水土保持与旱地农业研究专家上官周平先生论 南水北调中线水源地水土保持工作

南水北调中线工程是我国史无前例的调水工程，举世瞩目。笔者于2017年4月参加了陕西省政协组织的陕南地区南水北调水资源保护与利用调研工作。在汉中、安康和商洛三地14个县，历时15天时间，有针对性地从陕南保护南水北调水质过程中水土保持、污水处理、生活垃圾处理、

黄河流域-黄土高原水土保持与高质量发展:成效、问题与对策

水土保持是新时期山水林田湖草沙系统治理的核心,在保障黄土高原生态安全屏障方面具有重要作用.黄土高原地区自实施一系列生态治理工程以来,水土保持和生态建设等成绩斐然.基于长期监测及生态系统关键过程等研究基础,分析了黄土高原水土保持与生态治理的成效,剖析了水土保持高质量发展中存在的主要问题,主要表现在区域脆弱的生态环境仍未根本改变、生态系统稳定性仍面临巨大挑战、灾害风险依然较为严重、水土保持监管水平薄弱等方面.据此,从该地区水土保持与生态高质量发展角度出发,提出了未来黄土高原水土保持与高质量发展的若干对策建议,以更好地服务黄河流域生态保护和高质量发展的国家战略.

“双碳”目标下水土保持碳汇计量、监测与评估的思考

开展水土保持碳汇计量、监测与评估是服务我国“碳达峰、碳中和”战略的重要举措之一,可为未来的水土保持措施实施和政策制定提供理论支撑。笔者以“碳达峰、碳中和”战略背景下碳汇相关政策与研究为基础,指出我国水土保持碳汇发展方向,阐明水土保持碳汇计量的概念、应用及评估认证体系。水土保持碳汇计量监测是“双碳”战略、水保规划、内生动力的重要实现手段,也是碳交易、生态富民和投入机制的主要应用场景。加强水土保持碳汇评估、分类管理和认证体系的建设,健全碳汇调查监测技术方法,能够推进水土保持碳汇的精确评估,为碳中和目标提供理论和技术支撑。新时期应全面推行水土保持碳汇计量监测体系建设,提升水土保持碳汇开发方法,建立水土保持碳增汇考核指标,持续挖掘水土保持碳汇增长的潜力,加强碳汇水土保持措施多元化发展,拓宽水土保持碳汇投资渠道,完善水土保持碳汇交易保障机制,推动水土保持碳汇参与碳市场交易。

黄土高原地区水土流失对土地利用和降水变化的响应

[目的]为阐明不同降雨类型下各土地利用类型产流产沙规律,评估不同降雨类型下各土地利用类型的减流减沙效益。[方法]基于黄土高原地区自然降雨条件下31个径流场连续2年(2015—2016年)的径流量和土壤流失量监测数据,探讨不同土地利用类型(农地、撂荒地、人工草地、自然草地、灌丛地、人工林地)的产流产沙特征,明确不同降雨类型下各土地利用类型的减流减沙效率。[结果]年降雨尺度下撂荒地径流量与土壤流失量最大(30 mm,86 t/hm^(2)),人工林地最小(8 mm,24 t/hm^(2)),其他土地利用类型无显著差异。次降雨尺度下,通过聚类分析根据降雨历时、30 min最大降雨强度和降雨强度将120场降雨分为3个降雨类型。降雨类型Ⅰ:降雨历时适中(749 min),降雨量适中(35.4 mm),降雨强度适中(16.9 mm/h);降雨类型Ⅱ:降雨历时短(222 min),降雨量适中(25.2 mm),降雨强度大(23.8 mm/h);降雨类型Ⅲ:降雨历时长(1451 min),降雨量大(40.6 mm),降雨强度低(11.5 mm/h),发现径流系数在3种降雨类型下表现为Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ,土壤流失量表现为Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ。降雨类型Ⅰ灌丛地产生的径流系数显著高于其他土地利用类型,达到17.7%,是人工林地的2.36倍;降雨类型Ⅱ下各土地利用类型径流系数无显著差异,平均径流系数为19.9%;降雨类型Ⅲ撂荒地、人工草地、自然草地与农地的径流系数(平均14.3%)显著高于灌丛地与人工林地(平均9.0%);农地、人工草地、灌丛地和人工林地在降雨类型Ⅱ产生的土壤流失量(3.94,0.87,1.06,1.08 t/hm^(2))>降雨类型Ⅰ(1.60,0.60,0.59,0.63 t/hm^(2))>降雨类型Ⅲ(0.09,0.20,0.06,0.04 t/hm^(2))。[结论]在黄土高原地区,中低雨强的中长历时降雨条件下人工林地是有效控制水土流失的首选,在短历时强降雨条件下灌丛地与草地水土保持效果较好。

