农田排水沟除草护坡及生态净化研究综述

对农田排水沟除草护坡及生态净化等方面的研究进行了综述,并对目前主要使用的除草技术,生态护坡技术,以及发展前沿的生态净化技术等方面的国内外相关成果进行总结归纳。然而这些方法都存在技术单一、影响环境等缺点,在对各影响因素的协同作用进行综合系统分析的基础上,提出新的解决思路。对沟道运行面临的问题与需解决的科学问题进行了探讨,旨在为现代农业灌溉排水区域建设提供参考。

不同作物种植模式下坡耕地产流产沙的模拟研究

产流产沙是坡耕地水土流失的主要形式,为探讨不同种植模式对坡耕地产流产沙的影响,采用室内人工模拟降雨试验方法,在同一坡度、3种雨强下对坡耕地7种种植模式进行模拟试验。结果表明:1)不同种植模式下坡面产流量随雨强增大而增大,初始产流时间随雨强增大而缩短。坡面产流量趋势为先逐渐增大,之后(10 min左右)逐渐趋于稳定。C单种模式减流效果最差;A-B-C套种模式减流效果最好;低矮作物单种及参与的套种模式能更好促进降雨入渗。2)不同种植模式下坡面产沙量与雨强呈正相关,低矮作物参与的种植模式径流含沙量变化幅度较小,中、高单种或套种模式径流含沙量变化复杂。小、中雨强下,A-B-C套种模式减沙效果最好;大雨强下,A-B套种模式减沙效果最好。低矮作物参与的种植模式减沙效果优于中、高作物单种其套种模式。3)不同种植模式下产流量和雨强均呈极显著正相关。B、C单种模式与A-B-C套种模式产沙量与雨强有相关关系,其余模式与雨强的相关性不显著。综上,低矮作物单种及低矮作物参与的套种模式能有效减流、保土,因此坡耕地在进行农作物种植时应考虑增加低矮作物参与种植,避免造成大量水土流失。

三峡库区山区乡村功能多元化与坡耕地演变的耦合关系

探究快速城市化、工业化背景下,山区乡村功能多元化与坡耕地演变的耦合关系,对山区耕地保护和乡村可持续发展具有重要意义。从人地关系视角,构建了山区乡村功能多元化与坡耕地演变耦合关系测度模型,并以三峡库区奉节县为例,采用乡村功能评价、耦合协调度模型等方法,揭示其耦合关系及其驱动机制。结果表明:(1)奉节县各乡村功能均呈现发展的趋势,其中社会保障功能的发展最为明显,乡村功能综合指数呈现南北部增加、中部减少的特征,且南部增加幅度大于北部;(2)奉节县坡耕地占比呈现下降趋势,缓坡耕地减少最少,急陡坡耕地减少最多,呈现南部减少幅度小、北部减少幅度大的特征;(3)乡村功能多元化与缓坡耕地演变的耦合协调度呈下降的趋势,与陡坡耕地和急陡坡耕地的耦合协调度呈先降后升的趋势,其耦合响应类型可以归纳为可持续型、转型型、一致型和衰退型4种类型;(4)乡村功能多元化与坡耕地演变耦合变化主要受到自然、社会经济、政策等要素驱动,今后应当从发展生态农业、推行环境治理等方面来提高乡村功能发展与坡耕地利用之间的协调性。研究方法和研究结果可为其他山区坡耕地资源的优化利用、生态保护以及乡村可持续发展提供借鉴价值。

