宁夏黄土区典型坡面表层土壤有机碳含量的空间变化特征及尺度效应

【目的】定量认识土壤有机碳(SOC)含量在坡面上的空间异质性及尺度效应,探索“由点及面”估算坡面平均SOC含量的精确便捷途径,为细致刻画坡面土壤资源状况、全面理解生态系统碳循环、制定土壤高质量管理方案提供科学基础。【方法】在宁夏半干旱黄土丘陵区,选择3个相邻的由退耕还林工程形成的典型坡面,从坡顶向坡脚设置连续样点,调查各样点的土地利用、植被特征、立地条件及表层(0^20 cm)SOC含量,分析其坡向差异、坡位变化;以“离坡顶的水平距离或相对距离”为自变量,以表层SOC含量的顺坡滑动平均值为因变量,定量描述坡面尺度效应;再以坡面上任一样点表层SOC含量与坡面平均值的比值为因变量,实现由“点”到“面”的尺度上推。【结果】研究区表层SOC含量存在明显的坡向差异、坡位变化、尺度效应。表层SOC含量的坡面平均值在南坡(7.60 g·kg^(-1))最高,东坡(6.42 g·kg^(-1))次之,西坡(5.65 g·kg^(-1))最低,其坡位间变幅在东坡(15.95 g·kg^(-1))最大,其次为西坡(11.34 g·kg^(-1)),最小为南坡(9.72 g·kg^(-1)),说明东坡的坡面效应最强,其次为西坡,南坡最弱。东坡、西坡、南坡表层SOC含量的坡位变化大致相同,均由坡顶向下逐渐减小,至离坡顶水平距离200、150、280 m(相对距离0.73、0.45、0.76)后趋于稳定,主要与坡面“上部为自然状态的坡地+林草植被+恢复年限长、下部为人工梯田+林农植被+扰动频繁”的空间格局有关。在东坡、西坡、南坡上,距坡顶水平距离每增加100 m,SOC含量的滑动平均值分别变化-3.40、-2.50、-1.51 g·kg^(-1);距坡顶相对距离每增加0.1,SOC含量的滑动平均值分别变化-0.96、-0.75、-0.55 g·kg^(-1)。构建3个坡向不同坡位样点表层SOC含量与坡面平均值的比值随离坡顶水平距离或相对距离增加而变化的数量关系(R^(2)>0.7,P<0.001),籍此可由坡面上任一样点表层SOC含量精确便捷地估算坡面平均值。将所有位点数据融合得出,离坡顶相对距离0.4的位点表层SOC含量最接近坡面平均值。【结论】半干旱黄土丘陵区坡面表层SOC含量沿坡从上至下基本呈先减小后稳定的变化,与土地利用类型、植被类型、恢复年限的坡面分布格局有关。以顺坡(相对)水平坡长增加为尺度变量可较好地定量刻画表层SOC含量的坡面变化特征及尺度效应,藉此可实现坡面表层SOC含量平均值的精确便捷推算。

聚丙烯酰胺和石膏粉对黄土坡地产流产沙的影响

为揭示聚丙烯酰胺(PAM)和石膏粉对黄土坡地产流产沙的影响,进行PAM施用量为0~6.0 g/m2、石膏粉施用量为0~150 g/m^(2)、坡面坡角为15°~25°、不同雨强共18种处理小区的野外模拟人工降雨试验,分析了各类小区降雨产流时间、径流系数、径流挟沙率随PAM和石膏粉施用量的变化情况。结果表明:1)施用PAM、石膏粉均可延缓降雨初始产流,且施用量越大延缓时间越长。2)施用PAM使径流系数增大,不同施用量的径流系数均在对照的1.4倍以上;施用石膏粉使径流系数减小,施用量为150 g/m^(2)时径流系数较对照减小幅度为22.2%;PAM、石膏粉分别对连续降雨的前2场、首场降雨产流的影响显著,对后续场次降雨产流的影响均明显衰减。3)施用PAM可有效增强坡地抗蚀性、减少产沙量,且施用量越大抗蚀、减沙作用越大,PAM施用量为6.0 g/m^(2)时径流挟沙率较对照降低81%;施用石膏粉后坡地抗蚀性减弱、产沙量增加,石膏粉施用量为150 g/m^(2)时径流挟沙率比对照提高125%;PAM、石膏粉分别对连续降雨的前2场、前3场降雨产沙有较显著的影响,对后续场次降雨产沙的影响均明显衰减。

