤水分状况、产量、水分利用效率和主要品质的影响。结果表明,在干旱气候和作物耗水影响下,地膜覆盖处理较LD降低0—300 cm土层土壤平均含水量,BM较PE显著降低0—300 cm土层土壤水分。冬小麦全生育期耗水量BM较LD和PE分别增加22.0,23.0 mm,全生育期土壤水分消耗量BM＞LD＞PE。"陇鉴110"2个种植季地膜覆盖均较露地栽培显著增产;2018—2019年种植季,"陇鉴111"PE、BM较LD分别增产40.3%和29.7%,2019—2020年种植季,受严重倒伏影响PE、BM较LD分别减产2.5%,3.5%。与LD相比,地膜覆盖降低冬小麦籽粒品质,BM较PE极显著提升面团稳定时间和形成时间,"陇鉴110"籽粒平均蛋白质含量、湿面筋含量和弱化度分别较"陇鉴111"增加10.6%,11.1%,10.3%。因此,生物降解地膜覆盖可 起到与聚乙烯地膜类似的蓄水保墒功能,但在旱作区冬小麦生产中,生物降解地膜覆盖要依据品种耗水特性及地膜栽培适应性,选择适宜的品种。

酚酸类物质对植物产生明显化感作用,威胁植物生长和加工产品质量。以栝楼(Trichosanthes kirilowii Maxim.)为研究对象,通过室内盆栽试验,在土壤中添加3种不同浓度(0,50,100,150,200 mg/kg,分别为CK、T1、T2、T3、T4)的对羟基苯甲酸(pHBA)、苯甲酸(BA)、肉桂酸(CA)处理液,研究酚酸对栝楼生理和土壤特性的影响,阐明酚酸化感作用的强度和规律。结果表明:(1)T1浓度pHBA能够促进栝楼根系伸长,根鲜重增长率可达19.25%;BA影响栝楼生物量的积累,T4浓度下可抑制鲜重和根鲜重至CK的35.17%和58.38%;T4浓度下CA对株高和根长的抑制效果最为明显,最大降幅达到66.19%和63.13%。(2)高浓度pHBA能降低根系活力,最大抑制率为33.55%;BA对根系活力的化感效应与浓度呈正相关,最大抑制率为47.41%。3种酚酸对蒸腾速率的作用效果略有不同,但高浓度下均表现为抑制作用。(3)pHBA与CA提高SOD、POD活性,下调CAT活性;BA使SOD、POD、CAT活性都被抑制,分别降低47.42%,59.07%,45.43%; 3种酚酸胁迫下栝楼膜脂过氧化程度都加剧,但随胁迫时间延长,其损伤得到缓解。(4)酚酸胁迫打破土壤微生物结构平衡,土壤中脲酶与蔗糖酶活性对其表现更为敏感,并促使微生物结构从"细菌型"向"真菌型"转变。3种酚酸相较之下,苯甲酸对栝楼的化感效应程度最深,对羟基苯甲酸次之,肉桂酸最弱。降低土壤中酚酸含量有利于缓解栝楼种植过程的化感效应,增强栝楼的生存能力,进而提升栝楼产量与品质。

为探究不同灌水技术下水氮耦合对山地苹果产量、品质及水氮利用的影响,采用三因素三水平正交试验,共设3种灌水技术(涌泉根灌(S)、陶瓷渗灌(P)和地表滴灌(D))、3个灌水量(高水(H₁)、中水(H₂)和低水(H₃))、3个施氮量(高氮(N₁)、中氮(N₂)和低氮(N₃)),共9处理,每个处理重复3次。分析山地苹果产量及水氮利用效率对不同灌水技术下水氮调控的响应规律。结果表明:灌水技术对单果重、维生素C和果实色泽有显著影响(p＜0.05),灌水量和施氮量对苹果的产量、单果重、硬度、色泽、可溶性固形物、可滴定酸、可溶性糖、维生素C、糖酸比、氮肥偏生产力和灌溉水利用效率影响显著(p＜0.05)。T₂处理(SH₂N₂)山地苹果 产量(30 490.02 kg/hm²)最大,T₅处理(PH₂N₃)氮肥偏生产力(104.66 kg/kg)最大,T₉处理(DH₃N₂)灌溉水分利用效率(70.81 kg/m³)最高。主成分分析表明,不同灌水技术下水氮耦合的最优模式为涌泉根灌、中等灌水量(65%~80% θ_f)、中等施氮量(400 kg/hm²)组合(T₂)。研究结果可为陕北山地苹果的水氮管理提供科学的理论依据及技术支撑。