黑土区坡耕地水土保持耕作措施对土壤理化性状的影响

为探寻黑土区坡耕地不同水土保持耕作措施对土壤理化性状的影响机理,开展了田间小区试验。设置横坡耕作(TP)、垄向区田(RF)、深松(SF)、横坡耕作+垄向区田(TP-R)、横坡耕作+深松(TP-S)、垄向区田+深松(RF-S)3种水土保持耕作措施及3种组合耕作措施,并以常规顺坡耕作(CK)为对照,分析了土壤孔隙度、土壤机械组成、水稳性土壤团聚体稳定性、土壤养分含量等指标,并采用TOPSIS模型对不同水土保持耕作措施进行了综合评价,筛选了土壤稳定性强且蓄水保肥效果良好的水土保持耕作措施。结果表明:在玉米的全生育期内,深松、垄向区田、横坡耕作均能提高土壤体积含水率。TP-S处理体积含水率最大,0~40 cm土层平均体积含水率较CK处理增加29.47%;RF-S处理平均孔隙度最大,TP-S处理次之,平均孔隙度较CK处理分别增大10.68%、9.25%;TP-S处理能够显著提高土壤稳定性,其中平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和大团聚体含量(R0.25)较CK处理分别增加12.30%、19.57%、13.97%;TP-S处理能够改善土壤机械组成,TP-S处理粗砂粒、粉粒、黏粒含量较CK处理增加15.40%、26.89%、1.90%,细砂粒含量较CK处理降低31.56%;TP-S处理IN(无机态氮)、AP(有效磷)、AK(速效钾)含量最高,较CK处理IN、AP、AK含量分别增加42.81%~55.32%、39.69%~40.68%、20.41%~25.45%。由TOPSIS模型综合评价结果可知,TP-S处理贴合度最高,土壤结构更稳定,且蓄水保肥效果更好,为适宜该地区的水土保持耕作措施。

典型黑土区坡耕地表层土壤活性有机碳变化特征

以典型黑土区3种地貌类型区(漫川漫岗区、丘陵漫岗区、平原低地区)坡耕地不同坡位表层土壤为研究对象,通过测定土壤总有机碳、高活性有机碳、中活性有机碳和低活性有机碳等指标,分析黑土区坡耕地不同坡位表层土壤活性有机碳的变化特征,探究不同地貌类型区坡耕地土壤活性有机碳变化特征的差异。结果表明,坡耕地各坡位表层土壤总有机碳含量变化范围为26.57~38.61 g/kg,土壤活性有机碳含量变化范围为1.85~5.67 g/kg。3种地貌类型区坡耕地不同坡位土壤总有机碳和活性有机碳含量变化特征不同。漫川漫岗区总有机碳、中活性有机碳和低活性有机碳含量变化特征均表现为坡上和坡中显著大于坡下、坡上和坡中无显著差异;高活性有机碳含量变化特征则以坡中最高坡下最低,且不同坡位之间高活性有机碳含量差异显著。丘陵漫岗区不同坡位土壤总有机碳和低活性有机碳含量差异显著,并表现为坡下显著大于坡上、坡上显著大于坡中;高活性有机碳和中活性有机碳含量的变化则呈现坡上和坡下显著大于坡中、坡上和坡下无显著差异。平原低地区总有机碳及3种活性有机碳组分的含量在各坡位间的差异均为未达显著水平。不同地貌间典型黑土区坡耕地表层土壤活性有机碳分布规律有所差异,漫川漫岗区和丘陵漫岗区坡耕地土壤有机碳活性最差的坡位分别是坡下和坡中,而平原低地区不同坡位间无显著变化。研究结果为黑土坡耕地生态建设与保护技术的针对性设计奠定了理论基础。

东北典型黑土坡耕地不同坡位土壤团聚体特征分析

“漫川漫岗”是东北黑土区典型地貌,其典型黑土土壤结构受径流、冻融等作用影响。为探明东北黑土坡耕地土壤团聚体分布特征,选取坡耕地的坡下、坡中、坡上位置采集土壤样品,测定不同坡位下水稳性团聚体粒径分布、稳定性指标及土壤性质,分析水稳性大团聚体与土壤pH、有机质、钙镁比关系及稳定性指标与团聚体粒径关系。结果表明,不同坡位下水稳性团聚体粒径分布均表现为<0.25 mm团聚体含量占比最高,>2 mm团聚体含量占比最少。<0.25 mm团聚体表现为坡下位显著高于坡中位及坡上位(P<0.05),0.25~0.5 mm、0.5~1 mm、1~2 mm、>2 mm团聚体均表现为坡上位显著高于坡下位(P<0.05)。平均重量直径和几何平均直径均表现为坡上>坡中>坡下,其中坡下位与坡上位、坡中位存在显著差异(P<0.05),团聚体水稳性表现为坡上>坡中>坡下。平均重量直径、几何平均直径均表现为与>0.25 mm团聚体呈正相关,与<0.25 mm团聚体呈负相关,其中受>2 mm团聚体影响最大(P<0.01)。有机质、pH、钙镁比均与>0.25 mm团聚体呈正相关关系(P<0.05)。因此,典型黑土坡耕地较高的有机质含量、pH、钙镁比有利于土壤团聚,促进>0.25 mm团聚体形成,提高团聚体水稳性。