基于ERT的黄土高原小流域典型坡地和坝地土壤储水量反演

【目的】反演黄土高原小流域典型坡地和坝地的土壤储水量(SWS),为小流域水资源管理与生态建设提供科学依据。【方法】在陕北六道沟小流域选择典型坡地和坝地,利用电阻率层析成像法(ERT)测定其土壤电阻率(ρ),结合实测土壤体积含水率(θv),构建ρ与θv的幂函数模型,量化0~12.5 m土层剖面的SWS,并对比分析坡地与坝地的SWS空间分布差异。【结果】对于黄土高原坡地和坝地2种典型地貌类型,ρ与θv之间均具有显著的幂函数关系(坡地:R^(2)=0.66,p<0.01;坝地:R^(2)=0.64,p<0.01);坡地ρ分布受坡位影响显著,沿坡顶至坡底逐渐降低,坝地ρ在垂直方向上呈“高-低-高”的分布格局,具有明显的饱和层和非饱和层,而坡地剖面均为非饱和状态;面积为1.8×10^(4)m^(2)的坝地0~6.5 m非饱和层的可储水量为1.49×10^(4)m^(3),6.5~12.5 m饱和层可储水量为5.10×10^(4)m^(3);而相近面积的坡地0~12.5 m非饱和层可储水量为2.59×10^(4)m^(3)。【结论】ERT可用于黄土区深层土壤水资源时空分布研究,六道沟小流域坝地土壤储水量丰富,是坡地土壤储水量的2.5倍,对小流域的水循环和生态系统服务具有重要作用。

基于GIS的坡耕地数字高程模型的建立与应用

微地形是描述地表起伏状态的重要指标,也是地表径流和土壤侵蚀过程的重要影响因子。在微尺度上建立了不同耕作措施下黄土坡耕地的数字高程模型(DEM),并对其空间特征进行了分析。结果表明,利用反距离加权插值法建立的微DEM模型能正确地再现坡耕地地表形态,利用其派生的微坡度、微坡向数据可作为研究土壤侵蚀空间差异的重要因子;微坡度分布特征与耕作措施密切相关,对于人工锄耕(CH)和人工掏挖(TW)措施,微坡度栅格统计数随着微坡度的增大呈先增大,后减小的变化趋势,而等高耕作(DG)措施下微坡度栅格统计数随着微坡度的增大而增大;TW,CH和DG坡面微坡向的栅格统计数具有明显的差异,坡度对微坡向的分布影响明显;利用微DEM计算的地表侵蚀量能够反映出坡面侵蚀的大小。为研究微地形条件下土壤侵蚀过程提供了数据资料,也为进一步研究微地形条件下土壤侵蚀机理的特征提供了参考。

黄土高原退耕坡地土壤水分空间变异性研究

以神木生态观测站为例，利用经典统计学方法对黄土高原退耕坡地土壤水分在空间三维不同方向和不同位置的空间变异性进行了研究，并对空间变异的尺度和时间依赖性等问题进行了探讨，以便为坡地水分管理和植被恢复提供参考。研究结果表明土壤水分在垂直方向和水平方向（垂直于坡长方向）的平均变异程度为弱变异；而在东西方向（坡长方向）、二维平面和三维空间上为中等变异性；土壤水分沿坡长方向从坡顶到坡脚表现出先减小后增大的趋势，且在各坡位变异程度不一．呈现出变异程度为坡上〉坡中〉坡下的趋势；土壤水分沿南北方向表现为阴坡〉山脊〉阳坡的明显趋势，其变异程度为阳坡〉阴坡；在40～200cm土层深度内，土壤水分在垂直方向表现出先减小后增大的趋势，且在各土层的变异程度与各层平均土壤水分成明显的正相关。

