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.

黄土高原极端降水变化及其对植被覆盖度影响

全球变暖背景下,黄土高原极端降水事件频发,对社会经济及植被生态产生了重要影响,研究黄土高原极端降水变化特征及其对植被覆盖度(fractional vegetation cover,FVC)影响,可为生态环境保护和区域可持续发展提供科学支撑。基于2000—2020年黄土高原64个气象站点逐日降水数据和MODIS NDVI数据,采用趋势分析、相关分析等方法,分析了黄土高原地区极端降水和FVC时空变化特征及极端降水对FVC的影响。结果表明:2000—2020年黄土高原地区总降水量P_(RCPTOT)、中雨日数R_(10mm)、大雨日数R_(20mm)、强降水日数R_(25mm)和降水强度S_(DII)均呈显著上升趋势(P<0.05),区域西部和北部强降水总体增加,但区域南部呈干旱化。2000—2020年黄土高原FVC总体呈显著上升趋势(P<0.05),集中分布在区域中东部,占区域总面积的32.00%;显著下降趋势主要分布在南部少部分地区,仅占区域总面积的4.91%。2000—2020年黄土高原地区FVC与中雨日数R_(10mm)、大雨日数R_(20mm)、强降水日数R_(25mm)和降水强度S_(DII)以正相关关系为主,其中呈显著正相关的区域占比分别为22.33%、48.19%、14.36%和24.37%,主要分布在中部地区。研究认为近20年黄土高原极端降水和FVC同步增加,表现为极端降水促进植被生态改善的作用,但应注意极端降水研究中的时间尺度效应问题,即年尺度数据可能掩盖了短时间尺度上极端降水对FVC的破坏作用。

我国黄土高原地区地震动衰减关系研究的若干进展

地震动的衰减关系是指地震动随震级、距离和场地条件等变化的经验关系,近年来在我国亦被称为地震动预测方程,是估计地震动及其影响场的主要方法之一,在地震区划和重大工程场地地震安全性评价中被广泛应用。黄土是一种特殊土,在我国广泛分布。我国黄土高原地区地质构造复杂,新构造活动强烈,中强地震频发,地震动的衰减关系有其特殊性,总结我国黄土高原地区地震动衰减关系的研究成果对促进黄土高原地区抗震研究有重要意义。在简要介绍国内外地震动衰减关系研究的基础上,全面系统地总结我国学者在黄土高原地区的地震烈度衰减关系,基岩和土层场地地震动峰值加速度、峰值速度、峰值位移以及反应谱衰减关系方面的研究成果;评述和讨论在黄土覆盖地区地震动衰减研究领域存在的问题和今后的研究方向。文章的研究工作对从事黄土高原地区地震工程研究的科技人员有重要参考价值。

近40a黄土高原酿酒葡萄春霜冻气候风险评估

选取黄土高原酿酒葡萄产区13个气象站点1981−2020年春霜冻期(4月1日−5月31日)逐日最低气温观测资料,运用数理统计和空间分析方法,研究不同年代黄土高原酿酒葡萄春霜冻灾害发生站次比、频率、日数、强度及风险,评估黄土高原酿酒葡萄春霜冻气候风险。结果表明:1981−2020年,黄土高原酿酒葡萄春霜冻期平均日最低气温呈极显著上升趋势(P<0.01),气候倾向率为0.42℃·10a^(-1);日最低气温极小值呈极显著下降趋势(P<0.01),气候倾向率为−0.75℃·10a^(-1);日最低气温极小值的气候倾向率负值主要分布在产区北部或南部零星地区,左权地区降温(0.76℃·10a^(-1))达显著水平(P<0.05)。黄土高原轻度春霜冻发生站次比下降,中度、重度及综合春霜冻上升;轻度、中度春霜冻频率和日数降低,重度春霜冻频率、日数增加,且重度春霜冻强度呈显著增加趋势(P<0.05),春霜冻综合频率、日数降低,强度呈显著增加趋势(P<0.05);各级春霜冻频率、日数、强度自西南向东北增加。黄土高原酿酒葡萄气候风险特征为轻、中度春霜冻的风险降低,重度和综合风险增加;高风险区域主要分布在北部的左权、太古等地,低风险区域主要分布在南部的鄠邑区、渭南等地。

