黄河流域-黄土高原水土保持与高质量发展:成效、问题与对策

水土保持是新时期山水林田湖草沙系统治理的核心,在保障黄土高原生态安全屏障方面具有重要作用.黄土高原地区自实施一系列生态治理工程以来,水土保持和生态建设等成绩斐然.基于长期监测及生态系统关键过程等研究基础,分析了黄土高原水土保持与生态治理的成效,剖析了水土保持高质量发展中存在的主要问题,主要表现在区域脆弱的生态环境仍未根本改变、生态系统稳定性仍面临巨大挑战、灾害风险依然较为严重、水土保持监管水平薄弱等方面.据此,从该地区水土保持与生态高质量发展角度出发,提出了未来黄土高原水土保持与高质量发展的若干对策建议,以更好地服务黄河流域生态保护和高质量发展的国家战略.

1901—2016年黄土高原土壤侵蚀格局演变及其驱动机制

黄土高原是我国乃至全球水土流失危害最为严重的地区之一。水土保持作为新兴学科,历史观测数据不足制约了对历史时期土壤侵蚀时空动态变化及其驱动机制认识的深化。为解决黄土高原土壤侵蚀模数历史数据缺乏问题,并为黄土高原土壤侵蚀演变过程研究及水土保持生态建设规划实施等提供方法与数据支撑,基于修正通用土壤流失方程RUSLE,首次建立了1901—2016年黄土高原土壤侵蚀模数逐年序列1 km分辨率栅格数据集,采用人类活动影响较小时期的22个黄河支流水文站实测输沙量验证了RUSLE对黄土高原土壤侵蚀模数模拟计算的结果具有较高精度。基于该数据集评估1901—2016年黄土高原土壤侵蚀模数时空变化特征,探讨了不同时期黄土高原土壤侵蚀模数变化的驱动机制。结果表明:黄土高原土壤侵蚀模数在1924年左右和1981年左右发生了2次突变,20世纪30—70年代土壤侵蚀面积和侵蚀模数持续上升,20世纪80年代—21世纪初土壤侵蚀模数持续降低,至21世纪初降为百余年来的最低值,2010—2016年平均土壤侵蚀模数受极端降雨影响出现小幅反弹;人类活动是黄土高原土壤侵蚀模数变化的主要驱动因素,而退耕还林(草)等正确的水土保持政策是控制黄土高原土壤侵蚀的根本驱动因素,人口增长导致森林过度砍伐、耕地扩张及过度放牧是20世纪30—70年代土壤侵蚀加剧的主要原因,20世纪80年代以后水土保持工程增加、植被覆盖度提高及农村能源结构变化是土壤侵蚀模数降低的重要原因;丘陵沟壑区和高塬沟壑区依然是黄土高原水土流失严重区域和治理的重点区域;鉴于全球气候变化背景下未来极端暴雨事件或将更加频繁,亟须创新黄土高原土壤侵蚀防治策略,重视沟谷坡侵蚀治理,强监管、重维护、提标准,提高防御极端暴雨造成严重水土流失灾害的能力。

土壤侵蚀模型在黄土高原的应用述评

土壤侵蚀模型是认识和评估水土流失过程及其环境影响的有效工具,目前已有的众多土壤侵蚀模型中,因黄土高原地形和地貌的独特性而使模型的应用受到限制。通过系统整理公开发表的文献,对在黄土高原经过验证的、涵盖不同尺度和过程表达的12个土壤侵蚀模型进行比较分析,依据模型预测精度、过程描述、应用方便程度和情景模拟能力等指标对每个模型进行评估。结果表明:模拟预测精度不随模型复杂程度的提高而提高;经验统计模型有利于土壤流失量的快速评估,物理成因模型尤其是分布式物理成因模型更适用于侵蚀过程和输沙过程的精细评估。指出未来黄土高原土壤侵蚀模型发展应着重于提升数据质量、加强模型开发与模型评估3个方面。

