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.     

黄土高原坡耕地沟蚀土壤质量评价

黄土高原坡耕地沟蚀广泛而严重。科学评价沟蚀土壤质量是侵蚀环境下土壤保育和利用的重要基础。论文以沟间土壤为对照,分析了坡耕地沟蚀对土壤质量单因子的影响并建立了沟蚀土壤质量综合评价模型。利用加权和法对黄土高原坡耕地不同沟蚀深度下土壤质量进行综合评价。结果表明：①沟蚀对坡耕地不同土壤质量因子的影响有较大差异。沟蚀导致土壤硬化,pH值增加,而土壤团聚体和养分含量（除全磷）随着沟蚀深度增加表现出明显的层次性,近似呈＂W＂型变化规律。②沟蚀深度对土壤质量的影响可以用幂函数y=0.866 8 x-0.142（R2=0.877）较好地拟合。微度侵蚀（〈5 cm）、中度侵蚀（5～30 cm）和重度侵蚀（30～50 cm）的土壤质量指数较沟间土壤分别降低了10.6%、27.9%和36.5%。沟蚀深度5 cm和30 cm是土壤质量显著下降的两个关键点。③反映沟蚀土壤质量的指标可以归为肥力因子、质地因子和结构因子三类。土壤有机质、水稳性团聚体、土壤比表面积和容重4项指标能够很好地反映土壤质量状况,可作为坡耕地沟蚀土壤质量的表征指标。     

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。     

黄土高原坡耕地沟蚀土壤质量评价

黄土高原坡耕地沟蚀广泛而严重。科学评价沟蚀土壤质量是侵蚀环境下土壤保育和利用的重要基础。论文以沟间土壤为对照,分析了坡耕地沟蚀对土壤质量单因子的影响并建立了沟蚀土壤质量综合评价模型。利用加权和法对黄土高原坡耕地不同沟蚀深度下土壤质量进行综合评价。结果表明:①沟蚀对坡耕地不同土壤质量因子的影响有较大差异。沟蚀导致土壤硬化,pH值增加,而土壤团聚体和养分含量(除全磷)随着沟蚀深度增加表现出明显的层次性,近似呈"W"型变化规律。②沟蚀深度对土壤质量的影响可以用幂函数y=0.866 8 x ^-0.142(R²=0.877)较好地拟合。微度侵蚀(<5 cm)、中度侵蚀(5~30 cm)和重度侵蚀(30~50 cm)的土壤质量指数较沟间土壤分别降低了10.6%、27.9%和36.5%。沟蚀深度5 cm和30 cm是土壤质量显著下降的两个关键点。③反映沟蚀土壤质量的指标可以归为肥力因子、质地因子和结构因子三类。土壤有机质、水稳性团聚体、土壤比表面积和容重4项指标能够很好地反映土壤质量状况,可作为坡耕地沟蚀土壤质量的表征指标。     

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。     

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。     

A policy and technical measures for controlling soil and water loss in the Loess Plateau of China

Loess Plateau is the most serious region of soil and water loss in China and the world. The sediment carried into the Yellow River amounts to 1.6 billion tons every year. This paper reviews the factors and reasons for erosion in this area, and puts forward a comprehensive controlling policy on the basis of the principles of ecology and practise of Chinese scientists for 40 years. In conformity with the policy, a number of technical measures for controlling soil and water loss are suggested.     

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。     

典型黄土区油松树干液流变化特征分析

蒸腾耗水是植被水分利用的重要方式和重要过程之一,对植物养分输送、生长发育、应对和缓解干旱胁迫以及改善区域微气候等都具有重要意义.研究以半干旱黄土区的油松植被为例,基于四针式热扩散探针法监测树干液流的动态变化,探讨其蒸腾耗水规律,分析油松树种的水分利用方式及对生存环境的适应能力.结果表明,油松的液流速率具有明显的季节性差异,不同月份的液流速率以4月最低,其次为10月、9月和8月,分别为0.024、0.057、0.062和0.071 m L·(cm2·min)-1.液流速率的日变化在各个时期都呈现昼高夜低趋势,夜间液流速率较低,但不为零.在降雨事件影响下,夜间液流量在日液流总量中的比重明显增加,是晴朗天气的3.9倍,而白天液流量所占比重下降31.8%.寒潮期间液流速率表现出相似的变化趋势,对突变环境具有较强的适应能力.油松液流速率与气象因子显著相关,对液流速率影响的大小顺序为:太阳辐射水汽压亏缺相对湿度大气温度.     

