陇东黄土高原农田生态系统服务及其权衡协同关系

陇东黄土高原是中国农耕文明发祥地之一,探究其农田生态系统服务及其权衡协同关系对于维持农田生态系统多功能性,促进耕地保护、保障粮食安全具有重要价值。为了厘清其农田生态系统服务之间的权衡协同关系,该研究基于社会经济与资源环境数据,运用降水贮存量法、通用土壤流失方程、InVEST等6种生态系统服务评估模型,测算2020年农田生态系统供给服务(食物供给)、调节服务(水源涵养、碳固存)、支持服务(土壤保持、生境维持)和文化服务(美学景观)的物理量,并采用皮尔逊相关系数、双变量莫兰指数,分别识别供给服务与其他3类服务之间的权衡协同关系、各项服务之间关系的空间异质性。结果表明:1)研究区农田生态系统食物供给、水源涵养、碳固存、土壤保持服务物质量分别为4.61×10^(6)t、2.45×10^(8)m^(3)、2.94×10^(6)t、6.61×10^(9)t,生境质量服务均值为0.26;供给服务与文化服务均呈“东西高、中北低”的分布格局,调节服务与支持服务则呈“带状”分布格局。2)研究区农田生态系统供给服务与调节、支持、文化服务之间以及食物供给服务与水源涵养、碳固存、土壤保持、生境维持、美学景观服务之间均表现为不同程度的协同关系。3)研究区农田生态系统4类服务之间、各项子服务之间的权衡协同关系均具有空间自相关性,空间异质性显著。各项服务之间的协同关系“组团”出现在陇东中北部地区,聚集性较明显;各项服务之间的权衡关系则零散分布,聚集性不明显。因此,应全力维持陇东黄土高原农田生态系统多功能性,实施分区管理策略,充分发挥农田生态系统各类服务的协同效应,整体提升农田生态系统服务功能(特别是食物供给服务),巩固新时代“陇东粮仓”地位。

陇东黄土塬区超长桩承载特性的分析研究

随着社会经济的高速发展,我国中西部地区工程建设迎来了新的发展高潮,大厚度湿陷性黄土地区超高层建筑和大型高速铁路桥梁不断涌现,超长桩基础在陇东黄土塬地区被广泛应用。但陇东黄土塬被称为天下第一塬,区域内黄土厚度达200m以上,由于黄土的工程性质本身具有特殊性,从而使桩的承载性能也不相同。因此,通过室内试验和数值模拟的方法,对陇东黄土塬区工程建设中,经常使用的超长桩的承载性能进行了研究。研究结果表明:(1)随着地基土的深度不断增加,超长摩擦桩的侧摩阻力会逐渐先增大后减小;(2)相对短桩而言,超长摩擦桩的压缩-沉降变形曲线没有明显的拐点,为缓变型曲线;(3)超长摩擦桩桩身压缩量在桩顶处最大,沿桩身近似呈线性递减;(4)随着荷载的增加,超长摩擦桩的沉降逐渐变大。

陇东黄土高原矿山地质环境影响评价及修复技术:以蒲河流域A废弃平硐采砂矿山为例

针对陇东黄土高原生态脆弱区的矿山地质生态环境,以蒲河流域A废弃平硐采砂矿山为例,在综合考虑该矿区环境现状和影响因素及生态修复过程中存在的难题基础上,进行矿山地质环境影响评价及修复技术研究。结果表明:人为不合理矿产开发活动破坏了地质环境条件,在降雨、地震等影响下矿区容易再次发生滑坡、崩塌等地质灾害;破坏地形地貌景观面积13.93 m^(2),破坏地表草皮和上层土层剥离面积13.93 m^(2),压占土地面积1.11 hm^(2),影响区范围510.9 hm^(2);矿区通过地形地貌重塑、地质灾害隐患消除、植被恢复和土地复垦等综合治理措施,可有效恢复矿区内地质环境和生态环境条件。

