黄土丘陵区生物结皮坡面产流产沙与其分布格局的关联

生物结皮在黄土丘陵区退耕地广泛发育,并在干扰等因素下形成不同分布格局。为明确生物结皮分布格局对坡面产流产沙的影响,采用模拟降雨试验研究了生物结皮条带状、棋盘状和随机3种分布格局对坡面产流产沙的影响,借助景观生态学方法,计算了生物结皮斑块的分布格局指数,解析了生物结皮分布格局与坡面产流产沙的关联。结果表明,(1)生物结皮分布格局显著影响坡面初始产流时间、径流率和土壤侵蚀速率。相同盖度条件下,生物结皮坡面的随机分布格局较带状和棋盘式分布格局显著降低了坡面径流量和产沙量,其径流率与土壤侵蚀速率分别是带状格局的71.7%、12.9%,是棋盘格局的89.6%、31.8%。(2)坡面径流率与生物结皮斑块最大斑块指数、斑块连结度呈极显著负相关,与分离度呈极显著正相关,与景观分裂指数呈显著正相关。(3)土壤侵蚀速率与生物结皮斑块最大斑块指数、斑块连结度呈显著负相关,与景观分裂指数、分离度呈显著正相关。(4)坡面径流率(Y1)和土壤侵蚀速率(Y2)与分离度(SPLIT,Splitting Index)的关系式为:Y1=1.116+0.017SPLIT,R2:0.957;Y2=22.767+17.936SPLIT,R2:0.801。(5)以上结果表明分布格局主要是通过影响生物结皮在坡面的分离度进而影响坡面产流产沙,随着生物结皮斑块分离度增大,生物结皮斑块破碎度增大,坡面产流产沙增多。从分布格局的角度解析了生物结皮对产流、产沙的影响,量化了生物结皮坡面径流率与侵蚀率与格局指数之间的关系,为量化认识生物结皮的水土保持功能提供了科学依据。

黄土高原不同地貌区农田土壤有机质预测方法研究

【目的】开展黄土高原不同地貌区农田土壤有机质(SOM)预测方法研究,探讨不同预测方法在不同区域的适用性及不确定性,以便更准确地估算农田SOM空间分布特征,对土壤资源高效利用和农田精细化管理具有重要意义。【方法】在黄土高原3种典型地貌区进行试验,包括丘陵沟壑区(庄浪县)、高塬区(宁县)和平原区(武功县),分别布设样点3788、4048和3860个,分析农田土壤0—20 cm SOM含量。运用地统计学理论,分析各典型区SOM空间分布特征。提取原始样本75%为建模点,其余25%为验证点,利用普通克里格(OK)、随机森林(RF)和随机森林+普通克里格(RF+OK)等方法,结合土壤类型、地形、气候、植被、人类活动等多源影响因子,对SOM分布进行空间预测,并对预测结果进行误差分析和空间结构检验,明确各方法的不确定性。【结果】丘陵沟壑区、高塬区、平原区SOM平均含量分别为14.29、13.15、14.48 g/kg,均属于较低水平;变异系数分别为18.96%、19.54%、26.71%,呈中等变异;块金效应分别为8.60%、17.41%和10.01%,受随机性和结构性因子共同作用,且受后者影响更大;丘陵沟壑区和平原区SOM含量的Moran's I分别为0.26和0.14,Z[I]分别为26.56和13.51,存在显著空间自相关性,而高塬区SOM含量Moran's I为0.02,Z[I]为1.55,不存在空间自相关性。丘陵沟壑区、高塬区、平原区SOM含量空间分布分别受温度、海拔、降水影响最大。在平原区,RF+OK法较RF法和OK法,MSE、RMSE、MAE等误差均最小,实测值与预测值的相关系数(r)最高,预测值的空间结构与实测值更接近。高塬区SOM空间分布无规律,OK法在该区域不适用,RF法和RF+OK法的各项误差无明显差异,但RF法的r更高,且预测值的空间结构更符合宁县实际特征。在平原区,OK法预测结果的不确定性较大,RF和RF+OK方法各项误差和r均无明显差异,但RF方法预测值的空间结构与实测值更接近,且较其它两个地区,其SOM变异性及建模点和验证点的各项误差均最大。【结论】在不同地貌区,环境要素、空间结构不同,同一预测方法的预测精度存在差异,平原区较丘陵沟壑区和高塬区,其空间预测结果的不确定性更大。在同一地貌区,3种预测方法的预测结果存在差异,丘陵沟壑区使用RF+OK法预测SOM空间分布效果较好,而高塬区和平原区则用RF法较好。当区域SOM存在显著空间相关性,且半方差函数的拟合度较高、残差较小时,采用RF+OK方法可显著提高模型预测精度。

