水土保持措施对黄土高原小流域重力侵蚀的调控机理研究

采用有限差分软件FLAC3D对有无植被及淤地坝的黄土高原小流域重力侵蚀机理进行探索,揭示了主要工程措施(淤地坝)和生物措施(植被)对重力侵蚀的调控机制。通过对比分析无治理措施和实施淤地坝及生态恢复治理措施条件下,小流域位移场、应力场和塑性屈服区分布,揭示了淤地坝和植被措施减缓重力侵蚀的作用。结果表明:植被可使梁峁顶处位移减9.8%,沟坡中下部位移减小11%,淤地坝只能使坝址处位移减少10%;植被可使塑性区体积减少46%,淤地坝可使塑性区体积减少11%。淤地坝增加了流域的凹形边坡,而根系加固作用改善了坡面浅层土体应力,二者均有效降低了坡面土体的应力集中,减少了塑性屈服区体积,但均未改变小流域以剪切破坏为主的屈服模式。小流域小尺度范围内,淤地坝减蚀作用强于植被,而大尺度范围内,植被减蚀效果优于淤地坝。研究成果可为小流域水土保持措施的合理配置提供科学依据。

黄土高原土壤侵蚀及综合治理研究评述

黄土高原的水土流失不仅恶化了当地生态环境,制约了农业生产的发展,而且导致黄河中下游河道严重淤积,是造成黄河中下游诸多灾害的症结所在。新中国建立以来,黄土高原的土壤侵蚀和综合治理研究取得了丰硕成果。本研究在系统回顾50多年来研究工作的成绩与存在问题的基础上,就实施西部大开发和维持黄河健康生命终极目标,提出了近期黄土高原土壤侵蚀及综合治理迫切需要研究的科学问题及优先方向。

黄土高原水土保持高质量发展研究重点

黄土高原水土保持是黄河流域生态保护和高质量发展的重要内容和基础保障之一。经过几十年长期治理,黄土高原水土保持工作取得了很大成效,但目前水土流失面积依然很大,而且存在分布上相对零散、重力侵蚀和坡面侵蚀并重、极端降雨事件后果严重等问题,在治理理论、技术和途径方面提出了新的问题和挑战;同时,水土保持已经在土壤保护、山区发展和江河治理等传统功能的基础上,发展成为推动生态文明建设、乡村振兴和黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略实施的重要举措。系统分析了不同层面水土保持的任务和问题,从水土保持基础理论与技术研究、黄土高原水土保持与水沙调控、水土保持数字化与智慧化和黄土高原水土保持与社会服务等四个方面,提出了需要加强研究的重点问题,供水土保持研究和管理同仁讨论和参考。

黄土高原不同退耕年限刺槐林地土壤侵蚀阻力

为了明确黄土高原植被恢复后不断蓄积的枯落物对土壤分离过程的影响,论文选取10、15、20、30、40a退耕年限刺槐林样地及对照样地,采集180个土壤样品用于土壤分离试验,在6组侵蚀动力条件下进行变坡水槽冲刷试验,结果表明:随着退耕年限的增大,刺槐林土壤结构趋于稳定且疏松多孔,40年刺槐林地与对照样地相比:容重降低12.9%、总孔隙度增加10.1%、毛管孔隙度增加62.4%,土壤有机质含量增加97.9%、水稳性团聚体增加112.3%。土壤分离能力均值随着林龄呈指数函数递减(R^2=0.82、P<0.05)。在退耕0~40年范围内,在0~15 a内土壤分离能力下降迅速,对照、10 a刺槐林地、15年刺槐林地之间的土壤分离能力差异显著(P<0.05),退耕15 a以后土壤分离能力趋于稳定。40 a林龄刺槐林细沟可蚀性比对照的细沟可蚀性降低86.3%,临界剪切力提高10.1%。土壤临界剪切力变化范围在4.15~4.78 Pa之间。细沟可蚀性的变化趋势与土壤分离能力变化趋势相似,相比临界剪切力的变化,细沟可蚀性的变化更能反映土壤分离能力的变化情况。

黄土高原侵蚀区生物结皮的人工培育及其水土保持效应

探讨生物结皮的人工培育技术，并对其发育初期的水保功能进行评价。结果表明：撒播粉碎后的自然生物结皮，培育1个雨季即可形成盖度高达30％～60％的人工生物结皮，其主成分不变；人工生物结皮具有较好的水保效应，其中室内培育的生物结皮在坡度5°、雨强46．8mm·h^-1、历时1h的模拟降雨条件下可减少49％～64％的径流，消除土壤侵蚀；同条件下野外培育的生物结皮在无植被时对径流影响不明显，但全年可减少26％的土壤侵蚀，有柠条植被时全年可减少11％的径流和39％的土壤侵蚀；在黄土高原侵蚀区以人工生物结皮进行大规模的水保治理成本较低，切实可行。

