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。     

土地利用类型与水分亏缺的风险程度关系——以北方农牧交错带黄土高原区为例

在北方农牧交错带植被重建中适宜乔、灌、草种生态区划的基础上,以该区域黄土高原区作为研究区,结合该区1989和1999两年的土地利用分类图,通过计算区域缺水指数及对其分级,探讨了缺水指数在时间和空间上的变化规律,分析了耕地、林地、草地等该区主要土地利用类型在时间和空间上与缺水指数的关系。在此基础上,构建水分亏缺风险指数(RiskIndexofWaterDeficit),从研究区整体和各生态分区两个尺度上探讨了不同土地利用类型的RIWD时空分异。得出如下结论:①1989～2000年,研究区缺水指数均在中度以上,其变化幅度有逐年减少的趋势;②对比1989年和1999年两年的缺水指数,区域整体缺水状况有所缓解,但各生态分区内的缓解程度在空间上仍存在差异;③从研究区整体而言,各土地利用类型的水分亏缺风险指数逐渐减少,依次为林地、耕地、草地;④因各生态分区内的地理特征包括水分状况存在变化,故各土地利用类型的水分亏缺风险程度排列顺序与区域整体有所不同。     

黄土丘陵区土地利用变化对深层土壤有机碳储量的影响

通过研究黄土丘陵子午岭林区5种典型土地利用类型土壤剖面有机碳分布特征,分析了天然乔木林转变为人工乔木林、天然乔木林转变为农田、天然灌木林转变为农田及撂荒后土壤有机碳变化特征.同时,以浅层(0~100 cm)土壤为对照,探讨了土地利用变化对深层(100~200cm)土壤有机碳储量的影响.结果表明,在0~200 cm剖面上,天然乔木林、天然灌木林、人工乔木林、撂荒地、农田土壤有机碳含量分别为5.85、3.96、4.98、3.09、3.20 g·kg-1,天然乔木林、人工乔木林土壤有机碳含量显著高于天然灌木林、撂荒地和农田(p0.05).各土地利用类型下浅层和深层土壤有机碳含量分别占0~200 cm土壤有机碳含量的58%~73%和27%~42%,不同土地利用类型间浅层土壤有机碳含量差异显著,但深层土壤有机碳含量差异不大.土地利用变化对土壤有机碳储量影响显著.天然乔木林转变为人工乔木林、天然乔木林转变为农田、天然灌木林转变为撂荒地、天然灌木林转变为农田4种土地利用转变方式0~200 cm土壤有机碳储量分别减少了9.68、52.90、20.20、12.49 t·hm-2,减幅为7%、39%、21%、13%,其中,浅层土壤减少了2%~48%,深层土壤减少了12%~22%.相对于林地开垦为农田而言,农田退耕还林后土壤有机碳的恢复要慢得多.研究结果揭示了浅层和深层土壤有机碳对土地利用变化的敏感性,反映了深层土壤有机碳具有较大的稳定性.     

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。     

地形和土地利用对黄土丘陵沟壑区表层土壤有机碳空间分布影响

研究地形和土地利用类型共同作用下表层土壤有机碳空间分布特征,对准确评估区域土壤有机碳的空间分布和变异特征具有重要意义。以黄土丘陵沟壑区燕沟流域3种地形部位(峁顶、峁坡、沟底)和8种土地利用类型(农田、果园、天然与人工草地、天然与人工灌木林、天然与人工乔木林)为研究对象,采集表层(0~20 cm)314个土壤样品用于研究地形和土地利用方式对黄土丘陵沟壑区小流域表层土壤有机碳空间分布的影响。地形和土地利用方式极显著(P0.000 1)影响小流域表层土壤有机碳含量与分布,并且交互作用显著(P=0.051 1)。地形影响下,土壤有机碳空间分布表现为沟底峁坡峁顶的变化趋势,土壤有机碳含量沟底(8.0 g/kg)、峁坡(7.1 g/kg)分别是峁顶(4.2 g/kg)的1.9、1.7倍。土地利用方式影响下,土壤有机碳空间分布表现为天然乔木天然灌木人工乔木天然草地人工灌木人工草地农田果园的分布变化规律。地形和土地利用交互作用下,农田、果园、天然草地在坡面水土流失条件下显示出土壤有机碳在沟底逐渐富集的特征,沟底有机碳含量农田(6.9 g/kg)、果园(8.8 g/kg)、天然草地(9.3 g/kg)分别是峁顶的1.9、2.0、1.9倍。林地(灌木林和乔木林)却表现为峁坡土壤有机碳含量远远高于沟底,天然乔木林且达到了显著水平,天然乔木峁坡土壤有机碳含量(24.6 g/kg)是沟底(16.4 g/kg)的1.5倍。     