氮素水平对小麦根-冠生长及水分利用效率的影响

用水培方法,研究了氮素对不同抗旱特性小麦根-冠生长及其水分利用效率的影响。结果表明,氮素能显著提高叶片光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和WUE,促进根系和地上部分生长,但根/冠比随氮素水平的增加显著降低;根体积、根容重和根系含水量随氮素水平提高均表现先升后降的趋势。本试验条件下根/冠比为0.3左右时根系含水量最高,根/冠比的增加不利于WUE的提高;随根系含水量的增加,Pn、Tr和Gs呈明显递增趋势,但Tr的增加幅度小于Pn和Gs,所以WUE随根系含水量增加而升高。在一定氮素水平下,旱地小麦品种具有较高的根/冠比、根体积和根干重,而施氮能够促进根系发育和协调根-冠生长,因此氮素能在确保整株抗旱性的前提下提高WUE。

光照强度和氮水平对白三叶幼苗生长与光合生理特性的影响

采用植物生长箱溶液培养方式,对白三叶幼苗进行了不同光强(2个水平)和氮浓度(5个水平)处理,探讨其生长、生物量和光合生理特征对生境变化的响应。结果表明:两种光强下白三叶幼苗茎和叶生物量随氮素浓度呈先升高后降低,而根系生物量和根冠比则随氮素浓度增高而降低。光照强度降低使白三叶幼苗根、茎、叶和整株生物量分别降低67.8%、29.9%、42.5%和45.2%;低光处理使幼苗的根冠比显著下降,而比叶面积(SLA)明显提高。幼苗根系体积随氮素浓度增高而降低,高生长光强根系体积显著高于低生长光强下的白三叶。幼苗根系表面积、根系长度和根系直径随氮素浓度增加呈先增加后降低趋势,两种不同生长光强下幼苗根系长度和根系直径差异显著,而根系表面积差异不明显。白三叶叶片光合速率(Pn)随氮素浓度增加呈先增加后降低趋势,高生长光强白三叶Pn显著高于低生长光强下的白三叶。两种生长光强间叶片气孔导度(Gs),胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)无显著差异,但氮素浓度对叶片Gs、Ci和Tr均有显著影响。光、氮及其交互作用对白三叶幼苗生长发育产生了显著影响,光照不足和氮缺乏都将导致白三叶幼苗生长减弱,但幼苗对这些不利环境具有较强的调节和适应能力。

根域限制和氮素水平对连翘幼苗生长的影响

在植物生长箱通过溶液培养试验，从叶片光合气体交换参数、叶绿素含量及其荧光参数等方面来探讨不同氮素浓度条件下根域体积对连翘幼苗光合生理特性及生长的影响，并采用^15N示踪技术对不同氮素浓度条件下根域体积对连翘幼苗体内氮素转运进行了研究。结果表明：低氮（LN）处理幼苗的地上部和根系干物质重较高氮（HN）处理的高，根域限制对地上部和根系干物质重的影响不同，LN处理幼苗地上部和根系干物质重在低根域体积（10cm×10cm×15cm，LR）处理均较高根域体积（20cm×10cm×15cm，HR）处理的低，HN处理的幼苗响应情况有所不同。LN处理幼苗的叶片净光合速率（Pn）和叶绿素含量较HN处理的高；LN处理幼苗Pn和气孔导度（Gs）在LR处理较HR处理的高，而HN处理幼苗的Pn和Gs随根域体积变化规律与LN处理相反，LN和HN处理叶绿素含量随根域体积变化规律与Pn相反。LN处理幼苗的PSⅡ最大光化学量子效率（Fv／Fm）和PSⅡ电子传递量子效率（ФPSⅡ）均较HN处理的高，不同供氮处理下LR处理幼苗的Fv／Fm均较HR处理的高；而ФPSⅡ的变化规律相反。不同供氮处理时，LR处理幼苗的光化学猝灭系数（qP）均较HR处理的低，而非光化学猝灭系数（qNP）的变化规律相反，LN处理幼苗的qNP较HN处理的高（P〈0．05）。不同供氮处理时，LR处理幼苗根系和地上部氮含量均较HR处理的低，LN处理幼苗根系和地上部氮含量较HN处理的低，幼苗根系和地上部氮含量随氮素浓度变化差异显著（P〈0．05）。LN处理幼苗根系吸收^15N在根系和叶片的分配率均较HN处理的低，而根系吸收^15N在枝和茎的分配率呈相反变化规律。根系吸收氮在叶片和枝的分配率分别为7％～10％和7％～12％，叶片和枝生长需要的氮素主要由其内源N库提供。

