黄土高原生态环境的恶化及其对策

由于种种原因,黄土高原生态环境脆弱现象日益扩张,水土流失、沙漠化、干旱、沙尘暴等灾害频繁发生,生态环境的可持续性引起了科技工作者的关注。利用历史资料,从黄土高原2000a左右的自然灾害发生频率、森林植被的严重破坏、土壤侵蚀的不断加剧、人口的无限制增长以及近几十年来黄河的频繁断流等几个方面出发,说明了黄土高原生态环境在这些重要因素的影响下,表现出明显的不可持续性发展,并提出了相应的防治对策,包括加强人口控制、加快植被的恢复与重建、节约利用水资源以及提高利用效率等。该研究的目的并非消极悲观,而是正确认识黄土高原生态环境的演变历史,树立国民的环境忧患意识和可持续发展的思想,为实现黄土高原的生态安全和持续发展提供科学依据。     

Agricultural sustainability in a sensitive environment--a case analysis of Loess Plateau in China

Loess Plateau,an arid and semi-arid region in Northwest China,is well-known for its most serious soil erosion in terms of sediment yield each year.Soil erosion,which is intensified by agricultural activities,is the major factor influencing sustainable agriculture development in this region.It reduces productivity by removing nutrients and especially reducing water availability that is essential for crop production in the area.It also brings about off-site costs by demanding more efforts for maintenance of banks and dame along Yellow River through raising the riverbed with sediment.Climate is capricious and extreme weather conditions occur frequently,which impairs normal agricultural production with erosion and also decrease of water availability.Extensive way of farming still dominates on the Loess Plateau,which canot produce satisfying economic results and needs to be improved or altered.Conventional agricultural production pattern needs to be reconsidered for husbandry has not been granted its due position.Agriculture is the backbone of economy.Poor agricultural production impedes economic development and vice versa,backward economy also influences the advancement of agriculture.Besides a large population,education status of farmers is another threshold that requires being resolved for a sustainable agriculture.Although conventional agriculture has been practiced there for more than 5000years,now it cannot meet the demand for food and fiber by the increasing population and some of its farming practices are contributing to environmental degradation directly or indirectly and can sustain no longer.Agriculture on Loess Plateau needs to find its own way of sustainability.To work toward a sustainable agriculture,chances and challenges both indwell on Loess Plateau.     

Agriculture sustainability in a sensitive environment--a case analysis of Loess Plateau in China

Loess Plateau, an arid and semi-arid region in Northwest China, is well-known for its most serious soil erosion in terms of sediment yield each year. Soil erosion, which is intensified by agricultural activities, is the major factor influencing sustainable agriculture development in this region. It reduces productivity by removing nutrients and especially reducing water availability that is essential for crop production in the area. It also brings about off-site costs by demanding more efforts for maintenance of banks and dams along Yellow River through raising the riverbed with sediment. Climate is capricious and extreme weather conditions occur frequently, which impairs normal agricultural production with erosion and also decrease of water availability. Extensive way of farming still dominates on the Loess Plateau, which cannot produce satisfying economic results and needs to be improved or altered. Conventional agricultural production pattern needs to be reconsidered for husbandry has not been granted its due position. Agriculture is the backbone of economy. Poor agricultural production impedes economic development and vice versa, backward economy also influences the advancement of agriculture. Besides a large population, education status of farmers is another threshold that requires being resolved for a sustainable agriculture.Although conventional agriculture has been practiced there for more than 5000 years, now it cannot meet the demand for food and fiber by the increasing population and some of its farming practices are contributing to environmental degradation directly or indirectly and can sustain no longer. Agriculture on Loess Plateau needs to find its own way of sustainability. To work toward a sustainable agriculture, chances and challenges both indwell on Loess Plateau.     

关于黄土高原空间范围的讨论

长期以来,黄土高原的空间范围缺乏明确的定论。争论的焦点反映出不同学者对自然地理现象空间分布过渡性的认识和处理的差异。本文从黄土、黄土分布区、黄土高原及其毗邻的黄土分布区、黄土高原、典型黄土地貌区等几个不同层次的概念出发,探讨了划分黄土高原的客观标准,并根据野外考察和航卫片判读确定了黄土高原的空间范围。     