黄土高塬沟壑区土壤侵蚀特征分析

黄土高塬沟壑区侵蚀十分严重,是黄河泥沙主要源区,厘清该区域土壤侵蚀特征与治理重点是区域高质量发展的关键。以黄土高塬沟壑区砚瓦川流域为研究区,收集整理1976—2019年实测径流及泥沙资料,采用产流模数及产沙模数等指标体系,系统分析了黄土高塬沟壑区流域侵蚀产沙强度及能力变化。结果表明:砚瓦川流域1976—2019年产流模数与产沙模数均呈下降趋势,二者具有较好的一致性。多年平均产流模数与产沙模数分别为22991 m^(3)/km^(2)和1889 t/km^(2),产流及产沙变化规律一致,二者均于1997年发生突变。相较于突变年份之前,年均产流强度和产沙强度分别减少23.9%和75.8%,表征产流及产沙能力的产流系数和产沙系数则分别降低24.0%和73.0%。1976—2019年,流域的产流量及产沙量呈下降趋势。河流年均含沙量64.5 kg/m^(3),由突变前的98.3 kg/m^(3)减少至突变后的33.6 kg/m^(3),减少了67.0%。黄土高塬沟壑区侵蚀产沙多来自场次降雨,年内最大3 d侵蚀产沙占年总产沙量的50%。突变前,年产流模数与年降雨量的相关关系最优;突变后,年产流模数与日降雨量高于50 mm的年累计降雨量的关系最为密切。研究中进一步明晰了黄土高塬沟壑区水沙过程及其与降雨关系的变化,可为极端事件频发下黄土高塬沟壑区水土保持治理策略的转变提供一定参考。

陕北黄土高原人工混交林和纯林对干旱的适应性差异

为揭示渭北黄土高原混交林和纯林径向生长对气候变化的响应及应对极端干旱能力的差异,以黄土高原典型丘陵区延安市安塞县油松、刺槐混交林和纯林为研究对象;依据帕默尔干旱指数(PDSI)选择2005-2009年和2019年两次极端干旱事件,使用156根树轮样芯,分别建立了4个林分的树轮宽度年表并量化了树木的抵抗力和恢复力。结果表明,在极端干旱事件发生年和气候适宜年,油松混交林年轮宽度均显著高于纯林,但刺槐纯林的年轮宽度显著高于刺槐混交林;气候响应方面,PDSI对油松纯林和混交林径向生长的促进作用强于刺槐;刺槐混交林对干旱的抵抗力显著高于刺槐纯林和油松林,四种林分的恢复力没有显著差异。本研究结果表明,混交营林模式显著提高了刺槐对干旱的适应能力,营造刺槐混交林将有助于提高黄土高原地区人工林对日益干旱环境的适应性。

黄土高原土壤水分-有机碳-微生物耦合作用研究进展

黄土高原植被恢复后土壤水分、有机碳和微生物群落发生了非同步性演变。土壤微生物是各种生命活动的载体,在土壤水-碳耦合过程中参与了一系列的氧化与还原反应,因此,土壤微生物在水-碳耦合关键过程中起着重要的调节作用,三者存在着密切的耦合关系。尽管关于植被恢复后土壤水分和有机碳变化的研究已开展较多,但是由于土壤微生物活动和群落结构复杂性和易变性,这给土壤微生物介导的水-碳耦合研究带来了相当大的困难。迄今为止,黄土高原植被恢复后土壤水、碳、微生物三者之间的耦合关系缺乏总体性的融合,大多数研究只能假设各个生物化学过程是相对独立的,对土壤水、碳、微生物耦合的认知仍存在局限性。由此,首先对黄土高原植被恢复进程、土壤水分过程和有机碳变化分别进行了综述,结合已有的理论和证据进一步概括了黄土高原土壤有机碳、微生物群落对降水格局的响应。最后整合植被、土壤和微生物界面等关键生态过程,总结了黄土高原土壤水-碳-微生物耦合界面过程,采用HYDRUS-2D模型(水文过程模型)和ORCHIDEE模型(生态系统碳模型),并融入土壤微生物种群生长动态,基于稳定碳、水同位素技术和DNA探针技术,初步构建了黄土高原土壤水-碳-微生物耦合模型框架,有利于实现土壤水、碳、微生物各界面调控过程的准确模拟与精确刻画,为黄土高原植被恢复过程中生态环境的可持续发展及其对气候变化的应对模式提供科学理论支撑。

