Migration and speciation transformation mechanisms of mercury in undercurrent zones of the Tongguan gold mining area, Shaanxi Loess Plateau and impact on the environment

In order to study the migration and transformation mechanism of Hg content and occurrence form in subsurface flow zone of gold mining area in Loess Plateau and its influence on water environment,the field in-situ infiltration test and laboratory test were carried out in three typical sections of river-side loess,alluvial and proluvial strata in Tongguan gold mining area of Shaanxi Province,and the following results were obtained:(1)The source of Hg in subsurface flow zone is mainly caused by mineral processing activities;(2)the subsurface flow zone in the study area is in alkaline environment,and the residual state,iron and manganese oxidation state,strong organic state and humic acid state of mercury in loess are equally divided in dry and oxidizing environment;mercury in river alluvial or diluvial strata is mainly concentrated in silt,tailings and clayey silt soil layer,and mercury has certain stability,and the form of mercury in loess is easier to transform than the other two media;(3)under the flooding condition,most of mercury is trapped in the silt layer in the undercurrent zone where the sand and silt layers alternate with each other and the river water and groundwater are disjointed,and the migration capacity of mercury is far less than that of loess layer and alluvial layer with close hydraulic connection;(4)infiltration at the flood level accelerates the migration of pollutants to the ground;(5)the soil in the undercurrent zone is overloaded and has seriously exceeded the standard.Although the groundwater monitoring results are safe this time,relevant enterprises or departments should continue to pay attention to improving the gold extraction process,especially vigorously rectify the small workshops for illegal gold extraction and the substandard discharge of the three wastes,and intensify efforts to solve the geological environmental problems of mines left over from history.At present,the occurrence form of mercury in the undercurrent zone is relatively stable,but the water and soil layers have been polluted.The risk of disjointed groundwater pollution can not be ignored while giving priority to the treatment of loess and river alluvial landform areas with close hydraulic links.The research results will provide a scientific basis for water conservancy departments to groundwater prevention and control in water-deficient areas of the Loess Plateau.

黄土塬区果园-农田交界带土壤水分分布及农田对果园的供水特征

[目的]为探明黄土高原南部塬区果园-农田镶嵌格局下土壤水分空间分布与协同利用特征。[方法]选取长武塬区10龄、21龄和25龄苹果园(AO10、AO21和AO25)及其邻近农田,通过测定2021年雨季后果园-农田交界带有关位点的土壤含水量,定量计算农田土壤储水对果园耗水的贡献。[结果]2021年降水量756 mm,为典型的丰水年份,农田和AO21、AO25果园降雨入渗深度在11月底分别达8.4,7.0,5.0 m。AO10果园-农田交界带以4 m深度为界,其下部土壤含水量较上部大,4-10 m土层平均含水量为25.5%;AO21果园0-7 m土层平均含水量为22.1%,7-10 m为15.0%;AO25果园0-5 m土层平均含水量为20.9%,5-10 m土层平均含水量为13.6%,AO21和AO25果园分别在7.0,5.0 m以下仍存在土壤干层。水平方向上,AO21、AO25果园利用邻近农田土壤水分的距离分别达到5,8 m,农果交界面上农田向果园的供水量,当以干层上界划分土壤剖面,其上为表观供水量,2个果园分别为0.08,0.25 m^(3)/m^(2);其下为实际供水量,分别为0.45,0.81 m^(3)/m^(2)。[结论]黄土塬区果园和农田镶嵌布局是一种较为合理的利用结构,在其规划管理中应考虑果树年限及其相邻农田宽度等因素,研究结果有助于推进区域土壤水资源的可持续利用及其空间优化。

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。

黄土高原次沟流域样条分区谱系建构与规划设计导控研究

次沟流域是黄土高原丘陵沟壑区城乡发展的重要潜在区域,但其狭长的沟谷空间内地形复杂、多系统复合,孕育出了复杂的人地关系,城市规划的一般经验与方法较难适用于这种独特的地域环境,导致该区域规划建设存在诸多问题。将“城乡空间样条断面”方法引入次沟流域规划,遵循人地和谐共生理念并从“自然环境生态性、聚落建设适宜性、人居发展程度”3个维度绘制次沟流域样条分区谱系图,定义“T3-a发展成熟区、T3-b发展潜力区、T2-a适度收缩区、T2-b维持平衡区、T1-a生态治理区、T1-b生态服务区、T1-c生态保育区”7类样条分区;基于次沟流域样条分区的不同特征与问题,确定各分区的职能定位与发展导向,从聚落空间秩序、营建模式、功能设施及生态景观等方面对次沟分区规划设计提出差异化的导控规则与指标,以促进次沟流域人居环境与自然环境的健康良性发展,为黄土高原丘陵沟壑区规划设计提供具有可操作性的决策依据。

