等高耕作对不同坡度坡面土壤侵蚀过程的影响

等高耕作是一种典型的农业耕作措施,通过影响坡面填洼、入渗等进而影响坡耕地坡面土壤侵蚀过程。通过人工模拟降雨试验,设计降雨强度(90 mm/h)、5个地表坡度(3°,5°,10°,15°,20°)以及2种坡面处理(等高耕作和平整坡面),对径流强度、侵蚀率、径流含沙量、减流减沙效益等指标进行综合对比分析,与平整坡面进行比较,探究了黄土高原坡耕地等高耕作措施对坡面土壤侵蚀过程的影响。结果表明:(1)与平整坡面相比,等高耕作明显延缓坡面初始产流时间,使初始产流时间延迟11.58~31.91 min,随着坡度增大,等高耕作初始产流时间延长效应逐渐减弱。(2)等高耕作具有削弱径流强度和侵蚀率的作用,与平整坡面相比,等高耕作的坡面径流强度、侵蚀率和径流含沙量分别减少11.77%~94.92%,20.69%~99.27%和2.46%~88.40%。但等高耕作减少产流产沙能力有限,若坡面发生断垄,等高耕作坡面的径流强度、侵蚀率、径流含沙量都可能接近或大于平整坡面。(3)在降雨过程中,累计产沙量与累计径流量之间满足线性正相关关系,等高耕作累计产沙量随累计径流量的增大幅度始终小于平整坡面。(4)等高耕作在不同坡度均具有较好的减流减沙效益,减流与减沙效益分别可以达到45.35%~100%与58.92%~100%,且减沙作用明显优于减流作用。研究结果揭示了等高耕作对坡面侵蚀过程的影响机制,为坡耕地土壤侵蚀治理提供科学依据。

毛乌素沙地樟子松林植物-土壤生态化学计量特征演变关系

[目的]探究沙漠化土地植被恢复过程的植物与土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征的演变关系,可以深入认知樟子松固沙林植被恢复的机制。[方法]以榆林毛乌素沙地的半固定沙地为对照,分析了恢复25~56 a樟子松林下的物种多样性、樟子松植物组织(叶片、枯落物、细根)与土壤的C,N,P含量及其化学计量动态变化特征与交互作用。[结果](1)樟子松植物组织C,N,P平均含量表现为:叶片>枯落物>细根,碳氮磷化学计量比为:枯落物>细根>叶片。(2)与半固定沙地相比,植被恢复后樟子松植物组织和土壤中的C,N,P含量显著变化。从恢复25 a到56 a,枯落物和土壤C含量分别显著增加了14.9%和61.5%,N含量分别显著增加了55.0%和52.4%。(3)随着恢复年限增加,枯落物和细根的C∶N以及叶片和细根C∶P,N∶P均显著降低,叶片C∶N及枯落物C∶P,N∶P显著增加。(4)枯落物与土壤C含量,细根与土壤N,P含量及植物组织与土壤间C∶P均呈显著正相关关系。(5)植被恢复年限通过影响枯落物生物量和林下植被根量间接影响土壤C,N,P含量,且总效应最大。[结论]榆林沙区樟子松林植被恢复土壤C含量的增加与枯落物的输入密切相关,土壤N,P含量的增加主要与细根养分密切相关,C∶P是影响樟子松林地植物-土壤间养分交互的关键化学计量比。

膜下滴灌条件下沟垄规格对水分运移过程影响研究

沟垄栽培措施为重要的农艺耕作方式,研究膜下滴灌条件下沟垄规格对土壤水分运移的影响有利于提高水分利用效率。通过室内土箱模拟试验,探究了沟底宽度等沟垄规格参数对土壤湿润体的形状及水分分布的影响,采用多元线性回归方程构建了湿润锋运移距离模型,模拟了试验工况下土壤水分输运过程,并验证了模型的预测效果,最后基于构建的运移距离模型确定了试验工况下3 a生枸杞栽培种植最优沟垄规格。研究结果表明:随着沟底宽度的增加,湿润体形状愈发扁平,湿润体中水分分布重心会随沟底宽度的增加而逐渐上移;土壤含水率等值线分布图与湿润体形状图大致相似,呈由密至疏分布格局;构建的湿润锋运移距离模型预测的水分运移距离与试验结果误差较小,模型精度较高;试验工况下,采用膜下滴灌技术的3 a生枸杞栽培种植最优沟底宽度为22.50~28.90 cm。