对砒砂岩区各主要灌木树种根系形态进行定量研究,探究哪种水土保持植物可以有效地抵抗砒砂岩区的复合型侵蚀,以该区分布较广的灌木树种沙棘(Hippophae rhamnoides L.)、酸枣(Ziziphusjujuba M.)、连翘(Forsythia suspensa V.)、文冠果(Xanthoceras sorbifolium B.)、黄刺玫(Rosaxanthina L.)和蒙古扁桃(Amygdalus mongolica R.)单株个体为研究对象,对其根系分布范围、几何形态,拓扑指数、单根力学特性,降维进行综合分析,筛选出在砒砂岩地区固土效果较好的灌木植物。结果表明:(1)文冠果和连翘以倾斜根为主,沙棘、酸枣、黄刺玫和蒙古扁桃以水平根为主;细根长文冠果(2 368.54 cm)＞沙棘(1 746.12 cm)＞黄刺玫(1 463.15 cm)＞蒙古扁桃(1 162.81 cm)＞酸枣(928.69 cm)＞连翘(817.45 cm);文冠果拓扑指数0.54且根系呈叉状分支结构;连翘拓扑指数0.71且呈鱼尾型分支结构。(2)根系平均抗拉强度文冠果(30.45 MPa)＞黄刺玫(18.21 MPa)＞连翘(17.03 MPa)＞蒙古扁桃(16.62 MPa)＞酸枣(16.34 MPa)＞沙棘(15.35 MPa)。基于主成分分析法对不同灌木树种根系固土效应进行对比,其中,文冠果的综合主成分指标最高达到2.28,则综合固土效果最好。研究结果可为砂岩地区选出适宜的土保持灌木,同时为灌木林的可持续发展提供理论参考。

为探讨长期不同施肥与耕作条件下土壤与径流中氮磷化学计量关系变化。在紫色土坡耕地设5个处理:顺坡耕作无施肥(对照,CK)、顺坡耕作+化肥有机肥混施(T1)、顺坡耕作+单施化肥(T2)、顺坡耕作+1.5倍单施化肥增量(T3)和横坡耕作+单施化肥措施(T4),每个处理均设3个重复,分析2008—2017年土壤总氮(TN_S)、总磷(TP_S)含量与化学计量TN_S∶TP_S,以及83场产流事件径流总氮(TN_W)、总磷(TP_W)浓度及化学计量TN_W∶TP_W的变化特征。结果表明:CK处理TN_S、TP_S含量与T1处理差异不显著,但显著低于T2、T3、T4处理,主要是因为化肥施用显著提高土壤氮磷含量。各处理间TN_S∶TP_S无显著差异,其平均值为3.55~4.79,CV值为0.39~0.94,表明施肥对于多年间土壤氮磷比并无显著影响。CK处理的TN_W浓度显著高于其他施肥处理;T1处理TN_W浓度与T2处理差异不显著,但显著高于T3、T4处理。CK处理TP_W浓度与T2、T3、T4处理差异不显著,但显著低于T1处理。CK处理的TN_W∶TP_W显著高于各施肥处理,而各施肥处理间TN_W∶TP_W差异不显著,各处理平均值为25.48~56.83,CV值为1.11~1.80,均属于强变异,施肥显著降低径流氮磷比,并稳定次降雨事件间的差异。年平均TN_W与TN_S、TN_W与TN_S∶TP_S、TP_W与TN_S、TP_W与TN_S∶TP_S之间均呈显著线性正相关,径流N流失浓度受土壤N含量的显著影响,但年平均TN_S∶TP_S与TN_W∶TP_W关系不显著。施肥与耕作可解耦土壤与径流氮磷化学计量关系,研究结果可为农业面源污染防治提供理论依据。

