水土保持措施对黄土高原小流域重力侵蚀的调控机理研究

采用有限差分软件FLAC3D对有无植被及淤地坝的黄土高原小流域重力侵蚀机理进行探索,揭示了主要工程措施(淤地坝)和生物措施(植被)对重力侵蚀的调控机制。通过对比分析无治理措施和实施淤地坝及生态恢复治理措施条件下,小流域位移场、应力场和塑性屈服区分布,揭示了淤地坝和植被措施减缓重力侵蚀的作用。结果表明:植被可使梁峁顶处位移减9.8%,沟坡中下部位移减小11%,淤地坝只能使坝址处位移减少10%;植被可使塑性区体积减少46%,淤地坝可使塑性区体积减少11%。淤地坝增加了流域的凹形边坡,而根系加固作用改善了坡面浅层土体应力,二者均有效降低了坡面土体的应力集中,减少了塑性屈服区体积,但均未改变小流域以剪切破坏为主的屈服模式。小流域小尺度范围内,淤地坝减蚀作用强于植被,而大尺度范围内,植被减蚀效果优于淤地坝。研究成果可为小流域水土保持措施的合理配置提供科学依据。

黄土高原土壤侵蚀及综合治理研究评述

黄土高原的水土流失不仅恶化了当地生态环境,制约了农业生产的发展,而且导致黄河中下游河道严重淤积,是造成黄河中下游诸多灾害的症结所在。新中国建立以来,黄土高原的土壤侵蚀和综合治理研究取得了丰硕成果。本研究在系统回顾50多年来研究工作的成绩与存在问题的基础上,就实施西部大开发和维持黄河健康生命终极目标,提出了近期黄土高原土壤侵蚀及综合治理迫切需要研究的科学问题及优先方向。

黄土高原水土保持高质量发展研究重点

黄土高原水土保持是黄河流域生态保护和高质量发展的重要内容和基础保障之一。经过几十年长期治理,黄土高原水土保持工作取得了很大成效,但目前水土流失面积依然很大,而且存在分布上相对零散、重力侵蚀和坡面侵蚀并重、极端降雨事件后果严重等问题,在治理理论、技术和途径方面提出了新的问题和挑战;同时,水土保持已经在土壤保护、山区发展和江河治理等传统功能的基础上,发展成为推动生态文明建设、乡村振兴和黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略实施的重要举措。系统分析了不同层面水土保持的任务和问题,从水土保持基础理论与技术研究、黄土高原水土保持与水沙调控、水土保持数字化与智慧化和黄土高原水土保持与社会服务等四个方面,提出了需要加强研究的重点问题,供水土保持研究和管理同仁讨论和参考。

黄土高原侵蚀区生物结皮的人工培育及其水土保持效应

探讨生物结皮的人工培育技术，并对其发育初期的水保功能进行评价。结果表明：撒播粉碎后的自然生物结皮，培育1个雨季即可形成盖度高达30％～60％的人工生物结皮，其主成分不变；人工生物结皮具有较好的水保效应，其中室内培育的生物结皮在坡度5°、雨强46．8mm·h^-1、历时1h的模拟降雨条件下可减少49％～64％的径流，消除土壤侵蚀；同条件下野外培育的生物结皮在无植被时对径流影响不明显，但全年可减少26％的土壤侵蚀，有柠条植被时全年可减少11％的径流和39％的土壤侵蚀；在黄土高原侵蚀区以人工生物结皮进行大规模的水保治理成本较低，切实可行。

黄土高原不同退耕年限刺槐林地土壤侵蚀阻力

为了明确黄土高原植被恢复后不断蓄积的枯落物对土壤分离过程的影响,论文选取10、15、20、30、40a退耕年限刺槐林样地及对照样地,采集180个土壤样品用于土壤分离试验,在6组侵蚀动力条件下进行变坡水槽冲刷试验,结果表明:随着退耕年限的增大,刺槐林土壤结构趋于稳定且疏松多孔,40年刺槐林地与对照样地相比:容重降低12.9%、总孔隙度增加10.1%、毛管孔隙度增加62.4%,土壤有机质含量增加97.9%、水稳性团聚体增加112.3%。土壤分离能力均值随着林龄呈指数函数递减(R^2=0.82、P<0.05)。在退耕0~40年范围内,在0~15 a内土壤分离能力下降迅速,对照、10 a刺槐林地、15年刺槐林地之间的土壤分离能力差异显著(P<0.05),退耕15 a以后土壤分离能力趋于稳定。40 a林龄刺槐林细沟可蚀性比对照的细沟可蚀性降低86.3%,临界剪切力提高10.1%。土壤临界剪切力变化范围在4.15~4.78 Pa之间。细沟可蚀性的变化趋势与土壤分离能力变化趋势相似,相比临界剪切力的变化,细沟可蚀性的变化更能反映土壤分离能力的变化情况。

