黄土塬——千沟万壑之中的平坦之地

黄土塬是过去260万年由西北风携带的沙尘在古盆地或古湖盆上堆积而成的平坦土地,而现今新华字典对"塬"字的解译是有误的,需要更正。整个黄土高原地区,黄土塬的面积约为6.5万平方公里,占黄土高原总面积的10%左右,根据其面积大小和破碎程度,可分为大塬、台塬、墚塬和残塬四种不同类型。黄土塬是黄土高原最为宝贵的宜耕、宜农、宜居的土地资源,有比墚峁区更为优越的生产和生活条件。当前,黄土塬面临的最大问题是沟道侵蚀剧烈导致塬面破碎化和分解问题。以董志塬为例,由于自然因素和人类活动影响,过去1300多年间,董志塬被蚕食面积达90多万亩,年平均蚕食约690亩;洛川老县城也因沟道溯源侵蚀而在1768年搬迁到现今的位置。建国以来,国内从事水土保持工作的专家、学者和政府工作人员为黄土塬区的水土保持工作做出了巨大的贡献和努力。当前,甘肃庆阳的"固沟保塬"工作已走在黄土高原前列,并出台了《董志塬区"固沟保塬"综合治理规划》。近年来,中国科学院地球环境研究所研究人员高度重视"固沟保塬"工作,已在董志塬、洛川塬潜心开展研究,旨在为黄土塬的保护和长治久安做出贡献。     

基于ERT的垃圾厌氧填埋初期的水分运移过程研究

水分监测是填埋场运行过程中必不可少的一个方面,考虑到现有监测方法不容易得到垃圾内部的水分分布情况,本文将高密度电阻率成像法(ERT)用于监测生活垃圾在厌氧填埋初期的水分分布和运移过程研究.通过建立室内厌氧填埋模拟柱,应用取样分析、时域反射传感器(TDR)、高密度电阻率成像等方法对生活垃圾在厌氧填埋条件下初期两个月的降解和水分变化过程进行了监测与研究.结果表明,试验期间生活垃圾处于好氧降解过渡至厌氧降解的阶段.随着垃圾的降解,含水量呈现增加的趋势,在第30d之后,柱体内部存在明显的水分运移现象.在柱体下部单元层中,高密度电阻率成像法得到的垃圾电阻率值与时域反射传感器(TDR)测得的体积含水量之间存在明显的对应关系.根据电阻率与体积含水量的拟合公式,得到了柱体下部单元的含水量分布和储存水量的变化过程.储存水量的变化过程与质量含水量计算得到的结果是一致的,两者之间的可决系数达到0.9488.以上研究结果充分说明,在厌氧填埋初期,高密度电阻率成像法可以用于监测垃圾堆体内的含水量分布和水分运移过程.     

ERT技术在无机酸污染场地调查中的应用

利用高密度电阻率法对硫酸废液污染的场地进行污染调查,由于硫酸废液侵入土壤,使其介质的溶质浓度发生了改变,导致SO₄2-与地表潜水作用,电传导性提高,被污染土壤含盐量增加,但是电阻率降低与未被硫酸废液侵入的土层形成了一定的电性差异. 通过二维和三维电阻率层析成像(ERT)技术,圈定硫酸废液侵入土壤中的分布范围、侵蚀深度以及扩散羽流等,并对ERT结果进行土工试验异常验证. 结果表明:硫酸废液污染土壤的视电阻率小于6.0 Ω·m,污染区域长度达25.0 m,深度约4.0 m;地表土污染长度为12.0 m,表面宽度约4.0 m,污染土壤的总体积约为222.0 m3.      

基于探地雷达快速测定土壤含水量试验研究

试验点选择在古尔班通古特沙漠南缘中国科学院阜康荒漠生态系统研究站,以探地雷达为主要数据采集工具。结合探地雷达两种测量方式特点,提出了探地雷达最佳天线间距判定方法,达到快速测定中尺度土壤水分含量的目的。研究结果表明:固定天线间距测量下,得到最佳天线间距为1.9 m,提取了该天线间距下的地面波,进行了土壤含水量计算,测线上30.5 m点测定的土壤含水量与标后的时域反射仪法结果对比,在该试验点探地雷达地面波法测定上层土壤含水量的有效深度为20 cm,其偏差仅为0.015 m³/m³,精度能够满足实际需求,测线0~36.5 m间沙地上层土壤含水量表现出空间异质性,该方法能快速精确测定中尺度土壤含水量,为农业生产和作物灌溉提供科学依据。     

