2005-2019年陕西长武农田生态系统国家野外科学观测研究站气象数据集

陕西长武农田生态系统国家野外科学观测研究站(长武站)所在区域代表了黄土高塬沟壑区的典型农田,在研究站内设置气象自动观测系统对气象要素进行长期定位观测,对该区气候变化背景下农田生态系统水、土、气、生过程研究具有重要意义。本数据集对2005–2019年长武站的原始气象数据进行处理、质量控制和评估,对大气温度、相对湿度、降水量、大气压、总辐射、反射辐射、紫外辐射、净辐射、光合有效辐射、日照时数和各土层土壤温度(0 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm、60 cm和100 cm)18项气象观测指标,以180条月尺度和15条年尺度的格式进行信息公开,以期为黄土高原沟壑区农业生态研究、天气灾害预警和气候生产潜力模拟等提供基础数据支撑。

基于GIS的黄土台塬区县域耕地生产潜力评价研究

【目的】对黄土台塬区县域耕地生产潜力现状进行评价。【方法】针对陕西合阳县耕地资源现状,选取立地条件(地貌类型、坡度、海拔)、耕层土壤速效养分(碱解氮、速效磷、速效钾)、理化性质(土壤pH、有机质)、剖面性状(土壤剖面构型、土壤结构)、农田管理(农田基础设施、灌溉能力、障碍类型)5个方面的13个因子,建立耕地生产潜力评价体系,利用层次分析法和模糊评价法对合阳县耕地生产潜力进行定量分析。【结果】在陕西合阳县87 316.93hm2耕地中,1～6级耕地面积分别为872.23,13 124.13,25 365.18,30 323.57,16 440.34,1 191.48hm2。其中1～3级耕地主要为水浇地,集中分布在沿黄滩区或低台塬区;4级耕地多为旱地,主要位于平缓高台塬区;而5级和6级耕地则主要分布在坡度较陡的高台塬区和山地坡脚,地形破碎,土层较薄,速效养分含量低,且常伴有土壤侵蚀作用。【结论】成功建立了基于GIS的黄土台塬区县域耕地生产潜力评价体系,这为该地区耕地资源可持续利用及农业结构调整提供了理论依据,同时也为我国西北黄土台塬区耕地生产潜力评价体系构建与评价方法进行了有益探索。

黄土台塬不同林型土壤主要温室气体通量特征

为研究纯林、混交林土壤二氧化碳(CO_2)、甲烷(CH_4)和氧化亚氮(N_2O)排放特征,有效评估不同林型组成所产生的温室气体差异。本文以黄土台塬7种典型纯林及其混交林为研究对象,采用静态箱-气相色谱法,比较各林型土壤CO_2、CH_4和N_2O的排放规律及其对环境因子的响应。结果表明:研究区各林型土壤均为CO_2、N_2O的排放源,CH_4的吸收汇。不同林型土壤温室气体排放差异显著,在土壤CO_2年均排放中,沙棘刺槐混交林最高(130.73 mg·m^(-2)·h^(-1)),油松最低(51.33 mg·m^(-2)·h^(-1));在土壤CH_4年均吸收中,油松最高(60.82μg·m^(-2)·h^(-1)),侧柏最低(36.67μg·m^(-2)·h^(-1));在土壤N_2O年均排放中,沙棘刺槐混交林最高(4.42μg·m^(-2)·h^(-1)),油松最低(-0.06μg·m^(-2)·h^(-1))。各林型土壤CO_2与土壤温度呈正相关,与土壤含水量呈负相关;侧柏和沙棘刺槐混交林土壤CH_4吸收与土壤温度呈正相关,随0～5 cm土壤含水量的增加呈先增加后减少的规律;刺槐和油松土壤N_2O与土壤温度为显著正相关,其他林型与土壤温度及含水量无明显相关性。研究表明:土壤温室气体排放与林型组成有关,受环境因子影响,各温室气体表现出不同的排放特征。