等高反坡阶措施下坡耕地球囊霉素相关土壤蛋白对土壤碳氮储量的贡献

为证实坡面微地形改造措施—等高反坡阶(CRT)对坡耕地的生态修复功能,揭示CRT对球囊霉素相关土壤蛋白(GRSP)含量及土壤碳氮储量贡献的影响与机制至关重要。通过分析原状(CK)和CRT处理下旱季和雨季坡耕地0—5、5—15、15—30 cm土层中总GRSP(T-GRSP)、易提取GRSP(EE-GRSP)、土壤有机碳(SOC)与土壤全氮(TN)在CRT阶上和阶下及CK对应位置处的时空分布特征,探讨CRT措施下GRSP对土壤碳氮储量的贡献,揭示相关机制。结果表明:(1)CRT坡耕地土壤T-GRSP、EE-GRSP、SOC和TN的含量较CK显著提高(P<0.05),增幅分别为16.6%—189%、7.28%—102%、1%—68.3%和7.29%—79.7%。且CRT对坡耕地GRSP含量的提升效果总体表现为雨季强于旱季、表层(0—5 cm)土壤高于深层(15—30 cm)、阶下优于阶上。(2)相比CK,CRT坡耕地旱季和雨季SOC储量分别提高8.06%和13.5%,TN储量提高7.01%和12.1%。T-GRSP对SOC和TN储量的贡献率较CK分别提高8.5%—141%和2.58%—133%,EE-GRSP对SOC和TN储量的贡献率较CK分别提高1.38%—82%和5.25%—87.2%。且CRT对坡耕地SOC和TN储量提升效果雨季优于旱季,对表层土壤T-GRSP对SOC和TN贡献率的提升效果表现为雨季强于旱季、阶下强于阶上。(3)CRT极大提高了坡耕地T-GRSP与土壤孔隙度、SOC和TN的正相关性。相比CK,相关系数(R~2)分别由0.17、0.26和0.29增至0.51、0.66和0.64。因此,CRT措施不仅降低了坡耕地SOC和TN的流失,还通过提高有机质含量改善土壤通气透水性,进而提高坡耕地GRSP的分泌与累积,同时提高GRSP对碳氮的贡献率,促进了土壤碳氮的固持与封存。

玉米间作大豆行比配置对坡耕地水土流失的影响

[目的]探究玉米间作大豆不同行比配置的水土流失规律,为坡耕地具有水土保持效果的玉米间作大豆模式推广利用提供科学依据。[方法]在坡耕地条件下以玉米间作大豆为研究对象,选定坡度(10°,16°,22°)和降雨强度(40,80,120 mm/h),通过人工模拟降雨试验,探究玉米、大豆单作及玉米‖大豆2∶1(2行玉米间作1行大豆),2∶2,2∶3,2∶4行比配置的水土流失特征。[结果]玉米‖大豆2∶4行比配置较玉米单作、玉米‖大豆2∶1,2∶2,2∶3行比配置、大豆单作地表径流量平均减少64.23%,57.19%,31.17%,10.12%,0.36%,侵蚀量平均减少82.90%,80.75%,46.53%,29.78%,36.33%,地表径流产流时间平均延缓101.55%,49.06%,23.13%,30.77%,0.82%。雨强和径流产生时间、入渗流产生时间呈极显著负相关,和径流量、侵蚀量呈极显著正相关,坡度和径流产生时间呈显著负相关,在高雨强、高坡度下间作较大豆单作水土保持效果表现更好。[结论]总体来看,玉米‖大豆2∶4行比配置在不同雨强和坡度下水土保持效果较好,是一种合理可行的山区坡耕地作物多样性种植方式。

