黄土高原纸坊沟流域不同土地利用类型土壤质量评价

为了认识和评价黄土高原地区小流域不同土地利用类型下的土壤质量,以陕西省安塞县纸坊沟为例,选取了26个采样点,分属林地、灌木地、草地、农地、果园、苗圃和撂荒地7种土地利用类型,利用主成分分析法从16项土壤理化指标中选取关键指标,计算了土壤质量指数。结果表明:(1)容重、黏粒含量、微团聚体平均质量直径(MICMWD)、有机质和pH值是表征纸坊沟流域土壤质量的关键指标,除容重外,其余4个关键指标的隶属度在研究区不同土地利用间均存在显著差异;(2)与地形因子相比,土地利用方式对纸坊沟流域土壤质量的影响更大;(3)整体上纸坊沟流域土壤质量处于较高水平(0.71±0.10),不同土地利用方式下土壤质量存在显著差异,土壤质量指数均值从大到小依次为林地灌木地苗圃草地果园农地撂荒地。研究结果可为黄土丘陵区小流域土地利用方式的合理布局和土壤质量的定向培育提供重要依据。     

黄土高原丘陵区典型退耕恢复植被土壤碳分布特征及其影响因素

为深入了解植被恢复对土壤碳库的影响，本研究选取黄土高原丘陵区草地、沙棘、油松、山杏和山杏油松混交林0~100 cm土壤为研究对象，运用随机森林模型等方法，探究黄土高原丘陵区典型退耕恢复植被有机碳（SOC）、无机碳（SIC）、全碳（TC）含量分布特征及其影响因素。结果表明：（1）研究区各恢复植被平均土壤全碳含量为1.685~1.898 g/kg，平均土壤有机碳含量山杏(0.368 g/kg)>草地(0.299 g/kg)>沙棘(0.250 g/kg)>油松(0.233 g/kg)>油松山杏混交(0.209 g/kg) ，平均土壤无机碳含量为平均土壤有机碳含量的5.6倍。（2）所有恢复植被土壤深层（60~100 cm）无机碳含量均无显著差异（P>0.05）。除油松外，各恢复植被表层（0~20 cm）土壤有机碳含量显著高于其他土层（P<0.05）。（3）坡向、坡度、海拔、土地利用类型、土壤含水量、土壤黏粒、速效磷和速效氮共解释了78%、24%和77%的SOC、SIC和TC含量变化，其中海拔、坡向和土壤含水量为研究区土壤碳含量变化的主要影响因素（P<0.05）。在黄土高原植被恢复过程中应充分考虑地形因子和土壤理化性质的影响。本研究结果可为正确评估人工林土壤碳储量及其生态效益提供基础数据和科学参考。     

黄土高原丘陵区地形和土地利用对土壤有机碳的影响

土壤有机碳(SOC)作为土壤中重要的组成部分及植物生长的主要元素,在地球生态系统中起着举足轻重的作用,是全球环境尤其是气候变化的重要影响因素。以黄土高原王茂沟小流域为研究对象,通过间隔为150m经纬网格分5层采集0～100cm土壤样品,采集土壤样品包括4种地形(坡顶、坡上、坡中、坡下)和5种土地利用类型(坡耕地、林地、草地、灌木、梯田),共采集土壤样品1 540个,探讨地形和土地利用方式对黄土丘陵沟壑区小流域SOC含量和分布影响,并通过Kriging插值计算流域内SOC空间分布。结果表明,黄土丘陵第一副区王茂沟小流域在0～100cm土层中,SOC平均含量坡上(4.49g·kg~(-1))和坡中(4.30 g·kg~(-1))含量最高,其次为坡下(3.97 g·kg~(-1)),坡顶SOC含量最低(3.34g·kg~(-1));坡耕地SOC含量最低。林地(4.31 g·kg~(-1))、梯田(4.25 g·kg~(-1))、草地(4.12 g·kg~(-1))和灌木(3.82 g·kg~(-1))分别较坡耕地(3.47 g·kg~(-1))SOC含量增加24.2%、22.4%、18.7%和10.1%。表层SOC更易受到环境因子的影响,梯田等水土保持措施可明显固存深层(20cm)SOC。方差成分估计表明,土地利用、地形、深度以及土地利用与地形的交互作用对流域剖面SOC含量空间分布有着极显著的影响(P0.01),其中地形对SOC含量的贡献率最高(32.50%)。土地利用与地形的交互作用在各因子的交互作用中表现出对SOC含量变异解释度最高(7.4%)。流域SOC在空间上呈斑块分布,随着深度的增加,流域SOC的空间分布向均一性发展。研究结果为黄土区水土保持措施规划及退耕还林的固碳效益评价提供了科学依据。     