更新世黄土高原强烈侵蚀期发生的环境条件

在更新世,黄土高原经历了若干堆积-侵蚀旋回。其中黄土堆积主要发生在冷干期,而强烈土壤侵蚀发生的环境条件至今尚无统一认识,其确定对了解黄土高原地貌的演化过程和更新世侵蚀期的求得均具有重要意义。通过对比黄土高原侵蚀模数分布图与新构造运动分区图,得出侵蚀模数高值区与构造抬升强烈区并不吻合,推断黄土高原侵蚀期发生的主要原因不是构造抬升。在野外考察中,寻找了多个侵蚀面,并与邻近较为完整的黄土-古土壤剖面进行比照,发现侵蚀面主要存在于黄土层上部,其上覆的古土壤层一般保存完整,说明土壤侵蚀主要发生在黄土层,即气候由冷干向暖湿的过渡时期。这一结论为求取黄土高原第四纪侵蚀期提供了理论依据。     

退耕还林（草）工程实施前后黄土高原植被覆盖时空变化分析

基于GIMMS NDVI3g（the third generation of Global Inventory Modeling and Mapping Studies Normalized Difference Vegetation Index）数据,辅以趋势分析、Mann-Kendall检验、Hurst指数等方法,识别了1982—2013年及1982—1999、2000—2013年黄土高原植被覆盖时空演变特征,并探讨其驱动因素。研究发现：1）1982—2013年及1982—1999、2000—2013年期间黄土高原生长季NDVI分别以0.019/10 a（P<0.01）、0.016/10 a（P<0.05）和0.057/10 a（P<0.001）的速率增加;2）除1999年以前林地外,所有植被类型的生长季NDVI均呈现显著的增加趋势,2000—2013年尤为明显;3）黄土高原生长季NDVI呈现由东南向西北递减的趋势,1982—2013年及1982—1999、2000—2013年NDVI显著上升的面积分别占74.94%、24.26%和53.34%,主要集中在黄土高原的北部和中部地区;4）研究区未来生长季NDVI呈持续性和反持续的比重分别为33.32%和66.68%,其中持续改善和由改善变为退化的面积分别占31.08%和61.88%;5）2000年以后降水增多与生长季NDVI上升相对应,大规模的生态工程建设对2000—2013年生长季NDVI增加有重要影响。     

黄土丘陵沟壑区农村特色生态经济模式探讨——以陕西绥德县为例

黄土丘陵沟壑区是我国北方生态脆弱、产业单一、广种薄收、乡村贫困的特殊问题区域。“越穷越垦、越垦越穷”的土地利用方式成为统筹人与自然和谐发展的关键“瓶颈”。论文运用农业地理学和生态经济学原理,以绥德县为典型案例区,进行了农村经济社会发展主要的限制因素剖析。认为该区土地资源利用必须正确处理宏观与微观效益的关系,加强水土保持、生态建设与脱贫解困目标的有机结合。依据研究区地形地貌特点与水土流失规律,重视旱作农业与节水灌溉技术、示范推广造林实用技术、水保型生态农业技术的创新与应用,大力发展柠条防护林产业化、水保型立体农业、生态资源开发增效等典型农村特色生态经济模式。     

黄土高原清水河流域土地利用/覆盖和降雨变化对侵蚀产沙的影响

近50 a来,在气候变化和生态恢复与治理工程实施的背景下,黄土高原的侵蚀产沙特征发生了明显的变化。以黄土高原典型中尺度流域清水河流域(面积436 km2)为研究对象,利用1959、1986、2007年的土地利用解译结果和1960—2005年该流域实测输沙和降水资料,采用非参数Mann-Kendall趋势分析法和滑动t检验法研究了该流域年输沙量、降雨量的变化趋势和突变点,并与通用土壤流失方程相结合分析了该流域土地利用和降雨变化对输沙量变化的贡献率。结果表明:该流域年输沙量47 a间有显著的下降趋势,突变点位于1980年;降雨量没有明显的趋势性变化,极端降雨指数下降。降雨因素对输沙量减少的贡献率为9.89%,土地利用的贡献率为90.11%,土地利用变化中工程措施淤地坝的贡献率为5.56%,植被变化的贡献率为84.55%。该流域47 a间乔木林地面积增加了944.27%,灌木林地增加了19.33%,表明清水河流域林地面积增加是导致输沙量减少的主要原因。     

