“双碳”目标下东北黑土区耕地利用生态效率时空格局与演变趋势

[目的]探究东北黑土区耕地利用生态效率的时空格局和演变趋势,将碳源与碳汇融入耕地利用过程,这对于实现黑土减排增效和“双碳”目标至关重要。[方法]基于超效率SBM模型、核密度估计、探索性空间数据分析和空间插值工具等方法,系统考察了2006—2020年东北黑土区耕地利用生态效率的时空特征与演进规律。[结果]黑土区耕地利用生态效率历经波动上升、显著下降和迅速回升3个阶段,总体处于较高发展水平,北部边缘城市的效率值明显高于中南部地区,基期和末期区间两极分化局势尤为显著,整体发展严重失衡;黑土区耕地利用生态效率全局空间相关特性并不明显,大致呈现“边缘—中心”空间扩散格局,由南北两端高值集聚向内及四周递减,而后形成多个块状高值区和低值分布带,规模集聚优势未能得到充分发挥;多数城市均存在不同程度的投入与产出冗余,劳动力和化肥冗余问题较为严重,碳排放冗余是造成黑土区耕地利用生态效率损失的普遍因素。[结论]优化要素配置和污染减排治理成为黑土利用重点改善方向,也是提升黑土区耕地利用生态效率的关键路径。

基于遥感技术的东北黑土区水土流失动态监测研究

东北黑土区是我国重要的商品粮基地,近年来面临水土流失严重、面积减小、土壤质量下降等问题,已成为目前土壤保护工作中亟待解决的重要问题。以东北黑土区2018年和2022年两期遥感影像与水土保持措施的实地调查数据作为数据源,利用目视识别法开展影像解译,并通过中国土壤流失方程CSLE进行土壤侵蚀模数的计算,对东北黑土区的水土流失变化情况及原因进行分析,结果表明:耕地、草地、建设用地、其他土地面积减少,园地、林地、交通运输用地、水域及水利设施用地面积增加,造林、种草、封育、地埂、水平阶/反坡梯田等面积共增加0.84万km^(2);对比2018—2022年东北黑土区的水土流失情况,整体呈向好趋势,土壤侵蚀面积共减少约1.01万km^(2);从侵蚀强度来看,除轻度侵蚀面积增加约0.45万km^(2)外,中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀面积分别减少约0.43万、0.24万、0.28万、0.51万km^(2);从不同省份侵蚀面积变化情况分析,内蒙古自治区东四盟的侵蚀面积减少最多,共减少约0.37万km^(2),辽宁省侵蚀面积变化最小,共减少约0.06万km^(2);耕地、建设用地等土地利用类型面积的减少,以及林地、交通运输用地等土地利用类型面积的增加,均可大幅减少土壤侵蚀面积,同时水土保持措施面积的增加也可有效阻止土壤侵蚀的发生。总体来看,东北黑土区水土流失治理效果显著,生态环境得到改善,持续进行东北黑土区水土流失治理对环境保护具有重要意义。

粮食种植结构视角下东北黑土区耕地利用结构调控研究

科学模拟和调控耕地利用结构是实现种植结构优化的重要手段,对缓解粮食供求结构性矛盾具有重要意义。以东北黑土区典型县为例,基于粮食种植结构视角构建耕地利用系统动力学(System dynamics, SD)模型,预测水稻、玉米和大豆3种主要粮食作物的种植面积、产量和收益,通过经济、技术、市场多情景模拟提出耕地利用结构调控路径。结果表明:SD模型模拟效果良好,平均偏离度低于10%。预测2019—2030年研究区水稻和大豆种植面积将逐步增加,玉米种植面积缓慢减少。水稻和玉米产量均有所增加,大豆产量呈先增后减趋势。不同情景下3种作物的模拟结果存在明显差异,GDP水平提升、增加农业技术投入和农产品价格调控将有利于水稻种植面积、产量和收益增加。提升农民收入水平、加强农业技术支持和农产品价格调控对大豆种植面积、产量和收益的增加具有明显促进作用。而调控农民收入、农业技术和农产品价格对改善玉米的耕地利用结构效果不佳。通过建立种植结构调整补贴政策、推进农业机械化转型升级和健全农产品市场体系的路径组合实现耕地利用结构优化调控。研究系统阐释了耕地利用要素关系及其结构变化的内在逻辑,明确了不同情景下主要粮食作物耕地利用结构的调控路径,为区域未来粮食生产结构优化政策的制定提供依据,对实现粮食供求动态平衡、促进耕地资源高效可持续利用具有重要意义。