黄土高原典型地貌区生态系统格局与过程研究

【目的】为检验黄土高原生态恢复成效并进行生态系统格局优化,以董志塬(典型的黄土高原沟壑区)和延河流域(典型的黄土丘陵沟壑区)为例,对比研究了黄土高原不同地貌单元的生态系统格局特征及其变化过程。【方法】基于遥感和地面调查数据,采用景观生态学方法和空间分析方法,评估近30a来黄土高原沟壑区不同地貌条件下的生态系统格局时空变化特征。【结果】农田、森林和草地是黄土高原沟壑区最主要的生态系统类型。其中,高塬沟壑区以农田生态系统为主导,而丘陵沟壑区以草原生态系统为主导;主导生态系统类型同时也是平均斑块规模最高的,但随着人类活动干扰强度的增加,生态系统的破碎化程度逐渐增大。【结论】董志塬植被恢复工程先于延河流域,且初期生态恢复力度较大,而延河流域生态系统类型间的动态演化作用更强烈,生态恢复效果更持久。

黄土高原地震滑坡与强震动记录数据库管理系统的构建与应用

地震滑坡资料与实际强震动记录是开展地震滑坡成灾机理研究的重要基础数据,如何科学管理这些数据资料,并最大限度地发挥其科学价值仍然是一个值得探索的问题。文章以黄土高原地区7次典型历史地震诱发黄土滑坡和125次地震(2001—2018年)的强震动记录为基础数据,依托开源GIS平台+MySQL数据库,构建黄土高原地震滑坡与强震动记录数据库管理系统。该系统界面规范、友好,参数获取方便,图表展示清晰、流畅,不仅为地震滑坡和强震动记录数据资料的管理与应用提供一个科学便捷的平台,也为黄土地震滑坡成灾机理研究提供坚实的数据基础,亦对黄土高原地区防灾减灾工作的开展具有一定的参考价值。

黄土高原古气候变化定量重建的新进展

中国黄土-红黏土沉积是可与深海沉积媲美的陆相沉积载体,记录了晚新生代东亚大陆气候环境变化历史。基于中国黄土的多种理化指标,重建了黄土高原地区构造-千年尺度东亚季风变化历史,为探讨区域与全球气候的联系提供了关键证据。近年来,黄土高原古气候变化研究逐步从定性描述拓展到定量重建,本文旨在回顾基于中国黄土定量重建古温度和古降雨变化取得的重要进展。首先,梳理了古气候要素定量重建的指标和方法,古温度重建指标包括植硅体、碳酸盐耦合同位素、微生物脂类代用指标等;古降水变化敏感指标包括磁化率、白云石/方解石含量、生物微钙体Sr/Ca比值、有机碳同位素以及^(10)Be等。然后,汇总了典型黄土剖面定量重建的古气候变化序列,分别从构造、轨道及千年时间尺度上探讨了古温度和古降雨的变化特征。结果表明,基于生标重建的不同时间跨度的土壤古温度变化序列,在冰期—间冰期尺度上的波动特征基本一致,但在冰盛期—冰消期时段出现了增温超前现象,说明陆地植被对土壤温度变化有重要调制作用。然而,不同指标重建的降水变化幅度差异较大,主导周期也存在差异,说明定量重建降水变化仍有较大挑战。最后,简要总结了黄土高原古气候定量重建存在的问题,明确了区分温度和降水季节性变化的重要性,指出加强地质记录与模拟结果的对比同化,将有助深化对多尺度季风变化动力学的理解。