黄土高原不同类型旱区旱作粮田深层土壤干燥化特征

随降水量趋势性减少和粮食产量不断提高,黄土高原旱作粮田深层土壤干燥化现象日益显现。在黄土高原不同类型旱区,测定了32类旱作粮田0～600cm土层土壤湿度,分析和比较了各类粮田深层土壤贮水量、土壤湿度剖面分布和土壤干燥化强度。结果表明：①32类旱作粮田0～600cm土层土壤湿度、土壤贮水量和土壤有效贮水量分别为13.90%、1084.4mm和573.7mm,其中有16类粮田发生了土壤干燥化现象,土壤水分过耗量平均值85.1mm;②有28类旱作粮田100～400cm土层为土壤干层,其中夏粮田土壤干层厚度大于秋粮田,最大耗水深度接近或超过600cm;③32类旱作粮田和16类干燥化粮田土壤干燥化指数分别为110%和83%,分别属于无干燥化和轻度干燥化强度,土壤干层厚度平均值为267cm,以半干旱偏旱区粮田土壤干燥化程度最严重。     

黄土高原半干旱区土壤呼吸对土地利用变化的响应

明确土地利用方式变化条件下引起土壤呼吸差异性的因素,对预测黄土区退耕还草条件下土壤碳循环变化有重要意义。基于建立于1984 年的长期定位试验,于2011 年3 月至2012年12 月,利用Li-8100 系统(Li-COR,Lincoln,NE,USA)监测了退耕还草(苜蓿)处理和农田(冬小麦)土壤呼吸季节变化以及土壤表层(0~5 cm)温度和含水量,研究了土地利用变化下土壤呼吸变化特征及其与土壤温度、水分以及有机碳特性之间的关系。结果发现,退耕27 a 来(自1984年麦地转化为苜蓿地),土壤呼吸速率苜蓿地(3.55 μmol·m^-2·s^-1)达小麦地(1.36 μmol·m^-2·s^-1)的2.61 倍,累积呼吸量苜蓿地(981 g·m^-2)达小麦(357 g·m^-2)的2.75 倍。土壤呼吸温度敏感系数(Q₁₀)苜蓿地较小麦地2011 年提高24.5%,2012 年提高2.4%。苜蓿地SOC含量(10.5 g·kg^-1)较小麦地(6.5 g·kg^-1)提高61.5%,微生物量碳(204 mg·kg^-1)较小麦地(152 mg·kg^-1)提高34%,0~5 cm土壤水分含量同期高于小麦地,但二者土壤温度差异不显著。土壤水分、SOC、微生物量碳等是造成二者呼吸差异的因素。     

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。     

黄土高原苹果园土壤N_2O排放研究

从2007年5月1日到2009年4月30日对黄土高原苹果园氧化亚氮(N2O)排放采用静态箱气相色谱法进行了为期两年的监测.分别在距果树2.5m(D2.5)、1.5m(D1.5)、0.5m(D0.5)的位置采样.研究结果表明,苹果园N2O排放量年际变化较大,2008年5月到2009年4月的N2O排放量(2.74kg·hm-·2a-1)比2007年5月到2008年4月(2.27kg·hm-·2a-1)高20.7%,主要原因是2008年夏季降雨量是2007年夏季降雨量的1.92倍,使得2008年夏季N2O排放量是2007年夏季的2.81倍.2008年5月到2009年4月的排放系数(0.082%)是2007年5月到2008年4月排放系数(0.035%)的2.34倍.施肥后、冻融交替期、苹果树落叶的前期、降雨后苹果园都有高的N2O排放峰,N2O的季节变化受到这些短期事件的显著影响.而这些短期事件对N2O排放的激发效应又受到降雨量、土壤孔隙充水率(WFPS)和地温的调控.D2.5和D0.5两个处理的N2O排放与气温(p≤0.01)和地温(p≤0.01或p≤0.05)显著相关.D1.5处理N2O排放与气温(p≤0.05)显著相关.     

黄土高原森林植被对陆地水循环影响的研究

论文从土壤水文学科视角来研究和分析黄土高原森林水文作用的两个重大问题，即对总径流量和对地下水转化的影响。联系黄土高原与水循环有关的生态属性，系统阐述了林地土壤下伏干层的发现、分布、水文性质及其生物学成因。重点分析了干层因其巨大水分亏缺量阻隔重力水下渗，阻止降水垂直入渗补给地下水的作用。指出森林因其显著拦蓄径流作用，蓄积水分又难以转化为地下水，因而具有减少林地出境总径流量的作用。     

黄土高原地区森林植被生态需水研究

水土流失是黄土高原面临的主要生态问题,而退耕还林还草、恢复植被是治理水土流失、改善生态环境的必然选择.但黄土高原位于干旱半干旱地区,水资源匮乏是影响该地区植被生态建设的根本因子.因此,植被生态需水研究对于该地区的生态环境建设具有极其重要的意义.本文根据最新遥感图像资料,在GIS支持下,计算了黄土高原地区现有林地生长季的最小生态需水量和适宜生态需水量,其结果分别为262.49×10⁸ m³和421.34×10⁸ m³.除去降雨对林地耗水的补给外,以最小生态需水量为标准,则黄土高原地区在生长季发生水分亏缺的林地面积为7 639.09 km²,占现有林地总面积的9.1%,亏缺水量为4.77×10⁸ m³;以适宜生态需水量为标准,则有57.7%的现有林地在生长季中发生水分亏缺,亏缺水量为58.55×10⁸ m³.     