为探求不同覆膜方式及滴灌带布设对作物产量及收获系数的影响,设置不同滴灌带间距(A1:1 m;A2:0.5 m)与覆膜方式(M1:全覆盖;M2:半膜覆盖),通过2年田间试验研究其对根区土壤水氮分布均匀度(CU_w, CU_N)及春玉米根冠生长及产量的影响。结果表明:膜下滴灌条件下,根区土壤含水率与其分布均匀度具有一致性;高频滴灌施肥虽提高根区土壤NO₃^-含量却降低其分布均匀度,表现出不一致性。提高土壤水、氮分布均匀度未显著影响作物根长密度,但增加地上部叶面积,从而降低作物根冠面积比。相比滴灌带布设,覆膜方式对春玉米产量和收获系数的影响更为显著。低频灌溉条件下,全膜覆盖处理提高春玉米根区土壤水分和NO₃^-含量及均匀度,其作物产量较部分覆膜处理提高37.4%;而高频灌溉下,部分覆膜处理的作物产量较全膜覆盖处理提高7.7%。当根表面积与叶面积之比(RSA/LA)趋于4时,作物产量和收获系数最高,RSA/LA过高或过低均会降低作物产量和收获系数。综合考虑作物产量、收获系数和滴灌带成本,低频灌溉下建议选择A1M1处理,高频充分灌溉条件下建议选择A1M2处理。

为探明喀斯特坡地改为梯田后土壤水分的变化特征,以典型喀斯特坡地橘园和梯田橘园为研究对象,对不同深度土层(0—70 cm)土壤含水量进行1年 (376天)的连续监测。结果表明:(1)梯田橘园平均土壤含水量(32.64%)与坡地橘园(33.05%)差异很小,梯田橘园表层(0—10 cm)土壤含水量(43.35%)显著高于坡地橘园(34.24%),两者土壤水分均呈现旱季变化相对平缓、雨季波动较为剧烈的变化规律,梯田橘园表层土壤含水量与下层有明显差异,而坡地橘园各土层土壤含水量差异较小。(2)不同雨量的降雨事件中,梯田橘园各土层含水量总体增长幅度较坡地橘园大;停雨后24 h内,梯田橘园表层土壤含水量的衰退速度较坡地橘园慢,但停雨后1周内,梯田橘园各土层含水量衰退速度总体较坡地橘园快。(3)梯田橘园与坡地橘园的平均相对可利用水分分别为0.37与0.38,与非喀斯特地区相比,梯田在喀斯特峰丛洼地的保水效果相对不明显。研究结果可为定量评价喀斯特地区坡改梯措施的保水效益提供一定的科学依据。

为探究土壤基质驱动下桉树人工林施肥措施对地下水体的影响,以短轮伐期内不同林龄桉树(1年、2年、3年、5年)表层土壤(0—20 cm)为研究对象,采用室内填土土柱模拟基质入渗驱动下铵态氮、硝态氮、总溶解态氮和溶解态有机氮的淋失过程,分析基质入渗特征参数与不同形态的溶解态氮淋失过程的变化关系及其影响因素。结果表明:(1)桉树表层土壤基质稳定入渗率和累积入渗量随林龄的增大呈增加—降低—增加的趋势,其中,2年生桉树表层土壤的稳定入渗率(143 mm/h)和累积入渗量(279 mm)最高。(2)不同形态溶解态氮淋失浓度在淋失开始时达到峰值,并随基质入渗率的降低而逐渐减小,且基质入渗率与不同形态溶解态氮淋失浓度的变化关系可用线性方程表示。(3)硝态氮和溶解态有机氮是桉树人工林表层土壤氮淋失的主要形态,砂粒含量增加促进氮淋失,而黏粒和有机质含量增加抑制氮淋失。同时,淋失初期铵态氮淋失浓度高于地下水质控制范围,是污染桉树人工林地下水水质的潜在威胁。综上,土壤基质入渗是桉树人工林表层土壤氮淋失的重要驱动因素,两者变化趋势一致并存在线性关系,同时,土壤砂粒、黏粒与有机质含量也是影响桉树人工林地表层土壤氮淋失的重要影响因素。