基于聚类算法的ERT污染区域识别方法

本文提出将聚类算法引入到ERT监测系统中，采用K均值（K-means）聚类、模糊C均值算法（FCM）以及混合高斯模型（GMM）3种常用聚类算法对ERT检测结果进行污染区域识别，通过一个数值模型分析了3种算法的识别效果.研究结果表明当污染区域与背景土壤的电阻率区分度较大时（电阻率差异性大于30%），采用3种聚类算法都可以识别出污染区域，K-means和FCM的识别效果优于GMM算法.最后，给出一个实际场地调查的应用案例.     

土壤水分对土壤中硝态氮水平运移的影响

对硝态氮示踪的风沙土和黄潮土中水分及其扩散率进行了研究.结果表明,硝态氮水平运移速率受土壤含水量的影响较大,并随土壤含水量增加而增加.硝态氮水平运移速率随土壤水分扩散率的变化呈指数曲线变化趋势.硝态氮水平运移浓度随土壤含水量的增加而减少,并呈幂函数曲线变化,硝态氮水平运移浓度与含水量的相关系数达到极显著水平.硝态氮水平运移浓度还受到土壤水分扩散率的影响,随土壤水扩散率的升高而下降,并在湿润锋(土壤干湿交界)面上达到最大值.     

黄淮海地区土壤水分动态模拟模型

本文根据黄淮海地区１９９３～１９９５年麦季实测土壤水分、农业气象资料和卫星监测资料,试验了区域性土壤水分模型,以便模拟区内土壤水分及其相关要素的动态变化过程,解决以往土壤水分遥感模型只确定土壤水分含量不能确定水量结构的缺点。试验取得比较满意的效果,成功地利用遥感数据作为模型的输入,达到土壤墒情监测、水文水利分析和农作物遥感估产的目的。模型在输出水量结构的同时还提供了人类活动对水环境影响的信息。     

江汉平原北部黏土层土壤水分特征曲线的测定与模拟

为探究大别山区-江汉平原三水转换关键带水分运移机制,获取包气带水分运移模型所需的相关参数,以大别山-江汉平原过渡带为研究区,采取江汉平原北部黏土层典型剖面不同深度(0～6.5 m)的原状土样,采用压力膜法测试土壤的水分特征曲线,分析了研究区不同层位土壤水分特征曲线和孔隙性质的变化,并选取van Genuchten模型和Gardner模型对研究区不同深度土壤的水分特征曲线进行了拟合,综合评价了模型的拟合效果。结果表明:研究区不同深度土壤的体积含水量随土体吸力的变化呈规律性变化,在低吸力阶段,各层位土壤体积含水量整体快速降低,土壤水分特征曲线较缓,在高吸力阶段,土壤排水变少,土壤水分特征曲线较陡,其中1.4～2.0 m层位土壤的持水性能好于其他土层;土壤当量孔隙分析显示,研究区不同深度土壤的孔隙存在一定的变化规律,有效孔隙主要分布在2.0 m以上层位,大孔隙和微小孔隙在2.0 m以下层位所占的比例较大;利用van Genuchten模型对研究区不同深度土壤水分特征曲线进行拟合的效果好、可靠性高,通过将RETC软件得到的van Genuchten模型的相关参数值进行对比发现,2.0 m以下层位土壤的饱和体积含水率(θ_s)较高,参数α值说明2.0 m以上层位土壤的进气值大于以下层位。     

黑岱沟露天矿排土场不同植被配置土壤水分研究——土壤水分垂直动态研究

文章通过黑岱沟露天煤矿排土场不同植被配置土壤水分垂直动态研究,阐述了不同植被配置类型对土壤水分的影响。结果显示:9种植被配置类型的土壤含水量随土层深度的增加而减小,但变化幅度有差异;原生植被处的土壤水分利用层厚度大于人工植被。     

塔里木河中下游柽柳群落土壤碳通量及其影响因子分析

利用LI-8100监测塔里木河中下游柽柳群落土壤呼吸的日变化,分析了塔里木河中下游干旱荒漠区的温度、地下水和土壤水分对土壤呼吸的影响.结果表明:土壤呼吸的日变化是不规律的单峰值曲线,碳通量的最大值出现在正午12:00～16:00不等,由于受当日云量、风速等气象因子的影响,因此各个断面差异较明显.土壤呼吸与地下水位、各层温度、各层土壤含水量的关系都很显著:地下水位与柽柳根系关系密切,因此土壤碳通量与地下水之间的关系极显著,适合三次曲线模型;气温、近地表气温、地表温度与土壤碳通量成正相关关系,适合指数模型,但是15cm、20cm、25cm、30cm土层温度与土壤碳通量成负相关关系,适合三次曲线模型;土壤含水量与土壤呼吸之间存在极显著关系,适合三次曲线模型;经过多元回归分析得到土壤呼吸与温度、土壤含水量之间的关系模型可以解释67%的土壤呼吸的变化情况.     