The effects of land use and its patterns on soil properties in a small catchment of the Loess Plateau

Due to relatively strong human activities in the hilly area of Loess Plateau,the natural vegetation has been destroyed,and landscape pattern based on agricultural land matrix was land use mosaic composing of shrub land,grassland,woolland and orchard.This pattern has an important effect on soil moisture and soil nutrients.The Danangou catchment,a typical small catchment,was selected to study the effects of land use and its patterns on soil moisture and nutrients in this paper.The results are as follows:The comparisons of soil moisture among seven land uses for wet year and dry year were performed:(1)the average of soil moisture content for whole catchment was 12.11% in wet year,while it was 9.37% in dry year;(2)soil moisture among seven land uses was significantly different in dry year,but not in wet year;(3) form wet year to dry year,the profile type of soil moisture changed from decreasing type to fluctuation-type and from fluctuant type to increasing type;(4)the increasing trend in soil moisture from the top to foot of hillslope occurred in simple land use along slope,while complicated distribution of soil moisture was observed in multiple land uses along slope.The relationships between soil nutrients and land uses and landscape positions were analysed:(1)five nutrient contents of soil organic matter(SOM),total N(TN),available N(AN),total P(TP) and available P(AP) in hilly area were lower than that in other areas.SOM content was less than 1%,TN content less than 0.07%,and TP fallow land and cropland,and higher level in soil fertility was found in crop-fruit intercropping land among croplands;(3)soil nutrient distribution and responses to landscape positions were variable depending on slope and the location of land use types.     

黄土塬区土地利用变化对硝态氮累积和淋溶的影响

为了分析黄土塬区土地利用变化对土壤中NO₃--N迁移规律的影响,在陕西长武黄土塬区沿东西方向设置6个样地,每个样地内均选择耕地、由耕地转变来的果龄10 a和20 a左右的苹果园(下称耕地、10 a果园和20 a果园)3种土地利用方式采集土壤样品,分析土地利用变化对NO₃--N迁移的影响,并初步评估其对地下水污染的潜在风险. 结果表明:不同土地利用方式下土壤中NO₃--N均出现累积现象,达到累积峰时的土层深度表现为果园＞耕地,NO₃--N最大累积量表现为20 a果园＞10 a果园＞耕地. 耕地、10 a果园和20 a果园土壤w(NO₃--N)平均稳定深度分别为300、400和500 cm,平均稳定值分别为2.4、2.5和2.6 mg/kg. 地下水中ρ(NO₃-)为15.3 mg/L,而3种土地利用方式下土壤中ρ(可移动态NO₃-)分别为14.2、26.2和26.3 mg/L,可见,与耕地相比,果园土壤中NO₃--N淋溶至地下水的风险更大. 但由于土地利用变化导致的土壤水分运动和地下水补给存在差异,各土地利用方式对地下水中NO₃--N的贡献率尚需进一步量化.      

黄土高原降雨驱动下流域碳输移特征及其碳流失评估：以羊圈沟坝系流域为例

通过对黄土高原典型坝系流域雨季碳沉降与径流碳输移过程的研究,探讨降雨径流过程对流域碳流失的驱动机制,并进一步评估流域碳侵蚀通量.结果表明,羊圈沟坝系流域湿、干季碳沉降月通量为3.33 kg·hm~(-2)、2.18 kg·hm~(-2),干湿季碳沉降存在一定变化且对流域碳输出贡献较小.流域8月碳输出量为944.89 kg·km~(-2),其中DOC、DIC输出量分别占55.39%、44.61%;9月碳输出量为300.29 kg·km~(-2),DOC、DIC输出量分别占23.03%、79.97%,不同降雨强度径流的碳流失量不同,总体溶解性无机碳输出比重较大.羊圈沟小雨强降雨事件中径流溶解性碳输出量为156.98 kg·km~(-2),中等雨强降雨事件中径流碳输出284.60 kg·km~(-2);该流域雨季月均碳流失模数为1.89 kg·(km~2·mon)~(-1),经评估得出研究区域年碳流失模数为2.70kg·(km~2·a)~(-1).     

