东北黑土区农村宅基地功能转型特征与机制研究——以海伦市长华村为例

研究目的:揭示东北黑土区村域尺度农村宅基地功能转型特征与驱动机制,探寻“三权分置”制度框架下宅基地的活化利用与有效管理对策。研究方法:实地调查法和案例研究法。研究结果:(1)东北黑土区内农村宅基地的居住功能弱化,农业生产功能增强,宅基地功能由居住功能主导向居住、生产二元复合功能或农业生产功能为主导转变;(2)村域尺度内,农村宅基地功能转型的阶段特征明显,空间上表现为与中心村的距离越远,宅基地功能转型程度越剧烈;(3)在城镇化等外缘要素的影响下,乡村地域系统内人口和产业的变化共同驱动农村宅基地功能转型;(4)农村宅基地“三权分置”的制度框架下,结合农村宅基地功能组合和利用状态,引导农户选择适宜的宅基地利用方式,有利于促进宅基地利用效率提升。研究结论:东北黑土区农村宅基地功能正在经历转型过程,应根据宅基地功能转型阶段特征,深化农村宅基地“三权分置”改革,筛选适宜的宅基地利用与管理方式。

“双碳”目标下东北黑土区耕地利用生态效率时空格局与演变趋势

[目的]探究东北黑土区耕地利用生态效率的时空格局和演变趋势,将碳源与碳汇融入耕地利用过程,这对于实现黑土减排增效和“双碳”目标至关重要。[方法]基于超效率SBM模型、核密度估计、探索性空间数据分析和空间插值工具等方法,系统考察了2006—2020年东北黑土区耕地利用生态效率的时空特征与演进规律。[结果]黑土区耕地利用生态效率历经波动上升、显著下降和迅速回升3个阶段,总体处于较高发展水平,北部边缘城市的效率值明显高于中南部地区,基期和末期区间两极分化局势尤为显著,整体发展严重失衡;黑土区耕地利用生态效率全局空间相关特性并不明显,大致呈现“边缘—中心”空间扩散格局,由南北两端高值集聚向内及四周递减,而后形成多个块状高值区和低值分布带,规模集聚优势未能得到充分发挥;多数城市均存在不同程度的投入与产出冗余,劳动力和化肥冗余问题较为严重,碳排放冗余是造成黑土区耕地利用生态效率损失的普遍因素。[结论]优化要素配置和污染减排治理成为黑土利用重点改善方向,也是提升黑土区耕地利用生态效率的关键路径。

东北黑土区生态系统服务权衡与协同

东北黑土区作为我国最大的商品粮基地,土地退化问题日趋严峻,严重影响了生产—生态功能的协同发展。采用CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)、降水贮存量法、修正的通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)和修正的风蚀方程(Revised Wind Erosion Equation,RWEQ)量化了东北黑土区供给、水源涵养、土壤保持和防风固沙4种关键生态系统服务并分析了其时空演化特征,采用残差分析法厘定了气候变化与人类活动因素对供给服务的贡献率,从栅格尺度和县域尺度刻画了不同地区、不同主导驱动因素下生态系统服务间的权衡与协同特征。结果显示:(1)近20年东北黑土区供给、水源涵养和防风固沙服务量总体上小幅提升,县域数量分别占96.6%、76.9%和75.4%,其中内蒙古东部和黑龙江的供给服务量、黑龙江和吉林的水源涵养量以及辽宁的防风固沙量增势明显。土壤保持量总体上小幅下降,县域数量占60.7%,特别是吉林下降趋势最明显。(2)东北黑土区供给服务变化主要受气候变化与人类活动的共同促进作用。人类活动是主导驱动因素,总体贡献率为62.65%,县域数量占76.6%。(3)东北黑土区供给与水源涵养、防风固沙之间主要表现为协同关系,约有88.67%和77.14%的县域表现为协同,而供给与土壤保持之间主要表现为权衡关系,县域数量占比为68.25%,人类活动因素加重了各服务之间的权衡作用。研究有助于明晰东北黑土区生态系统服务的主要矛盾,科学合理、有针对性的制定生态保护修复相关政策,对提升东北生态功能以及保障国家粮食安全具有重要意义。