黄土高原不同生态地理区植被净初级生产力变化与驱动力分析

为支撑黄土高原精准生态恢复工程建设和区域可持续发展政策制定,围绕黄土高原“退耕还林”工程后,经济建设、生态工程及气候变化耦合影响下不同生态地理区的植被净初级生产力变化与驱动力展开研究。为实现此目的,首先收集了长时间序列(2000—2015)土地利用、植被净初级生产力、气象等数据,采用趋势分析等手段,研究了黄土高原各生态地理区净初级生产力的变化规律;然后采用土地转移矩阵分析、相关分析等手段,分析了导致各地理区植被净初级生产力变化的驱动力。结果表明,黄土高原不同生态地理区的气候变化、生态工程建设有别,从而导致净初级生产力变化趋势不同;大多生态地理区的净初级生产力主要受气候变化影响,少量地理区的净初级生产力受气候与生态工程建设耦合作用的影响;在生态恢复工程为净初级生产力变化主导因子的地理区,其影响主要体现在2010年之前,且生态工程建设适宜采用的植被恢复类型有别。

黄土高原老旧淤地坝提升改造技术措施研究

根据老旧淤地坝的定义,总结了老旧淤地坝提升改造的目标、原则,以及鉴定标准和程序,从安全、效益、需求和利用4个方面分析提出了防洪控制型、产业利用型、水资源利用型、城郊开发型、远郊淤地型5种淤地坝提升改造模式。基于老旧淤地坝提升改造最新研究成果,从基础设施配套、提升改造措施及新技术、新材料、新方法成果应用方面总结了老旧淤地坝提升改造相关研究成果。

黄土高原小流域“水土保持+特色产业”综合体治理模式研究

通过总结黄土高原地区坑镇河、罗玉沟、清水沟3个典型小流域(片)的自然条件、治理现状、产业优势和生态资源等,分析存在的问题和高质量发展需求,将水土保持与乡村振兴紧密结合,研究了与高质量发展和生态文明建设要求相协调、与人民群众美好生活期盼相适应、与国家现代化进程相匹配的小流域“水土保持+特色产业”综合体治理新模式。该模式以防治水土流失为核心和基础,兼顾蓄水保土、涵养水源、水资源节约集约利用、促进产业发展、助力美丽乡村建设5个方面,以区域经济发展为驱动力,特色产业反哺基础设施建设与管理,可实现小流域绿色、循环、低碳、可持续发展。

黄土高原次生林演替过程土壤氮矿化特征及其影响因素

土壤氮矿化速率限制着森林土壤有效氮素供给能力,但目前关于黄土高原次生林演替过程土壤氮矿化特征的认识还不清楚。选择黄土高原黄龙山次生林区草本阶段、灌木阶段、先锋乔木群落阶段、混交森林群落阶段和顶级森林群落阶段等5个演替阶段的9种群落类型,测定了其林下土壤氮矿化速率,并分析了土壤理化性质、凋落物养分特征和土壤酶活性及其对氮矿化的影响。结果表明:随着演替进展,土壤有机碳和氮不断积累,土壤硝态氮和铵态氮含量逐渐增加,凋落物养分和土壤酶活性也发生了显著变化。土壤硝化速率从草本群落阶段到顶级森林群落阶段显著增加了71.73%;土壤氨化速率一直为负值且持续负向增加;土壤净矿化速率从草本群落阶段的(0.16±0.06)mg kg^(-1) d^(-1)逐渐增加到混交森林阶段的(0.31±0.08)mg kg^(-1) d^(-1),但从混交林群落到顶级森林群落阶段有所下降。土壤理化性质(路径系数-0.530)和酶活性(路径系数-0.268)对氮矿化速率有显著的直接作用;凋落物养分对氮矿化速率的影响来自于其直接作用(路径系数-0.283)和通过调控土壤理化性质、酶活性产生的间接影响(路径系数-0.315)。结果有助于认识黄土高原植被演替过程中土壤氮循环过程,对森林可持续经营也有一定的意义。