黑土区典型县域侵蚀沟时空分布特征和影响因素研究——以拜泉县为例

侵蚀沟严重威胁黑土地可持续利用,揭示侵蚀沟分布的时空格局及影响因素可为侵蚀沟防治提供依据。以典型黑土区拜泉县为研究区,基于GIS和RS技术,提取县-乡(镇)-村级尺度侵蚀沟空间分布数据,分析研究区2005~2020年侵蚀沟数量、分布情况及其裂度时空变化特征,探讨坡度、坡向及距河流远近三项因素对侵蚀沟发育扩张的影响,为黑土区侵蚀沟分级分区治理提供科学依据。结果表明,侵蚀沟数量、面积、长度指标呈增长态势,2005~2020年新增329条,长度由1169.52 km增至1325.23 km,面积由23.69 km2增至29.24 km^(2)。在空间分布特征方面,整体上裂度空间分布呈东高西低、北高南低的空间格局,东北部和东南部沟蚀明显增加。综合分析坡度、坡向和距河流远近三项因素,侵蚀沟主要分布在8°~15°、阳坡(S、E)且距河流距离在1500 m范围内的坡耕地,坡向上阳坡(S、E)更易发生侵蚀;坡度分异表明侵蚀沟呈现向高坡度发展趋势,在8°~15°坡耕地上存在阈值;水文特征方面表明与河流距离增加其面积及裂度下降。

东北漫岗黑土区切沟侵蚀发育特征

随着人们对土壤侵蚀空间尺度认识的加深,发育在更大空间尺度上的切沟愈来愈受到重视。切沟是土壤侵蚀的重要组成部分,但现有的土壤侵蚀模型尚未包括切沟侵蚀部分。本研究利用高精度差分GPS,在对东北典型漫岗黑土区切沟监测的基础上,借助GIS平台生成DEM,通过DEM的叠加分析,探讨了沟内蚀积变化特征。并在此基础上,提出了东北切沟侵蚀的概念模型,认为冬春季冻融侵蚀产生沟内堆积—雨季径流产生侵蚀的过程可能是该区切沟发育的一种重要模式。

东北典型黑土区耕地地力评价与障碍因素诊断

研究目的:从影响耕地地力的土壤管理、理化性质、土壤养分、剖面性状、立地条件和气候条件等6个方面选取13个评价指标对东北典型黑土区耕地地力进行综合评价,并在评价基础上进行障碍因素诊断,为今后定量化分析耕地地力障碍因素提供方法。研究方法:该研究运用层次分析法和模糊数学法等方法进行耕地地力评价,并引入障碍度模型对影响该区域耕地地力的障碍因素进行定量化分析。研究结果:(1)东北典型黑土区耕地地力整体呈现南高北低的趋势,其中以中等地(四、五、六、七等地)为主,占研究区总耕地面积的64.47%;其次为高等地(一、二、三等地),占研究区总耕地面积的28.31%;低等地(八、九、十等地)最少,只占研究区总耕地面积的7.22%;(2)对研究区评价指标体系中耕层厚度、有机质、有效磷、pH、灌溉能力、排涝能力6个指标进行障碍度分析,发现除有效磷和pH对耕地地力障碍作用不明显外,其他因素均有明显障碍作用,且障碍程度呈现一定的规律性。研究结论:(1)通过对研究区进行耕地地力评价,对东北典型黑土区的耕地数量和质量在空间分布特征上有了全面掌握,为今后耕地的合理利用提供了依据;(2)障碍度模型的引入为分析影响耕地地力的障碍因素提供了定量化的研究方法,为耕地地力保护和提升研究提供了方法支撑。