黄土丘陵沟壑区小流域土壤水分空间变异性及其影响因素

为了解不同土地利用方式和地形条件下土壤含水率的数量特征及其变异规律,以黄土高原丘陵沟壑区纸坊沟小流域为研究对象,利用经典统计学方法系统分析了小流域尺度土壤含水率的空间变异性。结果表明:不同土地利用方式下土壤平均含水率之间呈极显著差异,其顺序为:农田>草地>林地>灌木地;土壤含水率在土壤剖面上呈先减小后增大的趋势。地形条件显著影响土壤含水率,其中梯田>沟底>坡地>峁顶;不同坡位土壤含水率的顺序为坡下>坡上>坡中,不同坡向间为阴坡>阳坡。上述土壤含水量的变异程度均为中等。在小流域尺度,土地利用和地形对土壤水分具有显著的交互作用。相关结果可为黄土丘陵沟壑区的土壤水分管理、土地利用结构优化、不同地形条件下的植被布局提供参考。     

黄土丘陵区不同土地利用类型下土壤微生物生物量特征

测定分析了黄土丘陵区纸坊沟流域人工林地、荒地和农地土壤微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)、磷(MBP)、全氮、有机质和速效磷。通过最小显著差异性(LSD)评价样地之间土壤微生物生物量和养分的差异显著性。结果表明,表层土壤中,农地和荒地土壤微生物生物量和养分显著小于林地土壤;同一土地利用类型下,退耕时间越长,土壤微生物生物量和养分含量越高;在同一时期退耕条件下,刺槐林地土壤微生物生物量显著大于油松林地。在黄土丘陵区实施的退耕还林可显著提高土壤微生物生物量和土壤养分。     

黄土高原土壤可蚀性对退耕还林(草)的响应

退耕还林(草)的实施显著影响黄土高原退耕地土壤理化属性,进而可能影响土壤可蚀性。然而,目前黄土高原全区土壤可蚀性对退耕方式的响应及其区域特征尚不明确。为此,以耕地为对照,以黄土高原4个降雨量带内(200~300,300~400,400~500,>500 mm)的3种退耕地(乔木林地、灌木地和草地)为对象,通过野外调查和室内分析,研究不同类型退耕地土壤理化性质,采用EPIC模型估算土壤可蚀性,分析不同退耕方式对黄土高原不同区域土壤可蚀性的影响。结果表明:就整个黄土高原而言,退耕地0—20 cm土壤有机碳含量增加1.22~2.83 g/kg,乔木林地、灌木地和草地的土壤有机碳含量分别平均增加1.70,1.72,2.72 g/kg。黄土高原仅200~300 mm降雨量带内的草地与耕地的黏粒差异显著,300~400,400~500,>500 mm降雨量带内的各类型退耕地间的黏粒、粉砂粒和砂粒差异不显著。相较于耕地,退耕地土壤可蚀性呈现降低趋势,由0.012 4 (t·hm²·h)/(hm²·MJ·mm)降至0.011 5 (t·hm²·h)/(hm²·MJ·mm),但差异不显著,乔木林地、灌木地、草地与耕地间土壤可蚀性亦无显著差异。总体表明,退耕还林(草)虽显著提高土壤有机碳含量,但并未显著影响颗粒组成和土壤可蚀性。研究结果可为预报黄土高原退耕后的土壤侵蚀提供科学依据。     

不同植被类型土壤氮素对侵蚀环境的响应

以黄土高原神木六道沟流域为研究对象,选取流域内3种典型植被类型(林地、草地、灌木)所处的3种侵蚀环境(梁峁顶、梁峁坡、沟坡)0—30cm土层土壤,对土壤5种氮素(全氮、有机氮、矿化氮、铵态氮、硝态氮)对侵蚀环境的响应进行了研究。结果表明:(1)林地土壤全氮和有机氮含量最大,显著高于草地和灌木地,不同植被类型土壤氮素随侵蚀环境的变化规律不尽相同。(2)林地矿化氮和硝态氮含量高于草地和灌木地;灌木地铵态氮高于林地和草地。(3)土壤容重和pH与全氮、有机氮、矿化氮、铵态氮和硝态氮呈极显著负相关,有机碳和C/N与全氮、有机氮、矿化氮、铵态氮和硝态氮呈极显著正相关。(4)矿化氮占全氮的比例随全氮含量的升高而升高,铵态氮占氮的比例随全氮的升高而降低。通过不同植被类型土壤氮素对侵蚀环境的响应,能够长期为黄土高原农业生产、生态修复与重建提供科学依据。     