典型黄土塬区不同植物措施水土保持效应分析

基于黄土高原典型黄土塬区2014-2016年的自然降雨数据及5种植被措施（乔木、灌木、撂荒、人工种草、耕地）下的坡面产流、产沙情况的观测数据,系统分析了不同植被覆盖措施下的黄土坡地水土流失对不同类型侵蚀性降雨的响应机制,结果表明：（1）降水集中于4-10月份,其中引发水土流失的侵蚀性降雨集中于7月、8月。（2）根据最大30分钟降雨强度I₃₀及降雨总量可将侵蚀性降雨分为5种类型,其中小雨量、小雨强类型的降雨是当地发生频率最多的侵蚀性降雨类型;降雨强度最大的Ⅴ雨型降雨侵蚀力最大,降雨量最大的Ⅰ雨型降雨侵蚀力次之,而Ⅱ雨型降雨侵蚀力最低;Ⅴ雨型在观测期内产流产沙量最大。（3）5种植被措施在不同降雨类型下均有明显的水土保持效应,在不同类型降雨下不同植物措施减沙率和减流率变化规律不同。研究结果对于黄土高原地区水土保持及资源可持续利用具有重要的指导意义。     

黄土塬区旱作冬小麦增产潜力研究

在长期冬小麦潜势试验和肥料试验的基础上 ,建立了作物光温水肥产量模型 ,从光温生产潜力、旱作产量潜势、现阶段施肥水平下光温水肥产量潜力和目前试区产量现状共4个层次 ,对黄土塬区旱作冬小麦的增产潜力进行了分析。结果指出 ,目前黄土塬区冬小麦实际产量仅达到了光温潜力的41 6 %、旱作产量潜势的49 3 %、试区施肥水平下光温水肥产量潜力的78 6 %。因此 ,采用合理施肥方式和加强田间管理 ,黄土高原塬区旱作冬小麦还有较大的增产潜力。     

黄土丘陵区不同植被恢复模式对沟谷地植物群落生物量和物种多样性的影响

对黄土丘陵区3个不同植被恢复模式沟谷地植被群落的生物量和物种多样性特征进行样方调查,统计分析了不同植被恢复模式沟谷地植物群落的盖度、生物量、物种多样性、植物种群相似系数。调查共记录植物82种,隶属32个科;其中,乔木植物5科,6种;灌木植物8科,11种。经过20 a左右的植被恢复重建,不同植被恢复模式沟谷地的植被群落均呈现良好演替趋势;人工植被柠条灌丛和刺槐林恢复模式对沟谷地草本层盖度和群落枯落物盖度及生物量方面作用效果较好;而天然草地对沟谷地草本层生物量方面作用效果较好;沟谷地物种多样性指数表现出人工植被恢复模式效果优于自然恢复,而且人工柠条灌丛植被恢复模式优于人工刺槐林植被恢复模式。柠条灌丛沟谷地不同坡位植物种群相似系数较高,而刺槐林沟谷地和天然草地沟谷地不同坡位植物种群相似系数略低;沟谷地的种群相似系数在沟坡上部略高于沟坡下部和沟底,东坡略高于西坡。人工植被建设可以促进黄土丘陵区沟谷地的植被恢复进程。论文建议在今后黄土丘陵区沟谷地人工植被建设过程中,需要加大乡土树种的引入、提高树种的多样性、合理树种的空间配置和注意灌/乔树种的比例。     