黄土高原小流域景观格局对土壤侵蚀的影响——以黄家二岔流域为例

以黄家二岔流域为例,分析该区的景观格局,选取斑块大小、斑块破碎度、等高连通度、顺坡连通度和斑块相对位置指数5个指标对景观格局进行量化,再结合地形,将该流域分为阴坡和阳坡分别计算它们的景观格局,并分析它们与土壤侵蚀的关系.最后得到,黄家二岔流域主要土地利用类型为耕地和人工草地,其中阳坡以人工草地为主,其斑块较完整,等高连通度大,斑块排列顺序也利于保持水土;而阴坡以耕地为主,斑块完整,顺坡连通度大,斑块排列顺序不利于水土保持.因此阳坡景观格局利于保持水土,而阴坡景观格局利于土壤侵蚀.

不同耕作方式对黄土高原旱地麦田土壤物理性状的影响

通过冬小麦田间试验,研究了免耕、深松、翻耕三种不同耕作措施对土壤物理特性的影响。结果表明:冬小麦收获时,免耕与其它处理相比,增大了土壤容重、土壤硬度,其土壤干筛法>0.25 mm团聚体含量比深松和翻耕每层平均增加3%和5%,但较冬小麦耕作处理前每层平均下降5%;免耕条件下,湿筛法>0.25 mm团聚体含量比深松和翻耕每层平均增加11%和32%,较冬小麦耕作处理前每层平均下降42%;免耕可增加土壤蓄水量,收获期土壤蓄水量为373.1 mm,较深松和翻耕提高17%和8%;随着降水量的增加,冬小麦收获期水分入渗速率逐渐减少;且不同耕作方式水分入渗速率为免耕>深松>翻耕。

PAM对黄土高原主要土壤类型水稳性团聚体的改良效果及机理研究

通过室内土柱培养,研究PAM对黑垆土、黄绵土、风沙土水稳性团聚体的改良效果,并探讨其作用机理和合理的施用浓度。结果表明,在浓度为0.05%～0.4%,PAM均可促进3种土壤>0.25 mm水稳性团聚体的形成,并有效降低3种土壤团聚体分形维数,改善土壤结构;方差分析表明,PAM改良3种土壤结构的机理是一致的,将<1 mm的水稳性团聚体聚合为更大粒径的水稳性团聚体,使>1 mm的水稳性团聚体含量增加。PAM改良黑垆土、黄绵土和风沙土土壤水稳性团聚体达到显著水平时的浓度也不相同,其适宜浓度分别为0.2%～0.4%,0.05%,0.05%。3种土壤的黏粒含量和有机质含量的差异,可能是影响PAM对不同土壤的水稳性团聚体的改良效果差异的主要原因。

黄土高原旱塬地冬小麦水分生产潜力与土壤水分动态的模拟研究

在EPIC模型介绍和模拟精度验证的基础上,利用EPIC模型对黄土高原旱塬地冬小麦水分生产潜力和土壤水分动态进行了中期(12a)和长期(30a)评价定量模拟研究。结果表明:(1)在12a实时气象条件下的模拟时段内,旱塬地小麦水分生产潜力随降水量变化呈现波动性降低趋势,3m土层土壤有效含水量也表现为剧烈波动性和逐渐下降趋势,土壤干燥化趋势明显;(2)在30a模拟气象条件下的模拟时段内,旱塬地小麦水分生产潜力呈现波动性轻微降低趋势,3m土层土壤有效含水量季节性和年际间波动性显著,但土壤干燥化趋势并不明显;(3)综合分析认为,在降水量减少幅度不显著的情况下,旱塬地麦田土壤干燥化只是一种短期现象,不会导致长期性土壤强烈干燥化现象发生,但产量随降水量变化的波动性不可避免。

土壤侵蚀引起的农业非点源污染研究进展

土壤侵蚀引起的农业非点源污染是造成水体污染的主要污染源。详细介绍了近20年来土壤侵蚀引起的农业非点源污染的研究进展,包括污染物迁移过程、影响因素、预报模型以及防治措施等;提出了我国开展农业非点源污染的研究重点,包括侵蚀过程对非点源污染物运移和水质的影响,污染物运移的预测预报模型,全国统一的不同污染物危险性评价指标体系制定等。