黄土丘陵小流域土地利用的时空分布及其与地形因子的关系

采用航片解读、实地调查、土地规划和基于GIS的统计分析相结合的方法,从土地利用面积和地形分布格局的变化分析入手,研究了黄土丘陵小流域土地利用的时空分布格局及其影响因子。研究结果表明,黄土丘陵区大南沟小流域的土地利用变化可以分成两个阶段,第一阶段从1975、1998年到25°退耕,林地/灌木地面积增加,荒草地、休闲地和耕地的面积减少,果园/经济林地的面积变化不明显;第二阶段即3种土地利用规划方案,包括25°、20°和15°退耕方案,林地/灌木地和荒草地的面积保持不变,耕地和休闲地逐渐被果园/经济林地所替代。汇总与相关分析表明,这5种土地利用类型的地形分布格局也发生相应的变化。研究指出,近20年来,大南沟小流域土地利用格局日趋优化,3种土地利用规划方案体现了土地持续利用的生态、经济和社会效益,具有很强的操作性。     

黄土高原延河流域不同植被类型下土壤生态化学计量学特征

植被类型对黄土高原土壤质量的改善具有重要的作用,而土壤碳、氮、磷生态化学计量比是体现生态系统变化过程的重要依据。研究森林、森林草原、草原植被类型对土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量学特征的影响,对于深入认识黄土高原植被恢复对土壤质量的改良、完善生态化学计量学理论和准确评价植被恢复的生态环境效益具有重要的现实意义。延河流域是黄河的一级支流,自然环境脆弱,植被破坏和土壤侵蚀严重,因此,论文选取延河流域为研究对象,分析不同植被类型对土壤碳、氮、磷养分和生态化学计量学特征的影响。结果表明：3种植被带下,表层土壤有机碳、全氮含量显著高于下层土壤,森林带>森林草原带>草原带;森林草原带、草原带下土壤全磷含量在两层土壤中差异不显著,森林植被对土壤碳、氮、磷具有显著的累积作用,对于提高土壤碳、氮、磷含量具有重要的意义。土壤C∶N在3种植被带下较为稳定,土壤有机碳与全氮存在极显著的正相关关系（P<0.01）;土壤C∶P、N∶P受植被类型的影响较大,森林带显著高于森林草原带和草原带,土壤C∶P、N∶P和C∶N之间存在极显著的正相关关系（P<0.01）。总体来说,植被恢复对土壤质量的改善作用明显,森林植被对该区土壤碳、氮、磷等养分含量的累积作用较好,森林植被具有较大的N∶P,其植被生长主要受P含量的限制;草原植被与森林草原植被N∶P比较低,其植被生长主要受N含量的限制。     

黄土高原中尺度流域基流变化驱动因素分析

针对黄土高原基流的动态变化特征和驱动因素问题,以昕水河流域为例,采用数字滤波法（3次,α=0.925）分割基流,利用Mann-Kendall、Pettitt、小波分析和Hurst法分析该流域基流的趋势性、突变性、周期性和持续性特点,采用双累积曲线法对基流变化驱动因素进行分析。结果表明,昕水河流域多年平均基流量为0.45亿m³,基流指数为0.368;流域年基流量呈显著下降趋势（P<0.01）,在1985年发生突变;基流变化周期为27年,预计未来基流仍有进一步减少趋势（H>0.50）。流域降水和人类活动是基流变化的根本原因,人类活动通过植被覆盖度的变化、地下水的开发、煤矿开采和水土保持措施等方式影响基流。与第一阶段相比,第二、第三阶段降水和人类活动对基流的影响比例分别为25.89%、74.11%和0.37%、99.63%。进入21世纪,人类活动逐渐成为影响基流变化的主要因素。     

黄土高原植被重建对小流域水循环的影响

在黄土高原,植被重建是减少水土流失改善区域生态环境的有效措施,因而植被重建对水分循环的影响成为黄土高原地区生态环境问题研究的核心。论文利用流域对比分析法,以位于甘肃省西峰市南小河沟流域的一条森林小流域和一条荒坡草地小流域为对象,通过对1956～2000年水文要素的监测和分析,得出:44年内森林植被累积减少地表径流37％;前15-20年内植被减流作用随树龄的增长而增加,后24～30年植被的减流作用几乎保持不变;月径流量的减少主要集中在6-9月份;森林小流域相对于对比小流域,44年内土壤含水量累积减少约222mm,平均每年减少5mm;而蒸散量相对荒坡草地流域累积增加了620mm,平均每年多蒸散14mm。     

退耕还林工程对黄土高原土地利用/覆被变化的影响——以陕西省安塞县为例

退耕还林工程(Sloping land conversion program, SLCP)可快速改变土地利用/覆被格局。论文以黄土高原典型沟壑区--陕西省安塞县为例,利用MSS/TM/ETM+卫星遥感影像,获取研究区6个时期土地利用/覆被的时空信息,通过统计模型,定量分析了研究区SLCP对土地利用/覆被格局的影响。草地、耕地及林地为研究区三大主要土地利用/覆被类型,研究区土地利用/覆被变化整体处于不平衡态势;整个研究时段内,耕地先增后减,整体减少38.4%;林地先减后增,整体增加4.36%;灌木林地和草地减少,而未成林造林地快速增加;SLCP显著加强了耕地的递减趋势,并大幅增加了未成林造林地面积,至2010年未成林造林地面积显著大于天然林地的面积。这些变化可能具有降低土壤侵蚀与产流量、改善土壤结构、增加土壤碳吸收等效应;SLCP能提高农民收入,且大部分农民支持SLCP;但其负面效应亦不可忽视。研究将有助于对SLCP效应的全面理解,并可为该区生态恢复工程的规划与决策及生态环境保护提供参考。     

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.     

