甘肃白龙江流域生态系统土壤保持功能时空变异及其影响因子

土壤保持是生态系统提供的调节服务之一,在缓解区域侵蚀和维持生态安全等方面发挥着重要作用。基于InVEST模型和地理探测器等方法,开展了甘肃白龙江流域生态系统土壤保持功能时空变异及其影响因子分析。结果表明:(1)2002—2014年流域生态系统土壤保持功能不断增强,但空间格局变化不大;(2)各土地利用类型、海拔、坡度及坡向上土壤保持功能均有所提升,且保土功能增幅表现出随海拔抬升而减小,随坡度递增而增加的趋势;(3)降水量变化是流域土壤保持功能变化的主要因素,其与农作物单产变化、土地利用类型变化分别交互后的因子影响力较大。由于降水具有不可控性,因此,降低人类农业活动干扰,增加植被覆盖有利于甘肃白龙江流域土壤保持功能的提高。研究结果可为西北山地流域土壤保持和生态系统管理提供参考。     

冻融对河北省深州市盐碱地土壤理化性质的影响

随着全球气候变暖,冻融对土壤性质的影响日益受到重视。以河北省深州市盐碱土为研究对象,通过分析土壤含水率、全持水量、容重、饱和导水率、电导率、pH和有机质的变化,探讨冻融对0—20cm深度盐碱地土壤理化性质的影响。结果表明:0—20cm土层深度,冻融增加土壤的含水率,而对全持水量的影响较小;0—10cm土层深度,冻融增加了土壤容重与pH,降低了土壤的电导率和渗透性,该层土壤水盐运移呈特殊规律,土壤含水率与电导率呈相反变化趋势;对于10—20cm土层深度,冻融增加了土壤的渗透性和有机质的含量。在相关性分析中,0—20cm土层深度土壤容重与全持水量呈极显著负相关(P0.01),与含水率呈显著负相关(P0.05),其有机质含量和导水率与其他性质无显著相关;0—10cm土层深度土壤pH与容重和含水率呈极显著相关,与全持水量呈显著相关;10—20cm土层深度土壤电导率与容重呈显著负相关,与全持水量呈显著正相关。研究结果为冻融对盐碱土影响的研究及盐碱土的改良提供科学依据。     

黄土高原不同退耕还林植被土壤干燥化效应

土壤水分是黄土高原植被恢复的主要限制因子,退耕还林工程在恢复生态环境的同时也造成了区域土壤含水量下降和土壤干燥程度的加剧,土壤干燥化正日益威胁到土壤水资源的持续利用和人工植被建设的成效。选取黄土高原退耕还林试点县吴起境内刺槐、杏树、柠条和沙棘4种分布广泛的退耕植被类型,对照撂荒草地,分析了不同林龄和不同植被类型样地0—500cm的土壤水分特征和土壤干燥化效应,并根据作物耗水量估算土壤干层水分的恢复时间。结果表明:不同退耕还林植被类型样地土壤含水量由表层向深层呈降低趋势,随林龄增加,各植被类型样地土壤含水量、有效储水量逐渐减少。刺槐林土壤含水量较同龄沙棘和柠条林低,而杏树林则较同龄柠条林高。各植被类型样地土壤剖面均不含渗透重力水与极易效水层,随林龄增加,土壤相对湿度及易效水土层厚度占比逐渐减少,中效水、难效—无效水土层厚度逐渐增加。随林龄和土层深度的增加,各植被类型样地土壤干燥化强度、土壤干层厚度逐渐增加,土壤湿度恢复到土壤稳定湿度所需要的时间及难度呈上升趋势。     

甘肃省人工云杉林二元立木材积方程的编制研究

以甘肃省人工云杉林为研究对象,基于收集的680株代表性样木材料,对该区人工云杉林二元材积表的编制进行了研究。结果表明:采用的12种材积备选模型均能较好的拟合材积与胸径、树高的相关关系;通过模型选优,最终确定出11号、12号模型作为甘肃省人工云杉林的二元材积方程式;经适用性检验,林木实际材积与理论材积无显著性差异,材积方程适用于研究区林业生产精度要求,可以为该区人工云杉林林业调查、蓄积估算及科学经营管理提供科学依据。     