复合地貌区农田土壤有机质空间变异特征及其影响因素

以陕西省宝鸡市为例,运用地统计学方法,通过对比单一地貌和复合地貌下农田土壤有机质(SOM)变异特征,分析复合地貌区农田SOM空间变异及其影响因素。结果表明:研究区农田SOM含量为3~34.23 g·kg^-1,平均值为18.23 g·kg^-1,变异系数为25.73%,呈中等程度变异,不同地貌类型农田SOM变异系数表现为中海拔丘陵>低海拔丘陵>中海拔台地>中海拔平原>低海拔平原>低海拔台地;SOM含量空间变异具有明显趋势性特征,各个方向存在各向异性,南北方向的空间变异性大于东西方向;研究区农田SOM含量具有显著局部空间自相关性,但各单一地貌类型下农田SOM含量局部空间自相关性不显著。研究区SOM含量块金值为41%,受结构因子影响更大。研究区农田SOM主要受经度、纬度、降水、温度、海拔等因子综合作用,其中纬度和海拔主要表现为直接作用,其他因子主要表现为间接作用。研究表明,复合地貌区农田SOM空间分布具有较强的空间自相关性,受地形、海拔等结构性因子的影响更大。

黄土高原生物土壤结皮分布时空分异特征

生物土壤结皮(生物结皮)是黄土高原广泛分布的生物地被物,在调节生态系统稳定性和多功能性方面具有重要作用。目前黄土高原生物结皮区域分布特征鲜有报道,限制了该区生物结皮生态功能的评估。本研究基于课题组2009—2020年间5次黄土高原不同降水量带388个样点的生物结皮分布特征调研资料,分析了该区不同退耕年限、降水量、地形(坡向和坡位)和退耕方式(还乔、还灌和还草)下生物结皮的盖度、组成及其影响因素。在此基础上,借助机器学习和空间建模方法,绘制了黄土高原250 m×250 m分辨率生物结皮及组成分布图,分析了黄土高原生物结皮区域空间分布特征。结果表明:黄土高原地区林草地的生物结皮平均盖度为47.3%,其中,藻结皮占25.5%,藓结皮占19.7%,地衣结皮占2.1%,具有明显的时空变化特征。在时间上,对特定区域,生物结皮盖度随封禁年限的延长呈波动式下降,其中,藻结皮和藓结皮盖度呈明显的反向波动。在年内,生物结皮盖度在湿润季节略高于干旱季节。在空间上,风沙区生物结皮盖度较高,且以藻结皮为主,土石山区生物结皮盖度较低。降水量和退耕方式显著影响生物结皮盖度和组成的空间分布,坡向和坡位的影响相对较小。生物结皮的空间分布与土壤有机碳、pH和质地有关。本研究描述了黄土高原区域生物结皮分布的时空分异特征,可为该区生物结皮研究提供数据支持。

生物结皮分布格局对坡面流水动力特征的影响

生物结皮的分布格局是影响坡面产流产沙的因素之一,但其格局对侵蚀动力的影响机理尚不明确,妨碍了进一步解析生物结皮影响坡面产流产沙的机制。本研究通过室内模拟降雨试验,采用景观生态学方法,对带状、棋盘和随机3种分布格局下生物结皮坡面景观指数和水力学参数的变化规律与裸土坡面进行对比研究。结果表明:生物结皮显著影响坡面侵蚀动力,其分布格局是影响坡面侵蚀动力的因素之一。与裸土相比,生物结皮显著降低了坡面流速(54.6%)和弗劳德数(67.0%),显著增加了径流深(86.2%)和阻力系数(10.68倍),但对雷诺数和径流功率的影响较小;除径流深外,3种格局的生物结皮坡面的各水力学参数均存在显著差异,其中,随机格局对坡面侵蚀动力的影响最大。基于因子分析和聚类分析,筛选出斑块占景观面积比例、斑块密度、景观形状指数、斑块连结度和分离度5个指标作为描述生物结皮斑块分布特征的指标。其中,生物结皮斑块间的斑块连结度和分离度是影响坡面侵蚀动力的主要格局因子。随着生物结皮斑块间斑块连结度减小、分离度增大,坡面流速增加,阻力减小,坡面侵蚀加剧。