东北黑土区水土保持林降雨截留特征分析

为了解林冠截留对东北黑土区水土保持林水分循环、分配及利用率的影响，以落叶松和落叶松蒙古栎混交林为研究对象，在吉林省东辽县杏木小流域布设野外观测试验，对两种不同林分降雨截留特征进行分析。在15次降雨观测中，落叶松与落叶松蒙古栎混交林的林下穿透雨分别占总降雨量的72．02％和67．42％，树干流占2．62％和2．74％，截留量占25．32％和29．80％，两种林分林冠截留率为8．93％～73．50％，落叶松蒙古栎混交林对降雨的截留作用较佳。落叶松与落叶松蒙古栎混交林产生地表径流各8次，共计产流3．52和3．40mm。不同林分林下穿透雨和截留量随月份变化表现为8月〉7月〉6月〉5月〉9月，树干流为7月〉8月〉6月〉5月〉9月，9月截留率最高，分别为44．49％和49．02％，7月份截留率最低，分别为20．40％和25．17％。不同林种林下穿透雨、树干流及截留量均与降雨量呈显著线性相关（P〈0．05），且当降雨量〈30mm时，树干流增幅较小，降雨量〉30mm时，树干流迅速增加并逐渐趋于平稳。截留率随着降雨量的增加则逐渐降低，当降雨量较小时（〈30mm），林冠截留率由73．50％降低到21．90％，随着降雨量的增大，截留率变化幅度较小，并趋于稳定。两林分林下穿透雨与降雨强度呈显著线性相关（P〈O．05），树干流与降雨强度以对数拟合较好（P〈O．05），降雨强度与林冠截留量和截留率相关性不显著。当降雨强度≤2．65mm／h时，两林分林冠截留率均大于50％。

东北黑土区侵蚀沟治理对策

从发生规律和防治措施两方面梳理了我国东北侵蚀沟治理的研究现状及存在的主要不足。在此基础上,提出了综合治理与分类治理相结合的防治思路,总结了适用于分类治理的6项特色治沟技术,并指出了4方面东北侵蚀沟防治的科研重点。

东北黑土区沟蚀现状及其与景观格局的关系

调整土地利用结构改善景观要素的数量比重,以及优化景观斑块的空间配置是控制土壤侵蚀的有效措施之一,该文选择典型黑土区内的克东县为研究区,以SPOT5影像为基础数据源,获取了研究区的沟蚀现状及景观格局分布现状。运用ArcGIS的水文分析模块提取研究区55个子流域作为基本分析单元,运用GIS空间分析能力和FRAGSTAT软件获取了不同子流域的侵蚀沟密度及其对应的景观格局指数值,通过相关性分析探讨和研究侵蚀沟与景观格局之间的关系,据此为当地或同类地区农业景观的土地利用规划和侵蚀治理提供科学参考。结果表明研究区结构性侵蚀沟条数为2246条,最短侵蚀沟为19.7m,最长侵蚀沟为12499.43m,侵蚀沟密度为479.15m/km2,吞噬耕地面积为1734.05hm2,破坏耕地面积为8067.5hm2;研究区为典型的基质-斑块-廊道农业景观,旱地较高的人工化是侵蚀产生的重要原因;侵蚀沟密度与旱地和林地的面积百分比、分维数、聚集度和多样性指数的相关性分析表明,合理的调整旱地、林地和草地的比例,优化景观斑块空间配置,对于抑制侵蚀具有重要性;侵蚀沟密度与景观指数的多因子相关性分析表明,各子流域之间的景观格局差异不是引起沟蚀差异的主要原因,探讨沟蚀形成因素需要将多种因子综合进行分析。

东北黑土区侵蚀沟系统防治现状与未来

东北侵蚀沟量大面广、灾害严重,对其进行系统防治对保障我国粮食、生态和国土安全意义重大,已成为国家黑土地保护与生态建设的重中之重。然而,限于气候地形条件和土地利用情势独特,治理起步较晚,东北侵蚀沟防治相关研究亟待加强。系统分析了东北侵蚀沟存量、分布、规律、成因,归纳总结了治理原则与措施,提炼了包含2种治理类别、8种主导功能的治理模式,并依据东北侵蚀沟特点及其防治中存在的问题,面向新时代国家生态文明建设需求,提出了未来7方面重点科技需求和8方面宏观对策手段,以期为黑土地保护提供借鉴。