黄土高塬沟壑区小流域村镇体系空间分布特征及引导策略——以陕西省淳化县为例

结合黄土高塬沟壑区的自然地理特点,以陕西淳化县为例,分析黄土高塬沟壑区小流域村镇体系的空间分布特征,提出"两沟夹一塬"单元是黄土高塬沟壑区基本的自然与社会经济组织系统。提出应以城镇发展为核心,逐步形成适合于地域特征的"枝状"村镇体系空间结构体系;应对分散的村镇适当迁并,充分发挥城镇的集聚效益,逐步形成黄土高原沟壑区"大分散—小聚合"的村镇体系格局;应以生态环境建设为目的,加强轴线地带非城镇化地区的空间管制。

黄土台塬不同林分结构土壤有机碳质量分数特征

为探讨林分结构对土壤有机碳固定的影响,本文以黄土台塬的油松、沙棘、刺槐和侧柏纯林及其混交林为对象,对土壤有机碳、易氧化态、轻组、颗粒态以及可溶性有机碳进行了分析。结果表明,1)混交林可有效增加土壤不同组分有机碳含量,侧柏混交林与纯林相比增加最为明显,其土壤有机碳增加了123%和160%,易氧化态有机碳增加了161%和304%,轻组有机碳增加了1399%和482%,颗粒态有机碳增加了454%和436%,可溶性碳增加了138%和170%(0—5 cm土层);刺槐-沙棘、油松-沙棘-刺槐混交林相对改良效果较差。2)各活性有机碳间相比较,混交林对土壤易氧化态碳含量增加效果最显著,而对土壤颗粒有机碳的改善效果不甚明显。3)在0—100cm土层,轻组有机碳敏感性指标分别是总有机碳、可溶性和易氧化态有机碳的1.00～10.58、3.83～10.19和1.78～5.10倍。4)有机碳与活性有机碳组分均呈线性极显著正相关关系;轻组有机碳与颗粒有机碳二者之间的相关性大于其与其他,易氧化态碳与可溶性有机碳二者之间的相关性大于其与其他。

陕西黄土台塬近三十年耕地动态变化的表层土壤有机碳效应

区域土地利用类型转变对土壤有机碳储量的影响,是生态环境效应评价的核心问题。根据土壤样点和土地利用数据,研究了陕西黄土台塬近三十年耕地转变对表层(0-20 cm)土壤有机碳密度和储量的影响。结果表明:(1)1985-2006、2006-2015年耕地的土地利用转化率分别为2.81%和17.89%,说明退耕还林政策加快了研究区土地利用类型转换速度。(2)研究区近三十年不同年份耕地表层土壤有机碳密度变化差异较大,1985年为1.73 kg/m^2,2006年较之增加8.09%,2015年较2006年增加36.36%。(3)1985-2006年,耕地不变和发生转变的面积分别为9429.87 km2和272.41 km^2,表层土壤增加的碳储量分别为927.93×10^6 kg和33.8×10^6 kg。2006-2015年,耕地不变和发生转变的面积分别为8119.04 km^2和1768.47 km^2,表层土壤碳储量增加值分别为3132.79×10^6 kg和1198.99×10^6 kg。⑷耕地转变为林草地等类型,有利于表层土壤有机碳储量的增加,是朝着碳汇方向进行。因此,陕西黄土台塬退耕还林可以增加生态系统碳固定。