东北黑土区部分地域除草剂在不同作物类型土壤中残留及分布特征

为了解并掌握东北部分黑土区农田土壤除草剂残留情况,本研究调查了东北黑土区6个地区170份土壤样本,共检出17种除草剂。总体来看,乙草胺检出率最高,为74.7%,氟磺胺草醚平均残留量最高,为198.88μg·kg^(-1)。从省份来看,辽宁省除草剂检出种类最为丰富,黑龙江省除草剂残留量最高。其中,铁岭市、阜新市与长春市、四平市旱田除草剂残留情况更为相似,绥化市土壤除草剂残留情况与前者差异较大。从作物类型来看,水稻田土壤除草剂检出种类更多,旱田作物除草剂残留量更高。其中,水稻田共检出11种类型除草剂,氟磺胺草醚在玉米田和大豆田中的平均残留量分别高达68.77μg·kg^(-1)和409.30μg·kg^(-1)。研究表明,地理位置和作物类型是影响土壤除草剂残留的重要因素。

东北黑土区坡耕地界定及坡度分级探索

坡耕地是东北黑土区水土流失发生的主要源地,坡耕地治理是保护黑土地、治理水土流失的重中之重。目前东北黑土区坡耕地界定及其坡度分级尚无统一定论,给黑土地研究、保护和治理带来一定困扰。结合相关标准、文献和数据资料,对水土流失动态监测成果进一步分析,提出以0.25°作为东北黑土区坡耕地临界坡度,建立了黑土区≤0.25°、>0.25°~2°、>2°~6°、>6°~15°、>15°共5级耕地坡度分级标准,建议在黑土地保护相关规划布局及水土流失精准治理中应用。

考虑碳排放约束的耕地利用生态效率时空差异与影响因素分析——以东北黑土区29个地级市为例

为保障粮食安全,促进东北黑土区农业低碳发展,推动黑土区农业绿色高质量发展和区域协同发展提供参考。以耕作过程产生的碳排放量作为非期望产出约束,利用超效率EBM模型对2007—2021年东北黑土区耕地利用生态效率进行有效测度,进一步采用Malmquist指数模型和Tobit回归模型探究考虑碳排放约束的东北黑土区耕地利用生态效率时空差异与影响因素。结果表明:①考虑碳排放约束条件的东北黑土区耕地利用生态效率整体上呈先上升后下降再上升的“N”型态势,东北黑土区四省中黑龙江省是唯一相对有效省份,29个地级市中未达到有效状态城市占72.4%;②碳排放约束条件的耕地利用生态效率损失是投入、非期望产出冗余和期望产出不足导致的,同时技术进步变化对生产率的影响更显著;③东北黑土区耕地利用生态效率受资源禀赋、环境规制水平和政府支持力度的显著影响。基于上述研究,为提高黑土区耕地利用生态效率,应考虑黑土地的自然、生产和生态特性,优化投入结构、提高农业现代化水平、制定可持续耕地利用绿色降碳减排的发展规划。

东北黑土区沟蚀研究进展与热点——基于CiteSpace计量分析

[目的]直观把握东北黑土区沟蚀研究进展与热点,推进东北黑土区沟蚀研究领域的发展。[方法]以CNKI与Web of Siencec数据库中245篇相关文献为对象,利用文献计量的方法,使用CiteSacep软件绘制东北黑土区沟蚀研究知识图谱。[结果]结果表明:(1)黑土区沟蚀研究起步较晚,近十年发文量显著增加,但国际期刊发表成果较少,仅占26%。(2)该领域研究力量主要分布在我国东北,其中水利部松辽流域委员会、北京师范大学、中国科学院东北地理与农业生态研究所、东北农业大学、沈阳农业大学等机构贡献突出、影响较大;张树文是该领域中文发文量最多的学者,刘宝元和伍永秋是英文发文量最多的学者。(3)关键词共现表明,目前对东北黑土区沟蚀的关注重点主要集中在侵蚀沟发育特征、影响因素和沟蚀防治措施等方面。[结论]东北黑土区沟蚀尚未形成完整的研究框架和全面的认识,在未来的研究中,需进一步注重东北黑土区沟蚀形成和发育过程及机理研究,并深入分析地质、地形、水文、人类活动等因素的影响。