黄土高原小流域景观格局对土壤侵蚀的影响——以黄家二岔流域为例

以黄家二岔流域为例,分析该区的景观格局,选取斑块大小、斑块破碎度、等高连通度、顺坡连通度和斑块相对位置指数5个指标对景观格局进行量化,再结合地形,将该流域分为阴坡和阳坡分别计算它们的景观格局,并分析它们与土壤侵蚀的关系.最后得到,黄家二岔流域主要土地利用类型为耕地和人工草地,其中阳坡以人工草地为主,其斑块较完整,等高连通度大,斑块排列顺序也利于保持水土;而阴坡以耕地为主,斑块完整,顺坡连通度大,斑块排列顺序不利于水土保持.因此阳坡景观格局利于保持水土,而阴坡景观格局利于土壤侵蚀.

黄土高原春玉米氮肥生产力对不同耕作措施的响应:Meta分析

为明确黄土高原不同耕作措施(覆盖种植、秸秆还田、深松耕和免耕)对春玉米氮肥偏生产力(PFP_(N))的影响,探究不同耕作措施下驱动春玉米PFP_(N)变化的因素,本研究采用Meta分析、回归分析和随机森林相结合的方法,以传统耕作措施(裸地种植、无秸秆还田和犁耕)为对照,分析了春玉米PFP_(N)在不同耕作措施下的变化特征。结果表明:与传统耕作措施相比,覆盖、秸秆还田和深松耕分别使春玉米PFP_(N)提高38.8%、10.3%和8.4%,而免耕对春玉米PFP_(N)无显著影响。随机森林模型表明:在覆盖和秸秆还田措施下,年均降雨量和生育期降雨量是影响春玉米PFP_(N)的两个重要因素;在深松耕措施下,年均降雨量和持续时间是影响春玉米PFP_(N)的两个重要因素。亚组与回归分析表明:在年均降雨量≤400 mm、生育期降雨量≤300 mm或年均温度<7℃的区域,覆盖可以使春玉米PFP_(N)提高77.7%~99.5%,且覆盖措施对春玉米PFP_(N)的提高效果与年均降雨量、生育期降雨量和年均温度呈负相关;在年均降雨量400~500 mm或生育期降雨量300~400 mm的条件下,秸秆还田使春玉米PFP_(N)提高10.2%~16.3%;在年均降雨量400~500 mm,深松耕试验持续时间<3 a时,春玉米PFP_(N)可提高14.1%~14.6%。因此,依据区域和气候特征,采用适宜的耕作措施可以进一步提高春玉米PFP_(N),促进旱区作物可持续生产目标的实现。本研究可为提高黄土高原春玉米PFP_(N)以及制定区域可持续发展的农业生产策略提供参考。

基于GEE的黄土高原植被绿度线推移变化研究

基于Google Earth Engine(GEE)云平台和Landsat系列遥感影像,以归一化植被指数(NDVI)和增强型植被指数(EVI)及其植被绿度线作为指标,分析了1987~2020年黄土高原生长季植被绿度以及植被绿度线推移的时空演变特征.结果表明:1987~2020年黄土高原生长季NDVI和EVI年均增速分别为0.0042a^(-1)(P<0.01)和0.0023a^(-1)(P<0.01),2000年后的平均增速是2000年前的3~4倍;空间分布上,NDVI和EVI变化趋势以显著上升和极显著上升为主,面积占比分别为78.78%和69.21%;1987~2020年黄土高原植被绿度线VGLNDVI和VGLEVI分别以5.52和4.59km/a的速率向北推移;1987~2020年VGLNDVI和VGLEVI分别平均北移173.93和131.62km,北移量变化主要发生在2005~2010年,北移量最大区域分布在陕西榆林和延安地区、山西西北部、内蒙古中南部等黄土高原中北部区域,最大北移距离分别达到532.12和471.57km.