黄土台塬不同土地利用方式下土壤呼吸季节性变化及影响因素

为探讨土壤呼吸对植被类型及不同季节环境因素的响应机制,以黄土高原渭北台塬马莲滩林场为研究区,于2015年5月—2016年4月,采用静态箱-气象色谱法逐月测定不同土地利用方式下的土壤呼吸速率（Rs）,分析其干、湿季差异及与土壤温度（T）、土壤含水量（W）之间的关系.结果表明：1不同土地利用方式下土壤呼吸速率的季节性变化趋势相一致,最大值出现在6—8月,最小值出现在12月—翌年2月,土壤呼吸速率年均值表现为天然草地〉灌木林地〉乔木林地〉乔灌混交林地〉耕地〉果园.2不同土地利用方式下土壤呼吸速率与土壤温度均呈正相关,与土壤含水量的关系在湿季（5—10月）呈正相关,在干季（11月—翌年4月）呈负相关,土壤呼吸速率的单因素模型中以指数函数（Rs=aebx）的拟合效果更优.3与单因素模型相比,土壤温度、土壤含水量的双因素模型（Rs=aTbWc和Rs=aebTWc）能更好地解释除耕地外的其他5种土地利用方式下土壤呼吸速率的变化特征,对土壤呼吸速率的解释率在60.0%-82.3%之间,其中Rs=aTbWc对耕地、灌木林地、果园土壤呼吸速率与土壤温度、土壤含水量间关系的拟合效果较好,天然草地、乔木林地、乔灌混交林地则采用Rs=aebTWc的拟合效果较好.研究显示,研究区不同土地利用方式下土壤呼吸速率存在明显的季节性差异,耕地退耕还林后土壤有机碳及活性有机碳含量增加,温度敏感性（Q10）降低,土壤呼吸速率增大,评价退耕还林效益时应综合考虑区域地理气候特点,进一步量化碳的输入/输出过程.

黄土台塬不同土地利用方式对土壤有机碳氧化稳定性及酶活性的影响

以黄土台塬乔木、灌木、乔灌混交、草和农田为对象,进行了不同土地利用方式土壤易氧化态碳、酶活性研究。结果表明:(1)与耕地相比,林地和草地土壤易氧化态碳含量及其分配比例分别提高了171%～218%、55%～71%,碳库指数、碳库活度指数和碳库管理指数(CPMI)分别提高了73%～116%、103%～163%和233%～330%,有机碳氧化稳定系数降低了15%～21%(0～5cm土层)。(2)草地和乔木林地土壤过氧化氢酶活性略高于其他;0～5cm土层,草地和林地土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶活性分别高于耕地98%～211%、88%～117%;灌木林地脲酶活性分别高于耕地、天然草地69%和144%。(3)0～5、5～20cm和20～40cm土层,CPMI敏感系数为其他参数的1.29～14.58倍;各酶活性相比较,土壤脲酶活性能更好地体现有机碳氧化稳定性强弱和碳库活度,碱性磷酸酶和蔗糖酶活性可较好体现土壤有机碳总体水平和转化程度;4种酶活性与CPMI达显著以上正相关水平。因此,土壤CPMI可作为土地利用方式对土壤影响和碳固定的评价因子。

黄土高原沟壑区城镇体系协调单元的建构

在简述黄土高原沟壑区自然生态环境脆弱性的基础上,通过对黄土地貌景观类型及其结构单元性特征分析,探讨了传统城镇体系空间结构、人口分布变动趋势与地形地貌之间的相互作用关系,提出了以“黄土塬”作为黄土高原沟壑区城镇体系协调单元的构想,并分析了其深层内涵以及对脆弱生态环境条件下黄土高原沟壑区城镇体系规划理论和实践操作的意义,强调运用因地制宜的规划策略建构黄土高原沟壑区城镇体系协调单元。

黄土高原沟壑区不同树种的水土保持效益及其适应性评价

【目的】研究黄土高原沟壑区不同树种幼林的水土保持效益及其适应性。【方法】以草地为对照，对黄土高原沟壑区刺槐、油松、沙棘、侧柏纯林及其混交林径流小区的产流产沙情况、土壤水分状况及各树种的生理特性进行了分析。【结果】造林初期，各树种及其不同造林方式的水土保持效益均比较差，处于水土保持功能低下阶段，土壤侵蚀的差异主要是由植被的不同覆盖度引起的，二者呈二次多项式关系；回归分析表明，当覆盖度达53％时土壤侵蚀较为轻微。草地和各树种林下0-250cm土层土壤水分变化较大，其中以刺槐消耗土壤水分最多，其次是侧柏，油松、沙棘和草地之间差异不明显；刺槐纯林与其混交林下土壤水分的差异比较明显，而其他树种不同造林方式下的土壤水分无明显差异。各树种叶片的水分利用效率表现为侧柏〉油松≈沙棘〉刺槐，油松与沙棘混交造林后两者的水分利用效率都有显著提高；各树种叶片的蒸腾速率表现为刺槐≈沙棘〉油松〉侧柏，沙棘与油松或刺槐混交后，油松与刺槐的蒸腾速率均有所降低，而沙棘变化不显著。【结论】综合考虑树种的水保效益及其适应性可以发现，沙棘与油松混交可能是黄土高原沟壑区较为适宜的一种造林方式。