基于高分七号影像自动提取东北黑土区侵蚀沟的方法

东北黑土区沟蚀严重且分布面积广,目前对其进行监测大多基于目视解译,自动化程度低,急需一种快速提取方法。本文选取沟蚀严重的黑龙江省宾县马蛇子河流域,基于高分七号影像,以目视解译结果为参照,比较流向边缘检测、机器学习、深度学习3种方法自动提取侵蚀沟的精度。结果表明:①流向边缘检测方法依赖高精度地形数据,高分七号立体像对生成的地形数据垂直精度低,侵蚀沟整体提取精度仅为6.7%,无法用于切沟和浅沟的自动提取;②机器学习方法需要人为设置分割参数并设计分类特征,自动化程度较低,侵蚀沟整体提取精度可达50.7%,对切沟识别精度可达83.1%,但对浅沟识别精度仅为9.2%;③深度学习方法采用端对端的模式,无须人为设计特征提取器,自动化程度高,整体提取精度可达60.8%,对切沟识别精度可达68.1%,对浅沟识别精度可达69.7%。

1960-2020年东北黑土区水蚀动力因子时空格局及其对主要大气海洋环流模式的响应

[目的]研究东北黑土区水蚀动力因子的时空格局及其对大气海洋环流模式的响应,对区域极端降水事件诱发的土壤侵蚀防治有重要意义。[方法]选用降雨侵蚀力(R)、暴雨雨量(R 50p)、极端强降水量(R 95p)、连续5日最大降水量(R 5d)表征水蚀动力因子,基于1960-2020年逐日降雨数据,采用滑动平均、小波分析、Sen斜率估计法、Mann-Kendall检验方法,分析1960-2020年东北黑土区水蚀动力因子的时空格局,解析水蚀动力因子对大气海洋环流模式的响应。[结果](1)东北黑土区的年降雨侵蚀力(R)为1145.36~3575.94(MJ·mm)/(hm^(2)·h·a),暴雨雨量(R 50p)为73.17~197.86 mm,极端强降水量(R 95p)为265.81~566.35 mm;连续5日最大降水量(R 5d)为69.67~124.95 mm。(2)东北黑土区4个水蚀动力因子在1960-2000年均呈不显著上升趋势,且均未发生整体突变,但2015年后上升趋势明显,表明研究区发生降雨侵蚀的潜在可能性增加。4个水蚀动力因子均存在以约44年为主周期,29年为小周期的周期性变化特征,并经历高低交替2次振荡过程。(3)各水蚀动力因子的空间分布均呈现南高北低,东西两侧低中部高的特征,各指标的最大值出现在长白山-完达山山地丘陵区,最小值出现在呼伦贝尔丘陵平原区。(4)东亚夏季风指数(EASMI)是对东北黑土区水蚀动力因子影响最显著的单一环流模式,北极涛动(AO)和多元ENSO-南方涛动指数(MEI)可以通过影响东亚夏季风间接影响水蚀动力因子。东亚夏季风指数-南海夏季风指数叠加(EASMI-SCSSMI)对各水蚀动力因子的影响均为最显著(ΔPSAC>5%);而东亚夏季风指数、南海夏季风指数和多元ENSO-南方涛动的大气海洋环流模式仅对降雨侵蚀力(R)影响显著(ΔPSAC>5%)。[结论]东北黑土区水蚀动力时空格局的影响因素主要包括地形、东亚夏季风和南亚夏季风等,需关注2014年后水蚀动力增强带来的潜在水蚀危害。