黄土高原不同生态系统水土保持服务功能评价

以土壤保持量为评估指标,应用修正通用土壤流失方程,评估了黄土高原水土保持生态系统服务功能,分析了近20 a 来的黄土高原土壤保持量的空间分布及其动态变化,对于揭示全球气候变化背景下黄土高原林草植被建设的生态成效具有重要的科学价值和现实意义。结果表明：1990-2010 年黄土高原平均单位面积土壤保持量为305 t·hm^-2·a^-1,年均土壤保持总量为190×10⁸ t。1990-2000 年农田、草地和林地生态系统平均单位面积土壤保持量分别为249、285 和640 t·hm^-2·a^-1,2000-2010 年平均单位面积土壤保持量分别增加了14.6%、2.9%和7.4%。黄土高原草地和林地的土壤保持率分别为83%~88%和94%~97%。农田生态系统土壤保持量的空间分布特征表现为黄土丘陵沟壑区和黄土高塬沟壑区较大,农灌区和河谷平原区偏低;草地和林地生态系统土壤保持量的空间分布特征表现为沿东南向西北减少的变化趋势。与1990-2000 年不同,2000-2010 年农田、草地和林地生态系统土壤保持量的空间变化特征表现为较为明显的增长趋势,尤其是黄土丘陵沟壑区陕西榆林、延安地区和山西吕梁山区一带。     

晋西黄土高原水资源植被承载力分析及对策建议

干旱缺水始终是黄土高原地区林业水资源管理面临的难题. 为了探究造成黄土高原地区林水失衡的主要原因,以2009—2012年晋西黄土高原蔡家川流域油松人工林树干液流量与土壤水分长期连续定位观测数据为基础,采用土壤有效水与单株油松耗水量的比值来衡量该区域水资源植被承载力. 结果表明:①在油松人工林实际密度(1 300株/hm2)下,油松人工林过度耗水是深层土壤干化的主要原因;降水量是决定水资源植被承载力的主要环境因子,降水量越大,油松人工林地的水资源植被承载力就越高. ②根据构建的降水量-水资源植被承载力拟合方程,在当地年均降水量为576 mm条件下,研究区20 a林龄油松人工林地水资源植被承载力为1 084株/hm2,而油松人工林地的实际密度远大于该水资源植被承载力. 在黄土高原地区,人工林密度过高是造成深层土壤干化、植被退化等生态恶化的主要原因. 因此,将人工林密度控制在当地水资源植被承载力范围之内,是减少林地深层土壤水分消耗、调节林地水平衡的重要措施.      

黄土高原沟壑区森林和草地小流域水文行为的比较研究

分析了黄土高原沟壑区森林小流域和自然草地小流域的水文效应,并利用实测资料和模型计算结果比较了两流域的水循环特点,结果发现在郁闭度相同的情况下,森林小流域较自然草地小流域有较小的径流量、较大的蒸散量和较低的３ｍ土层平均含水量,也就是说森林的覆盖增强了水分小循环,削弱了水文大循环,并导致土壤含水量降低。同时也发现森林的上述水文效应仅当其郁闭度达到一定程度时才能表现出来。通过比较两类生态系统植物生长的土壤水分环境条件和水分利用率,认为黄土高原沟壑区在大力发展林业时应以沟谷为主     

黄土高原小流域雨水资源化综合效益评价体系研究

针对黄土高原地区雨水资源开发利用现状和小流域雨水资源化特点,以小流域作为研究单元,以雨水资源作为研究对象,借鉴层次分析法(AHP)原理,遵循科学、实用及其简明的原则,构建小流域雨水资源化综合效益评价数学模型,提出了综合效益评价的经济效益、生态效益和社会效益等32项评价指标。并以陕西省淳化县泥河沟小流域为例,利用所建模型进行了综合评价。评价结果可为黄土高原雨水资源高效利用和生态环境健康发展提供理论依据。     

1957-2009年黄土高原地区风速变化趋势

用88个气象站1957-2009年的月平均风速和最大风速日值资料,采用距平累积法、 5 a趋势滑动法、 Mann-Kendall趋势检验法等分析了黄土高原地区风速的变化趋势及其空间分异等特征。结果表明:①黄土高原地区1957-2009年多年平均风速为2.36 m/s,水蚀区、 水蚀风蚀交错区和风蚀区年均风速分别为2.36、 2.17、 2.60 m/s,年际变化倾向率分别为-0.008 4、 -0.009 4和-0.018 8 m·s^-1·a^-1,并均通过了0.001的极显著性检验。3个区域均是冬、 春季的平均风速对全年趋势演变贡献率较大,年均风速也均在1981年发生偏强转为偏弱的跃变,20世纪70年代以后平均风速逐渐减小。②黄土高原平均风速减少的主要原因是最大风速为5级或5级以上的发生日数减少。大风频率从1970年代至2000年代呈显著减少趋势,风蚀区减少幅度最大,减少了10%以上,水蚀风蚀交错区减少1%~5%,到2000年代,大多数站点的大风频率均降低为<2%。③水蚀风蚀交错区和风蚀区年均大风日数较多,而水蚀区和黄土高原西部地区年均大风日数较少。根据大风年均发生日数,将大风天气划分为大风天气较少区(年均大风日数<10 d)、 较多区(10~50 d)、 多发区(50~100 d)和频发区(>100 d)。大风较多区在黄土高原地区分布最广,其次是较少区,无频发区。70年代至90年代,风蚀区和水蚀风蚀交错区的站点大多为大风较多区,其中70年代中宁和包头为大风多发区;2000年代以后,大部分地区转为大风较少区。     