黄土高原表层土壤孔隙性状与穿透阻力对藓结皮发育的响应

为探明生物结皮如何改善土壤物理性质从而促进水土保持,针对黄土高原风沙土和黄绵土上发育的藓结皮,以无结皮为对照,原状取样后分别使用高分辨率CT扫描仪和高精度土壤贯入仪测定其孔隙性状与穿透阻力,并构建结构方程模型剖析生物结皮对土壤孔隙度和穿透阻力的作用途径。结果表明:藓结皮发育改变土壤孔隙特征参数,并显著提高表层0—2 cm土壤总孔隙度(p=0.01),在此土层内,风沙土和黄绵土上藓结皮的总孔隙度比无结皮分别增加1.62,2.12倍,且藓结皮的孔隙度随土层深度增加呈指数降低。藓结皮和无结皮的土壤面孔率在0—1 cm土层内均急剧下降,但藓结皮整体面孔率显著高于无结皮(p<0.001)。随土层深度增加,藓结皮的土壤穿透阻力总体呈增大趋势,但在结皮层中部发生突变,越过结皮层后趋于平稳。在2种土壤上,藓结皮的面孔率与穿透阻力均呈对数负相关关系,无结皮中则分别呈线性正相关和对数负相关关系。黄土高原藓结皮通过改变孔隙度和机械组成等间接途径,极显著地提升表层土壤穿透阻力,增强土壤表面稳定性,为区域水土保持和生态恢复提供有利条件。

不同耕作方式对黄土高原旱地麦田土壤物理性状的影响

通过冬小麦田间试验,研究了免耕、深松、翻耕三种不同耕作措施对土壤物理特性的影响。结果表明:冬小麦收获时,免耕与其它处理相比,增大了土壤容重、土壤硬度,其土壤干筛法>0.25 mm团聚体含量比深松和翻耕每层平均增加3%和5%,但较冬小麦耕作处理前每层平均下降5%;免耕条件下,湿筛法>0.25 mm团聚体含量比深松和翻耕每层平均增加11%和32%,较冬小麦耕作处理前每层平均下降42%;免耕可增加土壤蓄水量,收获期土壤蓄水量为373.1 mm,较深松和翻耕提高17%和8%;随着降水量的增加,冬小麦收获期水分入渗速率逐渐减少;且不同耕作方式水分入渗速率为免耕>深松>翻耕。

黄土高原坝地层状土壤剖面孔隙分布特征

以明确自然界中广泛存在的层状结构土壤孔隙分布特征为目的。选黄土高原典型坝地土壤剖面为研究对象,利用CT扫描技术分析耕作层、犁底层、心土层土壤三维结构,探讨层状土孔隙参数随土层结构变化及界面层孔隙特征。结果表明:(1)瘦长型孔隙(孔隙形状系数≤0.2)是各土层土壤孔隙的主要形态。各土层的孔隙参数具有明显差异。耕作层的总孔隙度最高,大孔隙(≥1 mm)分布较多;犁底层孔隙总数量最高,含有较多孤立的小孔隙(≥0.1~0.5 mm)和微小孔隙(≥0.06~0.1 mm),但连通性最差;心土层孔隙参数多数介于耕作层与犁底层之间。(2)坝地剖面层状土壤具有一定厚度的界面层,各孔隙参数均在土层界面位置存在突变点,具有明显分界现象。孔隙特征参数均呈过渡位置渐变、界面位置突变的规律。在界面层,犁底层土壤总孔隙度和连通性与耕作层相比,分别显著下降41.6%,69.8%;心土层在界面层的土壤总孔隙度和连通性与犁底层相比,分别显著增高30.4%,52.3%。(3)孔隙孔径大小与孔隙形态密切相关,大孔隙形态多呈瘦长型,而微小孔隙形状则多呈规则型。(4)土层越深,连通性与总孔隙度、孔隙总数量、孔径分布及孔隙形状的相关性越强。界面层出现改变相邻土层的土壤孔隙质量。人为作用改变耕作层和犁底层的土壤孔隙特征,主要表现在对耕作层翻耕扰动,使得犁底层被动承压,心土层由于受到干扰较小,土壤整体呈现自然状态。研究结果可丰富非均质土壤结构的认识,为从微观层面理解层状土壤孔隙特征及其对土壤水气热传输的可能影响提供科学依据。