黄土坡面不同土地利用与覆盖方式的产流产沙效应

研究不同地类坡地产流产沙规律,对定量评价林草措施的水土保持效益具有重要的意义。利用布设在山西省吉县蔡家川流域的10个径流小区资料,分析了不同土地利用/覆盖方式对产流产沙的影响,研究结果表明:草地拦蓄暴雨功能明显小于灌木与乔木林地;农地(坡耕地)是坡面侵蚀的主要土地利用类型,天然灌木林与混交林的防蚀功能明显大于人工纯林;水土保持林地拦蓄径流明显大于经济林。

纳米碳对不同植被覆盖下黄土坡地降雨侵蚀的抑制效果

纳米碳对黄土高原地区土壤水分运动具有显著影响。该文基于野外人工模拟降雨试验,研究了不同植被覆盖(空地、柠条、苜蓿、黄豆和玉米)条件下,在黄土坡面上中下位置条施不同质量分数纳米碳(0、0.1%、0.5%、0.7%和1.0%)对坡地产流产沙过程的影响。该文试验设计1.0 m×1.0 m降雨小区,前期在小区坡面种植植被以及埋入不同质量分数纳米碳,其中未做植被覆盖处理和未施加纳米碳的小区作为对照,共25个试验小区。采用针孔式人工模拟降雨器进行模拟降雨,雨强为60 mm/h,降雨历时40 min。降雨过程中定时收集径流及泥沙,用以研究在不同植被覆盖条件下纳米碳对黄土区坡地径流与泥沙的调控机理影响。研究结果显示,在土壤中施入纳米碳,对坡面初始产流时间的影响显著。随着施入纳米碳质量分数的增加,不同植被覆盖的初始产流时间总体随之增加,在4种植被覆盖中,苜蓿延缓产流时间效果最明显,较之空白对照最大增加了287.1%。纳米碳的施入,使各植被覆盖中坡面径流量明显降低,施入不同质量分数纳米碳,各植被覆盖中减流效果最显著的仍为苜蓿,径流量较之对照减少了66.47%,而空地、柠条、黄豆、玉米这4种处理减流幅度均在31.5%~33.6%之间。同时,纳米碳对于坡面径流减沙效果亦非常显著。施入纳米碳后,各植被减沙效果排序依次是:苜蓿>柠条>玉米>黄豆。通过纳米碳对产流产沙量的影响进行相关性分析,得出纳米碳对试验结果具有显著的影响;在水土流失调控效果评价值影响分析中,纳米碳对水土流失调控效果较合适的质量分数为0.5%。综上,在黄土区土壤中施加纳米碳并提高施入纳米碳的比例,对于该地区水土流失的治理具有积极作用。

PAM对黄土坡地水分养分迁移特性影响的室内模拟试验

为了研究聚丙烯酰胺(PAM)在黄土区集中暴雨条件对坡地水土及养分流失的影响,采用室内降雨模拟试验方法,探讨了在暴雨(2mm/min)条件下施加PAM对黄土坡地土壤养分流失及硝态氮淋溶特征的影响。试验结果表明,与对照处理相比较,施加PAM对径流硝态氮流失的影响不明显,但显著改变了径流磷和钾浓度随时间变化过程,分别降低了径流磷和钾的流失量为82%和84%;施加PAM减少了坡地土壤流失量93%,也降低了泥沙中硝态氮、速效磷和速效钾的流失量分别为78%,95%和95%;施加PAM影响了坡地土壤水分再分布过程,减少了土壤水分深层的渗漏,从而降低了土壤硝态氮淋失的潜在风险。

前期土壤含水量对黄土坡面氮磷流失的影响及最优含水量的确定

采用室内人工降雨模拟试验的方法,研究了不同土壤前期含水量对塿土和砂黄土的坡面土壤硝态氮和磷素流失过程的影响.研究结果表明,淋失是土壤硝态氮流失的主要途径,仅在前期含水量高于20%时,才产生硝态氮大量径流流失;随着土壤前期含水量的提高,塿土溶解态磷(DP)流失量与泥沙浸提态磷(SEP)流失量的比值呈减少趋势,砂黄土中该比值却呈指数函数增大趋势;2种土壤坡面径流SEP流失量与产沙量呈线性关系;通过坡面物质流失量(NO3--N、SEP、DP和产沙量)与前期土壤含水量的二次多项式关系,获得了使黄土坡面物质流失量最小的最优前期含水量值,其中塿土为10.21%～11.37%,砂黄土为8.97%～13.39%.

