黄土高原不同气候区刺槐林恢复年限对水、碳及植物多样性的影响

分析植被恢复对黄土高原人工林生态系统服务的影响,对黄土高原新一轮植被恢复和可持续发展有重要意义。通过文献搜索对已发表的92篇文献中的241组对照试验结果运用整合分析方法,以黄土高原不同气候区内不同恢复年限的刺槐林为代表,选取土壤水分、碳和植物多样性三个指标评价黄土高原刺槐林的生态系统服务变化。结果表明:与对照相比,种植刺槐林后整体上显著提高了土壤碳储量和植物多样性,相对增长率分别为81.30%和32.60%(P<0.05),而土壤储水量显著下降,相对变化率为-35.58%(P<0.05);半湿润地区土壤储水量相对变化率(-22.98%)(P<0.05)和植物多样性相对增长率(149.1%)(P<0.05)显著高于半干旱地区,土壤碳储量相对增长率(57.21%)(P<0.05)低于半干旱地区;刺槐林土壤储水量、碳储量和植物多样性的相对变化率随恢复年限增加依次为-27.57%、-41.80%、35.92%,16.84%、78.58%、156.27%和51.38%、26.37%、27.56%。

苹果园改种粮食作物渭北旱塬深层土壤水氮变化特征

黄土高原退耕还林(草)工程实施20年来,长期苹果种植导致了普遍的土壤干层和大量的硝态氮累积,严重制约了农业和区域经济可持续发展。因此,明确不同树龄苹果园改种粮食作物后对深层土壤干层恢复(土壤水分变化)、土壤硝态氮累积与运移的影响,对于黄土高原土壤质量改善和农业可持续发展具有重要意义。以渭北旱塬为研究区,选取10、15、20、30 a树龄的苹果园以及对应树龄苹果园改种为2、5 a和6 a粮食作物为研究对象,通过对比分析各样地0—10 m剖面的土壤含水量、土壤储水量和硝态氮含量的差异,基于空间换时间的方法定量评估苹果园改种为粮食作物后对于深层土壤水氮的影响。结果表明:(1)不同林龄苹果园改种粮食作物后土壤水分迅速恢复,在2年之内均可恢复到7.0 m左右深度。(2)改种后土壤储水量对于改种后土壤硝态氮累积量的直接影响最显著,不同林龄苹果园改种粮食作物后,土壤剖面中硝态氮随着土壤水分的恢复发生了不同程度的淋失。改种前苹果园种植年限对于改种后土壤硝态氮累积量起决定性作用,改种前林龄越长,改种后硝态氮累积量越大、淋失深度越浅。(3)土壤累积硝态氮的淋失滞后于土壤水分的向下运动。可见,不同林龄苹果园改种粮食作物后土壤水分均迅速恢复,加速了硝态氮的淋失,然而土壤水分与硝态氮的向下运动并不一致。在进行改种时需要综合考虑土壤水分恢复的同时硝态氮迅速淋失造成土壤质量下降的问题。研究对合理优化土地利用结构以及改善土壤质量等具有深远的意义。

动态多目标农业水价制定模式研究

在单一灌溉情况或单一目标下制定的农业水价不能反映灌溉水量的年际差异和水价利益方的多样性。在阐明农业水价具有动态性和多目标性的基础上,提出基于供水成本和农民承受能力的动态农业水价计算方法,建立了农业成本水价与农民可承受水价相结合的动态水价制定模式,并在河南省博爱县项目区进行实例应用。结果表明:相比固定的农业水价,基于动态水文条件下计算的动态农业成本水价和农民可承受水价更能真实地反映供水成本和农民承受能力的动态变化规律;动态水价制定模式不仅考虑了水价在不同水文条件下的动态特性,还弥补了单一目标定价的不足,并能在兼顾用水公平的情况下,发挥水价进使农业节水的作用。

重点农区县域农村居民点用地时空变化及影响因素——以河南省为例

我国重点农区农村居民点用地规模庞大,深入探讨农区农村居民点用地变化特征与发展要因对于当前农村居民点整治与重构十分必要。以河南省为例,综合运用变异系数、泰尔指数、相对变化率及地理探测器等方法,分析了2000—2013年河南省县域农村居民点用地时空变化特征,并探测了其主导影响因素及影响机制。结果表明:河南省农村居民点用地总量和人均用地数量整体上均呈现增加趋势;农村居民点用地数量的空间差异体现为整体略有扩大的发展特征;农村居民点用地数量变化的空间差异明显,不同增加幅度的县域数量均多于其所对应减少幅度的县域数量,且多数县域的农村居民点用地数量变化速率高于全省平均水平;乡村户数、农村常住人口、农业总产值和农业机械总动力是驱动农村居民点用地变化的主导因素。研究结果能为河南省农村居民点与社会经济协调发展提供客观依据,可为类似农区相关研究提供科学借鉴。

近59年许昌市降水演变特征分析

利用许昌市13个降水量观测点1956-2014年的月降水量数据,结合线性回归、Mann-Kendall秩相关检验、累积距平和Morlet连续复小波分析等方法,研究了许昌市不同时间尺度降水量的演变特征。结果表明:许昌市年、雨季、旱季降水量分别以8. 7、1. 6、7. 3 mm/10a的速率不显著减少;年、雨季、旱季降水量在空间上均呈现出自东北向西南方向递增的分布格局;年降水量在1964年发生了由多到少的突变;雨季、旱季降水量在1999年分别发生了由少到多和由多到少的突变;年降水量存在着14、22、5a的第一、第二、第三主周期变化;雨季、旱季降水量同样存在着多个时间尺度的周期变化特征;根据不同时间尺度主周期判断,许昌市即将进入降水偏丰时期。研究结果可为许昌市防洪抗旱和水生态文明建设提供依据。