无人机监测东北黑土区切沟形态的最优参数配置

[目的]东北黑土区切沟侵蚀不断蚕食耕地资源,威胁我国粮食安全。无人机技术的发展为沟蚀监测提供有效手段,但获取数据分辨率越高耗时越长,如何配置无人机参数,使其既能满足精度要求又能提高航摄效率是当前需要解决的问题。[方法]选择东北漫川漫岗区的鹤北流域为研究区,以实地断面测量数据为验证值,通过评估不同分辨率、不同飞行航向及不同无人机数据提取的切沟参数精度,探究不同无人机参数配置的适用条件。[结果](1)与实测值相比,分辨率1 cm数据提取的切沟参数精度最高,所有参数的平均百分误差<5.0%,适用于典型切沟发展过程监测;分辨率3,5 cm数据提取的切沟宽度平均误差百分比<10.0%,提取的切沟深度平均误差随切沟深度变小而增大,切沟深度>1 m时,平均百分误差<10.0%,适用于区域范围快速抽样调查;8,10 cm分辨率提取的切沟深度和截面积平均百分误差>40.0%,适用于切沟分布位置和平面参数提取;(2)固定翼无人机垂直地面获取的正摄数据虽在提取切沟二维形态特征指标方面效果略好,但在三维形态特征指标方面不如多旋翼无人机倾斜摄影测量获取的数据;(3)单航向倾斜摄影测量数据提取的切沟平均深度和截面积平均百分误差是交叉双航向数据平均百分误差的1.7,1.9倍。交叉航向获取的无人机数据提取切沟参数精度更高,且细节更丰富。[结论]倾斜摄影测量和交叉双航向航测能显著提高获取的切沟三维参数精度,1~3,3~5 cm分辨率可分别用于典型切沟监测和大范围切沟侵蚀快速调查。单航向正摄摄影测量获取的5 cm以上分辨率数据适用于提取切沟位置和平面参数。

东北黑土区不同种类有机物料腐解特征及驱动因素分析

有机物料高效还田是培肥黑土的重要途径,有机物料自身性质和腐解过程中的温度是影响有机物料腐解的关键要素。寒地黑土区不同种类有机物料的动态腐解过程及腐解影响因素的研究还较少。该研究通过在东北黑土区不同积温地点布设不同种类有机物料腐解田间联网试验,研究有机物料的动态腐解特征及主要影响因素。结果表明:1)有机物料自身性质存在明显差异,其中秸秆的碳氮比最高,有机肥最低,腐解指数变化趋势与碳氮比相反。2)经过720 d的腐解,6种有机物料的累积腐解率和累积释碳率具有明显的季节性和地带性变化规律。在积温较高的夏、秋季节累积腐解率和累积释碳率高于积温较低的春、冬季节;试验地点积温越高,累积腐解率和累积释碳率越大,从积温最低的黑河到积温最高的昌图,累积腐解率和累积释碳率分别增加了15.8%~41.0%和47.8%~114.0%。不同有机物料的累积腐解率表现为作物秸秆>菌糠>畜禽粪便,累积释碳率与之相反。3)有机物料腐解的同时发生碳释放和氮富集过程,除海伦和黑河地区玉米和水稻秸秆经过720 d的腐解后碳氮比未降至25以下外,其余处理碳氮比均低于25,腐解效果较好。腐解残留率衰减方程可较好的拟合了有机物料的腐解过程,作物秸秆的腐解速率常数k(0.23~0.25)显著高于木耳菌糠(0.15)和畜禽粪便(0.08~0.13)(P<0.05)。结构方程模型表明,有机物料自身性质对腐解特征的贡献率高于试验地点的积温、腐解时间和土壤性质,是影响有机物料腐解最主要的驱动因素。

东北黑土区土壤侵蚀自然驱动因子时空分布特征

[目的]东北黑土区复合营力带来的土壤侵蚀作用明显,研究东北黑土区不同典型区间的土壤复合侵蚀自然驱动因子年内交替叠加情况,对于区域内土壤侵蚀治理具备现实意义。[方法]针对东北黑土区11个典型区域,利用气象及遥感等数据,通过分析对比不同区域水、风、冻、融作用自然驱动因子时空分布特征,阐明了各因子交替与叠加特点。[结果]在时间上,东北黑土区年内水力、风力、冻融、融雪作用驱动因子叠加交替出现,春季风力、冻融、融雪作用最为复杂,夏季以水力作用为主,秋季水力、风力、冻融复合作用有限,冬季风力、冻结作用明显。在空间上,水力驱动作用由东南向西北逐渐减小,风力作用由西南向东北逐渐减小,冻融作用由西南向东北逐渐减小,融雪作用呈现由西北向东南逐渐减小的趋势。根据侵蚀驱动因子分异特征将全区划分为水力、水力—融雪、水力—风力—冻融、水力—风力—融雪、水力—冻融—融雪侵蚀作用区。[结论]各营力表现出明显的时、空作用分异特点,根据自然驱动因子年内交替叠加情况得出了复合侵蚀驱动因子年内时空分布特征,为不同区域针对性土壤侵蚀治理、深化研究区复合侵蚀防控提供参考。