黄土高原旱地不同种植系统对土壤水稳性团聚体及碳氮分布的影响

以黄土高原连续进行了27年的长期定位试验为对象,研究了粮-草长周期轮作、粮-豆短周期轮作、玉米连作和小麦连作系统土壤团聚体及其碳氮分布特征,并分析了土壤碳氮分布与土壤团聚体及其碳氮含量之间的关系。结果表明：黄土高原旱作农田土壤中〈0.053 mm团聚体含量最高,占土壤质量的35%,长周期轮作系统0-20 cm和20-40 cm土层土壤0.25-2 mm团聚体含量高于玉米连作、小麦连作和短周期轮作系统,而〈0.053 mm团聚体含量低于这3种轮作系统,且长周期轮作系统土壤团聚体的平均重量直径和几何平均直径也较高。种植系统对团聚体有机碳和全氮分布的影响主要体现在0-20 cm土层土壤,长周期轮作系统土壤中〉2 mm和0.25-2 mm团聚体有机碳含量显著高于其他种植系统,〈0.25 mm团聚体有机碳含量与其他种植系统差异不显著。长周期轮作系统团聚体全氮含量均显著高于其他种植系统,碳氮比则呈现出相反的趋势。土壤总有机碳、氮含量与团聚体有机碳、氮含量呈极显著正相关关系。土壤有机碳和全氮含量的变化主要取决于0.25-2 mm和0.053-0.25 mm团聚体有机碳和全氮的变化,而且有豆科植物苜蓿长期参与的长周期轮作系统可以有效改善土壤结构,提高土壤和团聚体的有机碳和全氮含量。

黄土高原植被恢复过程中土壤碳储量及影响因素研究进展

黄土高原是我国西部地区的天然生态屏障,其土层深厚,蕴藏着大量的有机碳,在陆地生态系统土壤碳汇效应中发挥着重要作用;在“黄河流域生态保护和高质量发展”以及“双碳”目标重大国家战略背景下,黄土高原植被恢复导致土壤固碳量大幅增加,新时代黄土高原土壤碳汇效应将持续增加。鉴于此,本文首先概括了黄土高原1982—2020年土地利用变化与植被覆盖度变化趋势,在回顾植被恢复进程的基础上,建立了黄土高原植被恢复过程中主要碳循环过程示意图;然后综述了黄土高原土壤碳储量与固碳效应的研究现状、进展与不确定性,并总结了土壤碳储量的驱动因素;最后对黄土高原植被恢复过程中土壤碳汇效应可能出现的问题与挑战进行了展望,为黄土高原土壤碳汇功能和生态效益提升提供重要参考。

黄土高原不同纬度下刺槐林土壤生态化学计量学特征研究

为了阐明黄土高原不同纬度地区刺槐林土壤的生态化学计量学特征,对黄土高原由南向北13个县区刺槐林下的土壤碳、氮、磷化学计量学特征进行了测定与分析。结果表明:(1)阳坡0～10 cm土壤C∶N比、C∶P比、N∶P比的变化范围分别为9.48～15.33、8.93～59.79、0.77～5.11,10～20 cm土壤分别为9.13～13.57、7.85～37.69、0.44～3.19;阴坡0～10 cm土壤C∶N比、C∶P比、N∶P比分别为8.58～13.75、9.46～47.71、0.76～3.63,10～20 cm土壤分别为7.60～13.41、5.99～31.28、0.54～2.65。(2)土壤全氮的空间分布与有机碳具有一致性,均随纬度的升高呈指数减小的趋势,表层大于表下层,且随着纬度的升高该差异逐渐减小;全磷的空间变异性低于有机碳和全氮,研究区内土壤全磷含量随纬度的升高呈先增加后减小的趋势。(3)土壤C∶N比随纬度的升高无明显的变化趋势,而C∶P比和N∶P比随纬度的升高显著减小;土壤C∶N∶P比均随着土层增加而减小,但差异不显著。