黄土区深层土壤干燥化与土壤水分循环特征

深层土壤干燥化是黄土高原地区植被建设过程中出现的重大生态环境问题.采用人工和天然降雨试验,研究了黄土高原沟壑区荒草地和裸地的土壤水分循环特征,并分析和探讨了深层土壤干燥化的成因.2002年天然降雨量为459.9mm(多年平均降雨量为584.1mm),属干旱年,土壤水分观测期间(2002年6月13日至11月24日)天然和人工降雨试验小区的天然降雨量分别为305.2mm和236.8mm.人工降雨试验主要在2002年6～8月进行,土壤水分观测期间荒草地和裸地的人工降雨量分别为360.7mm和418.5mm.试验结果表明:干旱年,荒草地和裸地土壤储水量处于负补偿,入渗雨量全为蒸发蒸腾作用所消耗.在强烈的蒸发蒸腾作用下,剖面内(0～200cm)土壤水分的整体移动性能较强,最大蒸发蒸腾作用层深度很快形成.荒草地土壤水分循环强度大于裸地,表现为荒草地最大蒸发蒸腾作用层深度较大,两者分别为200cm和180cm.雨季量少且分散的降雨极易为强烈的蒸发蒸腾作用所消耗,深层土壤由于缺乏降雨入渗的补给而逐渐干燥化.丰水年,荒草地和裸地土壤储水量处于正补偿,但入渗雨量的大部分(80%以上)为强烈的蒸发蒸腾作用所消耗.在相同的降雨量条件下,荒草地土壤水分循环强度高于裸地,表现为荒草地降雨入渗补给深度较小.连续降雨有利于土壤水分向深层的运移,从而部分缓减深层土壤的干燥化进程.近50a来黄土高原地区气候变暖和降雨减少可能是土壤干层形成的直接原因,而植被类型选择失当、群落密度过大和生产力过高则会加剧深层土壤的干燥化进程.

陕北山地红枣集雨微灌技术集成与示范

陕北山地红枣集雨微灌技术综合集成了坡地降雨径流调控技术、山地红枣矮化密植栽培技术及修剪技术,在对微灌技术进行创新的基础上,形成了黄土高原山地红枣微灌技术体系,并在黄土高原丘陵沟壑区第一附区——陕西省榆林市米脂县创建了技术体系应用实体样板,该样板地红枣平均产量达到19 800 kg/hm^2,较无灌溉条件（产量4 500-6 000 kg/hm^2）增产2-3倍,较管灌条件（产量一般为12 000-15 000 kg/hm^2）增产30%-60%,且节水36%以上。在单项技术研究方面,利用Penman-Monteith公式确定了红枣生育期理论耗水量（438.8mm）;通过不同灌水量处理的田间试验,初步确定出合理的灌水量区间为396-1 320 m^3/hm^2;提出了坡地低压滴灌工程新的设计理论,即微地形影响下的均匀度计算方法、滴头设计工作压力取值理论及毛管设计新方法;在此基础上,提出了坡上部采用三项配套技术＋低压滴灌、坡下部采用三项配套技术＋涌泉根灌＋雾喷的工程模式。