东北黑土区融雪径流侵蚀力时空分布

[目的]融雪侵蚀是东北黑土区主要土壤侵蚀形式之一,是该区土地退化的重要作用力,融雪径流侵蚀力是计算融雪径流侵蚀量的关键因子,因此研究融雪径流侵蚀力具有重要意义。融雪径流侵蚀力主要受积雪深度、辐射强度及升温速率影响,其主要驱动力包括融雪速率和地表径流作用。[方法]通过计算近31年日均融雪径流侵蚀力,分析东北黑土区融雪径流侵蚀力时空分布特征,并利用地理探测器辨析各区域融雪径流侵蚀力的主要影响因子。[结果]3个黑土亚区1990—2020年日均融雪径流侵蚀力均呈现先增大后减小态势,近些年逐步趋于稳定,多年日均融雪径流侵蚀力为0.01(MJ·mm)/(hm ^(2)·h·a);空间上多年日均融雪径流侵蚀力在0~0.21(MJ·mm)/(hm ^(2)·h·a)范围内,基本呈现中间小、四周大规律。融雪径流侵蚀力影响因子空间上表现为积雪深度北部大、南部小,太阳辐射强度呈现由西向东递减,升温速率值从北部向南部递减。通过地探测器辨析融雪径流侵蚀力影响因子作用强弱发现,升温速率对蒙东黑土亚区作用最强,而积雪深度对松嫩黑土亚区及三江黑土亚区作用最强。[结论]通过分析1990—2020年东北黑土区融雪径流侵蚀力时空特征及其影响因子,对于深化研究区融雪径流侵蚀特征及融雪侵蚀防控具有一定的理论和实践意义。

基于遥感技术的东北黑土区水土流失动态监测研究

东北黑土区是我国重要的商品粮基地,近年来面临水土流失严重、面积减小、土壤质量下降等问题,已成为目前土壤保护工作中亟待解决的重要问题。以东北黑土区2018年和2022年两期遥感影像与水土保持措施的实地调查数据作为数据源,利用目视识别法开展影像解译,并通过中国土壤流失方程CSLE进行土壤侵蚀模数的计算,对东北黑土区的水土流失变化情况及原因进行分析,结果表明:耕地、草地、建设用地、其他土地面积减少,园地、林地、交通运输用地、水域及水利设施用地面积增加,造林、种草、封育、地埂、水平阶/反坡梯田等面积共增加0.84万km^(2);对比2018—2022年东北黑土区的水土流失情况,整体呈向好趋势,土壤侵蚀面积共减少约1.01万km^(2);从侵蚀强度来看,除轻度侵蚀面积增加约0.45万km^(2)外,中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀面积分别减少约0.43万、0.24万、0.28万、0.51万km^(2);从不同省份侵蚀面积变化情况分析,内蒙古自治区东四盟的侵蚀面积减少最多,共减少约0.37万km^(2),辽宁省侵蚀面积变化最小,共减少约0.06万km^(2);耕地、建设用地等土地利用类型面积的减少,以及林地、交通运输用地等土地利用类型面积的增加,均可大幅减少土壤侵蚀面积,同时水土保持措施面积的增加也可有效阻止土壤侵蚀的发生。总体来看,东北黑土区水土流失治理效果显著,生态环境得到改善,持续进行东北黑土区水土流失治理对环境保护具有重要意义。

不同水土保持措施对东北黑土区坡耕地产流产沙的影响

坡耕地水土流失问题制约了东北黑土区农业可持续发展。通过在吉林省梅河口市吉兴小流域径流观测场布设裸地小区(对照)和自然恢复、植物埂、灌木埂、水平坑、横垄耕作、顺垄耕作6个水土保持措施试验小区,分析在相同的坡度和自然降雨条件下,不同水土保持措施对东北黑土区坡耕地产流和产沙的影响。结果表明:各试验小区的径流量和土壤侵蚀量与降雨量均呈显著的正相关关系;与裸地小区相比,水平坑和横垄耕作措施的减流减沙效益较高,其次是自然恢复、灌木埂、植物埂措施,顺垄耕作措施的减流减沙效益最低,且土壤侵蚀量高于该区域平均土壤侵蚀量。建议在东北黑土区推广应用减流减沙效益最佳的水平坑和横垄耕作措施,同时合理配套种植有经济作物的植物埂和灌木埂,不建议采用单一的顺垄耕作措施。