黄土丘陵小流域沟坡水热条件及其生态修复初探

在黄土丘陵沟壑区,沟坡是小流域尺度上水土流失最为活跃的部分,对其水热条件的了解是进行综合治理的基础。论文以黄土丘陵区甘肃定西安家沟小流域为例,观测了沟坡不同地形部位和植被类型土壤水分季节动态和剖面变化特征,同时观测了光照、大气湿度、温度和风速等小气候条件,并探讨了沟坡生态修复方式。结论与建议如下。①历次取样中,0～100cm平均土壤水分均以沟道灌木林地最高,沟坡中的阳坡和阴坡的草地和灌木林地次之,梁峁坡农地最低,且6种类型样地间有显著差异(P<0.01);对于相同的植被类型来说,阳坡的林草植被土壤水分均要小于阴坡,但没有显著差异(P>0.05);而在同一坡向,草地的土壤水分要显著高于灌木林地(P<0.01);和梁峁坡农地的土壤水分季节变化特征相比,沟坡植被土壤水分的季节变化不明显。②对于梁峁坡农地和阴坡的灌木林地来说,土壤水分在剖面内随着深度变化平缓,而其它4种类型样地土壤水分在剖面内随着深度呈增加的趋势。对于这6种类型样地,土壤水分剖面差异格局与0～100cm平均含水量相似;且随着深度的增加,6种类型样地间土壤水分的差异性增大。③对于梁峁坡和沟坡来说,4～5月份风速均是观测期内最大的,但沟坡风速要小于梁峁坡坡面;在观测期内,高湿期出现在5月,且沟坡大气相对湿度高于梁峁坡;和     

Soil erosion types in the loess hill and gully area of China

ＳｏｉｌｅｒｏｓｉｏｎｔｙｐｅｓｉｎｔｈｅｌｏｅｓｓｈｉｌｌａｎｄｇｕｌｌｙａｒｅａｏｆＣｈｉｎａＦｕＢｏｊｉｅ（ＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＥｃｏ－ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｅｉｅｎｃｅｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｅｉｅｎｃｅ...     

餐厨垃圾生物发酵液对黄土丘陵区土壤质量的影响试验

黄土广泛分布于我国西北地区,因气候干旱和暴雨侵蚀等因素,土壤养分贫瘠、微生物量稀缺且盐碱化严重,限制了土壤生态承载力,是区域土地荒漠化主要成因之一.餐厨垃圾发酵产生的生物发酵液含有大量的有机酸和氮、磷等营养元素,并且可工业化生产和配施,有望成为一种针对黄土特性的土壤调理剂.以我国黄土高原代表性的甘肃兰州地区黄土为研究对象,采集不同发酵液配施后的黄土进行理化性质和微生物分析,发现施用发酵液后,黄土中全氮、有效磷、速效钾和有机质含量分别提升363%、577%、308%和204%;结合白茎盐生草和苜蓿等植被种植后,土壤综合肥力进一步提升,土壤全盐含量年均分别下降2.3 g·kg^-1和1.2 g·kg^-1;黄土的结构得到改善;发酵液能够促进部分微生物生长,细菌和古菌生物量提升了22倍,真菌生物量提升了8.3倍,有利于进一步形成植物-微生物共生体系.餐厨垃圾生物发酵液结合耐盐碱植物种植,能够有效提升黄土地区生态环境质量.     

黄土丘陵区不同有机碳背景下侵蚀坡面土壤呼吸特征

以黄土丘陵区5个不同有机碳背景的坡面S型小区(坡顶为对照区、坡中为侵蚀区、坡脚为沉积区)为研究对象,通过对土壤呼吸速率的动态观测,分析坡面不同类型区土壤呼吸特征及其与土壤温湿度、有机碳和坡位的关系.结果表明,土壤温度的变化对沉积区土壤呼吸影响较大,土壤湿度的变化对侵蚀区土壤呼吸影响较大.有机碳是影响土壤呼吸的首要因子,可解释土壤呼吸变异的54.72%;其次是土壤湿度、坡位和土壤温度,分别可解释土壤呼吸变异的18.86%、16.13%和10.29%.侵蚀对坡面土壤呼吸的影响具有明显的原位和异位效应,侵蚀导致坡面侵蚀区土壤呼吸减小了21.14%,沉积区土壤呼吸增大了21.93%.侵蚀坡面土壤碳排放的源汇效应与有机碳水平有关,当土壤有机碳含量大于6.82 g·kg-1时,坡面侵蚀趋向于碳汇过程;当有机碳含量小于3.03 g·kg-1时,坡面侵蚀趋向于碳源过程.文中模型可以较好地反映有机碳和土壤温湿度与土壤呼吸的关系.     