黄土高原人工刺槐林土壤碳氮和微生物生物量碳氮特征

为研究人工刺槐林土壤碳氮和微生物生物量碳氮特征,以黄土高原人工刺槐林为研究对象,分析林下0~10 cm和10~20 cm土层土壤的碳(C)、氮(N)和微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)含量,以及土壤碳、氮和MBC、MBN含量间的关系。结果表明:黄土高原人工刺槐林表层(0~10 cm)土壤碳、氮含量平均值分别为6.14、0.67 g/kg,碳氮比为9.16;土壤微生物生物量碳、氮含量平均值分别为287.59、25.17 mg/kg,碳氮含量比值为11.43;土壤微生物碳墒平均值为4.68%,土壤微生物氮墒平均值为3.81%;土壤微生物生物量碳、氮含量与土壤碳、氮含量之间呈显著正相关,与土壤pH值呈显著负相关,土壤含水率与土壤碳、氮含量和土壤微生物生物量碳、氮含量呈显著或极显著正相关。

黄土高原关键带土壤水文过程研究进展与展望

地球关键带是21世纪地球科学的前沿和重点领域之一。黄土约占全球陆地面积的10%,中国的黄土高原是典型的地球关键带之一。土壤水文过程驱动着黄土高原关键带不同尺度的系列生物地球化学循环过程,决定土壤−植被−大气连续体的演化方向与可持续性。基于地球关键带“4M”研究框架,综述了黄土高原关键带土壤水文过程研究的热点与前沿,梳理了不同尺度土壤水文过程的观测方法与技术、模型模拟与填图、深层土壤干化管理等研究进展;在此基础上,围绕黄土高原关键带土壤水资源优化利用与生态系统服务功能提升,提出了全球气候变化和大规模人类活动共同影响下黄土高原关键带土壤水文过程的优化管理对策和建议,展望了黄土高原关键带土壤水文过程研究的未来趋势。以期深化黄土高原关键带研究的科学认知,促进地球关键带科学的发展,为黄土高原自然资源优化管理、山水林田湖草系统治理提供科学参考。

机载LiDAR和模糊推理系统在黄土高原土壤侵蚀监测中的应用

黄土高原是我国乃至全球土壤侵蚀最严重的地区之一,受限于监测技术,黄土高原土壤侵蚀的研究多集中于径流小区尺度,大规模的侵蚀研究和野外观测仍相对缺乏。机载激光雷达(LiDAR)技术的革新为高精度、大规模土壤侵蚀研究提供了新的可能。然而,该技术受复杂地形的影响会产生高程不确定性误差,导致其监测土壤侵蚀的能力缺乏深入研究。基于此,本文以我国黄土高原丘陵沟壑区典型小流域桥沟流域为研究对象,联合机载Li-DAR测量和模糊推理系统(FIS),定量分析了两期DEM求差(DoD)不确定性的空间分布,研究小流域土壤侵蚀与沉积的空间分布特征。结果表明:(1)地形形态、点云密度等对插值生成的DEM误差影响较大,地形平坦区域的DoD不确定性明显小于地形陡峭区域的DoD不确定性;(2)FIS算法通过将已知的误差源整合到一个稳定的误差模型中,减少了主观干预和人为误差,避免了在复杂的DEM表面对误差进行错误估计,提高了计算结果的准确性;(3)梁峁坡地区侵蚀产沙体积为9.21m^(3),占坡沟系统产沙体积的15.89%;沟谷坡地区侵蚀严重,侵蚀产沙体积为48.76m^(3),占坡沟系统产沙体积的84.11%,在坡沟系统的产沙中起主导作用。沟床地区主要以沉积为主,梁峁坡和沟谷坡对侵蚀产沙贡献较大,而沟床则主要为产沙沉积区。研究成果不仅为黄土高原小流域的土壤侵蚀监测技术的拓展提供了新的视角,也为实施有效的水土保持措施提供了理论依据和参考。