坡耕地红壤剖面磷的储存容量及其流失风险研究

基于土壤磷储存容量的变化差异,准确评估与判断坡耕旱地与稻田红壤磷的剖面流失风险。以江西鹰潭孙家典型红壤小流域内位于坡上(T)、坡中(M)及坡下(B)的花生旱地(PU)及稻田(PF)各发生层土壤为对象,分析了各发生层土壤全磷(TP)、有效磷(Olsen-P)、磷饱和率(PSR)、磷吸持指数(phosphorussorptionindex,PSI)及磷储存容量(Soil phosphorus storage capacity,SPSC)随剖面的变化特征及差异,估测了坡耕地红壤磷的剖面流失风险,探讨了土壤pH、Eh及容重(BD)等因子对坡耕地红壤发生层SPSC的影响差异。结果表明,不同坡位花生旱地与稻田红壤表层TP、Olsen-P含量均显著高于底层土壤,且稻田红壤TP与Olsen-P的剖面变异显著高于花生旱地剖面。与耕作层(Ap1)相比,花生旱地底层土壤PSI显著增加了33.1%~146%,且随剖面深度增加而缓慢降低;而稻田红壤PSI则随着剖面深度增加而增大。花生旱地与稻田红壤(PF-M除外)PSR均随着剖面深度的增加而逐渐降低,SPSC变化范围分别为–89.2~298.3 mg·kg^(-1)与^(-1)38.1~101.1mg·kg^(-1)。PU-T与PU-M剖面SPSC均为正值,且随剖面深度增加呈降低趋势;而PU-B(耕作亚层Ap2除外)剖面的SPSC均为负值。PF-T(氧化还原层Br2除外)、PF-M(Ap1除外)及PF-B剖面各发生层的SPSC均为负值,且随剖面深度增加变化显著。基于SPSC理论对坡耕红壤剖面土壤磷储量及其环境流失风险的评估,花生旱地土壤磷沿剖面及坡位的迁移与运移迹象明显,当土壤Olsen-P>27.6mg·kg^(-1)时,花生旱地剖面土壤磷的流失风险将急剧增加,应及时采取管控措施。稻田红壤剖面各发生层均存在不同程度的磷流失风险,需立即停止施磷并及时采取有效措施。

基于梯度提升树模型的坡耕地土壤水蚀模拟与分析

[目的]针对黄土高原坡耕地土壤侵蚀过程复杂、人为干扰强烈且难以量化的特点,利用机器学习定量解析主要影响因素对坡耕地土壤水蚀的作用与贡献,模拟分析坡耕地土壤水蚀特征并探究其机理,为坡耕地土壤侵蚀的预报提供基础支撑。[方法]基于黄土高原子洲试验站坡耕地小区1959—1969年产流产沙观测数据,精细化表征其影响因子,运用梯度提升树模型对侵蚀量和径流深的变化及其影响因素的贡献进行分析。[结果]数据集中次降雨侵蚀量(0~122.72 t/km^(2))、径流深(0.02~17.20 mm)、降雨历时(2~1410 min)及平均雨强(0.02~4.63 mm)属强变异,变异系数均>1,且多数变量呈右偏态;在相同训练集和测试集划分情况下,对侵蚀量模型预测精度(R^(2)=0.81)略优于径流深模型(R^(2)=0.80),但侵蚀量模型的层数(8层)大于径流深模型(5层),表明侵蚀机理相较径流机理更为复杂;通过梯度提升树模型与SHAP算法对自变量重要性进行排序发现,影响侵蚀模型与径流模型的自变量重要性不同。[结论]受特征提取的限制,在侵蚀量与径流深较小时预测结果不理想,未来研究应当通过引入更多自变量组合方式寻找更多相关变量以提高对侵蚀事件的预测。产流和产沙的主要影响因素存在差异,降水本身特征对产流过程起主要作用,侵蚀产沙过程中主要受到降水与地形相关自变量的共同影响。基于数据驱动,为揭示黄土高原坡耕地侵蚀机理提供参考,并为区域坡耕地土壤侵蚀防治提供科学依据。