黄土沟壑区小流域景观格局演变及生态服务价值响应

以黄土沟壑区典型小流域泥河沟为研究区,基于1986年的彩红外航空相片、2002年SPOT影像、2016年GF-1卫星影像的解译结果和社会经济统计数据,利用景观指数、土地利用程度、信息熵等方法分析了该流域近30年的景观格局演变规律,并借鉴生态服务价值当量估算法定量探讨了生态系统服务价值的变化特征。结果表明:(1)近30年来研究区土地利用景观格局发生了显著变化,除了林地和建设用地景观面积增加,耕地、园地、未利用地均有不同比例的减少。(2)流域内景观整体破碎度减少,优势斑块的连通性呈增加趋势。(3)土地利用程度整体呈上升趋势且高于全国平均水平231,土地利用信息熵先减少后增加,流域景观经历了"无序-有序-无序"的变化。(4)研究期内流域的总生态系统服务价值呈持续上升趋势,单项生态服务功能主要为土壤形成与保护、废物处理、水源涵养和生物多样性保护。高分辨率卫星影像为流域景观格局演变和生态服务价值分析提供了较为详细的数据支撑。

近10年巴音河流域土地利用变化及驱动力分析

通过探究近10年巴音河流域土地利用变化特征,了解该流域土地利用时空演变规律,为评估社会经济对其所产生的影响提供科学依据。基于2006年、2011年、2016年Landsat TM遥感影像,利用GIS,RS技术手段及主成分分析等方法,定量研究了巴音河流域土地利用时空变化特征,定性分析了引起土地利用变化的驱动因素力。结果表明:(1)2006—2016年,巴音河流域耕地、裸地、盐碱地面积分别减少0.56%,2.8%,5.32%,水域、居民地、林地、草地面积分别上升1.43%,6.24%,0.09%,3.11%;(2)2006—2011年84.14 km^2的耕地转化为裸地及草地。2011—2016年,居民建设用地面积增长12.83 km^2,主要来源于裸地及草地,草地转林地的面积是林地转草地面积的2.2倍;(3)2006—2016年巴音河流域土地利用处于合理开发状态,2011年后土地利用程度综合指数的变化量仅为1.58,土地压力得以缓解;(4)巴音河流域土地利用格局的转变主要受人口增长、地区产业结构改变及政府政策强制性实施等因素的影响。近10年来巴音河流域土地利用变化是一个交替扩张和缩减的过程,但土地均处于合理开发利用状态,社会经济活动作为主要驱动力极大地影响着土地利用的演变过程。因此,在未来发展过程中如何协调处理好土地利用与社会经济之间的关系尤为重要。

大豆调节坡耕地径流和泥沙作用研究

黄土高原地区坡耕地面积占该区总耕地面积的75%,产生严重的水土流失,治理坡耕地水土流失对该地农业生产和生态环境建设具有重大意义。大豆是黄土高原坡耕地的重要作物,然而,目前对于大豆在该地区调节径流和泥沙的能力还缺乏深入了解。以种植大豆的坡耕地为研究对象,研究在不同坡度和不同降雨强度下大豆调节径流和泥沙能力。试验设计包括大豆的5个生育期(幼苗期、始花期、盛花期、结荚期和始粒期),5个坡度(3°,5°,10°,15°,20°)和2个降雨强度(40,80 mm/h)。将大豆调节径流和泥沙的作用分为2部分:减少产流和减少产沙。采用产流时间、降雨初损量、径流量、产沙量、减流效益(RRB)和减沙效益(SRB)6个指标进行综合对比分析。结果表明:大豆在调节径流和泥沙方面作用显著。与裸地相比,大豆从幼苗期到始粒期,坡面径流量减少10.75%~64.94%,产沙量减少15.38%~84.24%。大豆的RRB和SRB值从整个生育期来看整体均呈增大趋势,且均与坡度成反比。同样,随着降雨强度增加,大豆的RRB和SRB略有降低且差异不显著,并且SRB值始终大于RRB值,因此发现大豆在减少泥沙方面比减少径流更有效。综上,黄土高原坡耕地上种植大豆对坡耕地土壤侵蚀具有积极的作用,并且对泥沙的拦截作用强于对径流的拦蓄作用。

近40年泥河沟流域耕地土壤有机质含量的变异性

利用方差和变异系数分析了近40 a黄土高原泥河沟流域土壤有机质含量的时间变异性,分离了相关因素对总变异的影响。结果表明,1980年以来耕地土壤有机质含量呈阶段性上升趋势,变异性先增高后降低;修筑梯田、沟边防护和增施化肥对土壤有机质含量的变异起了很大的作用,增施化肥的影响效果略大于修筑梯田的效果;修筑梯田在初期因土壤扰动的影响,会造成土壤有机质含量的下降,而沟坡防护虽然只能在较小的面积上起到作用,但避免了土壤扰动,起到的效果更好;各类因素引起的变异是一种长期积累的过程,这个过程中土壤有机质含量并不会无限度地上升,含量越高上升越不明显。该区耕地土壤有机质含量从1980年的9.52 g/kg到2015年的14.58 g/kg,已由第二次全国土壤普查含量分级中的第7级上升到第5级,体现了该区的治理效益,也为今后流域的治理和管理提供了依据。

