1989—2019年库布齐沙漠植被覆盖度的时空变化

[目的]探究库布齐沙漠近1989—2019年植被覆盖度的时空动态变化规律,为库布齐沙漠植被恢复及生态建设提供理论参考和基础数据。[方法]以1989—2019年每5 a为1期(共7期)的Landsat影像为数据源,结合归一化植被指数(NDVI)像元二分法模型,利用ENVI 5.3和ArcGIS 10.2分析库布齐沙漠1989—2019年植被覆盖度(FVC)时空动态变化特征。[结果](1)在时间变化上,近30 a间库布齐沙漠植被覆盖度整体呈增长趋势,平均植被覆盖度由0.104增长到0.243。在空间分布上,库布齐沙漠植被覆盖度呈现由西向东、向北增加的特征。(2)库布齐沙漠植被覆盖在1999—2004年和2009—2014年均呈现退化趋势,平均植被覆盖度分别减少0.053和0.054,退化面积分别为3 870.22和6 093.59 km~2,退化程度均以植被覆盖度减少10%～30%为主。[结论] 1989—2019年库布齐沙漠植被覆盖度总体有所改善,未来该区生态修复重点关注低植被覆盖区域。     

不同植物配置模式对人工边坡减流减沙效益的影响

[目的] 探讨不同植物模式（混草、花草、灌草、乔草）及配置比例对生产建设项目人工边坡水土流失的影响,为人工边坡植被恢复提供参考。[方法] 采用径流小区定位观测法,记录2019年1—12月自然降雨,研究4种植物模式的产流产沙特点,揭示4种植物模式的减流减沙效益。[结果] ①观测期内总降雨量为1 052.73 mm,总降雨历时为845.1 h,7月降雨量最大,2月降雨历时最长,降雨集中在1—7月,以中雨、大雨、暴雨为主。②每场降雨产流差异大,产流月季差异大,集中在2—4月及7月,多发生在中雨、大雨和暴雨情况。③每场降雨及月、季降雨之间产沙差异大,3月产沙最大,产沙集中在2—4月及7月,多发生中雨、大雨和暴雨。④以花草模式为对照,每场降雨条件下灌草模式的减流率最大,乔草模式的减沙率最大,月降雨累计条件下,混草模式减流率最大,乔草模式减沙率最大,不同降雨等级累积和全年累积条件下,乔草模式的减流减沙率最大。[结论] 植被恢复初期,受植被覆盖度差异影响,乔草模式、混草模式的减流减沙率较大,具有较好的固土保持效益。     

红壤侵蚀区不同地层背景马尾松林土壤理化特性及细菌多样性

[目的] 揭示土壤理化特性与细菌丰度之间的内在关系,为红壤侵蚀区马尾松林水土流失分区精准治理提供参考。[方法] 以福建省长汀县红壤侵蚀区马尾松林为研究对象,选择侏罗系中统漳平组中段(J₂Z²)、侏罗系中统漳平组下段(J₂Z¹)、侏罗纪燕山期早期侵入岩(γ₅^{2(3) c})、第四系全新统(Q_h)4种地层背景,分析测定不同地层背景马尾松林土壤理化特性和细菌群落组成及多样性。[结果] 不同地层背景马尾松林土壤理化指标整体表现为：J₂Z¹＞J₂Z²＞Q_h＞γ₅^{2(3) c};土壤养分含量各地层背景各有丰缺,J₂Z¹地层背景土壤有机质含量大于其他地层,Q_h地层背景氮含量大于其他地层,而γ₅^{2(3) c}地层背景磷和钾含量较高;4种地层背景土壤细菌差异操作分类单元(OTU)数目表现为：Q_h＞J₂Z²＞J₂Z¹＞γ₅^{2(3) c},分别占总OTU数目的21.62%,18.29%,16.79%,12.08%;细菌群落多样性表现为：J₂Z²＞Q_h＞γ₅^{2(3) c}＞J₂Z¹;J₂Z¹地层和Q_h地层土壤细菌多样性与土壤含水率和土壤pH值正相关,J₂Z²地层与土壤容重以及全磷含量正相关,γ₅^{2(3) c}地层与土壤钾含量和速效氮含量正相关。[结论] 红壤侵蚀区不同地层背景马尾松林土壤理化特性存在一定差异,在植被恢复过程中应考虑地层背景因素进行分区治理,细菌对不同地层背景土壤性质具有一定指示作用。     