土地利用类型对土壤微生物量和有机质的影响

对陕北黄土丘陵区农地、园地、人工草地、荒地、灌木林地、经济林地和乔木林地等7种不同土地利用类型土壤剖面4个土壤层次的土壤微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)、土壤呼吸(RS)和土壤有机质含量(SOM)进行了测定.分析了MBC,MBN,RS,SOM和全氮(TN)之间的相关性;并对土壤微生物对土壤健康的生物指示功能和土地利用类型对土壤有机质的影响进行了研究.结果表明,各土地利用类型表层土壤MBC和MBN分别在84.14～512.78和4.29～41.83 mg/kg之间,RS在108.69～235.71 mg/kg之间.荒地和乔木林地的土壤微生物量含量和RS值较高,农地较低;SOM在0.510%～1.547%之间,在乔木林地和经济林地较高,在农地,园地和人工草地较低,且在不同土地利用类型之间的差异显著.土壤微生物量和RS与SOC,TN显著相关,说明土壤微生物学特征可以用来表示土壤健康水平.农地转变为其它土地利用类型后会明显提高土壤微生物量和有机质含量,尤以表层土壤增幅最为明显.     

晋西北黄土丘陵区小流域土壤团聚体稳定性及其分异特征

土壤团聚体是土壤结构的基本组成部分,在影响水分入渗和转移、土壤肥力方面起到重要作用。分析土壤团聚体结构特征及其稳定性影响机制,对揭示黄土高原退耕还林还草生态环境效应具有重要意义。研究以晋西北朱家川流域内7个坝控小流域不同土地利用方式(林地、草地、农地)下土壤团聚体为研究对象,利用GIS平台空间分析模块提取样点地形因子,用湿筛法分析水稳性团聚体粒径组成,借助通径分析法分析各理化因子对于分形维数的影响。结果表明:晋西北朱家川流域不同土地利用方式下,土壤团聚体稳定性存在显著差异,团聚体稳定性从高到低顺序为:林地>草地>农地。分形维数和小粒径团聚体含量呈显著正相关,而与大粒径团聚体含量呈显著负相关。处于流域下游的后会沟流域土壤团聚体稳定性最低,中游柳树咀沟流域土壤团聚体结构稳定性最优。对土壤团聚体分形维数影响最大的因子是有机质含量,其次是海拔高度,直接通径系数分别为-0.427和-0.229,决策系数分别为0.168 0,0.085 6。研究结果可为黄土高原生态恢复和土地合理利用提供科学依据。     

汉江小流域土壤氮素空间分布特征及影响因素

氮素是土壤中不可或缺的营养元素之一,对植物生长具有至关重要的作用。利用网格采样法(30m×30m)和典型样地取样法在汉江余姐河小流域进行土样采集,每个样点分为3层A1(0—20cm),A2(20—40cm),A3(40—60cm),分别测定其土壤全氮、土壤铵态氮和土壤硝态氮含量。研究了土壤氮素的空间异质性、氮素的组成比例以及不同土地利用类型下土壤全氮、铵态氮和硝态氮与环境因子间的相关关系,并且分析了不同形态氮素间的相互关系。结果表明:土壤氮素的空间变异性为土壤硝态氮土壤铵态氮土壤全氮;土壤全氮与硝态氮在A1土层为强空间相关性,在A2,A3层为中等程度的空间相关性,土壤铵态氮在各土层均表现为中等空间相关性;农地、林地、草地对全氮储量的贡献依次增大;相较于林地草地,农地对铵态氮储量的贡献最大;而草地对硝态氮储量的贡献在三种土地利用中最大;不同土地利用类型中,农地的氮素空间分布主要与土壤粒径具有相关性,而与地形因子(坡度、坡向等)相关性较小;林地的氮素空间分布主要与地形因子相关性较高,草地介于两者之间;在流域内增加草地林地面积,在流域出口处布设林草地等措施可以减少流域土壤氮素的流失。     