不同雨强下各生育期玉米坡耕地的侵蚀产沙研究

[目的]研究玉米作物对坡耕地的防蚀效果,为黄土高原坡面水土流失防治提供科学依据。[方法]采用室外人工模拟降雨试验,分析玉米在幼苗期、拔节初期、拔节中期、拔节后期、抽雄期5个不同生育期对坡耕地侵蚀产沙量和过程的影响。[结果]①随着玉米作物生长,它对坡面产流产沙的抵御作用增强,幼苗期效果微弱,抽雄期最盛,抽雄期相比裸地可减少48.5%径流量和73.7%产沙量。不同生长阶段玉米作物的减沙效果优于减流效果。②降雨的产流产沙过程呈现不断波动趋势,玉米作物使初始产流产沙时间延迟,稳定产流产沙阶段平均产流产沙量下降。雨强从40 mm/h增加到80 mm/h使产流产沙量增长率大于100%,径流系数和含沙量均增加,侵蚀过程更加剧烈。③叶面积指数与不同生育期玉米地坡面的土壤流失比率有较好的指数相关关系,可使用叶面积指数来估算不同生育期玉米地坡面的土壤流失比率,为估算年植被覆盖与管理因子C值奠定基础。[结论]随着玉米生长,其防蚀效果增强,但幼苗期和拔节初期侵蚀严重,需采取辅助措施防治水土流失。雨强增加使玉米和裸地条件下侵蚀产沙更为严重。

青海主要枸杞产区不同耕作措施对灰棕漠土理化性质影响及肥力综合评价

为进一步探明青海主要枸杞产区不同耕作措施下灰棕漠土的理化特性,科学评价干旱区土壤综合肥力并提高枸杞产区的生态及经济效益。以青海主要枸杞产区不同耕作措施下的枸杞地土壤为研究对象,平作露地种植为对照,研究了沟垄种植和覆膜处理对灰棕漠土的土壤颗粒组成及土壤养分的影响,采用改进的Nemerow综合指数法分析了土壤肥力。结果表明:(1)研究区土壤含沙量较高,砂粒含量为61.44%~85.59%。改善作用最好的红枸杞沟垄覆膜处理相比于对照处理土壤砂粒含量减少了39.31%。(2)研究区土壤呈现出pH值偏高,钾素正常,有机质、氮素、磷素缺乏的现状。从垂直方向来看,土壤各养分指标随土层深度的增加而降低;不同耕作措施之间表现为,除速效磷和pH值外,其余养分指标红枸杞沟垄覆膜处理均高于其他处理,沟垄覆膜的改善作用较为明显。土壤养分指标变异系数为4.27%~50.81%,其中pH值的变异系数最小,速效氮最大,且速效养分的变异系数均大于对应的全量养分的变异系数。(3)土壤肥力综合评价值排序为:沟垄覆膜措施>平作覆膜措施>沟垄露地措施>平作露地处理。在试验区独特的气候条件下,覆膜措施相比于露地种植的提升效果优于沟垄措施相比于平地种植的提升效果。其中沟垄覆膜处理相比于对照处理土壤综合肥力指数提高了43.33%。因此,在青海主要枸杞产区,沟垄覆膜种植相较于其他耕作措施,不仅具有减弱侵蚀的作用,而且更有利于土壤保土保肥,应予以推广。

黄土高原南部地区人工模拟暴雨条件下不同坡度谷子坡耕地产流产沙过程

以谷子坡耕地为研究对象,通过人工模拟降雨试验,探究不同生育期谷子在不同坡度下对坡耕地坡面侵蚀过程的影响,揭示黄土高原地区坡耕地侵蚀过程特征和机理。根据试验区现行退耕还林(草)政策、降雨特点及谷子生长特性,在80 mm/h降雨强度和4个坡度(3°,5°,10°,15°)条件下分别对4个生育期(幼苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期)的谷子种植坡面进行人工模拟降雨。结果表明:种植谷子对坡耕地坡面侵蚀过程有明显影响,随着谷子的生长,坡面初始产流时间不断延长,坡面产流曲线更快趋于平稳,坡面平均产流产沙强度逐渐降低,谷子的减流效应和减沙效益逐渐提高。3°与15°坡面初始产流时间由裸地5.25,1.40 min分别延长至灌浆期12.70,7.63 min;3°与15°坡面平均产流强度在灌浆期分别降低至0.52,0.78 L/(m^(2)·min),平均产沙强度在灌浆期分别降低至0.83,2.07 g/(m^(2)·min);与裸地相比,谷子由幼苗期生长至灌浆期,坡面径流量减少12.27%~48.24%,产沙量减少19.90%~84.00%。研究结果为揭示黄土高原谷子坡耕地侵蚀机理提供参考,并为区域高质量发展供科学依据。