为探究增效助剂对四川旱地小麦的减氮效应,设置空白对照(CK0)、常规施氮不追肥(CK1,施氮量187.5 kg/hm²)、常规施氮量下底追比6∶4(CK2,施氮量187.5 kg/hm²)、增效助剂拌常规复合肥,减氮20%(jf—20%),减氮30%(jf—30%)、增效助剂螯合脲甲醛减氮20%(jn—20%),减氮30%(jn—30%),减氮40%(jn—40%)、增效助剂螯合脲甲醛肥+卵磷脂有机肥3 000 kg/hm²减氮27%(jny—27%)等9个处理,分析测定不同处理下土壤氮素动态、小麦叶绿素含量、叶面积指数动态,生长速率、氮素积累与转运、产量及其构成、氮肥利用率等。结果表明:增效助剂处理后显著降低开花期和成熟期土壤中硝态氮与铵态氮含量,较CK1开花期降幅分别为6.8%~9.8%和8.7%~14.5%,成熟期降幅分别 为14.9%~20.8%和15.9%~20.0%。花后30天叶面积指数以jn—20%与jny—27%最高,分别较CK1、CK2提高5.3%和5.8%,jn—20%与jny—27%处理下,叶面积指数较CK1提高5.83%和5.24%;jf、jn、jny模式花后氮素积累量较CK1、CK2显著增加,幅度分别为33.7%~73.1%和29.8%~68.0%,花后氮素转运量提升幅度分别为116.1%~217.8%和 107.1%~204.0%。jf、jn、jny模式小麦开花—成熟期生长速率较CK1提高13.2%~33.8%。配施增效助剂后减氮不减产,jf—20%、jn—20%、jny—27%增产幅度为0.2%~2.9%,以jn—20%和jny—27%处理产量最高,较CK1分别增产2.6%和2.9%,但与CK1和CK2差异不显著。jn、jf、jny模式显著提高氮肥利用率与氮肥偏生产力,较CK1分别增加6.7%~24.0%和10.3%~25.8%。增效助剂通过促进养分吸收减少土壤中氮素残留来提高肥料利用率,实现减氮不减产,施用增效助剂拌肥、增效助剂螯合脲甲醛可以实现减氮20%,增效助剂螯合脲甲醛配合卵磷脂有机肥3 000 kg/hm²可实现减氮27%。

为揭示森林生态系统养分循环和水分循环对氮沉降的响应机制,以滇中高原华山松(Pinus armandii)和云南松(Pinus yunnanensis)为研究对象,开展野外氮添加下凋落叶、枝原位分解研究试验,设置对照、低氮、中氮和高氮共4个处理,利用尼龙网袋法和室内浸泡法,探究凋落叶、枝养分元素残留率、持水量和持水率及吸水速率对氮添加的响应。结果表明:(1)随着分解时间的持续,2种林分凋落叶、枝碳(C)、氮(N)、磷(P)分别呈释放、富集—释放、富集过程,凋落叶C、N、P残留率显著小于凋落枝(p＜0.05);(2)凋落叶最大持水量和最大吸水速率显著大于凋落枝(p＜0.05),分解24个月时,与CK相比,LN处理下2种林分凋落叶、枝C,华山松凋落叶N残留率降低1.98%~7.27%,10.79%,HN处理下2种林分凋落叶、枝C,华山松凋落叶、枝和云南松凋落枝N,华山松凋落枝P残留率则增加4.26%~9.08%,11.94%~44.51%,42.42%;(3)分解24个月时,与CK相比,LN、MN和HN处理华山松凋落叶、枝和云南松凋落叶最大持水量和最大吸水速率分别降低11.44%~25.24%,5.81%~32.23%,云南松凋落枝则增加15.48%~24.26%,17.97%~23.74%。 (4)2种林分凋落叶、枝持水量随浸泡时间延长而增加,而吸水速率则为降低,持水量与浸泡时间的关系均呈对数函数关系(m=a+bln t),吸水速率与浸泡时间的关系呈幂函数关系(v=at^-b)。(5)C与云南松凋落枝持水性呈正相关关系(p＜0.05),N与华山松凋落枝、P与华山松和云南松凋落叶持水性呈负相关关系(p＜0.05)。综上,氮添加通过改变凋落物分解过程中C、N、P养分元素残留特征进而影响其持水性。