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。

不同气候区生态系统服务权衡空间异质性及其驱动因素——以川滇-黄土高原生态屏障带为例

厘清生态系统服务权衡关系的驱动因素对实现生态系统高效管理至关重要。然而,在不同气候区生态系统服务权衡关系在空间上如何变化及其驱动机制是否一致,尚不清楚。以川滇-黄土高原生态屏障带为例,基于InVEST模型、CASA模型评估生态系统服务空间分布特征,采用RMSE量化生态系统服务权衡关系,利用地理探测器探究不同气候区生态系统服务权衡的驱动机制,以期为生态系统管理提供参考依据。结果如下:(1)不同生态系统服务在不同气候区存在明显差异,WY整体由东北向西南呈递减趋势,NPP和SC呈现由北向南递减的趋势。(2)WY∩NPP的权衡最高值在中温带为0.317,最低值在高原气候区为0.181。WY∩SC在不同气候区RMSE变化幅度较小,由南向北呈现递减趋势;中亚热带气候区WY∩SC的权衡程度最高,为0.295,南温带的权衡程度最低,为0.229。NPP∩SC的RMSE差值最小,仅有0.064,高原气候区权衡程度略低于温带和亚热带。(3)在不同气候区自然因素对权衡关系作用显著高于社会因素,但在人口密集区,人为活动可以部分突破自然因素的约束,使其对权衡的影响有所提升。因此,在制定不同气候区生态系统服务管理的针对性措施时,应考虑生态系统服务权衡的空间特征和驱动因素的差异性。

人水共生理念下传统窑洞聚落景观理水智慧研究——以陕北地区为例

中国传统聚落景观营建素有将人水共生作为古人聚居选址及农耕生产的理念和举措。因此,在聚落选址之初,古人对自然山水环境的寻找、观察及借用的用心程度甚至超过聚落后期的建设过程。为了更好地保护和传承半干旱区传统窑洞聚落景观理水智慧,避免本土理水营建技术的消失与断代,以陕北黄土高原区传统窑洞聚落为研究对象,从人水共生哲学思想出发,结合DIKW层次结构模型,构建传统聚落理水智慧解析路径与方法。从聚落选址布局理水智慧、人居营建理水智慧、农耕生产理水智慧和自然生态理水智慧4个方面,开展陕北传统窑洞聚落景观理水智慧的提取与体系构建。以期为当前我国半干旱地区乡村聚落生态人居景观营建和水基础设施建设提供理论与经验借鉴。

基于生态系统服务供需关系的黄土高原生态修复分区

从生态系统服务供需关系角度划分生态修复分区对改善生态环境质量、提升区域可持续发展能力具有重要意义。以我国典型的生态脆弱区--黄土高原为例,定量评估2000—2020年黄土高原生态系统服务供给与需求,分析区域内生态系统服务供需关系,并在此基础上进行生态修复分区,提出相应优化策略。研究结果表明:(1)2000—2020年黄土高原不同类型生态系统服务供给均有所增加,固碳、产水服务的需求量呈上升趋势,土壤保持、粮食生产服务的需求量呈下降趋势;固碳服务的供需比持续下降,产水、土壤保持和粮食生产服务的供需比有所增加,总供需比先下降后增长。(2)从空间分布格局来看,固碳、产水和土壤保持服务的供给总体表现为西北低-东南高,粮食生产服务的供给同耕地分布情况保持一致;固碳、产水和粮食生产服务的需求和人口密度分布情况类似,土壤保持服务需求的高值区集中在东部和中部,总需求大致为中间高-四周低;总供需比呈现出西北低-东南高的趋势;从西北到东南,供需匹配类型发生低供低需—低供高需—高供高需—高供低需的转变。(3)基于供需关系综合分析,将黄土高原分为5类、9个生态修复分区,并分区域提出相应的修复策略;其中,供不应求类分区重点解决供需矛盾,保护类分区注重供需关系的维护,修复类分区侧重供给能力的提升,改造类分区需要把“治理”和“发展”结合起来,建设类分区应注重推动区域产业建设。