沟垄覆膜不同沟垄比对枸杞产量和水分利用效率的影响

以青海省德令哈枸杞产区不同沟垄措施下的枸杞地为研究对象,以无覆盖平作枸杞地为对照(CK),在分析该地区降雨特征的基础上,研究了沟垄覆膜措施下不同沟垄比(30∶32cm,24∶32cm,18∶32cm,12∶32cm)对枸杞土壤含水率、产量及水分利用效率的影响。结果表明:(1)在年降水量不足300mm的试验区,沟垄覆膜不同沟垄比种植相比于无覆盖平作种植土壤含水率、产量及水分利用效率显著升高,增产节水效果最优的GLBc(沟垄比18∶32cm)处理相比CK产量提高60.14%,耗水量降低7.47%,水分利用效率提高72.46%。(2)沟垄覆膜不同沟垄比条件下,随着沟宽的不断减小,土壤含水率、产量及水分利用效率均呈现先增大后减小的趋势,在沟垄比18∶32cm时达到最大。沟宽18cm时枸杞的水分利用效率相比30,24,12cm的水分利用效率分别提高40.0%,8.5%,9.2%。(3)对沟宽和枸杞产量的回归分析表明,当沟垄比为17∶32cm时,枸杞的产量达到最大值1503kg/hm^2。因此,在青海主要枸杞产区,沟垄覆膜种植相比传统种植能显著提高枸杞的产量和水分利用效率,同时结合当地沟垄比现状,将沟宽减小为17 cm,即沟垄比为17∶32cm时枸杞产量最高,蒸散量最小,水分利用效率最高。该研究结果对提高枸杞水分利用效率和产量具有指导意义,为旱区农业水资源高效利用提供科学参考。

耕作微地形单元对溅蚀的影响

探究不同微地形特征对溅蚀的影响,为黄土高原水土保持耕作方式提供科学布设依据。选取杨凌塿土为研究对象,通过室内人工模拟降雨试验,降雨强度分别为20,40,60,80,100,120 mm/h,降雨历时10 min,研究不同耕作措施(平整地、点种、条播)下造成的微地形单元对溅蚀的影响特征。结果表明:(1)不同坡度条件下(0,6°,10°,13°,20°,26°)耕作微地形单元内的溅蚀总量随着降雨强度的增加呈线性增加(R^(2)≥0.95)。(2)微地形单元内的向下坡溅蚀量随着坡度和降雨强度的变化呈二元一次函数关系(R^(2)≥0.90)。(3)耕作微地形单元内微坡向影响溅蚀发生的方向和分布情况。研究结果为揭示溅蚀发生的原因和完善溅蚀机理提供了参考。

Effect of soil management on soil erosion on sloping farmland during crop growth stages under a large-scale rainfall simulation experiment

Soil erosion on farmland is a critical environmental issue and the main source of sediment in the Yellow River, China. Thus, great efforts have been made to reduce runoff and soil loss by restoring vegetation on abandoned farmland. However, few studies have investigated runoff and soil loss from sloping farmland during crop growth season. The objective of this study was to investigate the effects of soil management on runoff and soil loss on sloping farmland during crop growth season. We tested different soybean growth stages (i.e., seedling stage (R1), initial blossoming stage (R2), full flowering stage (R3), pod bearing stage (R4), and initial filling stage (R5)) and soil management practice (one plot applied hoeing tillage (HT) before each rainfall event, whereas the other received no treatment (NH)) by applying simulated rainfall at an intensity of 80 mm/h. Results showed that runoff and soil loss both decreased and infiltration amount increased in successive soybean growth stages under both treatments. Compared with NH plot, there was less runoff and higher infiltration amount from HT plot. However, soil loss from HT plot was larger than that from NH plot in R1–R3, but lower in R4 and R5. In the early growth stages, hoeing tillage was effective for reducing runoff and enhancing rainfall infiltration. By contrast, hoeing tillage enhanced soil and water conservation during the late growth stages. The total soil loss from HT plot (509.0 g/m2) was 11.1% higher than that from NH plot (457.9 g/m2) in R1–R5. However, the infiltration amount from HT plot (313.9 mm) was 18.4% higher than that from NH plot (265.0 mm) and the total runoff volume from HT plot was 49.7% less than that from NH plot. These results indicated that crop vegetation can also act as a type of vegetation cover and play an important role on sloping farmland. Thus, adopting rational soil management in crop planting on sloping farmland can effectively reduce runoff and soil loss, as well as maximize rainwater infiltration during crop growth period.