2000—2020年陕西省陆地生态系统NPP时空变化与潜力

[目的]在“双碳”战略实施背景下,准确评估陆地生态系统固碳现状、速率与潜力对实现“碳中和”目标意义重大。陕西省横跨3个气候带,南北气候差异大,植被类型丰富。近年来,由于多项生态工程(退耕还林还草、三北防护林等)的实施,陕西省植被覆盖度进一步提升至60.7%,固碳能力巨大。陆地生态系统NPP(植被净初级生产力)是反映植被固碳能力的重要指标,然而,关于陕西省NPP的时空动态变化,以及NPP未来潜力的空间分布鲜有研究。[方法]以陕西省陆地生态系统为研究对象,利用CASA模型和邻域相似空间分布法评估陕西省植被NPP及其潜力的时空分布特征。[结果](1)陕西省植被总固碳量在2000年和2020年分别为687,1020 Tg,增加333 Tg,增幅为48.5%。(2)陕西省NPP呈南高北低,中间存在最高值或最低值的空间分布态势,平均值在2000年和2020年分别为333.2,494.8 gC/m^(2),共增加161.6 gC/m^(2),增加幅度呈北高南低的分布态势。(3)陕西省生态系统NPP的实际最大潜力为2304 Tg,相比于2020年增加41.3%,空间分布态势表现为由南到北逐渐降低,且空间分布特征均表现高度空间自相关特性,但局部差异较大。[结论]陕西省植被总固碳量在2000—2020年显著增加,同时,未来植被固碳潜力巨大。评估和预测陕西省区域尺度生态系统NPP时空动态变化及潜力空间分布特征,可为科学评价提升区域碳汇能力提供一定的评价体系和理论参考。

植被恢复的土壤固碳效应:动态与驱动机制

植被恢复是影响土壤有机碳库动态变化的关键过程之一,阐明植被恢复过程中土壤有机碳的固持动态及其驱动机制,是全球变化下碳循环研究的热点和前沿问题。本文综述了近年来国内外关于植被恢复过程中土壤有机碳固定动态及其驱动机制方面的研究,剖析植被恢复中土壤有机碳固持动态及其影响因素,探讨植物碳输入对土壤有机碳动态变化的影响机制,揭示植被恢复中土壤有机碳固定的物理、化学和微生物驱动机制,并对目前研究中存在的问题进行总结,进而提出关于植被恢复的土壤固碳效应研究,亟需在土壤有机碳组分的动态、微生物结构和功能,以及植物—土壤—微生物对土壤有机碳固持的协同作用机制等方面进一步加强。本综述可为植被恢复与土壤固碳稳定机制研究指明未来的方向,进而为促进我国植被恢复的土壤碳循环研究,科学评价生态系统土壤固碳潜力和有效实施生态系统碳汇管理提供科学参考。

黄土丘陵区刺槐林土壤团聚体稳定性和土壤可蚀性动态变化

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。

对西北地区旱作农业高质量发展的思考

我国西北地区水资源严重短缺,多以旱作农业为主,其土地资源和光热资源优势为该区农业发展提供了巨大的地理空间和环境容量。基于实地调研结果,认为西北旱作农业综合生产能力已得到明显改善,实现了区域食物供需平衡,在确保我国食物安全中具有举足轻重的地位。由于区域资源禀赋所限,西北地区旱作农业发展尚存在一些障碍要素亟待克服,结合新时代国家发展战略需求,有针对性地提出了未来提升西北地区食物安全保障能力的四条建议,以期对西北旱区农业自然资源的综合开发、旱区生态保护与高质量发展提供决策参考。

水分胁迫和粉煤灰添加对风沙土颗粒分形维数及肥力的影响

探讨不同比例粉煤灰在水分胁迫下与风沙土复配对沙土颗粒分形维数及肥力的影响,为毛乌素沙地土壤肥力提升提供理论依据。采用盆栽控水方法,设置4个粉煤灰水平(F0、F1、F2、F3,分别占风沙土干重的0,1%,5%,10%)和3个水分梯度[W1、W2、W3,分别占田间持水量的(75±5)%,(55±5)%,(35±5)%],采用分形维数反映在水分和粉煤灰作用下风沙土粒径分布特点,利用主成分分析结合聚类分析方法评价不同处理下风沙土肥力变化。结果表明:(1)在相同水分条件下,风沙土分形维数随着粉煤灰复配比例的增加而增加。(2)在相同粉煤灰复配比例下,风沙土中硝态氮(NO_(3)^(-)—N)含量随着水分胁迫利用效率提高,呈现出增加的趋势。(3)粉煤灰和水分处理条件下风沙土中全氮(TN)含量均处于较低水平,在实际生产过程中应考虑配施氮肥。(4)对风沙土肥力综合评价结果表明,粉煤灰10%复配比例效果较好,且在干旱情况下有一定的适用性。