基于RUSLE的藉河示范区土壤侵蚀时空动态特征研究

探究区域土壤侵蚀变化特征,为区域水土保持效益评价、土壤侵蚀防治提供依据。基于GIS和RS技术,采用降雨数据、DEM数据、土壤数据以及遥感影像等数据,运用RUSLE模型,定量分析了藉河示范区1997-2015年土壤侵蚀时空动态特征。结果表明:4个时期土壤侵蚀模数分别为1 326.18、2 790.39、2 025.23和1 366.32 t/(km^2·a),呈现先加剧后改善的趋势。土壤侵蚀以微度侵蚀和轻度侵蚀为主,在2005年之前,土壤侵蚀以向更高侵蚀等级转移为主,2005年之后以向更低侵蚀等级转移为主。不同坡度等级上,出现随坡度增加,土壤侵蚀先趋于严重后缓和的特征,15°~45°的坡度上是研究区土壤侵蚀主要分布坡段。不同海拔等级上,土壤侵蚀随海拔升高呈现先增加后降低的趋势,在中海拔区(1 562~1 782 m)和中低海拔区(1 335~1 562 m)土壤侵蚀分布面积最广、强度最大,此类区域是藉河示范区土壤侵蚀防治的重点区域。

河南省许昌市降雨侵蚀力演变特征研究

利用许昌市13个降雨量观测点1956—2014年的月降雨量数据,结合线性回归、Mann-Kendall秩相关检验、滑动t检验、Morlet小波分析以及克里金空间插值等方法,研究许昌市多时间尺度降雨侵蚀力的演变特征。结果表明,近60年来许昌市降雨侵蚀力在全年、年内时间尺度上的变化趋势均不显著,全年、汛期、春季和夏季时间尺度上呈减少趋势,其余时间尺度上呈增加趋势;全年、汛期降雨侵蚀力的空间分布均呈现由东南向西北递减的趋势,非汛期降雨侵蚀力呈现由西南向东北递减的趋势;许昌市全年、春、夏、秋和冬季降雨侵蚀力分别在1964、1998、1999、1969和1962年发生了突变;许昌市年降雨侵蚀力存在14、22、3年的第1、第2、第3主周期变化,季降雨侵蚀力也同样存在多个时间尺度的周期变化规律。

黄土丘陵区退耕小流域土壤有机碳分布特征及地形植被对其的影响

针对黄土丘陵区退耕还林(草)工程实施20年固碳效果研究薄弱的问题,以典型退耕小流域为对象,在不同地形(峁坡、沟肩、沟谷)和植被类型(次生草地、撂荒山杏林、撂荒坡耕地)共布设147个样点采集0—100 cm土层样品并测定,以研究土壤有机碳(SOC)分布特征及地形、植被对其的影响。结果表明:小流域峁坡剖面(0—100 cm)土层SOC含量平均为2.43 g/kg。地形和植被类型对小流域SOC分布特征产生了重要影响:沟肩表层和剖面SOC含量均最高且显著(P<0.05)高于沟谷,但与峁坡无显著差异;次生草地表层(0—20 cm)和亚表层(20—40 cm)SOC含量均显著(P<0.05)高于撂荒山杏林和撂荒坡耕地。地统计学分析显示小流域0—20 cm土层SOC含量有最大块金值且块金系数为49.6%,即表层SOC具有最大块金效应且受到结构因素与随机因素共同影响;剖面SOC分布格局表现出与表层土壤相似的特征。总之,退耕还林(草)碳汇效应显著,且在地形和植被类型作用下呈现显著的空间异质性特征。

1954—2012年石漫滩水库降水变化特征研究

为了解石漫滩水库降水动态特征,利用石漫滩水库1954—2012年的月降水量观测资料,结合气候倾向率法、Morlet小波分析法、Mann-Kendall检验法和滑动T检验法等对降水量的趋势变化、周期性特征及突变状况进行研究,其研究结果可为石漫滩流域防洪抗旱工作提供参考。

基于改进Linknet网络的黄土高原苹果园精准提取

黄土高原近20年来苹果栽植面积迅猛增加,对区域生态水文和社会经济发展均产生了重要影响。但该区域果园地块小且场景复杂,仅有县/市尺度统计数据,尚无苹果园实际的空间分布信息。为此,本研究建立了无人机低空遥感影像专业数据集。融合迁移学习与深度学习方法,将残差神经网络ResNet34网络迁移到Linknet网络,得到R_34_Linknet网络。将R_34_Linknet网络与5种常用的深度学习语义分割模型Seg⁃Net、FCN_8s、DeeplabV3+、UNet和Linknet应用于黄土高原苹果园空间分布提取,表现最好的模型为R_34_Linknet,其在测试集上的调和平均值F1为87.1%,像素准确度PA为92.3%,均交并比MIoU为81.2%,频权交并比FWIoU为85.7%,平均像素准确度MPA为89.6%。将空间金字塔池化结构(Atrous Spatial Pyramid Pooling,ASPP)与R_34_Linknet网络相结合,扩大网络的感受野,得到R_34_Linknet_ASPP网络;然后对ASPP结构进行改进,得到R_34_Linknet_ASPP+网络。对比三种网络性能,表现最优的为R_34_Linknet_ASPP+,在测试集上F1为86.3%,PA为94.7%,MIoU为82.7%,FWIoU为89.0%,MPA为92.3%。使用R_34_Linknet_ASPP+在长武县王东沟和白水县通积村提取苹果园面积精度分别为94.22%和95.66%。本研究提出的R_34_Linknet_ASPP+方法提取到的苹果园更加准确,苹果园地块边缘处效果更好,可作为黄土高原苹果园空间分布制图等研究的技术支撑和理论依据。