陇东黄土高原农田土壤湿度演变对气候变化的响应

以甘肃省庆阳市西峰区为例,利用近50a气象观测资料和近20a的土壤湿度观测资料,分析全球气候变暖背景下陇东主要气象要素及土壤湿度的变化特征,研究了气候变化对土壤湿度的影响。50a来陇东气温呈波动上升趋势,降水量呈波动减少趋势。1991—2010年陇东各层土壤湿度总体上均呈现出下降趋势,春季是土壤湿度减少最明显的季节,夏季土壤湿度变化趋势与春季具有类似规律,但变化率明显低于春季。秋季浅层土壤湿度呈下降趋势,深层呈上升趋势。就表层土壤湿度而言,各季土壤湿度与该季气温均为负相关,与降水量呈正相关。而对较深层土壤而言,土壤湿度与气温、降水的相关关系因季节而异。潜在蒸散量对土壤湿度的影响月份和年际变化均呈现出反位相的特点,基本呈同步变化趋势。通过对农田土壤水分演变特征及其影响因素进行分析,为进一步理解土壤水分的演变,合理利用气候资源,调整农业生态布局,积极应对气候变化提供决策方面的参考。

近50年陇东黄土高原干旱特征及未来变化趋势分析

基于陇东黄土高原近50 a平均逐月降水和气温数据,以标准化降水蒸散发指数(SPEI)作为干旱评价指标,采用线性趋势方法、Mann-kendall突变分析法,小波分析法、R/S分析法,马尔科夫预测模型分析了陇东黄土高原近50 a来干旱变化周期特征及变化趋势,预测了未来干旱趋势和发生的概率。研究显示:近50 a陇东黄土高原SPEI线性倾向率小于0,整体呈干旱化趋势,陇东黄土高原干旱变化的突变点在1993年左右;通过小波分析,年际尺度的SPEI存在19、11、7、4、2 a的主周期,月尺度的SPEI存在17、25、35、10、6个月主周期;SPEI12的Hurst值0.64>0.5,自相关系数Rt>0,在未来一段时间内干旱化趋势将会持续;通过Markov预测分析,干旱状态演变过程中干旱极端化现象的概率会增多,严重干旱状态的持续性将增强。

陇东典型草原不同坡向土壤呼吸对模拟降雨的短期响应

降雨是影响草地土壤呼吸的关键环境之一,为研究典型草原土壤呼吸对降雨的短期响应,2012年在陇东黄土高原开展模拟降雨试验。结果表明,降雨对阳坡草地土壤温度的短期影响明显,对阴坡草地温度无影响。15和30 mm降雨后,阳坡草地土壤呼吸速率急剧升高,分别是无降雨样地的9.0倍和10.3倍,且30 mm降雨土壤呼吸速率显著高于15 mm降雨的草地(P【0.05);阴坡草地土壤呼吸速率则分别是无降雨样地的6.2倍和9.0倍。降雨处理5 h后草地的土壤呼吸速率与无降雨样地无差异。降雨发生后,草地土壤CO2日排放量为无降雨草地的2~3倍。因此,在估测土壤CO2排放量时应考虑降水对土壤呼吸的激发作用,有必要依据降雨数据对结果进行校正。

陇东黄土高原苜蓿田昆虫群落的组成与结构分析

在陇东黄土高原苜蓿(Medicago sativa)田调查昆虫群落组成与结构,共采集昆虫21 021头,隶属12目69科115种。研究结果表明,鞘翅目、鳞翅目、膜翅目昆虫科、种数较多;同翅目、鞘翅目、半翅目和双翅目昆虫个体数量较多;优势种群是豌豆无网长管蚜(Acyrthosiphon pisum)、苜蓿盲蝽(Adel phocoris)、条纹根瘤象(Sitonalineatus)。害虫、天敌、中性昆虫和益虫所占比例依次是67.54%、19.79%、11.20%和1.47%。