黄土高原小流域不同坡地利用方式的水土流失特征

坡地是黄土高原水土流失的主要来源,坡地利用方式与水土流失的关系研究是黄土高原水土流失综合治理与植被恢复中的重要基础科学问题。在陕北神木县六道沟小流域内,选择谷子地、黑豆地、退耕撂荒地、荒草地和柠条地等5种利用方式修建标准径流小区,观测了产流产沙状况,分析比较其水土流失特征。结果表明:观测期内谷子、黑豆、退耕撂荒、荒草和柠条等5个小区的产流量分别为2.1、2.2、1.5、1.2和0.9m3,径流系数分别为4.1%、4.6%、2.9%、2.4%和1.9%,产流量大小顺序为黑豆>谷子>退耕撂荒>荒草>柠条,最大产流量为最小值的2.4倍。谷子、黑豆、退耕撂荒、荒草和柠条等5个小区的侵蚀产沙量分别为196.6、228.6、27.2、23.3和10.4kg,其大小顺序为黑豆>谷子>退耕荒草>天然荒草>柠条,最大土壤流失量为最小值的22.0倍,表明草灌木等植被类型在保持水土的作用方面要明显高于坡耕地,为评价流域植被恢复的水土环境效应和水土流失治理模式选择提供了基础数据参考。

土壤质地对坡地土壤水分运动与转化特征的影响研究

通过室内模拟降雨试验,研究了杨凌塿土、安塞黄绵土和神木绵砂土的水分迁移特征。结果表明,随着土壤粘粒含量的增加,坡面产流开始时间提前,坡地平均径流系数、径流量和泥沙量呈增加趋势,入渗率和累计入渗水量呈减少趋势。3种土壤降雨入渗率均可用Kostiakov公式拟合,塿土、黄绵土和绵砂土坡地的平均入渗率分别为0.32、0.83和0.88 mm/min。湿润锋运移速度应该与土壤砂粒百分含量和土层含水量的增量呈正相关关系。为了提高雨水利用率,减少水土流失量,建议加强塿土坡地的保护性耕作措施。

黄土坡耕地地表糙度的空间异质性研究

【目的】探讨微尺度下(2 cm×2 cm)地表糙度在侵蚀过程中的空间异质性规律,为进一步理解和定量化描述地表糙度与土壤侵蚀的相互耦合关系奠定基础,并为黄土高原坡耕地水土流失的治理提供一定的理论依据。【方法】以黄土高原不同耕作措施条件下(4种常见的农业耕作措施:人工锄耕、人工掏挖、等高耕作、直线坡(对照)的坡耕地为研究对象,通过室内人工模拟降雨实验,利用激光扫描仪获取地表糙度数据,运用地统计学和分形维数方法对地表糙度的空间分布特征及变异性进行研究。【结果】基本统计特征分析表明,黄土坡耕地地表糙度在整体上的分布较均匀,具有较弱的空间变异特征。半方差函数分析表明,黄土坡耕地地表糙度均表现出中等以上的空间自相关性,其空间自相关尺度范围为2.02—3.82 m。由空间结构特征引起的异质性占总异质性的比例较大。分形维数分析表明,黄土坡耕地地表糙度具有良好的分形性质,其分形维数介于1.59和1.91之间;随坡度的增大,各坡面地表糙度的空间分布趋向复杂,空间异质性增强;人工锄耕、人工掏挖、等高耕作坡面的空间异质性在小尺度范围内依次增强,具有良好的水土保持作用。【结论】造成地表糙度空间异质性差异的主要原因是由人为耕作和坡度所形成的空间结构特征。地表糙度的空间配置格局在小尺度范围上由人为耕作和坡度、在大尺度范围上由降雨及其侵蚀过程所控制。该研究结果可为进一步理解地表糙度与侵蚀的相互耦合关系奠定基础,并为黄土坡耕地的水土流失防治提供一定的科学依据。

雨强对黄土坡面土壤水分入渗及再分布的影响

基于典型黄土的坡地人工降雨实验,对比研究了降雨、入渗及再分布规律;以雨强为主要影响因素,分析了降雨入渗及水分再分布过程中水土物质迁移的定量关系.结果表明,雨强变化对黄土坡面降雨入渗及土壤水分再分布的微观水分运动过程具有重要影响.雨强增大时,入渗和再分布湿润锋均随降雨历时延长而逐渐增加,但水分再分布过程的湿润锋增加速率比入渗慢得多;入渗湿润锋与时间关系可用幂函数表示,同时可表示为雨强的幂函数关系.再分布湿润锋与时间也存在定量关系.雨强越大,初始和稳定的土壤水分入渗率越高,累积入渗量随降雨时间增加得越快.此外,雨强越大,坡顶与坡脚湿润锋深度差异越小,坡面再分布过程的土壤含水量在各层的差异和递减趋势越明显.