PAM对黄土高原主要土壤类型水稳性团聚体的改良效果及机理研究

通过室内土柱培养,研究PAM对黑垆土、黄绵土、风沙土水稳性团聚体的改良效果,并探讨其作用机理和合理的施用浓度。结果表明,在浓度为0.05%～0.4%,PAM均可促进3种土壤>0.25 mm水稳性团聚体的形成,并有效降低3种土壤团聚体分形维数,改善土壤结构;方差分析表明,PAM改良3种土壤结构的机理是一致的,将<1 mm的水稳性团聚体聚合为更大粒径的水稳性团聚体,使>1 mm的水稳性团聚体含量增加。PAM改良黑垆土、黄绵土和风沙土土壤水稳性团聚体达到显著水平时的浓度也不相同,其适宜浓度分别为0.2%～0.4%,0.05%,0.05%。3种土壤的黏粒含量和有机质含量的差异,可能是影响PAM对不同土壤的水稳性团聚体的改良效果差异的主要原因。

黄土高原旱塬地冬小麦水分生产潜力与土壤水分动态的模拟研究

在EPIC模型介绍和模拟精度验证的基础上,利用EPIC模型对黄土高原旱塬地冬小麦水分生产潜力和土壤水分动态进行了中期(12a)和长期(30a)评价定量模拟研究。结果表明:(1)在12a实时气象条件下的模拟时段内,旱塬地小麦水分生产潜力随降水量变化呈现波动性降低趋势,3m土层土壤有效含水量也表现为剧烈波动性和逐渐下降趋势,土壤干燥化趋势明显;(2)在30a模拟气象条件下的模拟时段内,旱塬地小麦水分生产潜力呈现波动性轻微降低趋势,3m土层土壤有效含水量季节性和年际间波动性显著,但土壤干燥化趋势并不明显;(3)综合分析认为,在降水量减少幅度不显著的情况下,旱塬地麦田土壤干燥化只是一种短期现象,不会导致长期性土壤强烈干燥化现象发生,但产量随降水量变化的波动性不可避免。

土壤侵蚀引起的农业非点源污染研究进展

土壤侵蚀引起的农业非点源污染是造成水体污染的主要污染源。详细介绍了近20年来土壤侵蚀引起的农业非点源污染的研究进展,包括污染物迁移过程、影响因素、预报模型以及防治措施等;提出了我国开展农业非点源污染的研究重点,包括侵蚀过程对非点源污染物运移和水质的影响,污染物运移的预测预报模型,全国统一的不同污染物危险性评价指标体系制定等。

黄土高原旱地不同种植模式土壤碳特征评价

增强农田土壤碳固持能力、增加碳贮量是减少温室效应气体排放,提高土壤生产力的重要措施。利用黄土高原23a的定位试验,分层采集休闲、苜蓿连作、玉米连作、小麦连作、豌豆-小麦-小麦-糜子(豆禾)及玉米-小麦-小麦-糜子(禾谷)轮作条件下0～40cm土层的土样,研究了作物种类和种植模式对土壤不同形态碳的影响。结果表明:与休闲相比,不同作物长期连作或轮作显著提高0～40cm土层各种形态碳的质量分数,总碳提高35%～74%,有机碳提高47%～139%,无机碳提高20%～26%,轻质有机碳提高的幅度最大,是休闲的3～11倍。不同种植模式之间,0～15cm的各土层中,土壤总碳、有机碳、轻质有机碳均是苜蓿连作质量分数最高,其次是禾谷或豆禾轮作,玉米或小麦连作较低。无机碳却不同,苜蓿连作仅使0～5cm土层的无机碳增加。随土层深度增加,土壤总碳、有机碳和轻质有机碳均是苜蓿连作下降幅度最大。可见,长期苜蓿连作是增加旱地土壤碳的一种有效措施,特别是有机碳和轻质有机碳,但主要表现在15cm以上的表层土壤。与连作相比,轮作增加土壤碳的作用较强,且不同轮作之间并无显著差异。

黄土高原旱塬区高产玉米田土壤干燥化与产量波动趋势模拟研究

为研究黄土高原旱作高产玉米田土壤干燥化与产量波动趋势,利用EPIC模型对黄土高原南部旱塬区玉米水分生产潜力和土壤水分动态进行中期(12a)和长期(30a)定量模拟研究。结果表明,在12a实时气象条件下的模拟时段内,旱塬地玉米水分生产潜力随降水量变化呈现波动性降低趋势,3m土层土壤有效含水量也表现为剧烈波动性和逐渐下降趋势,土壤干燥化趋势明显;在30a模拟气象条件下的模拟时段内,旱塬地玉米水分生产潜力呈现明显波动性轻微降低趋势,3m土层土壤有效含水量季节性和年际间波动性剧烈,从长时段看土壤有效含水量呈现略微上升趋势;在降水量减少幅度不显著的情况下,旱塬玉米地土壤干燥化现象只是一种短期过程,通常不会导致长期性土壤强烈干燥化现象发生,但玉米产量随降水量变化的波动性不可避免。