面向生态文明建设 面向重大国家战略 水利部黄土高原水土保持重点实验室推介

一、实验室简介“水利部黄土高原水土保持重点实验室”于2011年12月由水利部批准成立,依托单位为黄河水利委员会黄河水利科学研究院。实验室原名“水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室”,2021年1月经水利部重点实验室改革重组后正式更名为“水利部黄土高原水土保持重点实验室”。实验室主任为肖培青正高级工程师(二级),实验室学术委员会主任为崔鹏院士。

黄土高原河谷城镇“川—沟”融合单元发展路径研究

通过分析黄土高原河谷城镇独特的城乡关系与发展困境,认为川道与次沟空间结构一体化、功能结构差异化发展是振兴黄土高原丘陵沟壑区的重要突破口,由此提出“川—沟”融合单元的概念内涵与划定方法。以榆林市绥德县为例,打破镇域行政边界和小流域镇村体系,基于川道城镇和次沟乡镇的空间关联关系划定10个融合单元,并从用地形态结构、产业经济地理、服务设施配置等方面对融合单元的空间构型、功能类型和服务水平进行剖析,探讨川道与次沟协同视角下以融合单元为抓手推动黄土高原河谷城镇高效发展和管控治理的新路径。

基于ARIMA模型的黄土高原河谷城市生态足迹动态模拟及测算——以甘肃省兰州市为例

为了从经济发展的角度探究生态足迹动态变化的成因,论文在测算黄土高原河谷城市——甘肃省兰州市2002—2014年人均生态足迹的发展轨迹的基础上,引入ARIMA模型,模拟预测了该市2015—2020年生态足迹变化趋势。研究结果显示:1)2002—2014年,甘肃省兰州市人均生态足迹总体呈现上升态势,数值由2.70 hm^(2)增长至4.25 hm^(2),增幅达到1.57倍;2)从生态足迹增速看,2002—2014年人均生态足迹平均增速达到4.04%,同一时期兰州市地区生产总值平均增速为11.88%,较人均生态足迹增速高出7.84%,表明该地区经济发展的速度高于资源环境消耗的速度;3)2015—2020年甘肃省兰州市人均生态足迹仍然呈现上升态势,预测值分别达到4.48 hm^(2)、4.61 hm^(2)、4.75 hm^(2)、4.89 hm^(2)、5.02 hm^(2)和5.17 hm^(2),甘肃省兰州市生态赤字逐年增大,总生态足迹是城市土地利用总面积的19.59倍,说明经济发展与地区生态需求呈现较强正相关性,环境库兹涅茨曲线“拐点”并未出现,处于不可持续发展状态。基于以上分析结果提出了甘肃省兰州市降低生态足迹的具体路径:1)实施产业结构调整,降低生态赤字,提升经济发展质量和可持续发展能力;2)推动绿色发展,构建生态类型多样、布局合理、功能完善的自然生态系统和城乡一体的生态网络,提高生态环境容量。

陕西黄土高原丘陵区苹果干旱天气指数保险研究

陕西苹果在中国乃至世界占有重要地位,但却面临着严重的干旱风险。天气指数保险可有效转移气象灾害风险。基于大田试验数据,模拟水分对苹果产量的影响;利用陕西黄土高原丘陵区苹果基地县1981—2020年苹果生育期降水量数据构建苹果干旱指数,建立各基地苹果干旱损失模型;使用EasyFit软件筛选各基地县干旱指数最优分布模型,模拟干旱发生概率;利用纯费率精算方法厘定各基地县苹果干旱指数保险费率,设计干旱指数保险赔付方案。结果显示:供水量(x)与苹果产量(y)间呈显著的二次曲线关系,即y=-0.0031 x^(2)+7.8156 x+7681.1(R^(2)=0.96),基于此函数构建的各基地县苹果干旱损失模型决定系数均达0.99以上。苹果干旱指数最优分布模型为Lognormal、Normal、Logistic、Gamma的基地县分别为4、1、3、1个。各基地县苹果干旱纯费率范围为1.22%~2.12%,最低在洛川,最高在宝塔区。各基地县的赔付方案为基于苹果干旱指数的线性赔付,起赔点为各基地县干旱指数平均值。研究有效利用已有试验数据,建立灾害损失模型,为天气指数保险的研究提供了一种新思路;同时,县级费率的厘定和赔付方案的设计提高了农业保险为苹果产业服务的精确性和效率,为陕西黄土高原丘陵区苹果保险提供了科学支撑。