黄土高原典型植物根际对土壤微生物生物量碳、氮、磷和基础呼吸的影响

选择黄土高原7种典型植物的根际与非根际土壤为研究对象,对土壤的养分含量、微生物生物量碳、氮、磷和基础呼吸的影响进行了初步研究。结果表明,7种不同植物根际土壤与非根际土壤的养分含量、微生物生物量和基础呼吸均存在显著差异;除冷蒿的土壤微生物生物量磷以外,其他各种植物的根际土壤的养分含量、微生物生物量和基础呼吸均比非根际土壤的高;土壤有机碳、全氮与土壤微生物生物量碳、氮及基础呼吸之间均具有极显著或显著相关关系,表明了土壤微生物生物量碳、氮可以作为判断土壤肥力状况的生物学指标,同时也可为提高土壤肥力水平和土壤培肥效果提供依据。

黄土高原半干旱草地封育后土壤碳氮矿化特征

土壤有机碳和全氮的分布与矿化是退化草地封育后土壤生态效应研究的重要内容和指标。结合野外调查和室内培养实验,研究了半干旱黄土区不同封育年限草地土壤有机碳和全氮的含量变化及其矿化特征。结果表明,封育对半干旱黄土区退化草地土壤有机碳和全氮的影响主要体现在0-40 cm土层封育超过17a后,封育年限的影响逐渐减弱。封育显著增加了土壤有机碳矿化速率和C_(min)/C_0封育对有机碳矿化速率的影响与封育年限和土层深度无关,而对C_(min)/C_0的影响则与封育年限和土层深度有关。封育显著提高了0-40 cm土层土壤氮素矿化速率,但是降低了40-80 cm土层土壤氮矿化速率,并且降低了080 cm土层N_(min)/N_0。碳氮矿化速率与有机碳和全氮之间显著相关,而与碳氮比之间的相关性较小。这些结果表明,退化草地封育后土壤碳氮元素的转化主要受土层深度、封育年限以及土壤碳氮含量的影响。

黄土高原子午岭林区两种天然次生林植物叶片-凋落叶-土壤生态化学计量特征

了解我国黄土高原子午岭林区两种天然林下植物叶片-凋落叶-土壤生态化学计量特征,有助于人们更深入地认识黄土高原子午岭天然次生林生态系统养分循环规律和系统稳定机制。结果表明:(1)辽东栎和白桦两种植物叶片碳、氮、磷平均含量为468.6、17.1、2.1 g/kg;凋落叶碳、氮、磷平均含量为457.3、12.5、1.6 g/kg;土壤碳、氮、磷平均含量分别为17.6、1.4、0.5 g/kg。(2)白桦叶片N、P含量之间II类线性回归斜率大于1(P=0.07),表明白桦叶片建成过程中存在N、P元素按比例投入的依赖。白桦凋落叶N、P含量之间的II类线性回归斜率显著小于1(P<0.05),两种天然次生林凋落叶整体N、P含量之间的II类线性回归斜率也显著小于1(P<0.05),反映了凋落叶中单位P含量与单位N含量间不存在等速损耗关系。(3)黄土高原子午岭两种天然次生林凋落叶氮含量与土壤氮含量具有显著相关性(P<0.01),表明凋落叶分解对土壤氮库有增加作用。相比于凋落叶,植物叶片磷含量与土壤磷含量具有较紧密的关系,表现为高的土壤P含量则植物叶片也具有较高的P含量。黄土高原子午岭林区两种天然次生林下土壤有机质具有较快的矿化作用。(4)辽东栎作为植被演替到顶极群落的优势物种,其凋落叶C∶N值为26.7远低于白桦凋落叶C∶N值44.9(P<0.05),有利于微生物对凋落叶的分解。两种天然次生林的植物叶片N∶P均值为7.97<14,低于全国和全球尺度的其他研究结果,表明这两种天然次生林主要受N限制。