三峡库区乡村坡耕地长时间序列动态演变与转型

研究山区坡耕地动态演变与利用转型,对中国西南山区传统乡村的粮食安全和农业可持续发展具有一定指导意义。以三峡库区腹地草堂溪流域为研究对象,利用ArcGIS 10.2软件并结合Fragstats、土地利用转移矩阵等技术手段对坡耕地的演变和驱动机制进行分析。结果表明:(1)坡耕地面积持续减少,与1965年相比,2020年坡耕地面积减少8004.7 hm^(2),整体动态度达7.21%,随着社会经济的发展坡耕地动态演变更趋活跃;坡耕地面积随高程级、坡度级的增加而先增后减,随聚落距离的增加而迅速减少。(2)坡耕地LPI、MPS、AI呈减小的趋势,MNN不断增加;坡耕地规模减小、破碎化程度加剧,斑块连片集中化程度减弱。(3)坡耕地主要向果园、林地和草地等转换,坡耕地生产功能主要转换为生态经济功能和生态功能,部分转换为生活功能。(4)山区坡耕地动态演变和利用转型可以归纳为生态经济型、撂荒型和生态型3种模式,其演变主要受到自然、社会经济、政策等多种因素的共同作用。研究结果揭示了50多年来三峡库区坡耕地的动态演变及转型特征,对库区山区农村土地利用、乡村可持续发展以及人地关系的改善具有启示意义。

短历时强降雨对喀斯特玉米坡地产流产沙的影响

[目的]研究短历时强降雨对喀斯特坡耕地产流产沙的影响,揭示喀斯特坡耕地土壤侵蚀特征机理,为解决喀斯特坡耕地土壤侵蚀和保障粮食生产提供科学依据。[方法]通过人工模拟降雨试验,以喀斯特裸坡地和玉米坡地为研究对象,研究短历时强降雨对喀斯特坡耕地产流产沙的影响。[结果](1)裸坡地和玉米地地表产流产沙模数随坡度的增大而增大,当坡度相同时,玉米地地表产流产沙模数显著小于裸坡地(p<0.05);随着降雨历时的增加,裸坡地和玉米地地表产流模数呈现出先增大后保持稳定的趋势,而地表产沙模数则是先增大后减小。(2)裸坡地和玉米地各壤中流产流模数随坡度的增大而增大;当坡度相同时,玉米地各壤中流产流量显著小于裸坡地(p<0.05),其中坡度为20°时,玉米地壤中流(15—25 cm)总产流量相对裸坡地减少了62.59%。(3)当坡度不变时,玉米地地下产沙量和产沙模数显著小于裸坡地(p<0.05);随着降雨历时的增加,裸坡地与玉米地地下产流模数呈现出不断增大的趋势,其变化趋势基本保持一致,而地下产沙模数呈现先增大后减小的趋势,在20~30 min之间达到最大产沙模数。(4)比较不同坡度裸坡地与玉米地各产流产沙之间的相关性,发现玉米地相比裸坡地地下产沙与地表产流、地下产流、地表产沙之间相关性增强,而地表产沙与地表产流、地下产流之间的相关性减弱。[结论]强降雨下玉米坡地能够增加入渗,具有阻控和缓蚀的作用,其中地表产流产沙模数和壤中流产流模数随坡度的增大而增大,而地下产流模数随降雨历时增加呈不断增大的趋势,地下产沙模数呈先增大后减小的趋势。

川中丘陵区紫色土坡耕地植物篱措施对土壤抗蚀性的影响

川中丘陵区紫色土坡耕地水土流失严重,影响农作物增产增收。水土保持植物篱措施是提高土壤的抗侵蚀能力的有效生态手段。以往土壤抗蚀性的研究多集中于黄土高原,较少涉及植物篱作用下紫色土坡耕地抗蚀机理方面的研究。本文以新银合欢(Leucaena leucocephala)和香根草(Vetiveria zizanioides)为研究对象,基于试验站坡耕地小区定位观测的基础数据,结合土壤采样和实验分析,利用主成分分析法对种植不同植物篱的坡耕地土壤抗蚀性进行了综合评价。结果表明:(1)在分析11项指标后,2项主成分指标对解释土壤抗蚀性贡献率达到82.7%,其中水稳性团聚体被认定为关键指标。(2)植物篱显著提高了表层土的抗蚀性。与无植物篱的样区为对照,10°坡耕地上香根草和新银合欢植物篱小区的土壤抗蚀性综合指数(SERI)分别比对照区高2.048和0.853,15°坡耕地上香根草植物篱的SERI比对照区高1.321;且植物篱下侧的土壤抗蚀性高于植物篱上侧,在10°和15°香根草植物篱小区,植物篱下侧抗蚀性指数分别达到上侧的2.0倍、1.5倍,而10°新银合欢植物篱小区的下侧抗蚀性综合指数达到上侧的1.1倍。(3)相较于新银合欢植物篱小区,香根草植物篱小区土壤表现出了更高的抗蚀性,且两种植物篱小区下侧土壤抗蚀性均优于上侧,选择密植草本植物篱并重点防治植物篱上侧土壤可有效减少坡耕地水土流失。研究成果可为川中丘陵区水土流失治理及农业增产提供科学依据。