陇中黄土高原区8个花椒品种光合荧光特性比较

探明陇中黄土高原8个花椒品种的光合荧光特性,为陇中黄土高原区花椒良种筛选和适应性研究提供参考。以8个花椒品种2年生苗为研究对象,使用光合分析仪测定花椒的净光合速率、气孔导度等光合参数,使用荧光仪测定初始荧光、光化学猝灭系数等叶绿素荧光参数,比较分析了不同花椒品种间的叶片光合特性、叶绿素荧光特性。结果表明:光合特性表现为不同花椒品种的净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)随时间变化呈逐渐下降趋势,秦安大红袍和无刺梅花椒的Gs随时间变化呈逐渐下降趋势,南强1号、枸椒和狮子头呈先升后降趋势,其他品种无明显变化趋势,7月份无刺梅花椒的Pn、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)最高;除黄盖和枸椒CO_(2)浓度(Ci)呈先降后升趋势外,其他花椒品种的胞间CO_(2)浓度(Ci)呈逐渐上升趋势。荧光特性表现为除秦安大红袍和枸椒的F0随时间变化呈先升后降趋势外,其他品种的初始荧光(F0)随时间变化呈逐渐下降趋势,不同时期秦安大红袍和秦安1号的最大荧光(Fm)显著高于其他品种;各花椒品种的PSⅡ最大原初光化学量子效率(Fv/Fm)在整个生长期内并无明显变化,基本维持在0.6~0.8;9月份无刺梅花椒光化学途径转化能量(ψPSⅡ)和电子传递速率(ETR)显著高于其他品种;各花椒品种的光化学猝灭系数(qP)随时间变化呈不同变化趋势,但秦安大红袍在整个生长期无明显变化。

陕北黄土高原中部生态修复对局地气候的影响

利用陕北黄土高原2000—2019年MODIS产品MOD13Q1数据,定边、安塞、志丹、子长、延安气象站1990—2019年月(年)平均气温及最高(最低)气温、降雨量、降雨日数等资料,通过差值(比值)、相关系数、线性回归等方法,对陕北黄土高原生态修复显著区(志丹、安塞、子长、延安)和非显著区(定边)在生态修复前(1990—1999年)、生态修复中(2000—2019年)的气象要素变化进行对比分析。结果表明:(1)生态修复中显著区、非显著区的归一化植被指数分别以0.123、0.081/10 a的速率增加,显著区为非显著区的1.5倍;显著区和非显著区年平均气温分别以0.164、0.467℃/10 a的速率上升,平均降雨量分别以39.95、25.56 mm/10 a的速率增加,显著区较非显著区升温明显缓慢,但平均降雨量的增加速率明显大于非显著区。(2)生态的显著性修复在2012年之后对年平均气温上升的抑制作用凸显,显著区和非显著区年平均气温差值在2013年发生突变,2013年为生态修复对年平均气温影响的关键时间点;生态修复显著区在植被生长季(4—9月)对年平均气温上升的抑制较为明显,7月最明显,显著区较非显著区年平均气温降低了1.05℃;对最高气温的抑制出现在7—8月,对最低气温的抑制出现在5—6月。(3)生态修复中(2013—2019年)显著区的降雨日数较修复前明显偏少近6 d,其减少主要是小雨日数的减少,中雨以上的降雨日数均随着生态修复的开展呈增加趋势;显著区植被生长季降雨量增加最明显,降雨量的增加主要表现为中雨以上降雨日数的增加;1—7月随着植被覆盖度不断增加,显著区与非显著区不同等级降雨日数差值逐渐增大,7月达到最大,8—12月随着植被覆盖度不断降低,降雨日数的差值逐渐减小。