东北黑土区侵蚀沟危害面积识别研究

目前东北黑土区侵蚀沟扩展速度快、危害严重,急需开展大规模治理,但极其缺乏侵蚀沟危害范围方面的研究成果,给政府部门决策、侵蚀沟防治规划制定及治理效益评估带来了很大困难。从侵蚀沟发生、发育特点入手,将侵蚀沟的潜在汇水面积界定为其危害面积的重要组成部分,使得侵蚀沟危害范围不仅能够反映侵蚀沟当前在空间上的影响,又能体现长时间序列尺度上危害的范围。并综合运用GIS空间分析模块,开展了黑土区部分侵蚀沟现状汇水区与潜在汇水边界的识别工作。研究结果表明:不同类型侵蚀沟危害面积差异较为明显。大型沟危害面积显著大于中小型沟,但后者潜在危害面积所占比例极高,未来应作为黑土区侵蚀沟治理的重点,从而有效提高防护工程投入资金费效比。侵蚀沟危害范围识别方法对数据精度要求适中,30 m数字高程模型(DEM)数据与第一次水利普查侵蚀沟矢量数据相配套,就能够满足侵蚀沟汇水边界识别需要。本研究结果可为东北黑土区侵蚀沟治理规划编制和水土保持工程效益评估提供有力科技支撑。

东北水保工程项目区水土保持效益评价

在国家农业综合开发东北黑土区水土流失治理一期工程区内,选取新型大垄、垄向区田(3°和5°)、3°垄沟深松、改垄、梯田、地埂、草地、林地共8个不同的水土保持措施地块作为试验小区,以传统3°和5°顺坡垄作为对照小区,开展全年水土保持监测,并以此进行了田块尺度上的各项水土保持措施的效益分析。研究结果表明,水保工程措施总体优于水保耕作措施,在耕作措施中新型大垄密植水保效果最佳。各项措施水土保持效益排序为:草地>林地>新型大垄>改隆>梯田>地埂>深松>3°区田>5°区田。新型大垄、区田和深松措施水保作用具有时效性。

东北典型黑土区40年来沟蚀空间格局变化及地形分异规律

以SPOT5和Corona影像为基础数据源,获取了东北典型黑土区1965年和2005年的侵蚀沟分布数据,生成了侵蚀沟密度空间分布图;基于1∶5万地形图,插值求取DEM,提取了地形因子;最后,在GIS空间分析模块支持下,分析典型黑土区40年来沟蚀空间格局变化及其地形分异规律。结果表明,经过40年的开发,研究区侵蚀沟密度剧增,且各等级侵蚀沟密度都出现向更高一级发展的趋势,呈现出以北西南东向为轴心,从沟蚀剧烈增加区到微度增加区变化特征;沟蚀在垂直方向上具有层状分布规律,在海拔250～275m高度出现密度最大值,说明岗坡地带是黑土区沟蚀易发区;坡度分异表明黑土区侵蚀沟出现向高坡度发展趋势;各坡向上侵蚀沟密度和动态发展状况表明,在东北典型黑土区坡向不是影响侵蚀沟发育的首要因子。

东北黑土区近40年沟谷侵蚀动态及影响因素分析

在遥感和地理信息系统的支持下获取了乌裕尔河流域中上游地区1965年和2005年的侵蚀沟分布数据,同时基于1∶5万地形图获取了等高线、水系、道路和居民点数据,在GIS空间分析模块支持下,揭示了典型黑土区40年里侵蚀沟的动态变化特点及与其影响因素之间的关系。结果表明,近40年里侵蚀沟密度具有明显增加的趋势,2005年出现侵蚀沟密度高于500 m/km2的高值区,侵蚀沟密度的变化是以位于克东和克山县内的剧烈增加区为核心,呈现出向两侧递减的变化趋势。2°~3°坡范围内为该区沟蚀最严重的坡度地区;坡长增加,侵蚀沟密度减少,小于1000 m的范围是沟蚀严重区;侵蚀沟密度具有距水系距离增加而减少的特点。侵蚀沟主要是发育在小于距道路1500 m的范围内,大于2000 m的地区侵蚀沟发育微弱;人类开发活动的从优性、从易性使得离居民点越近,侵蚀沟密度越大。

东北黑土区土壤风力侵蚀及发展趋势分析

分析东北黑土区土壤风蚀区域及风蚀主要因子,并从黑土区所处的地理位置、区域近40年气候变化规律、东北沙地沙漠化对黑土区土壤风蚀的影响方面分析了东北黑土区土壤风蚀的发展趋势,为该区土壤风力侵蚀研究及防治提供依据。