黄土高原旱地不同种植模式土壤碳特征评价

增强农田土壤碳固持能力、增加碳贮量是减少温室效应气体排放,提高土壤生产力的重要措施。利用黄土高原23a的定位试验,分层采集休闲、苜蓿连作、玉米连作、小麦连作、豌豆-小麦-小麦-糜子(豆禾)及玉米-小麦-小麦-糜子(禾谷)轮作条件下0～40cm土层的土样,研究了作物种类和种植模式对土壤不同形态碳的影响。结果表明:与休闲相比,不同作物长期连作或轮作显著提高0～40cm土层各种形态碳的质量分数,总碳提高35%～74%,有机碳提高47%～139%,无机碳提高20%～26%,轻质有机碳提高的幅度最大,是休闲的3～11倍。不同种植模式之间,0～15cm的各土层中,土壤总碳、有机碳、轻质有机碳均是苜蓿连作质量分数最高,其次是禾谷或豆禾轮作,玉米或小麦连作较低。无机碳却不同,苜蓿连作仅使0～5cm土层的无机碳增加。随土层深度增加,土壤总碳、有机碳和轻质有机碳均是苜蓿连作下降幅度最大。可见,长期苜蓿连作是增加旱地土壤碳的一种有效措施,特别是有机碳和轻质有机碳,但主要表现在15cm以上的表层土壤。与连作相比,轮作增加土壤碳的作用较强,且不同轮作之间并无显著差异。

黄土高原旱塬区高产玉米田土壤干燥化与产量波动趋势模拟研究

为研究黄土高原旱作高产玉米田土壤干燥化与产量波动趋势,利用EPIC模型对黄土高原南部旱塬区玉米水分生产潜力和土壤水分动态进行中期(12a)和长期(30a)定量模拟研究。结果表明,在12a实时气象条件下的模拟时段内,旱塬地玉米水分生产潜力随降水量变化呈现波动性降低趋势,3m土层土壤有效含水量也表现为剧烈波动性和逐渐下降趋势,土壤干燥化趋势明显;在30a模拟气象条件下的模拟时段内,旱塬地玉米水分生产潜力呈现明显波动性轻微降低趋势,3m土层土壤有效含水量季节性和年际间波动性剧烈,从长时段看土壤有效含水量呈现略微上升趋势;在降水量减少幅度不显著的情况下,旱塬玉米地土壤干燥化现象只是一种短期过程,通常不会导致长期性土壤强烈干燥化现象发生,但玉米产量随降水量变化的波动性不可避免。

黄土坡面土壤侵蚀过程试验研究

采用人工模拟降雨的方法对黄土坡面土壤侵蚀过程进行了试验研究,取得了如下结果:①坡面土壤侵蚀随降雨过程的变化可用幂函数相关方程进行描述,15 m in和35 m in是土壤侵蚀强度随降雨过程变化的转折点;②雨强对坡面土壤侵蚀的影响可用幂函数相关方程进行描述,随着坡度的增大,土壤侵蚀强度随雨强的增大而增加的趋势更明显;③坡度对土壤侵蚀的影响可用抛物线相关方程进行描述,土壤侵蚀强度变化的临界坡度在25°附近;④坡长对土壤侵蚀的影响大体可用幂函数相关方程进行描述,但坡长对土壤侵蚀强度的影响比较复杂,随雨强大小的变化而表现为不同的形式;⑤坡度、坡长及雨强对坡面土壤侵蚀的综合影响可用多元线性相关方程进行描述,雨强对土壤侵蚀强度的影响远大于坡长及坡度因子,且坡度与土壤侵蚀强度的关系较坡长为密切。

黄土高原六道沟小流域坡面土壤入渗特性的空间变异研究

水蚀风蚀交错带是黄土高原水土流失最为严重的地区,研究其不同地类土壤的入渗特性及其空间变异规律,有助于揭示黄土高原土壤侵蚀过程和生态环境的脆弱性以及流域水文模型精度的提高。本研究选取在水蚀风蚀交错带的强烈侵蚀中心六道沟小流域进行,采用双环定水头入渗法,在六道沟流域内一个长375m的完整天然坡面上网格布点,应用传统统计学方法和地统计学方法对稳定入渗率和前30min累积入渗量等土壤入渗特性重要参数的空间变异结构进行了研究,结果表明:(1)土壤稳定入渗率和前30min累积入渗量的变异系数分别为0.480和0.404,在坡面上的变异程度均呈现中等变异性;(2)两个入渗特性参数的试验半方差函数与理论半方差函数均拟合较好,自相关特征距离分别为126m和226m;块金值均大于0,表明在采样间隔范围内可能存在更小尺度的空间变异,要进一步研究在采样间隔内是否具有更小尺度的空间相关特征,可以增加采样密度来分析。