三峡库区不同种植制度的坡地水土流失特征

剖析农业种植制度对库区水土流失的季节性影响,有助于深刻认识库区农业区域水土流失发生规律。基于2018—2021年共4年期间中国科学院三峡库区水土保持与环境研究站自有粮油作物、蔬菜作物、柑橘果园、灌草撂荒4种种植制度小区的水土流失监测数据的整理分析,结果表明:库区4—8月降雨量占全年降雨量的60.4%~75.8%,年内中雨发生频率最高,占73.63%,大雨次之,占19.78%,暴雨频率最低,占6.59%。4种种植制度小区中,柑橘果园的平均径流深、土壤侵蚀强度都最大,表明柑橘果园是该区域重要的水土流失源地。蔬菜作物和粮油作物是库区坡耕地的主要农作物,地块耕作频繁,易于发生水土流失,但不同种植制度下的作物生长周期、田间管理措施存在明显差异,对植被覆盖度、土壤紧实度产生显著影响,进而影响地表径流发生和土壤侵蚀过程。因此,对于三峡库区侵蚀性降雨年内分布不均和不同种植制度田间耕作管理、植被覆盖的季节性差异,应有针对性地采取防治措施,以有效保护农业土壤资源。

坡耕地土壤转化酶活性与芸豆产量对等高反坡阶措施的响应

为探究坡面微地形改造水土保持措施—等高反坡阶(CRT)对坡耕地土壤肥力的提升效果及其生态修复功能,有必要关注该措施对土壤养分与转化酶活的影响,及其提升作物产量的机制。通过分析坡耕地CRT处理后阶上和阶下0~5 cm土层养分(全氮TN、全磷TP、铵态氮NH_(4)^(+)-N、硝态氮NO_(3)^(-)-N和速效磷AP)及酶活(脲酶S-UE、β-1,4-N-乙酰葡萄糖苷酶S-NAG、亮氨酸氨基肽酶S-LAP和酸性磷酸酶S-ACP)差异,并以原状坡耕地(CK)相应位置作对照,探讨CRT措施下土壤养分转化相关酶对芸豆(Phaseolus vulgaris)产量和千粒质量的影响机制。结果表明:1)CRT使土壤TN、NO_(3)^(-)-N、TP、AP含量较CK阶上分别提高21.2%、86.2%、14.1%和28.4%,阶下提高7.3%、77.4%、21.8%和30.1%;使NH_(4)^(+)-N阶下提高2.8%,阶上降低22.5%。CRT对NO_(3)^(-)-N的提升效果高于TN和NH_(4)^(+)-N,对AP的提升效果优于TP。2)CRT措施使坡耕地S-UE、S-NAG、S-LAP和S-ACP活性阶上较CK分别提高13.4%、55.9%、56.8%和44.6%,阶下提高48.3%、72.3%、70.9%和34.6%,且阶下增幅大于阶上。3)CK坡耕地阶上、阶下芸豆产量为20.0和23.2 kg/hm^(2),千粒质量为448和376 g,而CRT使芸豆产量和千粒质量阶上提高66.7%和8.6%,阶下提高289%和26.6%,阶下增幅均大于阶上。4)相比CK,CRT使坡耕地芸豆产量与S-UE由不相关变为显著正相关(P<0.05),相关系数由0.12增至0.91,使坡耕地芸豆千粒质量与氮、磷、酶活(S-NAG、S-LAP、S-ACP)由显著负相关(P<0.05)变为相关。S-LAP、S-NAG、NH_(4)^(+)-N对芸豆产量和千粒质量的影响显著(P<0.01),解释量分别为48.4%、29.2%、18.0%。CRT通过改善坡耕地土壤养分的空间分布,提高相关酶活,加速有机养分向无机养分的转化,提升土壤关键性肥力,进而促进芸豆生长发育,提高产量和千粒质量。