为探究不同类型外源碳长期施用对耕层灰漠土土壤碳储存及固碳潜力的影响。通过田间定位试验设置秸秆不还田处理,即NPK处理(CK);NPK+1.5 t秸秆(NPKS);NPK+1.5 t有机肥(NPKM);NPK+1.5 t棉秆炭(NPKB1);NPK+3.0 t棉秆炭(NPKB2),选取2013—2021年采集的土壤为研究对象。对耕层灰漠土土壤容重(BD)、有机碳密度(SOCD)、有机碳累积速率、有机碳储量(SOCR)和施用年限与有机碳储量之间相关性进行分析。经过9年定位试验结果表明:(1)从2013—2021年BD变化趋势来看,施用NPKS、NPKM、NPKB1、NPKB2与NPK相比,均呈现降低趋势,与NPK相比平均分别降低1.84%,0.86%,5.03%,6.66%。(2)相比NPK,NPKS、NPKM、NPKB1、NPKB2处理中土壤SOCD提升幅度平均分别为12.21%,11.04%,24.14%,46.95%,其中,棉秆炭提升效果显著;累积速率分别提高73.16%,66.95%,133.52%,247.18%。(3)NPKS和NPKM处理相比SOCR增幅分别为11.67%~30.88%,12.2%~33.24%;NPKB1和NPKB2处理SOCR提升效果最为显著,相较于2013年最高提升幅度分别为29.28%,45.44%。 综合来看,秸秆还田、施用有机肥和棉秆炭均是提高灰漠土土壤碳储量的有效措施,其中,添加施棉秆炭处理更有利于灰漠土短期快速提高土壤有机碳固存,棉秆炭自身含有丰富的营养物质,长期添加棉秆炭提高土壤碳固存以及改善土壤肥力、缓解温室效应,从而作为实现碳中和的一种有效途径。

为探究侵蚀退化红壤马尾松林恢复过程中林下芒萁对土壤微生物生物量碳氮月动态及其周转的影响,以不同恢复年限的马尾松林为研究对象,对比分析马尾松林恢复过程中林下保留芒萁、去除芒萁处理和林下裸地土壤中12个月的土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)含量及其周转速率、周转时间和流通量,并分析其与土壤理化性状的关系。结果表明:(1)保留芒萁覆盖处理的MBC和MBN平均含量分布比林下裸地提高26.99%~277.31%和13.54%~173.39%,而去除芒萁处理分布比保留芒萁处理降低12.29%~27.01%和5.02%~28.45%,差异均随恢复年限呈先降低后增加的趋势。(2)所有处理的土壤微生物量碳氮季节动态均表现为春夏季较高,秋冬季较低的趋势,进入生长季前的土壤微生物量碳氮含量更能反映该地区的平均水平。(3)在退化马尾松林恢复过程中,芒萁覆盖降低土壤微生物生物量碳氮周转速率,增加周转时间,提高土壤微生物生物量碳氮含量和流通量,促进土壤有机质的积累和养分释放。相关分析和逐步回归分析表明,MBC、MBN流通量分别与DOC、DON呈显著正相关,周转速率分别与铵态氮(NH₄⁺-N)和TN呈显著负相关,表明土壤碳和氮及其有效性是影响土壤微生物量周转的关键因素。

为揭示不同固沙林模式恢复过程中主要养分含量变化关系与差异特征。以榆林毛乌素沙区半固定沙地以及恢复25~56年的人工灌木和乔木林地为对象,测定和分析从枯落物层到腐殖质层,再到矿质土层碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其化学计量比随恢复年限和连续体剖面的动态变化特征及相关关系。结果表明:不同恢复年限2种林地C、N、P含量及其化学计量均表现为枯落物层＞腐殖质层＞矿质土层。但随林地恢复年限延长,2种林地枯落物、腐殖质及矿质土层C含量均显著增加,到恢复56年时,分别比半固定沙地平均增加1.76,35.70,6.45倍;P含量在腐殖质层和矿质土层中显著增加,平均增幅分别为1.67,2.11倍;N含量仅在矿质土层显著增加,平均增幅为4.16倍。2种林地化学计量变化则表现为,随恢复年限延长,腐殖质层C∶N呈显著增加趋势,到恢复56年时,比半固定沙地平均增长18.6倍;N∶P只在灌木连续体中显著增加,C∶P未显著变化。相关分析表明,2种林地连续体各层间C含量均达到极显著正相关,矿质土层C与N、P之间也呈极显著正相关,腐殖质层C∶N、C∶P与矿质土层C∶P均呈极显著正相关。综上,榆林毛乌素沙地植被恢复过程中,枯落物—土壤连续体C含量为协同增长,N、P含量仅在矿质土层中增长明显,C∶P是连续体中相对平衡稳定的化学计量特征。