黄土高原塬区的植被属性探讨

塬区作为黄土高原上引人注目的重要人工植被区,有关森林的问题多有不同的论述。为厘清事实而达到明辨,在分析植被地带性环境的基础上,以人工林直接证据获取为重点,采取直接证据与间接证据相结合的方法进行考证。着重于显域生境中龄林、成熟林,尤其成熟林的渭北塬地人工林调查,由区别于疏林的林冠郁闭程度(多数在0.6以上)、持续稳定生长的过程(如从幼龄林起始终维持着较高的郁闭度)、特殊森林环境的形成(以林下特征灌木茅莓(Rubus parvifolius)以及层间植物杠柳(Periploca sepium)等的出现为反映)、大径材生产(林分的平均胸径可达14.36 cm)、成材利用和良好更新(采伐后第2代萌芽林的发育)等正常立地反应,表明了塬地人工林的森林特点。尽管广为种植的树种刺槐(Robinia pseudoacacia)在阳坡条件下的生长及成林状况较差(郁闭度0.27),但耐旱树种油松(Pinus tabulaeformis)、侧柏(Platycladus orientalis)却相对较好。典型显域生境下的这种情况也符合森林地带森林生长分布的规律。除此直接说明塬地森林属性外,主要根据关联程度高的现有天然林与塬面的空间关系以及土壤类型(褐土、粘黑垆土、灰钙土等)分布进行间接推证。并非所有塬面都是草原性的,森林地带的塬面适合发育森林,不能说因长期农作就不适宜。20—30多年来苹果(Malus pumila)等经济林的发展亦表明森林地带塬面森林潜在发育的普遍性。

中国沙棘对国外引种乔木幼期生长的促进作用

在黄土高原高塬沟壑区用中国沙棘、多年生香豌豆与从国外引进的刺槐、绒毛白蜡和黑核桃等乔木树种进行不同类型的复合试验,研究结果表明:幼龄期(1-4a)各种复合类型由于植物之间的有益共生,特别是中国沙棘、多年生香豌豆的固氮作用,可以很好地促进主栽乔木树种的高、径生长及生物量的积累;同时用于混交的中国沙棘,自身生长量也较其纯林有所增加。适宜的乔灌混交,可以实现“双赢”的目标。

基于EEMD-瞬时频率变换的黄土高原典型地貌沟蚀活跃区识别研究

黄土沟谷是黄土高原物质和能量交换最频繁、形态和形状变化最剧烈的区域。黄土沟沿线作为沟蚀的重要地形特征线,是研究黄土沟蚀特征的重要切入点。该文以黄土峁区(窑家湾)、黄土梁区(安塞)和黄土塬区(长武)3个典型小流域为研究样区,以低空摄影测量生成的1 m分辨率DEM为实验数据,采用集合经验模态分解(EEMD)-瞬时频率变换方法分析各样区黄土沟沿线地形剖面的变化特征。结果表明,黄土高原不同地貌类型区沟沿线地形剖面变化特征差异明显,各样区的沟蚀活跃区多分布于沟头,沟蚀方式以沟头的溯源侵蚀最为活跃,反映了黄土高原地貌的发育进程和沟蚀活跃性,3个样区中黄土梁区(安塞)的沟蚀和沟谷发育最活跃,与实地调查结果一致。