基于CSLE模型的陕北纸坊沟流域土壤侵蚀评价

[目的]对陕北纸坊沟流域土壤侵蚀状况进行评价,为该流域不合理土地利用方式的调整和优化以及水土流失治理措施的合理布设提供科学依据。[方法]以陕西省安塞县纸坊沟流域为研究区,基于ArcGIS技术,利用2005—2016年纸坊沟流域水文站月降雨量数据、DEM数据、土壤类型数据和土地利用数据,率定中国土壤流失方程(CSLE)的相关参数,计算研究区的土壤侵蚀强度,对土地利用变化与坡度和土壤侵蚀强度之间的关系进行分析。[结果](1)研究区内不同坡度带上的土壤侵蚀强度差异较大,15°～25°左右的坡耕地是土壤侵蚀的敏感部位。(2)纸坊沟流域内土地以林地、耕地、草地为主,耕地面积不断减少,林地和草地面积不断增加。该区域实施退耕还林后,土壤侵蚀的面积与强度整体呈现改善趋势;土地利用变化与土壤侵蚀强度具有密切联系,表现为耕地的土壤侵蚀强度较强,林地和草地侵蚀强度相对较弱,说明增加林地和草地面积,减少耕地面积,能够显著减弱土壤侵蚀。[结论]研究区内土壤侵蚀空间分布受土地利用方式和坡度制约,该区今后水土流失治理的重点区域是15°～25°左右的坡耕地。     

基于最大似然法与矩法的黄土高原小流域土壤碳氮空间变异分析

以黄土高原寺底沟小流域为研究对象,根据不同土地利用方式采集46个样点的土壤样品,通过地统计方法对土壤有机碳和全氮的空间变异特征进行了分析。采用受限最大似然法(REML)和矩法(MOM)两种方法分别对变异函数进行了估计,通过交叉检验选择克里金预测效果较好的变异函数进行地统计插值。(1)与矩法(MOM)相比,在多数情况下受限最大似然法(REML)估计的变异函数进行克里金插值更加准确。(2)土层深度对土壤全氮空间变异影响较小,对土壤有机碳影响较大,表层土壤有机碳含量及变异程度明显高于下层土壤。(3)土地利用方式对土壤有机碳和全氮的空间分布有重要影响,灌木林和天然草地土壤有机碳和全氮水平最高,弃耕地其次,梯田、果园、人工草地最低,表明退耕还林对提高土壤碳氮水平有重要贡献。     

土地利用与地形因子关系研究——以砖窑沟流域为例

以黄土丘陵沟壑区的砖窑沟流域为例,依据2003年和2008年两期土地利用现状图,采用地理信息系统(GIS)软件和统计分析(SPSS)软件,进行了基于10m×10m栅格单元的土地利用与地形因子关系的研究,探讨了土地利用格局的演变及其驱动力。结果表明:基于栅格的土地利用类型与坡度、坡向和海拔关系的综合分析是从数量上准确剖析土地利用空间分布特征及其演化规律的有效方法;砖窑沟流域的海拔、坡度、坡向的平均值分别为1069m、19.24°和279°(西坡);采用各种土地利用类型的sin(坡向)和cos(坡向)平均值绘制坡向分布图,可直观地显示各种土地利用类型坡向分布特征。分析表明,农田和宜林荒山共占流域总面积的80%左右,二者的分布和变化控制着整个流域土地利用的地形分布格局。农田主要以坡地和梯田的形式分布于坡上、峁顶和梁顶,坡度较低,而海拔较高,与坡度呈显著负相关,与海拔呈显著正相关;而宜林荒山往往分布于坡度较大而海拔较低的位置,与坡度呈显著正相关,而与海拔呈显著负相关。研究结果反映了黄土丘陵沟壑区土地利用的地形地貌特征。生态建设项目的实施可在短时间使土地利用的空间分布发生较大变化。     

Temporal change in land use and its relationship to slope degree and soil type in a small catchment on the Loess Plateau of China

We sought to detect the temporal change (1958–1999) in land use patterns and its relationship to physical landscape parameters in a small catchment in the semi-arid hilly area of the Chinese Loess Plateau. Degree of slope and soil type were selected as stable discriminating parameters that might constrain land use. With the help of GIS and canonical correspondence analysis, the relationship between rural land use distribution or transformation and the selected physical parameters was examined. The land use had undergone a general shift from farmland to woodland or grassland. Canonical correspondence analyses (CCA) indicated that a relationship between land use and the selected physical parameters was evident, farmland coincided with favorable conditions of fertile soil and gentle slope, while grassland and woodland were associated with conditions of poorer soil and steep slope. In the more favorable conditions the main land use change process was the intensification of farming, while in the less favourable conditions it was the abandonment of farmland. A thorough understanding of the relationship between land use temporal or spatial patterns and landscape physical parameters in the Loess Plateau of China, like degree of slope and soil type, will enhance our capability to predict landscape dynamics and lead to more sound and effective land use management strategies.     