基于MODIS的陕西黄土高原植被覆盖度变化特征及其驱动分析

基于MODIS数据,采用混合像元分解模型提取陕西黄土高原2000—2009年的植被覆盖度数据,研究其整体变化趋势,并根据植被覆盖类型、地形、气候和土壤因子进行特征分区,研究不同区域植被覆盖变化及其驱动因子。结果表明,整体而言,10 a间研究区植被覆盖度呈增长趋势,2000—2009年共增长约10百分点。植被覆盖度为0～10%、>10%～20%、>20%～30%、>30%～40%和>40%～50%的区域面积年平均减少-1.05%、-8.63%、-7.04%、-7.20%和-3.49%,而植被覆盖度为>50%～60%、>60%～70%、>70%～80%、>80%～90%和>90%～100%的区域面积年平均增长6.92%、10.53%、4.05%、0.87%和7.06%。地形和水热状况从宏观上决定植被覆盖类型,并且影响植被疏密程度,土壤侵蚀影响植被受破坏程度,植被覆盖度持续增长的主要原因是退耕还林(草)工程的实施。

青海高原东部农业区土地利用遥感分类制图

为有效地监测复杂区域生态环境治理成效,该文以青藏高原与黄土高原过渡地带的青海高原东部农业区为例,研究大范围复杂地区土地利用遥感自动、快速提取方法。首先构建适于研究区土地利用变化分析的分类系统;其次,采用地理分区综合遥感分类法对青海高原东部农业区进行土地利用遥感分类制图。研究结果表明,上述方法适宜大范围复杂地区土地利用信息的有效提取,Kappa系数0.71,较未分区的分类结果高0.12。分类制图结果表明,研究区土地利用结构以农用地为主,其中>6°～25°的坡耕地占耕地总量的63.33%,应加大这部分坡耕地水土流失的防治。该研究为大范围复杂地区土地利用遥感信息提取提供了有效的方法,为青海高原东部农业区土地资源的科学管理与规划提供了参考。

黄土丘陵区不同植被群落土壤团聚体有机碳及其组分的分布

有机碳是形成土壤团聚体的重要物质,植被群落通过有机残体的输入增加土壤有机碳含量,从而通过影响团聚体的形成而影响土壤结构。为探究不同植被群落对土壤结构改良的意义,对黄土丘陵区森林带和草原带的不同植被群落土壤团聚体中有机碳组分进行了研究。结果表明：（1）研究区域森林带土壤有机碳含量大于草原带,森林带植被群落土壤总有机碳含量大小顺序为：辽东栎群落〉人工刺槐群落〉狼牙刺群落,草原带植被群落土壤总有机碳含量大小顺序为：人工沙棘群落〉达乌里胡枝子＋茭蒿群落〉铁杆蒿＋达乌里胡枝子群落;（2）土壤活性有机碳和腐殖质碳占土壤总有机碳的比例在两种植被带之间基本相同,相同植被群落土壤活性有机碳占土壤总有机碳的比例高于腐殖质碳占总有机碳的比例;（3）森林带土壤〉0.25 mm团聚体含量显著高于草原带土壤〉0.25 mm团聚体含量,各种形态的有机碳随着土壤团聚体粒级的增大有机碳含量呈先增加后减少或者随着团聚体粒级的增大而增大的趋势,2~0.25 mm和〈0.25 mm团聚体中有机碳含量最高;（4）草原带每种植被群落土壤活性有机碳含量空间差异性较大,辽东栎群落各种形态土壤有机碳含量的空间差异性都较大,〈0.25 mm团聚体腐殖质碳含量大于其他粒径;（5）草原带人工沙棘群落土壤各种形态有机碳在土壤剖面上的含量差异很小,其他各植被群落0~10 cm土层土壤有机碳含量均大于10~20 cm土层。

近50年来黄土高原中部水土流失的时空演化特征

黄土高原是我国水土流失最严重的区域之一．近50年来，随着全球气候变化和人类活动对地表的影响，水土流失发生了巨大变化．为了揭示黄土高原水土流失的时空演化特征，该文选择了黄土高原中部4种典型地貌区域，以年径流深度和年侵蚀模数为水土流失过程参数，采用波谱分析方法和多元回归分析方法对该地区水土流失的周期和演化趋势进行了探讨，分析了不同地貌区域的水土流失特征及近50年来各地貌区域水土流失的演化过程．结果表明，近50年来，黄土丘陵沟壑区水土流失无明显变化，黄土残塬沟壑区和水土流失较轻的土石山区水土流失总体上都存在着不同程度的持续减弱，而水土流失较轻的黄土山区则表现出总体递增的趋势．黄土高原各地貌区都存在20～21a、6～7a和2～4a的变化周期．周期外延和多元回归的混合模型，可以很好地模拟预报黄土高原水土流失的周期波动与总体递变相叠加的演化趋势，可作为黄土高原水土流失监测与预测的有效方法．