黄土高塬沟壑区典型小流域不同雨型水沙关系特征

探究不同降雨类型下流域产流产沙特征及水沙关系,以黄土高塬沟壑区杨家沟小流域作为研究区,采用K-means聚类算法和判别分析法对流域1981—2010年的184场次降雨事件进行分类,用幂函数方法探究不同降雨类型的水沙关系特征。杨家沟小流域年径流量和输沙量都呈现显著减少趋势(P<0.01),相较1981—1989年,二者在1990—2010年的均值分别减少50.32%和55.64%。场次降雨事件可划分为3种类型:A雨型(小雨量、中历时、中降雨强度)、B雨型(大雨量、长历时、小降雨强度)和C雨型(中雨量、短历时、大降雨强度),其中A雨型是流域产流产沙的主要降雨类型。幂函数能较好地拟合不同雨型的径流深和输沙模数关系,A雨型的拟合效果优于B雨型。降雨量减少和植被覆盖率增加是杨家沟流域径流量及输沙量减少的主要原因,降雨量、降雨强度、降雨历时对流域产流产沙能力有重要影响。

白草塬植被恢复后沟头草本植物多样性与土壤因子的关系

[目的]探究黄土塬沟头在植被恢复后的草本植物多样性变化与土壤因子间的关系,为该区沟头水土保持效益评估提供科学依据。[方法]以农地沟头为对照,选择不同植被恢复年限(5,13,18,22 a)的白草塬草地沟头,调查和测定了各植被恢复年限沟头的草本植物多样性和表层土壤(0—10 cm和10—25 cm)的土壤性质因子。[结果]随植被恢复年限的增长,Patrick丰富度指数呈现先增大后稳定的变化趋势;Shannon-Wiener指数呈现持续上升的趋势,植被恢复18 a和22 a时的Shannon-Wiener指数高于恢复13 a,但没有显著性差异;Pielou均匀度指数呈现增加—降低—再增加的波动趋势,且在恢复22 a时达到最大值(0.89)。白草塬沟头0—10 cm和10—25 cm的土壤容重均在恢复22 a时达到最小值,较农地分别显著降低13.1%和17.8%(p<0.05);0—10 cm和10—25 cm的土壤有机质含量、水稳性团聚体含量、团聚体平均重量直径和饱和导水率均随植被恢复年限的增加而显著增加,两土层的土壤因子在各植被恢复年限上呈现出显著性差异。相关性分析显示草本植物多样性指标与容重间呈负相关关系,与土壤有机质、水稳性团聚体、团聚体平均重量直径以及饱和导水率呈显著正相关(p<0.05)。冗余分析表明土壤团聚体含量与草本植物多样性变化密切相关。[结论]植被恢复显著提高了沟头草本植物多样性,可改善表层土壤性质,在稳固沟头过程发挥重要作用。

黄土塬区马莲河流域侵蚀产沙变化特性

塬是黄土高原地区特有的地貌类型,长期以来的土壤侵蚀导致黄土塬严重破碎,塬区生产及生态环境问题日益受到关注。董志塬是现存面积最大的完整塬,马莲河位于董志塬东侧,坝库工程较少,河道输沙基本为自然过程。采用马莲河流域6个水文站1954-2017年实测输沙资料和统计学方法,系统研究了流域及塬区土壤侵蚀产沙变化的格局。结果表明:马莲河流域年输沙量与输沙模数随时间变化呈下降趋势,流域多年平均输沙量为1.15亿t,并以年125.38万t的速率下降。流域输沙量具有明显的阶段性,经历了丰沙阶段(1954-1977年、1988-2003年)与枯沙阶段(1978-1987年、2004-2017年)。流域上游输沙量大于下游输沙量,产沙中心位于上游,并且由北向南递减。