基于CA-Markov模型的藉河流域土地利用变化动态模拟

为了探讨黄土丘陵沟壑区藉河流域的土地利用变化规律及驱动力,基于1995和2008年两期遥感影像解译得到的土地利用数据,通过土地利用动态度模型和空间测算模型对藉河流域土地利用类型的动态变化程度进行分析,并运用CA-Markov模型对2022年土地利用空间格局进行预测.结果表明,空间分析测算模型由于同时考虑了各土地利用类型的空间转移及新增过程,能更为准确地测算出各种土地利用类型的动态变化程度与速率;CA-Markov模型预测结果表明,整个流域总体的Kappa系数为0.9515,预测结果可信;除草地和未利用地外,2008-2022年期间其他土地利用类型继续原有的变化趋势,到了2022年表现出坡耕地、草地、水域和未利用地面积减少趋势,梯田、林地和居民地面积呈增加趋势.黄土丘陵沟壑区水土流失严重,此研究有助于加强土地资源的保护和实施退耕还林还草等措施,为当地土地利用规划管理提供参考.     

黄土高原典型流域土壤抗冲特性研究

以黄土高原吕二沟流域为研究对象,采用原状土冲刷水槽法对研究区梯田耕地、坡耕地、草地、梯田果园、刺槐林共5种土地利用类型的土壤进行了抗冲试验。结果表明:(1)研究区不同土地利用类型的土壤抗冲性大小依次为:刺槐林>草地>梯田>果园>坡耕地;(2)根系对土壤抗冲性具有显著影响,有根系土壤相对无根系土壤的抗冲性有明显提高,平均提高了44.02%;(3)研究区土壤随坡度的增大抗冲能力减弱,其中22°～25°减少幅度最大;(4)对研究区不同土地利用类型土壤抗冲指数在流域尺度进行了空间异质性模拟,总体表现出越靠近流域上游和侵蚀沟坡上位置的土壤抗冲性越大的特性,其中刺槐林地和草地表现更为明显。     

黄土高原小流域土壤有机碳空间变异性研究

Soil organic carbon (SOC) has great impacts on global warming, land degradation and food security. Classic statistical and geostatistical methods were used to characterize and compare the spatial heterogeneity of SOC and related factors, such as topography, soil type and land use, in the Liudaogou watershed on the Loess Plateau of North China. SOC concentrations followed a log-normal distribution with an arithmetic and geometric means of 23.4 and 21.3 g kg^-1, respectively, were moderately variable (CV = 75.9%), and demonstrated a moderate spatial dependence according to the nugget ratio (34.7%). The experimental variogram of SOC was best-fitted by a spherical model, after the spatial outliers had been detected and subsequently eliminated. Lower SOC concentrations were associated with higher elevations. Warp soils and farmland had the highest SOC concentrations, while aeolian sand soil and shrublands had the lowest SOC values. The geostatistical characteristics of SOC for the different soil and land use types were different. These patterns were closely related to the spatial structure of topography, and soil and land use types.     

黄土丘陵区不同土地利用类型土壤水分物理性质研究

在黄土高原丘陵沟壑区第三副区典型流域选取林地、耕地、果园、撂荒地和草地5种土地利用方式,进行土壤水分物理性质的对比研究。结果表明:林地、耕地和撂荒地的土壤含水量显著大于果园和草地。耕地和果园的饱和持水量显著大于草地。各土地利用类型下土壤水分物理因子基本具有一致性,其变异系数均属于中等变异。水平方向上各个土壤水分物理性质较为均一,土壤饱和导水率和土壤含水量平均为0.84 mm/min和19.18%,土壤容重平均为1.34 g/cm³,但毛管孔隙度均在10%以下,表层土壤通气透水性能较差。近年来虽大面积新修梯田、发展经济林,表土水分物理性质得到改良,但从整体性能上来看,还是较差,今后需进一步改善土壤环境。     

黄土丘陵区纸坊沟小流域土壤有机碳储量研究

通过野外调查和室内分析,研究了黄土丘陵区纸坊沟小流域不同土地利用方式下土壤有机碳的剖面变化特征及土壤有机碳储量。结果表明,该流域各层土壤的有机碳含量为中等变异,土壤有机碳含量随土层深度的增加而减少。0—60 cm土层有机碳储量为4.73×104t,天然草地和林地的储量较高,占总储量的80%。不同土地利用方式下,流域内的土壤有机碳含量差异显著,表现为:天然草地>灌木林地>乔木林地>川坝地>梯田>坡耕地>撂荒地>果园。