基于团聚体性质的等高反坡阶改良土壤结构评价

为探明等高反坡阶(CRT)措施促进坡耕地退化土壤生态修复的机理,以云南松华坝迤者流域坡耕地为对象,测定CRT坡耕地不同位置(阶上,CRT-A;阶下,CRT-B)和土层深度的土壤团聚体性质和物理性质,并以原状坡耕地(CK)相应位置作对比,构建基于团聚体性质的土壤结构评价指标体系。结果表明:1)CRT措施可显著改善土壤孔隙状况、团聚体组成特征和稳定性;2)通过构建最小数据集,获得土壤结构评价指标体系(包括土壤密度、孔隙度、几何平均直径、稳定性团聚体、总团聚体和>2~5 mm团聚体),计算土壤结构指数评价土壤结构水平;3)土壤结构整体上表现为CRT>CK。CRT坡耕地土壤结构指数相较于CK提高23.1%~36.2%,土壤结构属于中等水平;4)CRT使坡耕地阶下土壤结构优于阶上,0~5、5~10和10~20 cm土层阶下土壤结构指数较CK分别增加25.2%、27.3%和25.7%,主要由于阶下土壤受到CRT的防冲刷保护和营养富集作用的影响。综上,CRT通过提高土壤大团聚体比例,增加土壤孔隙度,改善土壤结构,提高坡耕地土壤结构性能,促进其退化土壤的修复。

紫色土坡耕地耕层持水抗旱性能及生产力对侵蚀程度的响应

【目的】分析侵蚀条件下紫色土坡耕地耕层持水性能与产量响应特征,为调控坡耕地季节性干旱及水分利用效率、提升侵蚀条件下坡耕地玉米产量提供理论依据。【方法】采用铲土侵蚀模拟法,以未侵蚀地块为对照组(S_(-0)),对比分析5 cm(S_(-5))、10 cm(S_(-10))、15 cm(S_(-15))、20 cm(S_(-20))侵蚀程度和3种管理措施下(不施肥(CK)、施化肥(F)、生物炭+化肥(BF)),坡耕地耕层持水抗旱性能和玉米产量的年际变化特征及对侵蚀程度的响应。【结果】(1)坡耕地心土层土壤持水性能更强。在相同水平土壤水吸力下,耕作层土壤容积含水量降低幅度(13.9%—18.2%)较心土层更大(9.8%);随年际变化,土壤容积含水量在S_(-5)时增幅最大为耕作层(14.2%),而心土层表现为在S_(-15)最大(33.2%)。(2)坡耕地土壤总库容、兴利库容、最大有效库容及有效水分含量,随侵蚀加剧呈开口朝下的抛物线变化规律。随年际变化,各侵蚀程度下土壤最大有效库容最大增幅(44.7%)处于较强烈侵蚀程度(S_(-15)),而有效水分含量、最大储水量及单次接纳最大降雨量在微弱侵蚀程度下(S_(-0)至S_(-10))提升幅度最大。(3)坡耕地玉米产量随侵蚀加剧总体呈降低趋势,且与土壤最大有效库容、田间持水量有正相关关系;随年际变化,各侵蚀程度下坡耕地减产效果降低,且产量变化随侵蚀加剧呈一定滞后性,即侵蚀发生年产量无明显减产。(4)侵蚀条件下坡耕地土壤最大有效库容主要受土壤质地中黏粒含量、毛管孔隙度和有机质含量显著影响(P<0.01);而田间持水量与土层深度、有机质、粉粒及孔隙度呈极显著关系(P<0.01)。【结论】土壤持水抗旱性能的强弱主要受土壤结构优劣的影响。对坡耕地侵蚀耕层辅以深翻耕作和生物炭+化肥管理措施改善土壤结构,可有效调控坡耕地侵蚀性耕层持水抗旱性能,提升侵蚀条件下坡耕地作物产量。