微咸水加肥灌溉下陶瓷灌水器与迷宫流道灌水器的抗堵塞性能

为探求微孔陶瓷灌水器与迷宫流道灌水器在不同水质灌溉条件下抗堵塞性能的差异及堵塞机理,本研究选择了微咸水(A1)、肥水(A2)、微咸水加肥(A3)3种不同水质,分析管间式微孔陶瓷灌水器和6种常用的迷宫流道灌水器在不同水质灌溉条件下的平均相对流量变化规律,并用X射线衍射仪测定堵塞物质组成成分,用场发射扫描电镜观测堵塞物质表面微观形貌及动态生长过程。结果表明：各灌水器的流量随着灌溉运行时间的推移均发生不同程度的下降,其中A1处理下陶瓷灌水器的流量下降最慢,表现出优于迷宫流道灌水器的抗堵塞性能,A2、A3处理下陶瓷灌水器的平均相对流量下降速度先慢后快,试验结束时平均相对流量降幅最大,抗堵塞性能较差;A1处理下堵塞物质的主要成分是CaCO3,A2、A3处理下堵塞物质的主要成分是(NH4)2SO4;A1处理下各灌水器堵塞物表面微观形貌的生长过程为晶体颗粒不断团聚,A2、A3处理下堵塞物的动态生长过程为絮状物不断黏合成板块状或膜状。陶瓷灌水器堵塞发生在内壁上,堵塞物未进入到灌水器内部微孔中,随着堵塞物质增多且变得紧密复杂逐渐覆盖了内壁上的孔隙导致堵塞;迷宫流道灌水器是由于堵塞物质在流道内沉积导致过水断面减小,从而造成堵塞。研究结果可为陶瓷灌水器的应用及改进提供参考。     

2000-2020年玛纳斯河流域的作物种植结构与需水满足度

变化环境条件下干旱绿洲水土资源的高效利用一直广受关注。玛纳斯河流域分布着新疆最大、最典型的绿洲农耕区,其水土资源高效利用无疑应基于对种植结构和需水满足度（供水量/需水量）时空演变规律的了解。基于谷歌地球引擎（Google Earth Engine,GEE）平台并通过区域调查和调研,该研究利用面向对象的随机森林分类,建立流域地物遥感识别模型,分析当地2000-2020年种植结构的变化过程,探讨种植结构变化与膜下滴灌棉花水分供应状况和需水满足度间的关系。结果表明：基于GEE平台,融合简单非迭代聚类图像分割算法和随机森林分类算法可快速、准确识别流域地物,总体精度约90%;近20年,流域种植作物始终以棉花为主,占耕地总面积的80%以上,受益于膜下滴灌技术的节水、抑盐等功效,中、下游盐碱荒地不断被开垦为棉田,致使其面积以每年约101 km2的速度增长,但棉田面积增长与灌溉水资源供给的矛盾日益突出,棉花需水满足度显著下降,尤其是水资源相对匮乏的下游灌区及需水旺盛的夏灌期,2020年流域下游棉花夏灌期需水满足度已降至约46%,种植结构的调整和优化已势在必行。研究可为玛纳斯河流域水资源配置及农业种植结构优化提供科学依据。     