黄土丘陵区生物结皮对土壤物理属性的影响

生物结皮在干旱、半干旱地区广泛发育。迄今,有关生物结皮发育过程中土壤物理属性的响应仍不明确。论文采用野外调查与室内分析相结合的方法,定量研究不同生物量生物结皮对土壤物理属性的影响。结果表明:①生物结皮的发育能够细化土壤,当生物结皮由初期藻结皮演替至60%~80%苔藓结皮时(5等级),生物结皮层粗砂粒含量降低了86%;②随着生物结皮生物量的增加,生物结皮层土壤容重和硬度较初期分别降低了15%和68%,田间持水量和孔隙度分别增加了36%和14%;生物结皮层粘结力是下层土壤的6~7倍;③生物结皮的发育对土壤物理属性的影响与生物量有关,当苔藓生物量达2.91±0.12 g/dm²时,其土壤物理属性基本稳定。研究结果为揭示生物结皮抗侵蚀机理提供了科学参考。     

GIS支持下的黄土高原土壤景观生态信息系统研究

地理信息系统具有对空间数据的存贮和管理能力,还提供强大的空间分析手段,满足了土壤景观生态研究往往要分析大量的庞杂的空间信息的要求。本文利用地理信息系统技术在黄土高原土壤景观生态学研究中开展了土壤景观生态信息系统方面的应用研究,并建立了《黄土高原土壤景观生态信息系统》,分析了黄土高原土壤景观生态信息系统的技术特征,并对建立黄土高原土壤景观生态信息系统的一些问题进行了探讨,为黄土高原土壤景观生态学研究提供科学依据。     

不同植被恢复模式对黄土丘陵区侵蚀土壤微生物量的影响

为了解侵蚀环境下植被恢复对土壤微生物量的影响,以典型侵蚀环境黄土丘陵区纸坊沟流域生态恢复30年植被长期定位试验点为研究对象,选取坡耕地为参照,分析了植被恢复过程中土壤微生物量、呼吸强度、代谢熵及理化性质的演变特征。结果表明,侵蚀环境下植被恢复后土壤微生物量碳、氮、磷显著增加,增幅分别为109.01%～144.22%、34.17%～117.09%和31.79%～79.94%,微生物呼吸强度增加26.78%～87.59%,代谢熵降低57.45%～77.49%,微生物量的增大和活性增强进一步促进了土壤性状的改善。相关性分析结果显示微生物量碳、磷、呼吸强度与土壤养分相关性极为密切,显然,土壤微生物量可以作为评价土壤质量的生物学指标。不同植被恢复模式对土壤质量改善作用不同,总体来说混交林作用效果最好,刺槐和柠条纯林次之,荒草地和油松纯林较差,在人工促进生态恢复过程中应持以混交林为主,纯林为辅的原则。     

黄土高原退耕还林(草)紧迫性地域分级论证

退耕还林还草是治理黄土高原水土流失的有效措施。科学分析现有土地及其利用结构是退耕还林还草战略实施的重要保证。论文应用科学抽样数据资料,分析了黄土高原地区土地、耕地的坡度构成及其土地垦殖率等的区域差异特征,提出了黄土高原地区退耕还林(草)紧迫性地域分级。其结果可以为根据有限的资金,分区分批进行退耕,最大限度地保证粮食安全,并实现区域生态重建,为合理实施退耕提供科学依据。     

黄土高原不同植被带人工刺槐林土壤团聚体稳定性及其化学计量特征

为研究黄土高原不同植被带对土壤团聚体稳定性及团聚体化学计量变化特征的影响,本研究选取黄土高原不同植被带人工刺槐林地土壤为研究对象,分析了不同粒径团聚体含量,团聚体化学计量及稳定性指标.结果表明, 2 mm和0. 25～2 mm粒径团聚体含量,机械团聚体的平均重量直径(E_(MWD))和机械团聚体的几何平均直径(E_(GMD))表现为森林带森林草原带草原带,而0. 053～0. 25 mm粒径团聚体含量和可蚀性因子K呈现相反的变化特点;各粒径团聚体有机碳和全氮含量在3个植被带整体表现为森林带显著高于森林草原带和草原带,而全磷含量在各植被带间无明显变化规律;有机碳和全氮含量在草原带以0. 053 mm和0. 25～2 mm粒径占绝对优势,在森林草原带以0. 053～0. 25 mm和0. 25～2 mm粒径为主,而森林带各粒径间均无显著差异;草原带和森林草原带0. 053 mm粒径全磷含量最高,而森林带全磷含量在各粒径间无显著差异;0. 053 mm和0. 053～0. 25 mm粒径团聚体C∶N值以草原带和森林草原带高于森林带,而0. 25～2 mm和 2 mm粒径在3个植被带间无显著差异;各粒径C∶P和N∶P值以森林带显著高于森林草原带和草原带.综上可见,土壤团聚体稳定性和团聚体化学计量在3个植被带间存在较大差异,团聚体稳定性和团聚体有机碳、全氮含量整体表现为森林带显著高于森林草原带和草原带.