黄土高原关键带全剖面土壤水分空间变异性

土壤水分是黄土高原关键带水循环、地下水补给和植被恢复的关键因素。为揭示黄土高原关键带黄土整个剖面的土壤水分空间变化特征,通过土芯钻探的方式获取了黄土高原关键带5个典型样点(杨凌、长武、富县、安塞和神木)从地表到基岩的土壤水分样品,采用经典统计学和地统计学相结合的方法分析了剖面土壤水分的分布规律、变异特征及空间结构。结果表明:黄土高原关键带剖面土壤水分从南往北,土壤平均含水量由高变低;5个样点的土壤水分均为中等变异,随着深度由40 m增加到200 m,土壤水分变异性变弱,且样点之间的土壤含水量差异降低;地统计学分析表明样点的半方差函数能被理论模型较好地拟合(杨凌除外),指数模型能够描述大部分样点深剖面的空间变异结构。相关结果有助于了解黄土高原深层土壤水分状况及分布规律,对于黄土高原土壤水资源估算和区域植被恢复具有重要价值。

黄土高原生态分区探讨

生态分区是生态系统和自然资源合理管理及持续利用的基础,合理的生态分区可为生态环境建设和环境管理政策的制订提供科学依据。在综合分析黄土高原生态环境特点的基础上,阐明了本区的生态地位及存在的主要生态问题。综合考虑黄土高原自然生态特点及其所构成的空间组合的相似性和异质性,提出了黄土高原生态分区的原则、依据及指标系统。通过对气候、土壤、植被等生态系统要素和社会、经济因素进行聚类分析,将黄土高原划分为七个一级生态类型区,并讨论了各区建设生态屏障的区域布局、建设途径及任务。

黄土高原森林草原区土壤有机碳库研究

森林土壤有机碳是陆地生态系统最大的有机碳库，对全球碳平衡有着重要的意义。研究对黄土高原森林草原子午岭地区天然柴松林、辽东栎林以及人工油松林土壤有机碳库及其影响因子之间的关系进行了研究。结果表明：柴松林、油松林和辽东栎林3种林地碳密度分别为10．76、9．382和11．43kg／m^2；且有机碳密度随着土壤深度的增加呈现递减趋势，不同土壤深度差异显著（P〈0．05）；不同立地备件下，3种林地碳密度差异明显，柴松林和辽东栎林在整个剖面有机碳密度阴坡〉阳坡，而油松林在0～50cm土层是阳坡〉阴坡，50～90cm土层是阴坡〉阳坡；不同林地土壤有机碳密度与土壤含水量、pH值、全氮、全磷等理化指标在不同土层中相关性差异较大，而在整个土壤剖面，除PH值以外，3种林地土壤有机碳密度与理化指标呈极显著（P〈0．01）的正相关关系。

黄土高原区植被恢复的空间差异性分析

为了探究黄土高原区植被覆盖的空间分布特征、不同退耕坡度区域和不同气候带区域植被恢复程度,采用黄土高原区2000—2013年的MODIS/NDVI数据进行分析。结果表明：1）2000—2013年黄土高原区的归一化植被指数均值从东南向西北逐渐递减,呈3条带状：〈0.2、≥0.2-0.4、≥0.4,大致对应于中国农业气候分区的干旱中温带、中温带、南温带3个气候区。2）2000—2013年黄土高原区植被覆盖呈增加趋势,增加区域的面积比例超过88%,且夏季比年均表现更明显。50%以上区域年均植被覆盖呈现中度改善或明显改善,50%区域上夏季植被覆盖明显改善。3）黄土高原区中温带的年均植被覆盖呈中度改善趋势,夏季植被覆盖呈明显改善趋势;干旱中温带、南温带的年均植被覆盖处于轻微改善状态,夏季植被覆盖以中度改善和轻微改善为主。4）≥15°-25°的坡度区域,植被恢复效果都好于其他坡度条件,夏季明显改善和中度改善的面积比例超过60%,年均也超过40%;坡度〈6°或≥35°的区域,年均植被覆盖基本不变和退化面积比例接近20%。