黄土丘陵沟壑区(Ⅲ)山坡地林草植被配置模式研究

根据对黄土丘陵第三副区的 3个流域林草植被状况调查和山坡地水、肥、光、温等在坡面的层面分布规律 ,自坡上而下依次提出了不同层面的林草植被优化配置模式及植物种 。

翻耕与压实对坡地土壤溶质迁移过程的影响

采用田间模拟降雨试验方法,研究地表翻耕与压实处理对坡地产流产沙及溶质迁移特征的影响。结果表明:与压实处理比较,翻耕坡地初始产流时间延长近3倍,降雨向土壤水转化率提高10%以上,产沙量增加67%;翻耕处理明显降低溶解态磷(DP)和泥沙浸提态磷(SEP)的流失量,但磷素流失形态(DP与SEP的比值)并未显著变化,始终以颗粒态形式流失为主;翻耕处理显著改变了溴的流失形态,溶解态溴(Br)与泥沙浸提态溴(SBr)流失量比值减少了72%;翻耕处理提高了溴(或硝态氮)的淋失概率,增大污染地下水体的潜在危险。因此,合理配置坡地免耕或翻耕措施,有机结合其他农艺耕作措施,对减少坡地水土及养分流失具有重要实践意义。

黄土坡地耕作侵蚀对土壤养分影响的研究

通过地形测量、铯 - 13 7示踪、土壤性质分析及重复耕作的方法对黄土坡地耕作侵蚀对土壤养分的影响进行了研究 ,结果表明 :全 N、碱解 N及有机质含量随投影坡长的变化可用抛物线描述 ,有效 P及速效 K的变化可用幂函数描述 ;全N、碱解 N、速效 K含量与耕作侵蚀的关系可用线性方程描述 ,有效 P含量的关系可用三次多项式描述 ;耕作侵蚀对全 N、碱解 N、有效 P及速效 K含量的贡献率分别为 16.47%、2 .69%、48.85 %及 15 .3 0 % ;由于耕作侵蚀 ,15年内碱解 N、速效K、有机质及阳离子代换量的含量将在耕作侵蚀区呈减少趋势 。

黄土坡面不同土地利用类型土壤抗蚀性对比

采用静水崩解法研究黄土坡面同一土类背景下不同土地利用类型（侧柏林、刺槐林、油松林、黑杨林、荒草地、农耕地）土壤抗蚀性的差异及产生原因，并分析土壤抗蚀性与土壤理化性质的相关性。结果表明：0～10cm土层，侧柏林地崩解量最少，农耕地崩解量远远大于林地与荒草地，而10—20cm土层，黑杨林地崩解量最小，其次为油松、侧柏、刺槐林地，荒草地与农耕地崩解量差别不大，这与植被对土壤理化性质的影响有关；不同土地利用类型土壤的崩解速率均随着时间增加而逐渐减小，初始速率最大；土壤团聚体含量与土壤抗蚀性极显著相关，林地土壤由于其理化性质得到改善因而增强了抗蚀性。

模拟降雨条件下黄土坡地土壤溶质迁移特征试验研究

土壤质地和溶质性质对土壤溶质地表迁移过程有较大影响。通过室内模拟降雨试验,以杨凌塿土、安塞黄绵土和神木绵砂土为研究对象,研究了土壤NO3-、NH4+、PO43-、K+和Br-的迁移特征。结果表明,塿土的溶质地表流失量均高于黄绵土和绵砂土,尤其是吸附性强的NH4+和PO43-。NO3-与Br-坡面流失以随地表径流流失为主,且主要集中在产流开始的初期阶段。3种土壤处理中径流溶质最高浓度ρmax(mg/L)大小顺序为:ρmax塿土>ρmax黄绵土>ρmax绵砂土,土壤溶质随入渗水分的迁移能力由大至小依次为:Br->NO3->K+>NH4+>PO43-。塿土等效径流迁移深度EDR最大,黄绵土次之,砂绵土最小,各溶质EDR与溶质垂向迁移能力无明显相关性。