南方丘陵区油茶气孔导度模型修正

为探求南方丘陵地区油茶叶片气孔导度最优响应模型,该研究于2020年和2021年对油茶叶片的气孔导度、净光合速率、CO2浓度等参数进行观测,运用9种不同组合的Jarvis模型以及2种不同CO2浓度（叶片CO2浓度和胞间CO2浓度）计算的Ball-Woodrow-Berry（BWB）模型和Ball-Berry-Leuning（BBL）模型对油茶叶片气孔导度进行模拟,并引入油茶叶片叶气温差、气孔内外CO2浓度差对Jarvis模型和BBL模型进行修正和比较。结果表明：去除土壤水分函数提高了Jarvis模型的模拟效果,说明在南方丘陵区利用Jarvis模型时可以忽略土壤水分这一因子的影响。Jarvis-8模型以及用叶片CO2浓度计算出的BWB和BBL模型对油茶气孔导度模拟效果较好。在三种经典模型中,BBL模型的相关系数最大（R2=0.76）,绝对值平均误差最小（0.015）,说明其对油茶气孔导度模拟的效果较好。在引入两种参数后,叶气温差对Jarvis-8模型和BBL模型的模拟效果有所提高,但不显著;气孔内外CO2浓度差对Jarvis-8模型无明显改变,但显著提高了BBL模型的精度,引入气孔内外CO2浓度差后的BBL-C模型相关系数从BBL模型的0.76提高到了0.95,模型斜率非常接近于1（1.004）,模拟结果贴近于实测的气孔导度值,很好地模拟了2020年（R2=0.92）和2021年（R2=0.95）油茶生长关键期的叶片气孔导度值以及不同场景下的油茶气孔导度日变化值。因此推荐引入气孔内外CO2浓度差的 BBL模型作为南方丘陵区油茶叶片气孔导度响应模型。研究结果可为南方丘陵区油茶气孔导度模型选取提供参考依据。     

干燥致密土壤在沙粒流冲击下的磨蚀规律

在土壤风蚀过程中,跃移颗粒对表土的冲击磨蚀是公认的一种重要起尘机制。磨蚀体现了跃移沙与土壤相互作用,受沙粒跃移运动参数和土壤力学性质共同控制。然而,现有风蚀模型尚未充分考虑土壤力学性质的地位与作用,缺少磨蚀速率计算公式,亟需从固体力学角度探讨土壤磨蚀规律。该研究借鉴岩石磨蚀模型,针对含水率小于1.5%、体密度大于1.60×103 kg/m3的干燥致密土壤,提出了代表单位时间内的碰撞次数、土壤抗压强度和杨氏模量、入射沙粒动能和密度等综合效应的磨蚀变量;通过标准压缩试验测得黏土、砂土、壤土、砂质黏土、壤质黏土共5种人工均质土壤的抗压强度和杨氏模量的范围分别为0.823～4.092 MPa和0.043～0.149 GPa;利用自行设计的冲击磨蚀试验得到了干燥致密土壤在沙漠沙颗粒流冲击作用下的磨蚀规律,即磨蚀速率是磨蚀变量的线性函数,其斜率与截距分别为3.27×104和-0.027 kg/s。研究结果有助于恰当描述风蚀模型中的土壤力学性质、准确计算风蚀速率,进而服务于农田防护和水土保持工程,并为中国西北干旱区天然地貌和人工建筑风蚀现象的研究提供理论依据与数据支撑。     

微生物菌剂对厨余垃圾堆肥温室气体减排的影响

为对厨余垃圾堆肥过程中的温室气体进行减排,在60 L强制通风静态堆肥装置中进行为期35 d的厨余垃圾和园林废弃物的联合好氧堆肥试验。在堆肥原料中分别添加复合微生物菌剂VT1000（VT）、枯草芽孢杆菌（BS）和地衣芽孢杆菌（BL）三种菌剂,并以不加菌剂的堆肥处理（CK）作为对照,监测堆肥过程中的CH4和N2O排放,以研究不同微生物菌剂对于厨余垃圾堆肥温室气体排放的影响。结果表明：微生物菌剂的添加会加快堆体升温和促进腐熟,同时能够实现不同程度的温室气体减排。堆肥过程中N2O的排放量在总温室气体二氧化碳排放当量中占比远高于甲烷,达到总排放当量的76.83%～88.57%,排放高峰期分别出现在堆肥初期和腐熟期。甲烷的排放高峰期出现在堆肥降温期,累计排放量达到温室气体总排放当量的1.65%～2.40%。各处理的总温室气体排放当量分别为95.84 kg·t-1（CK）、52.31 kg·t-1（VT）、42.03 kg·t-1（BS）和62.49 kg·t-1（BL）。与CK处理相比,BS处理的总温室气体的减排效果最好,减排率为56.15%,BL处理的减排率最低,为34.80%,VT处理减排率为45.42%。相较于CH4,菌剂对N2O的减排效果更好,可达35.32%～61.86%。结合堆肥过程的温度及各腐熟度指标,该研究选取的微生物菌剂能够在保证堆肥效率和产品质量的前提下有效减少温室气体排放。     