黄土高原人工林根区土壤水分亏缺状况与空间分布

通过定位监测与对比分析,对黄土高原半湿润落叶阔叶林区、半干旱森林草原区和半干旱典型草原区,持续干旱期末人工林根区土壤干旱状况、雨季后土壤水分恢复情况进行了测定分析;同时,通过引入土壤贮水亏缺度这一新的指标,对人工林地土壤水分亏缺度的空间分布进行了研究.结果表明,黄土高原人工林地土壤水分亏缺严重.根区O～320 cm土层贮水亏缺量达384.06～466.68 mm,相当于该地多年平均降水量的63.95%～77.70%.其中以0～40 cm主要根系分布层亏缺量最大.人工林根区土壤贮水亏缺度,在水平方向上具有较为明显的空间分布规律.其中,侧柏、油松土壤贮水亏缺度与距主干距离成正相关,但刺槐则相反;在垂直方向因林分类型不同而异.半湿润落叶阔叶林区传统的一维土壤水分动态监测,难以准确反映半湿润落叶阔叶林区人工林地的水分状况.

基于DPSIR模型的黄土高原生态敏感性演变格局及驱动力分析

摸清生态系统敏感性时空演变格局,对其驱动因素及未来发展趋势进行探测是修复和提高生态系统稳定性的重要内容。黄土高原是世界上水土流失最严重和生态环境最脆弱的地区之一,探究该地区生态敏感性时空演变特征及驱动因素,科学划分生态敏感性治理分区对于促进国家生态文明建设具有重要意义。基于“驱动-压力-状态-影响-响应”(driving-pressure-state-impact-response,DPSIR)框架,耦合空间距离指数和全排列多边形图示指标法构建生态敏感性指标体系,使用地理信息演变图谱和地理探测器研究黄土高原2000—2020年5个时间点生态敏感性时空格局和驱动力,最终划分生态敏感性治理分区。结果表明:(1)研究期内黄土高原生态敏感性表现为西北高、东南低的分布特征,时间上先增加后下降。(2)研究期内黄土高原生态敏感性转移类型以波动稳定型为主,生态改善区面积占比最大(35.17%),变化0次和1次的面积占比62.06%,生态环境演变稳定向好。(3)生态敏感性的各驱动因素中,NDVI和降水量以及两者与其他因子的交互作用对于黄土高原生态敏感性具有明显的驱动作用。(4)2030年低度敏感将成为黄土高原的主要敏感类型;沙地和农灌区以及黄土高塬沟壑区的中西部是生态敏感性治理的重点地区。整体来看,黄土高原生态环境有所好转,生态治理措施取得了积极成效,该研究可为黄土高原生态治理及高质量发展提供参考。

中国沙漠地区降尘特征与影响因素分析

1991— 1 998年期间先后使用积尘器在 4个地形剖面上监测了沙坡头地区的降尘过程。降尘沉积速率平均 4 866kg·hm- 2 ·a- 1 ,降尘沉积具有明显的时空分异规律 ,月最大沉积于每年的 5月发生在丘间低地 ,这是因为每年的 5月份既是区域冬夏季风场的转换季节 ,又是人类活动破坏地表的时期 ,并受地貌沉积模式的影响 ;较小的月沉积于冬季出现在丘顶部位。降尘的粒径集中在 2～ 2 50 μm ,极细砂占总量的 37 1 6 % ,沉积物属于砂壤质地。Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Mg、Ti等 8个元素构成检出元素总量的 99 53 %。 1 0～ 2 50 μm的尘屑中含有 30种重矿物 ,其中易风化矿物占 56 75 %～ 74 32 %。风尘相关分析发现月降尘量与每月 >5m·s- 1 风速的次数有良好的相关性。

黄土高原丘陵沟壑区包气带土壤水运移过程

包气带土壤水运移过程是黄土高原生态修复中亟需回答的关键科学问题。环境同位素方法可获取其他方法难以获取的水文过程信息。通过对黄土高原丘陵沟壑区羊圈沟小流域降水、包气带0~150 cm土壤水和绣线菊(Spiraea salicifolia)木质部水等样品的同位素δD和δ^(18)O进行测定。结果表明:羊圈沟小流域降水同位素组成受蒸发作用影响较大,呈现明显分馏效应。包气带土壤水、降水与木质部水同位素组成存在明显月份变化特征。降水是土壤水的主要补给来源,灌丛的水分利用来源主要为降水和土壤水,符合降水-土壤水-植被水的运移特征。灌丛木质部水和20~40 cm土壤水δD和δ^(18)O最为接近,20~40 cm土壤水是灌丛水分利用的主要来源。研究揭示了包气带土壤水运移过程及植物水分利用来源,为土壤水运移过程、模型结构与参数识别等提供科学依据。