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.     

黄土高原土地利用方式对微塑料丰度和形态分布的影响

微塑料作为一种新型污染物,受到了国内外研究的广泛关注.黄土高原作为我国主要农业产区之一,不同土地利用方式对土壤中微塑料丰度和形态分布的影响尚不清楚.采集了黄土高塬沟壑区王东沟流域内耕地、苹果园和垃圾场这3种不同土地利用方式下的土壤,采用改良的密度离心法对微塑料进行分离提取,并使用激光红外成像系统对土壤中微塑料的丰度、组成以及形态特征进行分析鉴定.结果表明,王东沟流域土壤微塑料的平均丰度为4715 n·kg^-1,主要由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氨酯（PU）和醇酸树脂（ALK）等类型组成,分别占30.39%、29.58%和8.42%;超过80%的微塑料为碎片状,且超过60%的微塑料粒径≤50 μm.不同土地利用方式下的微塑料平均丰度差异明显,呈现耕地土壤（7550 n·kg^-1）>苹果园土壤（3440 n·kg^-1）>垃圾场土壤（2283 n·kg^-1）的趋势.苹果园土壤微塑料的平均面积及宽度、高度、偏心度和圆度等形态特征与耕地和垃圾场土壤的微塑料均存在显著差异.     

草海湿地小流域土地利用与景观格局对氮、磷输出的影响

识别主要污染物和污染源对草海湿地生态系统的保护与管理具有重要的现实意义.基于2012年5—10月6个小流域的水质观测数据、土地利用结构与景观格局指数,研究了草海湿地入湖小流域氮、磷输出的时空变化规律及其与景观格局的关系,以期为草海湿地综合治理提供参考.结果表明,草海湿地北面建设用地面积比例呈西北、东南方向逐渐降低和景观破碎度逐渐减小的趋势,具有明显的城市-城郊-农村的景观格局梯度,景观格局影响流域水质.多元统计分析表明,小流域氮磷输出受景观组成属性和空间属性综合影响,城镇建设用地百分比与TN、TP和COD呈显著正相关关系(r分别为0.995、0.978和0.996,p0.01),景观破碎度(CONTAG、ED、MPS)和多样性(SHDI)与水质(TN、TP、COD)具有显著的相关关系,CCA的第一排序轴解释了建设用地面积比例、景观指数与水质指标相关性的96.0%.可见,威宁城镇化快速发展威胁了草海湿地生态安全,需进行草海周边城镇化进程的调整和控制.     

黄土高原气候变化特征及原因分析

基于黄土高原111个气象站点1961—2018年逐日气温(最低气温、最高气温、平均气温)和降水数据,采用Mann-Kendall趋势分析、Sen's斜率估计和小波周期等方法分析了气温和降水的时空变化特征,并采用小波交叉功率谱分析方法对影响区域气候的环流因素进行了分析.研究结果显示:(1)黄土高原1961—2018年平均...     

黄土高塬沟壑区植被恢复对不同地貌部位土壤可蚀性的影响

通过采集不同地貌部位(塬面、塬坡和沟坡)各土地利用(农地、草地、灌木地和林地)坡面土壤和根系样品,采用综合土壤可蚀性指数(CSEI)评价了植被恢复对土壤可蚀性的影响。结果表明:(1)不同地貌部位的CSEI差异显著,沟坡CSEI较塬坡和塬面分别增加8.1%和77.7%。(2)塬面草地、灌木地和林地的CSEI较农地分别降低21.1%、29.2%和28.8%;而塬坡和沟坡林地CSEI均低于其他土地利用。(3)CSEI与粘粒含量、砂粒含量、毛管孔隙度、根重密度、根平均直径、根长密度及根表面积密度均呈极显著负相关,而与粉粒含量和土壤容重呈显著正相关关系;粉粒含量、土壤容重和根重密度是影响CSEI的关键因素,其中粉粒含量对CSEI的直接影响最大,而根重密度通过直接或间接作用对CSEI产生负相关影响。建议在塬面上以灌木作为植被恢复模式的首选,而在塬坡和沟坡上选择以乔木为优势群落的恢复模式对水土流失的控制更为有效。