中国东部平原农村居民点破碎化状况与成因分析

农村居民点破碎化导致中国农村地区公共服务设施与市政基础设施建设缺乏规模效益与服务效率,成为制约中国农村地区社会经济发展的重要因素。该研究采用空间分层取样法在中国东部平原地区选择了240个10 km×10 km的样点,以高分辨率遥感影像为数据基础,通过遥感影像目视解译、景观指数分析、热点分析等多种方法对中国东部平原农村居民点破碎化状况及其影响因素进行了研究,并分析了中国东部平原不同地区适宜的农村居民点数量与服务范围。结果表明：1）中国东部平原农村居民点破碎化程度表现为：长江中下游平原>东北平原>华北平原,破碎化程度最高的区域位于长江中下游平原,破碎化程度最低的区域位于华北平原与东北平原北部。2）气候、人口密度、耕作半径、土地开发时序、土地开发时期交通状况等自然、经济、社会因素在中国东部平原地区农村居民点空间分布格局形成过程中发挥着重要作用。3）中国东部平原地区每100 km2农村居民点数量不宜低于3～4个,每个村庄的服务范围不宜超过33.6～45.8 km2。4）华北平原为中国东部平原中开展农村居民点破碎化治理难度最大的区域,该区域尽量避免以整村迁并的形式开展农村居民点破碎化治理,而应以农户为单位,在农民自愿的基础上开展农村居民点迁并;长江中下游平原地区为中国东部平原农村居民点破碎化治理潜力最大的区域,该区域农村居民点布局优化应与农田布局调整协同推进,并根据不同地区耕作通勤状况合理确定中心村数量与位置,避免因农村居民点布局调整导致农民耕作不便。研究结果可为中国东部平原地区乡村空间重构过程中合理确定农村居民点数量与规模提供研究基础。     

三峡库区典型流域水质时空特征及污染防控策略

为了解三峡库区典型小流域不同土地利用类型下水质的变化特征,于2015-2020年对三峡库区长坪小流域开展水质监测,对不同土地利用类型下水体中的总氮（Total Nitrogen,TN）、硝态氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）、总磷（Total Phosphorus,TP）、可溶态总磷（Dissolved Total Phosphorus,DTP）和颗粒态总磷（Particulate Phosphorus,PP）浓度的时空变化规律进行研究,识别流域内主要氮磷污染源,从而提出针对性的污染防控策略。结果表明：1）不同土地利用类型氮磷输出浓度从大到小依次为村庄、坡耕地、林地和水库,其TN平均浓度分别为8.29、2.88、1.57和1.43 mg/L,TP平均浓度分别为0.25、0.13、0.09和0.07 mg/L。2）不同土地利用类型的水质在汛期和非汛期存在差异,村庄氮磷输出浓度为非汛期高于汛期,坡耕地、林地和水库则表现为汛期高于非汛期。3）内梅罗综合污染指数评价结果表明林地和水库的污染程度均为清洁水平,坡耕地污染程度为轻污染水平,村庄受散养生猪数量的影响,污染程度从污染水平转变为重污染水平。4）长坪小流域TN和TP年输出负荷总量分别为4 278.59和364.93 kg/a。畜禽养殖源是小流域氮磷最主要的污染源,其TN和TP的输出负荷分别占流域总负荷的45.69%和71.77%。坡耕地的TN和TP单位面积污染负荷分别是村庄的7.58%和1.79%,与村庄相比,坡耕地具有显著的低污染特征,因此,以坡耕地消纳村庄污水和畜禽粪便,可促进流域内粪污的就地消纳,达到多源共治的效果。基于小流域不同土地利用类型的水质特征和生态系统服务功能,将流域划分为林草水源涵养区、村庄污染控制区和坡耕地水土保持区,并进行分区协同防控,促进流域农业面源污染系统高效治理。