黄土丘陵区坡面水蚀对降雨和下垫面微观格局的响应

黄土高原严重的土壤侵蚀是降雨和复杂脆弱的下垫面共同作用的结果.以微型小区尺度上(1.2 m×1.2 m;2 m×1.2m)模拟降雨技术为基本研究手段,定量刻画了降雨量和降雨强度等基本降雨特征值对定西安家沟自然坡面上荒草、沙棘中位、沙棘下位、沙棘上位、结皮裸地和裸地等不同植株微观格局及其处理下的水蚀过程的影响.主要取得以下结果:①雨强和雨量对水蚀的发生均能产生显著影响,但以雨强的影响力更大;②前期土壤含水量与产流时间显著负相关,而与径流量和侵蚀量显著正相关.前期含水量相同时,不同植株微景观格局对产流时间发挥了关键作用;③不同植株及其微观格局遏制地表径流的能力迥异.在50～60 mm.h-1的大雨强作用下,有沙棘覆盖的小区径流系数仅为5%～8%,荒草地为25%,结皮裸地为45%,而裸地则高达63%;④有沙棘覆盖的小区中,沙棘在小区中所处的具体位置对于水土流失效应又极为重要,以沙棘下位的水土保持效果最好.     

黄土塬面保护区潜在蒸发量时空变化及其与气象、环流因子关系分析

黄土塬面是黄土高原地区主要的农业分布区和人口聚居地,地位十分重要。黄土塬面潜在蒸发量（ET₀）的研究对于区域水循环研究、水土流失防治及农业的可持续发展具有重要意义。基于黄土塬面保护区1960—2017年的气象数据,利用Penman-Monteith模型、小波分析、Mann-Kendall非参数检验等方法研究了黄土塬面保护区ET₀的变化规律及其与气象、环流因子间的关系。结果表明：（1）黄土塬面保护区多年平均ET₀为1173.4 mm,总体呈现增长趋势,增长率为21.1 mm/10 a;其生长季平均ET₀值及增长率均高于非生长季平均ET₀。（2）该区多年平均ET₀空间分布特征表现为东部高西部低,西部甘肃塬区多年平均ET₀远低于东部山西塬区。（3）过去58年来,区域年均、生长季、非生长季ET₀均呈现出增长趋势,但空间差异明显;研究区年均ET₀存在着10年、30年和50年的震荡周期,其中以30年周期为主周期。（4）气温是控制区域ET₀变化的最重要的气象因子,但气温对ET₀的影响具有明显的空间差异,在整个研究区内最低气温影响最显著;而甘肃塬区和陕西塬区的ET₀变化主要受平均气温变化的控制,在山西塬区最高气温的变化是区域ET₀变化的主要控制因子。（5）遥相关分析结果显示太平洋/北美指数（PNA）与北大西洋年代尺度振荡（AMO）对该区域ET₀变化有一定影响,西太平洋海温指数（WPI）的变化影响区域非生长季ET₀变化。     

黄土丘陵区退耕草地土壤呼吸及其组分对氮磷添加的响应

为探究不同氮磷添加水平对黄土丘陵区退耕草地土壤呼吸及其组分的影响,于2018年5～9月采用田间试验的方法,设置3个施氮(以N计)主区[0、50和100 kg·(hm~2·a)~(-1)]和3个施磷(以P_2O_5计)副区[0、40和80 kg·(hm~2·a)~(-1)].测定每月各处理下土壤总呼吸和异养呼吸速率,以及土壤温度和土壤含水量.结果表明,氮磷添加对土壤温度和土壤水分的影响均不显著(P 0. 05).土壤呼吸速率具明显月份变化特征,在7月达到峰值.未施肥处理的月平均土壤总呼吸、异养呼吸和自养呼吸分别为0. 69、0. 39和0. 29 g·(m~2·h)~(-1).未施氮条件下,施磷对土壤呼吸及其组分无显著影响(P 0. 05).施氮条件下,磷添加显著提高土壤呼吸及其组分的呼吸速率(P 0. 05),氮磷配施后月平均土壤总呼吸、异养呼吸和自养呼吸最大值分别为0. 93、0. 50和0. 47 g·(m~2·h)~(-1).未施肥的土壤总呼吸、异养呼吸和自养呼吸的Q_(10)值分别为1. 86、2. 36和2. 24;氮磷添加降低了土壤呼吸及其组分的Q_(10)值.总体上,氮磷添加对黄土丘陵区退耕草地土壤呼吸及其组分的影响与施氮磷量有关.