黄土高原北部草地表层土壤水分状态空间模拟

为探明黄土高原北部草地表层土壤水分空间分布特征及其与环境因素的关系,该文用自回归状态空间模型和经典统计的线性回归模型对该区草地表层土壤含水率的分布状况进行了模拟。结果表明,状态空间方程可以应用于环境因素复杂的黄土高原水蚀风蚀交错区,其拟合效果优于线性回归模型。单因素中基于饱和导水率的模拟效果最佳(R2=0.936);多因素模拟中以饱和导水率+海拔+凋落物模拟效果最佳(R2=0.976),可以很好地解释表层土壤水分的变异状况。自回归状态空间模型可用于研究黄土高原北部水蚀风蚀交错区表层土壤水分与其他因素的空间关系。

黄土高原南北样带不同土层土壤容重变异分析与模拟

为探明黄土高原南北样带土壤容重空间分布特征,为土壤水文过程模拟与预测提供水力参数,采用经典统计学方法,分析了样带不同土层深度(0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm)土壤容重的空间变异特征,并用多元逐步回归、传递函数方程和一阶自回归状态空间模型方法分别对土壤容重的空间分布进行了模拟。结果表明:样带0~20 cm深度土壤容重的变异为中等程度变异,20~40 cm为弱变异。状态空间方程转换系数表明,不同土层深度土壤容重的影响因素不同,0~10 cm主要为有机碳含量、黏粒和砂粒体积分数,10~20 cm为有机碳含量、黏粒和砂粒体积分数和降水量,20~40 cm为黏粒和砂粒体积分数、降水量和土地利用。状态空间模型的模拟效果均优于经典统计的多元逐步回归方程和传递函数方程,基于黏粒和砂粒体积分数、降水量和土地利用的状态空间模型可以解释样带20~40 cm容重92.3%的变异。一阶自回归状态空间模型可用于田间条件下土壤容重分布特征的预测。

黄土高原典型土壤全氮和微生物氮剖面分布特征研究

为阐明黄土高原典型土壤全氮和微生物氮含量随土壤类型、土层和土地利用方式变化规律，研究了从北向南依次分布的干润砂质新成土（神木）、黄土正常新成土（延安）和土垫旱耕人为土（杨陵）等典型土壤的全氮和微生物氮含量的变化特征。结果表明，不同土壤类型、不同土层全氮和微生物氮含量存在显著差异。从南到北，全氮和微生物氮含量显著下降（P〈0．05）。对同一土壤类型，全氮和微生物氮含量在0—60cm随土层深度增加下降很明显，60-120cm有轻微下降，120cm以下低而稳定。微生物氮含量随土壤类型的变化趋势与全氮完全相同，其与土壤全氮、有机碳及微生物碳含量均存在极显著正相关关系（P〈0．01）。土壤微生物氮与全氮比值变化在0．42％～9．44％之间。虽然土地利用对土壤全氮和C／N比影响不显著，但却显著影响微生物氮含量和微生物氮与全氮的比值；与农田土壤相比，草地土壤微生物氮含量和微生物氮与全氮比值均明显增加。这一结果说明微生物氮含量和微生物氮与全氮比值更能有效、快速地反映土壤质量的变化。

黄土高原植被建设及其对碳中和的意义与对策

黄土高原是我国“一带一路”建设的倡议地和天然的西部生态屏障,在“黄河高质量发展”和“双碳战略目标”重大国家战略背景下,黄土高原生态系统碳汇效应将迎来重大的转机和严峻的挑战。首先回顾了黄土高原植被建设的背景与历程,然后概括和总结了植被建设过程中固碳效应,针对黄土高原生态系统碳固定和排放过程,提出了一系列的增碳减排措施和对策,包括优化黄土高原植被建设和管理模式,加强科技顶层设计,提升植被建设的碳汇能力,并加快退耕还林/草的“碳交易”市场建设,健全法规规章标准和碳统计监测体系等;最后,对植被建设后期可能出现的问题和挑战进行了展望,为黄土高原乃至全国陆地生态系统实现“碳中和”战略目标提供重要的科技支撑。