黄土丘陵区生物结皮空间分布的代表性景观指数

景观指数可量化表征生物结皮的分布特征,但景观指数存在数量众多、冗余度较高的问题。本研究以位于典型黄土丘陵区的陕西省吴起县合沟小流域不同分布格局的58个样方的生物结皮为对象,计算其15个常用景观格局指数,基于相关分析、因子分析和敏感性分析,筛选出可描述生物结皮景观格局、具有特定生态学意义的代表性景观指数,并以陕西省定边县杨井镇鹰窝山涧小流域退耕地不同盖度的生物结皮为例,检验所选景观格局指数的可靠性和合理性。结果表明:15个景观指数中,10个指数之间具有显著相关关系,而边缘长度(TE)和边缘密度(ED)分别与斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、丛生度(CLUMPY)和散布与并列指数(IJI)无显著相关性。斑块占景观比例(PLAND)、ED、斑块连结度(COHESION)和分离度(SPLIT),分别从盖度、长度、连通度和破碎度方面描述了生物结皮空间分布特征,其代表的3个公因子在刻画生物结皮空间分布格局时累计贡献率达91.6%。本研究确定了可量化生物结皮空间分布复杂性的代表性景观指数,为研究生物结皮格局变化及其与生态过程的关系提供了理论依据。

耕地质量监测中合理样本量配置及不确定性分析——以陕西省宝鸡市为例

耕地质量监测样本量的优化配置对降低成本,实现可持续土地资源监测与利用有重要指导价值。以陕西省宝鸡市为例,采用2018年耕地质量监测数据,运用传统统计学和地统计学方法,探讨耕地质量监测中土壤监测指标的合理样本量及不确定性。研究表明:样本变异性大小与样本量的关系并不是绝对的。样本代表性评价方法和地统计学方法较Cochran方法能有效降低样本的不确定性;样本代表性评价法适用性更广,但研究结果缺乏稳定性;地统计学方法的适用性存在局限性,可降低中等变异性指标的不确定性,但对低、高变异性指标适用性较低。中等变异性指标宜采用地统计学方法确定合理样本量;低、高变异性指标宜采用代表性评价方法确定合理样本量。

模拟放牧干扰对黄土丘陵区生物结皮坡面土壤水分入渗的影响

水分是黄土高原地区植被恢复的关键影响因子,该区广泛分布的生物结皮显著影响土壤水分入渗。干扰影响生物结皮土壤水分入渗,但目前不同强度的干扰对生物结皮土壤水分入渗的影响仍不明确。本研究以黄土丘陵区吴起县合沟小流域的生物结皮坡面为对象,模拟羊蹄踩踏干扰,研究10%、20%、30%和40%干扰强度(以生物结皮破损度表征)对生物结皮坡面地表覆被的影响,采用线源入流入渗法观测了不同强度干扰后土壤水分入渗特征,通过结构方程模型和相关性分析,探索了干扰对生物结皮坡面土壤水分入渗的影响机制。结果表明:与对照(不干扰)相比,10%干扰强度下藻结皮盖度显著增加33.6%,20%干扰强度对藻结皮盖度无显著影响,30%和40%干扰强度下藻结皮盖度分别显著降低了36.1%和75.0%;40%干扰强度显著增加了枯落物盖度(34.3%),其他处理无显著影响;10%、20%和30%干扰强度下地表粗糙度分别显著降低了22.3%、11.1%和5.6%,40%干扰强度下增加了8.2%;40%干扰强度下初始入渗率显著增加了77.1%,其他干扰强度无显著影响;不同干扰对土壤稳定入渗率和平均入渗率无显著影响。可见,干扰主要通过降低藻结皮盖度,增加枯落物盖度和改变地表粗糙度,进而促进了土壤水分初始入渗。本研究可为黄土高原退耕地生物结皮管理提供科学依据。