黄土高原不同地貌类型区农田土壤有机碳采样布点方法研究

采样设计是土壤有机碳研究中面临的首要问题。论文对黄土高原不同地貌类型区农田土壤有机碳进行抽样样本代表性评价,对比分析了不同采样方法的样点布设效率,结果表明：1）高塬区合理采样布点方法应为网格布点法,采样点布设格网间隔4 km,网格布点法较随机布点法和联合单元布点法效率分别提高64.3%和31.8%;2）平原区合理采样布点方法应为网格布点法,采样点布设格网间隔2 km,网格布点较随机布点和联合单元布点效率分别提高64.8%和128.8%;3）丘陵区合理采样布点方法应为联合单元布点法,样点布设密度为1个/1 314 hm²,联合单元布点较随机布点和网格布点效率分别提高205.8%和294.2%。     

水足迹视角下黄土高原经济林果扩张的水安全风险分析——以苹果种植为例

以苹果为主的黄土高原经济林果种植规模持续扩张,耗水量不断增多,潜在的水安全风险增大。量化苹果生产水足迹,讨论苹果生产扩张带来的水安全风险,对科学指导未来黄土高原苹果健康发展具有重要意义。本文基于ArcGIS和CROPWAT软件,选取2000—2019年黄土高原44个市（州）,探究了苹果水足迹的时空分布规律及水安全风险。结果表明：2000—2019年,黄土高原苹果种植面积增长了1.3倍,产量增长了3.1倍,呈“北移西扩”的发展趋势;苹果绿水足迹占比的空间分布与降雨量基本一致,从东南向西北递减,蓝水足迹空间分布正好相反;苹果水足迹总量从74.42亿m³增长到108.04亿m³,占农业耗水量的比例由42.78%提升至65.63%,灰水足迹占比高达13.88%,黄土高原苹果生产面临严峻的水安全风险。因此,应适度控制黄土高原苹果种植规模的进一步扩张。本文可为评价黄土高原苹果种植规模扩张背后的水安全风险提供依据。     

1961—2019年黄土高原植被潜在蒸散及影响因子

研究潜在蒸散对于深刻了解区域的生态环境问题及水文循环过程具有重要的理论与现实意义.该研究基于Penman-Monteith模型对1961—2019年黄土高原潜在蒸散的时空变化特征进行了分析,再结合土地利用数据探究了各植被类型潜在蒸散的差异及其影响因素.结果表明:①1961—2019年黄土高原区域呈暖干化趋势,其中平均最高温度、平均最低温度与平均温度均呈显著增加趋势;平均相对湿度、平均风速、日照时数均呈显著降低趋势;降水量非显著减少.②在空间分布格局上,黄土高原区域年均、生长季、春季、夏季和秋季潜在蒸散均呈南北高、东西低的分布特征;1961—2019年春季潜在蒸散以0.41 mm/a的速率显著增加(P < 0.05).③1981—2019年黄土高原区域潜在蒸散平均变化趋势为1.35 mm/a,其中62.98%的区域呈显著增加趋势(P < 0.05),多分布在东部和西部地区.④1961—2019年黄土高原区域各植被类型潜在蒸散变化均表现为不显著上升趋势,多年平均潜在蒸散大小表现为草原>农田>针叶林>草甸>阔叶林>灌丛,其中,1981—2019年各植被类型潜在蒸散增加趋势大小表现为阔叶林>针叶林>灌丛>农田>草甸>草原.⑤影响黄土高原区域各植被类型潜在蒸散的主要气象因子为平均风速与平均相对湿度,其次为日照时数.潜在蒸散随着平均风速和日照时数的增加而增加,随着平均相对湿度的增加而减小.研究显示,各植被类型潜在蒸散的增加与区域降水的减少可能会加剧水资源短缺态势,建议黄土高原地区在开展植被恢复工作时,应优先考虑耗水较少的树种,优化群落植被结构,充分利用光水热资源,修建蓄水设施,支撑区域生态环境的可持续发展.      