黄土坡面土壤侵蚀过程试验研究

采用人工模拟降雨的方法对黄土坡面土壤侵蚀过程进行了试验研究,取得了如下结果:①坡面土壤侵蚀随降雨过程的变化可用幂函数相关方程进行描述,15 m in和35 m in是土壤侵蚀强度随降雨过程变化的转折点;②雨强对坡面土壤侵蚀的影响可用幂函数相关方程进行描述,随着坡度的增大,土壤侵蚀强度随雨强的增大而增加的趋势更明显;③坡度对土壤侵蚀的影响可用抛物线相关方程进行描述,土壤侵蚀强度变化的临界坡度在25°附近;④坡长对土壤侵蚀的影响大体可用幂函数相关方程进行描述,但坡长对土壤侵蚀强度的影响比较复杂,随雨强大小的变化而表现为不同的形式;⑤坡度、坡长及雨强对坡面土壤侵蚀的综合影响可用多元线性相关方程进行描述,雨强对土壤侵蚀强度的影响远大于坡长及坡度因子,且坡度与土壤侵蚀强度的关系较坡长为密切。

黄土高原六道沟小流域坡面土壤入渗特性的空间变异研究

水蚀风蚀交错带是黄土高原水土流失最为严重的地区,研究其不同地类土壤的入渗特性及其空间变异规律,有助于揭示黄土高原土壤侵蚀过程和生态环境的脆弱性以及流域水文模型精度的提高。本研究选取在水蚀风蚀交错带的强烈侵蚀中心六道沟小流域进行,采用双环定水头入渗法,在六道沟流域内一个长375m的完整天然坡面上网格布点,应用传统统计学方法和地统计学方法对稳定入渗率和前30min累积入渗量等土壤入渗特性重要参数的空间变异结构进行了研究,结果表明:(1)土壤稳定入渗率和前30min累积入渗量的变异系数分别为0.480和0.404,在坡面上的变异程度均呈现中等变异性;(2)两个入渗特性参数的试验半方差函数与理论半方差函数均拟合较好,自相关特征距离分别为126m和226m;块金值均大于0,表明在采样间隔范围内可能存在更小尺度的空间变异,要进一步研究在采样间隔内是否具有更小尺度的空间相关特征,可以增加采样密度来分析。

黄土高原土壤干层初步研究

在详细描述土壤干层现象和类型的基础上 ,分析了土壤干层的成因 ,即低降水高蒸发、水土流失、植被类型选择失当、群落生产力过高和群落密度过大等 ,指出土壤干层的危害主要表现为使局部小气候环境趋于旱化、土地退化、植被生长衰退、天然下种更新不良及加大造林难度等 ,最后提出了缓解土壤干层对黄土高原生态环境的恢复和重建的意义和重要性。

黄土裸坡土壤侵蚀过程研究

黄土地区的土壤侵蚀严重地影响了当地和黄河下游地区的可持续发展,研究黄土地区的土壤侵蚀对于该地区的水土保持工作具有重要意义。采用人工模拟降雨试验的方法对黄土裸坡土壤侵蚀过程进行了研究,取得了如下结果:(1)不同雨强条件下,坡地土壤侵蚀随降雨过程的变化相似,可用幂函数相关方程进行描述,侵蚀强度变化的转变点在降雨开始后的10～15min之间;(2)不同雨强条件下,坡度对土壤侵蚀的影响相近且可用抛物线相关方程进行描述,侵蚀强度变化的临界坡度在25～30°间;(3)不同雨强条件下,坡地土壤侵蚀总量随坡长的变化可用幂函数相关方程进行描述,但坡长对侵蚀模数的影响比较复杂,表现为不同的形式;(4)不同坡度条件下,降雨强度对土壤侵蚀的影响相似且均可用线性相关方程进行描述,随着坡度的增大,土壤侵蚀随雨强增大而增加的越明显;(5)裸坡次降雨侵蚀经验模型为多元幂函数统计方程,裸坡条件下降雨强度对土壤侵蚀的影响最大,坡长与坡度的影响基本大体一致。研究结果表明,采取不同措施增加地面覆盖、停止陡坡耕种、截断坡地径流是治理黄土地区水土流失的有效途径。