黄土高陡塬坡降雨侵蚀机制及生态防治技术

黄土高原地质环境异常脆弱。近年来,人类工程活动(如平山造城,治沟造地,固沟保塬等)强度已远超地质营力和生态承载力,导致黄土灾变不断发生。遵循人地和谐发展理念和目标,选取陕北延安典型生态修复区内高陡黄土塬坡作为灾变防控示范区,采用添加黄土固化剂新材料和移植草皮新工艺相结合的方法对黄土塬坡进行改良修复。通过室内模拟试验控制塬坡初始条件和降雨过程,开展了多组不同雨强条件下(60、120、150、180 mm/h)的室内人工降雨侵蚀物理模拟对比试验,揭示了降雨过程中黄土塬坡面侵蚀灾变动态演化规律,细化了坡体内部岩土体物理力学参数(孔隙水压力,含水率)与地表变形和降雨强度之间的响应关系。试验结果表明,从“控水”的角度出发,改良后黄土与新工艺的运用一方面降低坡面径流的侵蚀程度,同时低渗材料减缓了地表水的垂直入渗,防止了水土流失、溃散性失稳和大范围的湿陷沉降破坏。

渭北黄土坮塬区苹果园土壤养分状况分析

采用常规方法测定了渭北黄土坮塬区110个苹果园的土壤养分含量,结果表明苹果园0～30 cm土层土壤有机质含量8.9～12.1 mg·kg-1,平均为10.05 mg·kg-1,属较低水平；有效氮、磷、钾供应状况大约为钾＞氮＞磷,按照农田土壤养分丰缺指标衡量,果园土壤普遍缺磷,约40％土壤缺氮,而钾素含量较为丰富；有效铁、锌、锰含量大部分在边缘值以下,其比例分别为铁64.5％、锌83.4％、锰91.3％,缺乏程度依次为Mn＞Zn＞Fe,远远不能满足苹果优质、高产之需要.

黄土台塬不同土地利用方式下土壤碳组分的差异

为探讨土地利用方式对土壤碳固定的影响,以乔木、灌木、草和农田等不同植被类型,纯林和混交两种栽培模式的黄土台塬为对象,进行了土壤碳组分研究。结果表明,不同利用方式下林地和天然草地在0—100 cm土层总碳,轻组、重组、可溶性有机碳以及轻组有机碳分配比例(LFOC/SOC)均不同程度高于耕地,而其有机无机复合度(HFOC/SOC)则低于耕地,灌木林地和天然草地这种趋势尤为突出;各种土地利用方式间,土壤总碳和HFOC/SOC在0—20cm差异显著,总碳在60—100 cm也差异明显,轻组、重组及可溶性有机碳在0—40 cm,而无机碳则在40—100 cm差异明显;LFOC/SOC和DOC/SOC在各土层均存在一定差异。土壤总碳、有机碳以及各组分有机碳之间呈极显著正相关,而无机碳则与其呈负相关。轻组和可溶性有机碳均与粗颗粒、易氧化有机碳以及2—0.25 mm团聚体有机碳的相关性高于与细颗粒、稳态有机碳和>2 mm团聚体有机碳;而重组有机碳则与之相反。轻组有机碳较有机碳、总碳、重组以及可溶性有机碳能更敏感地反映利用方式之间的差异,可作为土壤质量变化的评价指标。

黄土高塬沟壑区典型城郊流域地表水硝酸盐来源示踪

随着工农业的快速发展,地表水硝酸盐污染已成为黄土高原地区严重的环境问题之一.以黄土高塬沟壑区典型城郊流域砚瓦川为研究区,采用水化学分析方法和氮氧双稳定同位素技术,并结合SIAR模型,定量识别旱季和雨季研究区地表水硝酸盐不同污染源的贡献率,阐明不同污染源季节性差异的主要原因.结果表明,流域地表水无机氮主要以NO^(-)_(3)-N和NO^(-)_(2)-N形态存在,NO^(-)_(3)-N和NO^(-)_(2)-N雨季浓度平均值均高于旱季,而NH^(+)_(4)-N则呈现相反特征;流域内地表水硝酸盐的转化过程主要以硝化作用为主,雨季其主要来源是粪肥污水,而旱季主要为粪肥污水和土壤氮淋溶,铵肥次之;不同污染源对流域地表水硝酸盐的贡献比例具有显著的季节性差异,旱季与雨季城镇污水排放的贡献比例均为最高,分别为31.40%和65.66%,且雨季污水排放对NO^(-)_(3)的影响远高于旱季,夏季居民用水增加导致大量污水排放至流域内是引起这一现象的主要原因.