陇东黄土高原地区石油污染土壤微生物群落及其与环境因子的关系

为了认识和评价石油开采对陇东地区土壤环境的影响,采用平板培养和多元分析法研究了不同石油污染程度下的土壤微生物群落特征及其与土壤环境因子的关系。结果显示:(1)微生物3大类群的数量以距污染源30m的样地S1-3最高,200m的S7-9次之,100m的S4-6最低;放线菌数量变化对Shannon—Wiener指数影响较大。(2)土壤有机质、含油量、含盐量、速效磷均为S1-3最高,S4-6次之,S7-9最低;土壤pH值、碱解氮及速效钾含量均以S7-9最高,S4-6次之,S1-3最低。(3)PCA结果显示TPHs含量在8种环境因子中作用最大,其含量的上升导致了土壤含盐率、有机质和速效磷的增加,进而影响到了土壤含水量、pH值、土壤细菌、放线菌、微生物总数及其他环境因子。研究表明,陇东黄土高原地区开展生物修复石油污染时,应充分开发利用土壤细菌及放线菌资源,并外源投加N,K等营养元素,从而刺激土著石油降解菌的生长,进而提高石油烃的降解效率。

陇东黄土高原土壤侵蚀的人文因素及经济损失分析

选取13个主要的人类活动指标因子,利用灰色系统理论与方法计算人类活动与土壤侵蚀之间的关联度指数,探讨人类活动对水土流失的干扰度,并建立驱动力定量模型;采用替代价值法、机会成本法、影子工程法、恢复费用法对陇东黄土高原项目区土壤侵蚀经济损失价值进行了估算。结果表明:坡耕地面积比重和人口密度是陇东土壤侵蚀和水土流失的主要驱动力;项目区2004年度的土壤侵蚀经济损失达5734万元。

陇东黄土高原饲草作物生产力研究

针对陇东黄土高原作物-家畜系统中家畜饲草质量和供给数量不足的现状,对饲草作物的生产力进行了研究。试验种植了8种饲草作物包括饲料玉米(Zea mays)、苏丹草(Sorghum sudanense)、湖南稷子(Echinochloacrusgalli var.frumentacea)、谷子(Setaria italica)、箭筈豌豆(Vicia sativacv.6625)、燕麦(Avena sativa)和多年生饲草紫花苜蓿(Medicago sativa),以及玉米、高粱和谷子混合后种植的和草(当地传统的饲草作物,是家畜的主要饲草来源,以收获植物营养体为主)。饲草作物采用轮作序列:玉米-箭筈豌豆-燕麦轮作(MVO)、苏丹草-箭筈豌豆-燕麦轮作(SVO)、湖南稷子-箭筈豌豆-燕麦轮作(PVO)、谷子-箭筈豌豆-和草轮作(MVM)和多年生苜蓿连作。结果表明,玉米的产量最高,达到9.5t.hm-2.a-1,苏丹草(5.8t.hm-2.a-1)次之,燕麦(5.4t.hm-2.a-1)和湖南稷子(4.0t.hm-2.a-1)的产量依次降低,谷子的产量是3.7t.hm-2.a-1,苜蓿为3.4t.hm-2.a-1,和草的产量最低,是2.1t.hm-2.a-1;轮作系统中,产量顺序依次为MVO轮作系统(7.4t.hm-2.a-1)>SVO轮作系统(5.6t.hm-2.a-1)>PVO轮作系统(4.8t.hm-2.a-1)>苜蓿(3.4t.hm-2.a-1)>MVM轮作系统(2.9t.hm-2.a-1)。在生产实践中,春季饲草作物饲料玉米、苏丹草和湖南稷子适合在当地生长,夏季饲草作物燕麦在当地表现良好,值得大面积推广种植。