旱作农田冬小麦水肥耦合增产效应

增施肥料可明显改善旱作农田冬小麦叶片水分状况、增加光合速率、延缓叶片衰老，有利于小麦后期维持一定的光合面积和作用时间，有利于籽粒灌浆和增加每穗粒数，也减小了土壤水分不足对产量的影响。在旱作农业中，水肥具有明显的耦合关系，肥料的增产作用不仅在于肥料本身。

氮肥和底墒对小麦籽粒灌浆过程的调节效应分析

以氮肥和底墒为决策变量，采用最优二次Ｄ饱和设计，用Ｌｏｇｉｓｔｉｃ方程拟合各水肥处理的籽粒充实过程，并推导出一系列次级参数，分别建立了小麦籽粒灌浆强度与持续时间参数的数学模型。结果表明：生长在氮肥或底墒逆境条件下的小麦受精子房的生长潜势（Ｃｏ）较大，并随逆境条件的改善而降低；千粒重（Ｙｏ）与灌浆快增期（Ｔ）的长短、最大灌浆速率（Ｒ＿（ｍａｘ））和平均灌浆速率（Ｒ）无明显相关性，却与起始生长势、灌浆系数（Ｔ·Ｒ＿（ｍａｘ））高度正相关，并且千粒重与灌浆系数的相关性明显大于千粒重与起始生长势的相关性；氮肥和底墒对籽粒灌浆特性具有显著的调节作用。同时还阐述了调节这些参数的水肥栽培途径。

氮肥和底墒对小麦同化产物累积与运转的调节效应模型

以氮肥和底墒为变量，采用最优二次Ｄ饱和设计，系统分析了氮肥与底墒对小麦生长后期同化产物累积运转过程的影响，在同化产物累积与运转方面建立了一些数学模型，结果表明，小麦籽粒产量决定于抽穗后累积同化产物的能力，随着抽穗后同化产物积累量的增加，籽位产量中来源于抽穗后光合产物的比例上升，产量构成因素也随之改善；小麦籽粒产量与调运贮藏同化产物的能力呈显著负相关，籽粒中有９％～３６％来自抽穗前贮藏同化产物；通过水肥措施的应用可显著提高或改善同化产物的累积与分配比例，并提高水分和肥料的利用效率。

21世纪农业高效用水技术展望

水资源短缺将是２１世纪全球社会、经济和农业可持续发展的主要障碍之一，农业高效用水已成为当今世界观注的焦点问题。目前发达国家农业高效用水技术方面主要在喷微灌技术、节水工程规模经营、节水设备和技术产业化和管理技术等四个方面取得明显进展。随着高新科技的发展，可以预见不久的将来，农业高效用水技术将在生物技术、农业管理一体化技术、精细灌溉技术和智能决策系统四个方面取得革命性的突破。

改善旱区作物水分利用的生理调控机制

针对黄土高原半干旱地区农业生产条件， 结合作物水分与抗旱生理及节水农业的生物学基础方面的有关研究进展， 从植物叶片气孔非均匀关闭、光合机构运转、作物根冠通讯、水分利用效率等方面论述了改善旱区作物水分利用的生理调控机制， 认为通过根源逆境感应信号———ＡＢＡ

旱地作物需水量预报决策辅助系统

旱地作物需水量预报决策辅助系统是利用人工智能技术 ,在 Penman公式的基础上结合现有西北旱区的农学知识、模型以及经验进行系统集成而建立的智能化计算机软件系统 ,该系统是西北地区节水农业专家系统的一个子系统。在生产实践中可为陕西关中地区的冬小麦、夏玉米的栽培作出灌溉方案的决策咨询。

黄土区植被减沙效益评价决策支持系统

本文集成黄土高原小流域植被减沙效应方面的研究数据与资料,归纳出黄土高原不同区域植被减沙效益评价的统计模型,建立植被资源分布数据库。并以此为基础,构建了网络环境下的植被减沙效益评价决策支持系统。该决策系统可根据用户的现状,对所提供的事实和条件进行推理判断,提供有明确针对性的不同区域植被减沙措施及其效益,从而指导不同区域退耕还林还草工程的实施,为黄土高原生态环境建设以及植被的合理布局提供决策支持。