黄土高原土壤干层初步研究

在详细描述土壤干层现象和类型的基础上 ,分析了土壤干层的成因 ,即低降水高蒸发、水土流失、植被类型选择失当、群落生产力过高和群落密度过大等 ,指出土壤干层的危害主要表现为使局部小气候环境趋于旱化、土地退化、植被生长衰退、天然下种更新不良及加大造林难度等 ,最后提出了缓解土壤干层对黄土高原生态环境的恢复和重建的意义和重要性。

黄土裸坡土壤侵蚀过程研究

黄土地区的土壤侵蚀严重地影响了当地和黄河下游地区的可持续发展,研究黄土地区的土壤侵蚀对于该地区的水土保持工作具有重要意义。采用人工模拟降雨试验的方法对黄土裸坡土壤侵蚀过程进行了研究,取得了如下结果:(1)不同雨强条件下,坡地土壤侵蚀随降雨过程的变化相似,可用幂函数相关方程进行描述,侵蚀强度变化的转变点在降雨开始后的10～15min之间;(2)不同雨强条件下,坡度对土壤侵蚀的影响相近且可用抛物线相关方程进行描述,侵蚀强度变化的临界坡度在25～30°间;(3)不同雨强条件下,坡地土壤侵蚀总量随坡长的变化可用幂函数相关方程进行描述,但坡长对侵蚀模数的影响比较复杂,表现为不同的形式;(4)不同坡度条件下,降雨强度对土壤侵蚀的影响相似且均可用线性相关方程进行描述,随着坡度的增大,土壤侵蚀随雨强增大而增加的越明显;(5)裸坡次降雨侵蚀经验模型为多元幂函数统计方程,裸坡条件下降雨强度对土壤侵蚀的影响最大,坡长与坡度的影响基本大体一致。研究结果表明,采取不同措施增加地面覆盖、停止陡坡耕种、截断坡地径流是治理黄土地区水土流失的有效途径。

黄土高原旱地长期种植作物对土壤微量元素形态和有效性的影响

在长期定位试验的基础上,用连续浸提方法对土壤微量元素进行形态分级,研究了长期种植作物条件下黄土高原旱地土壤中微量元素的形态组成及其在不同土壤组分间的分配特征,探讨了种植系统对土壤微量元素有效性的影响.土壤中有效态微量元素含量的剖面分布除与土壤中微量元素的全量有关外,还与不同的种植系统有关.各种植系统有效锌和有效铜含量均低于休闲土壤,有效锌以小麦连作和苜蓿连作降低最多,有效铜以小麦连作和粮豆轮作降低最多.小麦连作系统40 cm以上土层土壤有效锰含量和休闲土壤接近,40～100cm土层低于休闲土壤,苜蓿连作和粮豆轮作整个剖面土壤有效锰含量均有所增加.各种植系统40cm以上土层土壤有效铁含量均高于休闲土壤,40～100cm土层土壤有效铁分布趋势相同,其含量均随土层深度的增加而增加,并且小麦连作低于休闲土壤,粮豆轮作高于休闲土壤,苜蓿连作与休闲相近,这些结果表明长期种植作物可以显著改善土壤锰素营养和铁素营养状况.苜蓿连作和小麦连作使锌和铁从矿物态向有机结合态转化,增加了土壤有效锌和有效铁的储备,粮豆轮作系统各形态锌低于休闲土壤,并且土壤中锌的总贮量有所减少;各种植系统土壤氧化物结合态铁在耕层增加,在古耕层降低,这也表明种植作物可以活化深层土壤难溶态铁.长期种植作物使耕层土壤各形态铜含量降低,粮豆轮作和小麦连作系统古耕层土壤各形态铜含量较休闲土壤有所增加.3种种植系统碳酸盐结合态、氧化物结合态和有机结合态锰含量均有不同程度的下降,且耕层土壤交换态、碳酸盐结合态和有机结合态锰高于古耕层,氧化物结合态和矿物态锰含量低于古耕层.