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。

黄土高原不同植物群落土壤团聚体中有机碳和酶活性研究

以黄土高原延河流域森林区3种典型植物群落为研究对象，研究了3种植物群落土壤团聚体中有机碳的含量、组分及土壤酶活性，分析了有机碳与酶活性的关系。结果表明：（1）3种植物群落，土壤团聚体各种形态有机碳和酶活性均表现为0-10 cm土层含量高于10-20 cm土层，辽东栎群落0-10 cm土层土壤多酚氧化酶活性却低于10-20 cm土层。（2）土壤团聚体有机碳含量在植物群落间表现为：辽东栎群落〉人工刺槐群落〉狼牙刺群落，酶活性在植被群落间的高低表现则不一致。土壤有机碳含量和酶活性在团聚体间均表现为随团聚体粒级的增大而增大，或先增大再减小的趋势。（3）蔗糖酶、纤维素酶以及β-D葡糖苷酶活性与各种形态有机碳均呈显著的正相关关系，多酚氧化酶和过氧化物酶与有机碳含量相关性不显著。（4）辽东栎群落和狼牙刺群落土壤团聚体蔗糖酶、纤维素酶、以及β-D葡糖苷酶活性在团聚体中表现为：｜〈0.25 mm团聚体｜ 〉 ｜2-0.25 mm团聚体｜ 〉 ｜5-2 mm团聚体｜ 〉 ｜〉5 mm团聚体｜，其多酚氧化酶和过氧化物酶以及人工刺槐群落各种土壤酶活性均表现为2-0.25 mm粒级团聚体中最大。（5）β-D葡糖苷酶活性增大，能促进土壤各种有机碳含量增加；土壤蔗糖酶活性和β-D葡糖苷酶活性的提高有助于土壤活性有机碳含量增加；土壤多酚氧化酶活性的增大，有利于土壤腐殖质碳的积累。

黄土高原南北样带不同土层土壤水分变异与模拟

为掌握黄土高原区域尺度土壤水分的时空分异特征及其影响因素,在黄土高原布设一条南北方向样带（N=86）,动态监测0~5 m剖面土壤含水率。采用经典统计学方法分析了土壤蓄水量的分布规律、变异特征及影响因素。结果表明：不同土层土壤水分均呈中等程度变异,并由南向北递减,样带0~5 m剖面平均土壤蓄水量为735mm;随着土层深度的增加,土壤水分在空间上的变异增强,而在时间上的变异减弱,表明深层土壤水分具有较强的时间稳定性特征。干燥度、黏粒、归一化植被指数和坡度是影响区域土壤水分空间分布的主要因素,可作为一定置信水平上预测区域土壤水分空间分布状况的预测变量。

青藏高原典型冰川小流域土壤微生物生物量及胞外酶活性分布特征

土壤微生物释放的胞外酶是决定碳(C)、氮(N)、磷(P)生物地球化学循环的关键因素,为了阐明青藏高原典型小流域土壤微生物生物量和胞外酶活性沿海拔和土层的分布特征并揭示影响该分布格局的主要养分限制状况,于2021年8月采集了青藏高原廓琼岗日冰川小流域5个海拔梯度(4900 m;5000 m;5100 m;5200 m;5300 m)中4个土壤发生层(A层:腐殖质层、E层:淋溶层、B层:淀积层和C层:母质层)的土壤样品,定量分析了土壤基本理化性质、微生物生物量、胞外酶活性等指标。结果表明:1)微生物生物量碳氮磷的海拔差异变化规律不同,随着土层加深微生物生物量碳氮磷随海拔变化越小。同时,各海拔之间微生物生物量均有随土层加深而显著降低的趋势(P<0.05);2)四种酶活性的海拔间变化规律各异,但整体呈现随海拔升高而升高的趋势且在表层(A和E层)增长趋势更明显,而且随土层加深显著降低(P<0.05);3)该区域土壤微生物受到碳和磷共同限制,土层越深限制越高,而且海拔越高C限制越强,但P限制降低;4)青藏高原典型冰川小流域土壤微生物生物量和胞外酶活性在海拔和土层之间存在较明显的差异,可能是由于土壤养分含量的差别造成的。整体而言,青藏高原典型冰川小流域土壤养分含量影响土壤微生物生物量和胞外酶活性在海拔和土层之间的分布特征。为深入理解青藏高原冰川小流域土壤养分循环提供了数据基础和科学依据。