庆阳地区超高层巨厚层黄土地基工程地质特征

为了更深层次地了解黄土的地质特征,以庆阳地区某超高层巨厚层黄土地基为研究对象,对陇东黄土的物理和力学性能进行了深入探究。主要通过原位试验与室内试验,从地层结构、分布深度、液限、塑限、塑性指数、孔隙比、湿陷变形、剪切波速、地基土承载力、抗剪强度等方面对该地区黄土的工程性能进行了综合分析与评价,结果表明:5.0m以内的马兰黄土湿陷性较强烈,黏聚力小,压缩性大;随着黄土厚度逐渐增大,离石黄土及午城黄土黏聚力增大,压缩性减小,呈轻微—中等湿陷性;受压超过400kPa的马兰黄土、受压大于600kPa的离石黄土及受压大于200kPa的午城黄土均无湿陷性;15.0m以内土体最大干密度为1.67~1.76g/cm^3,最优含水率为16.6%~17.7%;含水率高值相对集中在地下水位62.0m以下、饱和度90.0%以上地区。

陇东黄土高原耕地变化趋势及驱动因子分析

利用1986—2002年陇东地区耕地统计资料,对该区耕地资源利用与变化的基本特征、耕地数量变化的基本过程、空间差异、耕地流向以及耕地数量变化的主要驱动机制进行了分析。结果表明:(1)16 a来陇东地区耕地数量呈明显的波动减少趋势,经历了缓慢减少—急剧减少—缓慢减少的变化过程。(2)耕地的主要流向是工矿用地、居民点和各类交通用地以及果园;耕地的增加主要是未利用土地的开垦。(3)经济发展、人口增长和政策是耕地面积减少的主要宏观驱动因子,耕地变化过程中的明显突变与国家宏观政策背景相关联,耕地快速减少在发生时间上与经济的快速增长基本同步,在空间分布上与地区经济发展速度水平的差异相一致。

黄土高原耕地变化趋势及驱动力研究——以甘肃陇东地区为例

利用GIS技术并结合相关统计资料,对黄土高原典型区近50年来的耕地数量变化的基本特征、变化过程、耕地流向进行了分析。并应用相关分析法和主成分分析法对近17年耕地变化的驱动因子进行了定量分析。结果表明:1949-2002年陇东地区耕地总量经历了缓慢增加-缓慢减少—急剧减少—缓慢减少的波动变化过程;耕地的主要流向是非农建设用地、林草地和果园等;耕地的增加主要是草地、林地和未利用地开垦而成;干旱、降水不均及水土流失等是耕地变化的自然驱动力。经济增长、人口增长、城市化水平及农业科技进步等是耕地变化的社会经济驱动力。耕地变化过程与国家宏观政策背景相关联。

陇东主要农作物旱灾综合评估指数的多时间尺度分析

综合考虑水分亏缺量,持续时间、作物水分敏感度等几个因素,建立陇东农业旱灾综合评估指数。应用小波分析方法,进一步分析该区冬小麦、玉米等主要作物生育期不同时段旱灾指数的多时间尺度特征,在此基础上对该区农业旱灾的演变趋势做了初步的探讨和评估。

土壤环境对陇东黄土高原刺槐林土壤碳通量的影响

土壤环境是影响人工林土壤碳通量的关键因素之一。以甘肃陇东不同林龄(12、14、15和18 a)刺槐林和荒草地为研究对象,采用Li-8100系统定位,监测土壤碳通量,并对土壤温度(5 cm)、地表温度、土壤含水量和土壤有机质等因子进行监测。结果表明:1)地表温度和土壤温度与土壤碳通量显著相关(P<0.01),拟合程度64.64%~96.27%,相比地表温度,土壤碳通量对土壤温度的变化更为敏感,Q10值为2.21~4.36;其中,15和18 a刺槐林Q10值较大,荒草地Q10值最小。2)土壤含水量与土壤碳通量显著线性相关(P<0.01),但拟合度较低,仅可以解释土壤碳通量变化的19.57%~36.70%。3)土壤养分质量分数的高低,影响土壤碳通量的释放速度,12 a到14和15 a的刺槐林土壤养分增量明显。各因子中,土壤温度是土壤碳通量变化的主导因子。研究结果可为探究陇东黄土高原林地土壤碳通量机理提供数据支撑。