黄土高原小流域植被变化和侵蚀产沙的孢粉示踪研究初探

如同137Cs和210Pbex核尘埃,土壤和坝库沉积物中的孢粉也源于大气沉降,是否能用于侵蚀产沙的示踪研究?在陕北吴旗周湾水库采集了一些表层土壤和现代淤地坝、古代聚湫坝沉积泥沙的样品,尝试土地利用/覆被变化和侵蚀产沙的孢粉示踪研究。初步研究表明:草地表土孢粉丰富,平均浓度为26077粒/g;有33个科属的花粉,孢粉组合反映了当地以蒿属为主的半干旱温带草原植被;坡耕地表土的孢粉组合和草地一致,但孢粉平均浓度远低于草地,仅5844粒/g。坝库沉积剖面中,和137Cs核素一样,孢粉也富集于每一洪水沉积旋迴的上部层位,可用于沉积旋迴的区分。现代沉积旋迴的孢粉平均浓度,远低于草地和坡耕地表土,这表明草地和坡耕地土壤不是沉积泥沙的主要来源。古代沉积物的孢粉平均浓度高于现代沉积,表明流域内300年前的植被好于现代,或300年前沟谷地的相对产沙量低于现代。古代孢粉组合中十字花科花粉比例高达36·85%,明显高于现代的0·58%含量,这表明草地退化严重,十字花科植物比例急剧降低。孢粉示踪技术在植被环境恢复,沉积旋迴区分,和泥沙来源确定等方面具有一定的潜力,但应建立针对土地利用/覆被变化和侵蚀产沙研究的孢粉示踪技术方法。

黄土高原北部人工灌草植被土壤干燥化过程研究

黄土高原北部水蚀风蚀交错区是典型的生态脆弱区,人工灌草植被土壤干燥化发生频繁。土壤干化层的形成影响生物小循环并削弱水文大循环,严重制约植被建设成效和区域生态稳定。为阐明人工灌草植被土壤干燥化过程,并确定适宜的种植年限,选择该区典型人工灌草植被-柠条和苜蓿为研究对象,分析两种植被土壤水分和地上生物量随生长年限的变化特征。结果表明:2-8年生柠条和1-7年生苜蓿对剖面土壤水分消耗强烈,并随生长年限呈快速下降趋势,9-12年生柠条和8-11年生苜蓿1.0-4.0 m剖面含水量分别降低至8.2%-9.0%和8.5%-10.5%之间,并处于相对稳定状态。4-5年生柠条地1-1.4 m开始产生干层,6年生柠条地干层深度达2.4 m,干层厚度为1.4 m;9-12年生柠条地干层深度超过4.0 m。2-4年生苜蓿地无干燥化;5年生苜蓿生长季末土壤干层深度达3.6 m,干层厚度为2.6 m,且7年生以后土壤干层的深度超过4.0 m。因此,为调控土壤干层,减少深层土壤干化的发生,建议柠条和苜蓿的生长年限分别不要超过6年和5年,其对应的地上最大干生物量分别为5050 kg/hm^2和1980 kg/hm^2。研究结果可为黄土高原北部生态脆弱区人工灌草植被管理与土壤干层调控提供科学依据。

ERS卫星反演数据在黄土高原近地表土壤水分中的应用研究

将黄土高原地区1992—2000年欧洲遥感卫星（European Remote Sensing Satellites，ERS）风散射计获取的土壤水分指数（Soil Water Index，SWI）与农田实测土壤水分数据进行对比，并分析降雨、植被、土地利用和人工灌溉对反演数据的影响；探讨其在近地表土壤水分时空变化中的应用情况。结果表明，遥感反演的土壤水分数据SWI较好地反映了黄土高原地区土壤水分的时空变化规律，总体上表现出南多北少、东高西低的空间特点和夏秋偏高、春季较低的季节变化趋势；其次，根据SWI转换得到的土壤体积含水量数据Wswi与0~10 cm农田实测土壤水分呈极显著相关，表明该ERS反演土壤水分数据接近表层土壤水分实际情况，可用于估测研究区表层土壤水分含量；在农业集中的平原地区，Wswi与农田表层实测土壤水分相关性较高；而在农业、林业、牧业用地复合交叉地区其相关性较差。研究结果还发现，在相对干旱季节农田实测水分普遍较卫星反演结果高，主要是由于灌溉增加了农田水分含量。这说明在应用卫星遥感数据估算土壤水分时，除了考虑气候、地貌、土壤、植被等自然因素，同时也应充分考虑人为因素的影响。