坡度及作物种类对红壤坡耕地水土流失的影响研究

坡耕地水土流失会导致作物产量及土壤生产力下降,坡度及作物种类是其主要影响因素之一,针对不同坡度及作物种类开展水土流失量对比研究,对于南方红壤区合理利用土地及水土流失防治措施具有指导意义。在5°、10°、15°坡地种植大豆、木薯、玉米等作物,开展了连续4 a的降雨侵蚀观测。2016-2019年的观测数据表明:作物种植类型对坡面径流量和土壤流失量影响显著,在自然降雨情况下,同一坡度的坡面,大豆种植的产流量及产沙量明显小于时蔬,并且大豆种植不仅是在种植当年能有效减少水土流失,在种植两年大豆之后再在同一坡面种植时蔬的单位面积土壤流失量要比一直种植时蔬的坡面小0.6 t/hm2,花生与木薯间作能降低年径流量与径流侵蚀量,是同坡度条件下的三分之二,在间作种植木薯与花生的情况下15°的坡面产流与产沙要明显小于10°的坡面,说明大豆种植及花生木薯间作更有利于南方红壤地区的水土保持治理,15°的坡面更利于种植经济作物。

黑土区坡耕地土壤侵蚀及水分利用效率对不同覆盖耕作模式的响应

为揭示不同覆盖耕作模式对黑土区坡耕地土壤侵蚀防治及水分利用效率的影响机制,设置顺坡免耕碎秆均匀覆盖(SM)、顺坡免耕覆盖作物(SC)、横坡免耕碎秆均匀覆盖(CM)和传统耕作(CK)4种覆盖耕作模式,研究分析黑土区坡耕地土壤水分动态变化规律,明确不同覆盖耕作模式的土壤侵蚀特征,分析不同覆盖耕作模式对水分利用效率的影响.结果表明:顺坡免耕碎秆均匀覆盖(SM)、顺坡免耕覆盖作物(SC)和横坡免耕碎秆均匀覆盖(CM)均能不同程度地增加土壤水分含量,防治土壤侵蚀和提高水分利用效率.SM处理、SC处理与CM处理较CK处理0~80 cm不同土层土壤含水率分别提高9.34%~18.20%,5.30%~11.54%和9.12%~19.84%;径流量、侵蚀量、降雨量和最大30 min雨强(I_(30))均与水分利用效率呈显著负相关性;SM处理、SC处理和CM处理的水分利用效率较CK处理均有提高,其增幅介于1.18%~10.76%.通过对比分析减流减蚀效果和水分利用效率,发现在防治土壤侵蚀,蓄水保墒及提高水分利用效率方面,横坡免耕碎秆均匀覆盖模式效果更好.

生态系统服务权衡强度与生态恢复优先区的空间差异——以怒江流域施甸县为例

粮食生产服务与土壤保持服务的供给矛盾是制约怒江流域可持续发展的一大阻碍。以流域中心的施甸县为例,使用均方根偏差(Root Mean Square Error, RMSE)方法评估了2000—2020年粮食生产和土壤保持服务权衡强度的空间特征变化。然后将2020年作为基准年,以坡耕地生态恢复作为决策变量,使用多目标线性规划提取了高生态恢复优先的区域,进而识别了权衡强度与恢复潜力的空间分布异同。研究结果表明,(1)两项生态系统服务权衡的空间分异明显,研究期间权衡强度呈增加趋势,RMSE平均值由2000年的0.466增加至2020年的0.499;高权衡强度区域主要集中在研究区的低海拔坝区,而低权衡强度区域分布零散,且高/低权衡强度区域在空间上都表现出聚集的特征。(2)根据线性规划绘制的效率前沿曲线,在土壤保持服务收益达到13.35×10^(6)t hm^(-2)a^(-1)时需要转出3388.51hm^(2)坡耕地,同时粮食生产服务损失达9.59×10^(6)kg,而继续提升会显著增加成本。(3)各权衡强度等级坡耕地的生态恢复潜力为:中权衡>低权衡>高权衡,其中权衡强度在0.4—0.5区间的坡耕地最适宜进行生态恢复。这一研究结果可以为山地区域坡耕地利用模式提供参考,推进可持续发展目标的实现。