东北黑土区垄向的分布及其对土壤侵蚀的影响

垄作是东北黑土区一种非常普遍而重要的耕作制度,垄作方向(垄向)的分布及其水土保持作用研究,对于了解和改进黑土区的水土保持状况具有非常重要的意义。以典型黑土区东缘的宾县为研究区域,采用分层抽样的方法,提取了168个野外调查单元,通过野外实地调查和室内数据分析,研究了东北黑土区农地的地面坡度分布、垄向分布和垄向坡度分布,在此基础上根据不同坡度条件下的坡度因子公式求出农地的坡度因子和垄向坡度因子,探讨垄向的水土保持作用,得到以下研究成果:黑土区农地平均地面坡度为2.96°;黑土区中占农地75%的坡耕地中,顺坡耕作趋势明显,斜坡耕作非常普遍,随着垄向与等高线之间夹角的增大,坡耕地所占的比例也逐渐增大,垄向角在0°～15°间的坡耕地所占的比例约9.7%,仅为75°～90°间的一半左右;采用垄向坡度后,平均坡度为2.15°,仅为原来地面坡度的72%,坡度明显减小;在目前的垄作情况下,其水土流失量仅为顺坡耕作下的60%。上述研究表明:在东北黑土区,可以通过调整垄作方向而改进目前较严重的水土流失状况。

激光衍射法与吸管法对东北黑土区土壤粒径分布测定的差异性研究

目前激光衍射法(laser diffraction method,LD)逐步被用于土壤颗粒粒径分布(particle size distribution, PSD)的分析,为了对比LD法和吸管法测定东北黑土区土壤PSD的差异性,采用LD法和吸管法分别对东北黑土区宾州河流域36个土壤剖面不同层次178个土壤样品的PSD值进行了测定与分析。结果表明,同吸管法相比,LD法低估了土壤的黏粒含量,平均低估幅度19.69%,而高估了土壤的粉粒和砂粒含量,平均高估幅度分别为14.66%和5.13%。LD法所得PSD结果依据美国土壤质地分类制判定的土壤质地,相对于吸管法总体由粉黏质偏向粉砂质方向。建立了LD法与吸管法测定PSD结果的转换模型,将LD法测定的PSD结果利用转换模型校正后,其测定的各土壤粒级同吸管法相比,准确度达96.97%～98.71%,判定土壤质地的准确率也达83.15%。

东北黑土区水土保持措施减沙效益监测

为给大面积开展黑土地水土流失治理提供科学的理论依据,在东北黑土区水土流失综合防治试点工程中选择4条重点小流域设置28个径流小区,进行水土流失监测及措施保土效益对比分析。通过对2年监测成果的分析,认为:“试点工程”中所采取的几种主要坡面治理措施,其保土减沙效益十分显著———水平梯田措施最好,减少土壤流失量高达99.5%;其次是地梗植物带和水平坑措施,减少土壤流失量为95.2%;荒山荒坡灌木埂措施为80.2%;改垄措施为64.6%;生态自然恢复稍低些,为49.9%。

东北黑土区不同地形垄向坡度的相对水土保持效益研究

垄作是东北黑土区一种非常普遍而重要的耕作措施,具有一定的水土保持效益,但几乎没有学者对其进行研究。探讨黑土区不同地形垄作方向在空间上的分布规律及其具有的水土保持效益具有重要研究价值。以黑龙江省宾县为研究区,用分层抽样的方法提取168个野外调查单元并进行实地填图调查,根据坡度因子和垄向坡度计算公式,利用ArcMAP、SPSS和Excel等软件进行了室内数据分析统计,结果表明:平原区、丘陵区、山区的平均地面坡度分别为1.92°,6.20°,8.27°;平均垄向坡度分别为1.33°,4.52°,6.45°,分别为平均地面坡度的70%,73%,78%;垄作坡度引起的平均土壤流失相对量分别为地面坡度的55%,69%,67%,垄作的相对水土保持效益明显。在此基础上,对垄作现状的原因进行了分析,并提出一些改进措施。研究成果有助于了解东北黑土区不同地形耕地垄作方向的分布情况及其水土保持效益状况,对当地水土保持措施的布设也具有重要的指导意义。

东北黑土区土壤风力侵蚀及发展趋势分析(英文)

分析了黑土区土壤风蚀区域及风蚀主要因子,并从黑土区所处的地理位置、区域近40年气候变化规律、东北沙地沙漠化对黑土区土壤风蚀的影响方面分析了东北黑土区土壤风蚀的发展趋势,为该区土壤风力侵蚀研究及防治提供依据。