中国东北黑土区地表土壤含水量时空分异特征研究

土壤含水量通过影响土壤养分循环进而控制植被分布格局,量化黑土区土壤含水量空间格局对于理解土地覆被特征及生态系统小气候变化等具有重要意义。本研究以Sentinel-1A双极化合成孔径雷达影像数据为基础,辅助同时段Sentinel-2光学影像数据,基于修正水云模型对东北黑土区不同土地覆被类型下复杂地表土壤含水量进行定量反演;借助MOD11A2和MOD13A3产品计算的温度植被干旱指数,挖掘东北黑土区土壤含水量时空变化特征及其控制因素。研究结果表明,借助VV极化的修正水云模型(R^(2)=0.75,R_(e)=0.015)反演东北黑土区土壤含水量精度最高,研究区内的土壤含水量具有较强的空间分异性,整体呈现偏干旱的状态,其中旱地的干旱现象最为严重,但随着时间的变化,干旱有减轻趋势;土壤含水量变化受降雨的影响高于温度,但研究区内复杂的环境致使干旱情况并不是受单一因素控制。

东北黑土区小流域综合治理分类分级标准研究

开展小流域综合治理分类分级标准研究有助于科学管控和精准选取小流域综合治理项目,提高治理的针对性和治理效益,是制定小流域综合治理规划及防治措施的基础与前提。根据东北黑土区自然地理条件和农业生产方式,将东北黑土区小流域综合治理类型区划分为漫川漫岗型、丘陵沟壑型、风沙型、中低山地型和平原型5种;同时结合东北黑土区实际情况确定了17项指标,并明确了每项指标的分级及评分标准,以通过综合评价结果定量揭示小流域项目治理需求的迫切程度。分类分级标准的建立为更加科学地选取治理小流域项目区、因地制宜拟定水土保持综合防治措施提供了实用方法和理论依据。

东北黑土区小流域综合治理模式研究

选取适宜的小流域综合治理模式是保障小流域地区治理与发展的重要举措,有助于提高治理的针对性和治理效益。本文根据东北黑土区自然地理条件和农业生产方式,本着归纳共同性、区分差异性的原则,将东北黑土区划分为漫川漫岗型、丘陵沟壑型、风沙型、中低山地型和平原型5种小流域治理类型区。并在全面调查研究、科学系统划定东北黑土区小流域治理类型区基础上,坚持分区治理、分类施策,通过总结东北黑土区典型小流域综合治理成效,分析提出适合东北黑土区小流域综合治理的模式,以期为管理实践及科学指导推进东北黑土区小流域综合防治、合理利用黑土地提供参考。

东北黑土区侵蚀沟治理措施体系及效益分析

沟蚀是导致东北地区黑土地严重侵蚀退化、粮食产量降低的重要原因。选择沈阳市法库县慈恩寺乡农田侵蚀沟治理工程区作为研究区,根据项目区侵蚀沟分布广泛,大多为V形沟,并以中、小型侵蚀沟为主的特点,采用“先支后干、因地制宜、因害设防、适地适树”的原则,通过沟头防护、谷坊工程、沟道滩岸防护工程和林草措施对70条位于坡耕地上的发展型侵蚀沟进行治理,打造综合治理措施体系。介绍了主要治理措施的设计方案,并对综合治理措施体系产生的生态、经济和社会效益进行了分析。

1979~2020年东北黑土区气温时间变化特征

在全球气温显著升高背景下,明确各区域气温变化特征具有重要意义。本文利用NCEP/NCAR近地表月均值气温资料分析1979~2020年东北黑土区年均气温以及各月气温时间变化特征。结果表明,近42年东北黑土区年均气温为2.20℃,7月为年内气温最高月份,平均气温为20.86℃,1月为年内气温最低月份,平均气温为−19.63℃。1979~2020年东北黑土区年均气温以0.31℃/10a的速率极显著升高。本研究将为明确东北黑土区气温变化提供参考依据。