黄土高原水土流失区粮食现状与增产潜力研究

以黄土高原10个试区的攻关资料为基础,从区域旱作产量潜势、试区攻关水平和试区所在县的产量现状三个层次,详细剖析了黄土高原水土流失区粮食现状和增产潜力。结果指出,该区粮食增产潜力很大,目前整体产量水平仅达到试区攻关水平的74.7%,达到旱作粮食产量潜势水平的54.2%。在黄土台塬区和丘陵区中,丘陵区的粮食增产潜力较台塬区大,前者尚有117.6%增产能力,后者仅56.6%。但考虑到人口增长和坡耕地的退垦等因素,未来30年内黄土高原水土流失区的粮食供需仍处于负平衡。     

1961-2009年黄土高原气象要素的时空变化分析

基于48个气象站点1961-2009年的监测数据,使用反距离权重插值法和Mann-Kendall法,分析了黄土高原气象要素的空间分布和时间变化特征.结果表明,各气象要素在黄土高原都呈梯度分布,沿东南-西北方向降水和平均温度递减而平均风速和日照时数递增,沿南北方向相对湿度降低而参考作物蒸散增加.各气象要素在各站点基本都具有单调趋势,但趋势显著的站点数存在变异.约98%的站点温度的上升趋势显著,约60%的站点日照时数和风速的下降趋势及参考作物蒸散的上升趋势具有显著性,约40%的站点相对湿度的下降趋势显著,约30%的站点的降水具有显著的下降趋势.各气象变量都存在一定的年代际变化,相对湿度在2004年以来显著降低,降水的显著减少、 年均温度和参考作物蒸散的显著上升都在20世纪90年代初以来,而日照时数和平均风速的显著下降都发生在20世纪80年代初以来.黄土高原的气候可能出现了一些新趋势,给未来可持续发展带来了不确定性,需引起足够重视.     

黄土高原沟壑区小流域土壤有机碳与环境因素的关系

研究不同环境要素共同作用下的土壤有机碳分布特征及其与环境因素的关系对于全面准确评估黄土高原地区土壤有机碳状况和土壤碳循环具有重要意义.结合野外调查和室内分析,研究了黄土高原沟壑区典型小流域土壤不同组分有机碳分布特征及其与地形条件、土地利用方式和土壤类型之间的关系.结果表明,黄土沟壑区小流域土壤总有机碳变异较小(变异系数为34%),高活性有机碳变异较大(变异系数为43%),有机碳的变异性随其活性的增强而增大.各组分有机碳之间极显著正相关,而且在不同环境条件下的含量顺序一致.各组分有机碳在不同地形条件下以塬面土壤最高,沟道土壤最低:在不同土地利用方式下以林地和农田土壤较高,草地土壤较低;在不同土壤类型中则以黑垆土最高,红土最低.不同环境条件下各组分有机碳之间的关系分析表明,环境条件不但直接影响有机碳的分布,还通过影响有机碳不同组分之间的关系来改变其分布特征.研究区总有机碳与活性有机碳之问的关系受环境条件影响最大,中活性与高活性有机碳之间的关系受环境条件影响最小.     

黄土高原水蚀风蚀交错区施肥对黑麦草农田土壤水溶性有机碳、氮的影响

为阐明施肥通过增加植物同化能力,是否可影响土壤可溶性有机碳(DOC)、氮(DON)为目的,采用田间试验,研究了施肥对黄土高原水蚀风蚀交错区黑麦草生长农田DOC及DON含量及累积量的影响。结果表明,不论施氮或施磷,均能提高黑麦草冠层和根系生物量,且施氮水平与黑麦草冠层和根系生物量之间均呈极显著正相关关系。施磷对土壤DOC含量影响相对较小;土壤DOC含量随施氮水平增加呈现减少趋势,0~20 cm土层土壤DOC含量下降幅度最高达25.9%;施氮后不同土层土壤DON含量及累积量增加,0~100 cm土层DON累积量与施氮量呈显著正相关关系;单施磷时0~60 cm土层土壤DON含量较不施肥对照减少,但差异不显著。以上结果表明,在黄土高原水蚀风蚀交错区,高量无机氮肥投入可增加该区植物产量及土壤DON,但不利于土壤DOC累积,说明氮肥投入对改善该地区土壤供氮能力有积极意义。