陇东台塬区双垄全膜集雨沟播土地整治模式研究

研究目的:结合干旱半干旱雨养农业区已形成的旱作玉米双垄全膜覆盖集雨沟播技术,围绕土地整治特点和要求,完善并形成适宜陇东台塬区的区域性土地整治工程技术模式。研究方法:基于区域农业气候背景与当地农业生产技术条件,提出由降水供需分析、集雨设施设计、土地平整规划、农业生产措施等构成的陇东黄土台塬区双垄全膜集雨沟播土地整治模式,通过典型项目加以验证。研究结果:该模式可显著提高水土资源的利用率,试验区玉米增产约20%,净增产值超过4000元/hm2,并有利于保持水土和改善土壤环境,具有较好的经济、生态和社会效益。研究结论:该模式具有一定的实用性和有效性,适用于年平均降雨大于250 mm、有集中降雨期、光热条件丰富、地势较为平坦的西北干旱半干旱黄土台塬区。

陇东黄土高原农业生态经济系统的能值分析

以H.T.Odum的能值理论为基础,对陇东黄土高原的农业生态经济系统进行了分析。结果表明:陇东农业生态经济系统的发展是建立在对环境资源过度利用的基础上。处在以传统农业为主向现代化农业转型的阶段。系统能值投入水平和转化效率低,系统生产优势度低,环境负荷不断增加,产品经济成本增加,能值持续性指数下降等,使得该区域农业的持续发展受到影响,应采取措施增加农业生态经济系统的产出能力,减少农业生态环境压力。

陇东黄土高原气候对全球变暖的响应及其对林果的影响

根据陇东黄土高原6县区40年气候资料,分析光、温、水等主要气象要素的变化,结果表明:陇东黄土高原气候变化趋势与全国和全球相似,气温升高、降水趋少,向暖干化方向发展。通过气候变化对主要林果影响的分析,该区域适宜苹果、杏、枣的栽培,而桃、梨将由适宜栽培向次适宜栽培演化。因此,宜大力发展苹果、杏、枣栽培,调整桃、梨栽培面积。冬季气温增高可能导致果树病虫害加重,应引起高度重视。

陇东黄土高原春播紫花苜蓿不同茬次生物量动态研究

2003~2005年,在陇东黄土高原区进行的春播紫花苜蓿生物量观测试验表明,春播紫花苜蓿当年的株高,由缓慢增长转为快速增长的转变时段在分枝到现蕾期,由快速增长再次转为缓慢增长的时段在开花期后;生长二、三年紫花苜蓿,一年中适宜刈割三次,前二茬鲜草的平均日增长量明显高于第三茬,并且生长三年的各茬鲜草平均日增长量普遍高于生长二年的;最大地上生物量均出现在第一、二茬,其鲜草和干草重量分别占三茬总重量的76.9%~84.3%和79.1%~86.3%;各茬次紫花苜蓿鲜干比在现蕾期后明显降低,到开花期刈割前降至最低。年际和地域的气候条件差异直接反映在紫花苜蓿各茬次生物量和鲜干比的变化上,在水份满足的情况下,以气温日较差大的地域更有利于紫花苜蓿物质积累。

黄土高原沟壑区土地结构与土地资源的合理利用研究

从土地类型数量结构、土地质量结构、土地空间结构和土地利用现状结构入手,对黄土高原沟壑区的土地结构及特征进行了分析。结果表明:土地类型以梁峁坡地、沟坡地和沟谷底为主,三者占总土地面积的75.16%;土地总体质量不高。宜草地、宜农地、宜林地面积分别占土地总面积的44.45%、23.47%和18.51%。土地类型的空间分布表现出明显的层状、镶嵌状和空间上的不均匀性;农林牧用地结构为1.5∶1∶2。农地后备资源不足,出现林地退化,草地沙化等现象,土地结构处于极不稳定状态。应通过调整土地利用结构、因地制宜、合理开发等措施,以保证土地结构向好的方向发展。