为研究不同用量钙镁水滑石对镉污染稻田土壤特性、双季稻产量与稻米镉积累的影响,探讨镉污染双季稻田钙镁水滑石的最佳施用方式。2021年,以早稻品种"湘早籼45号"和"陆两优996",晚稻品种"创两优669"和"玉针香"为试验材料,在湖南省郴州市良田镇重度镉污染稻田(全镉含量1.16 mg/kg)开展大田试验,比较研究钙镁水滑石(0,CK;早稻基施3 000 kg/hm²,T1;早稻基施1 500 kg/hm²,T2;早稻基施750 kg/hm²+晚稻基施750 kg/hm²,T3)4个处理下土壤特性、双季稻产量构成与植株镉积累情况。结果表明:(1)钙镁水滑石可提高土壤pH与碱解氮、速效钾、速效磷含量,早稻成熟期分别提高0~3.06%,4.30%~13.80%,6.67%~40.00%,25.53%~30.47%;晚稻成熟期分别提高1.56%~4.07%,11.79%~14.50%,15.79%~31.58%,3.73%~17.17%;增幅表现为T1＞T2＞T3。(2)施用钙镁水滑石可降低土壤有效镉含量,早、晚稻成熟期各降低5.26%~42.86%,18.19%~36.84%;降幅表现为T1＞T2＞T3。(3)糙米镉含量和成熟期植株地上部镉积累量以T1最低,T2、T3次之,CK最高,"湘早籼45号"分别降 低33.33%~44.44%,4.89%~20.76%;"陆两优996"分别降低30.00%~60.00%,6.00%~30.98%;"玉针香"分别降低27.78%~50.00%,15.93%~34.07%;"创两优669"分别降低26.67%~60.00%,12.58%~28.56%。(4)钙镁水滑石使早、晚稻产量分别提高4.11%~10.79%,1.69%~11.29%。"湘早籼45号"、"创两优669"和"玉针香"产量以T1处理最高,陆两优996产量以T2处理最高,除玉针香外,各品种T1和T2处理产量差异不显著。可见,较大的钙镁水滑石施用量对水稻的增产、降镉效果较好,但综合考虑处理间水稻产量与镉含量差异的显著性及钙镁水滑石成本,以钙镁水滑石1 500 kg/hm²较为适宜。

为探讨木醋液在重金属污染农田土壤修复应用的可行性,采用田间小区试验,研究木醋液施用对Cd污染农田中当地3个普遍种植品种小麦的生长及对重金属镉(Cd)的富集、转运及根际土壤Cd含量和形态等指标的影响。结果表明:施用木醋液显著提高各品种小麦籽粒和秸秆的生物量(p＜0.05),各品种小麦秸秆Cd分布系数提高8.91%~20.44%,而籽粒和根的分布系数分别降低13.93%~35.93%, 4.76%~18.76%;各品种小麦秸秆和根的Cd富集系数显著提高(p＜0.05),表现为C品种＞A品种＞B品种;各品种小麦Cd在根—秸秆转运系数(TF_根—秸秆)显著提高(p＜0.05),而Cd在秸秆—籽粒转运系数(TF_{秸秆—籽粒})除C品种外均显著降低(p＜0.05)。各品种小麦根际土Cd含量比种植前分别降低0.26,0.23,0.21 mg/kg,施加木醋液处理根际土Cd含量比种植前降低13.11%~16.97%。小麦种植前后土壤Cd的赋存形态差异显著(p＜0.05),可交换态和铁锰氧化物结合态显著提高(p＜0.05),有机物结合态、残渣态显著降低(p＜0.05)。因此,施加木醋液显著提高小麦各部位生物量(p＜0.05),对籽粒Cd含量影响不显著,增加根部向秸秆的转运系数,有助于小麦秸秆对Cd的积累,但不增加小麦籽粒的超标风险,可通过秸秆离田这一措施将Cd从农田土壤逐步移除。