定西于家山黄土洞穴的分布特征与侵蚀临界研究

黄土洞穴与滑坡、沟蚀等侵蚀过程联系紧密并加剧了黄土高原的水土流失程度,但目前黄土洞穴发育的分布特征与侵蚀临界暂未明晰。利用无人机获得了研究区高分辨率影像与数字表面模型,基于影像标识了黄土洞穴并统计了其土地利用类型与洞穴直径,利用标识点在数字表面模型上提取了黄土洞穴的坡度、坡向、曲率和汇水面积等地形数据并分析了黄土洞穴的分布特征。结果表明,黄土洞穴直径大多4 m。黄土洞穴在耕地上发育较少,多发育于牧草地区域流水汇聚的凹形坡,且在阴坡更为发育。同时,黄土洞穴坡度正切值范围集中于0.4～1.0,汇水面积一般不超过3 000 m~2。依托统计的坡度正切值与汇水面积数据绘制了黄土洞穴的侵蚀临界图并对比了黄土洞穴与浅沟、切沟的侵蚀临界。黄土洞穴的侵蚀临界边界分别为SA~(0.150)=0.368与SA~(0.135)=7.580,分布较广且覆盖了浅沟与切沟的侵蚀临界。浅沟、切沟的演化与黄土洞穴的发育有关,黄土洞穴通过连通与坍塌促进了浅沟、切沟的发育、转换与扩展,并因此加剧了黄土高原的水土流失。研究量化了黄土洞穴发育的分布特征,建立了黄土洞穴与浅沟、切沟的联系并深化了对黄土洞穴侵蚀过程的认识。     

1969-2018年黄河实测径流与天然径流的变化

[目的] 分析黄河实测径流与天然径流的变化规律，为探究人类活动对径流的影响提供依据。[方法] 基于1969—2018年黄河干流8个水文站的天然径流和实测径流数据，使用Mann-Kendall趋势检验与突变检验法，对比分析近50 a黄河干流实测径流和天然径流的变化规律。并结合近15 a各分区耗水数据探讨人类活动对于径流的影响。[结果] ①1969—2018年黄河上中下游实测径流整体呈降低趋势，兰州、花园口、利津3个代表站多年平均降低速率分别为5.10×10⁷，3.55×10⁸，4.13×10⁸ m³/a。②近50 a天然径流和实测径流趋势突变主要集中在1986和1990两个年份，结合前人研究和重要水事分析，1986年突变可能与1984年以来一系列水土保持措施实施以及1986年龙羊峡水库修建有关；而造成1990年径流突变的原因可能是80—90年代黄河流域用水量激增和流域下垫面改变。③天然径流与实测径流的差值从上游至下游水文站断面逐渐增大，这主要与近15 a平均耗水量也沿程增大相一致；另外多年平均实测径流在利津站仅占天然径流的42%。耗水量最大的两个分区为花园口以下和兰州—头道拐段，分别达到了1.06×10¹⁰和1.04×10¹⁰ m³。[结论] 人类活动中的各项耗水（尤其是农田灌溉）是造成兰州站以下地区天然径流与实测径流差值大的主要原因，因此，应进一步推进黄河流域节水农业的发展，合理分配各项耗水量。     

玉米茎秆汁液对黄土坡面产沙速率的影响及原因分析

利用人工模拟降雨试验研究了玉米茎秆汁液对黄土坡面产沙速率的影响及其原因。试验设计了4种不同的土样处理方式(control、添加25%浓度的汁液、添加50%浓度的汁液、添加25%浓度汁液经过一个冬季的冻融降解)在4种不同雨强(25,50,75,100mm/h)下对产沙速率的影响,分析了4种不同处理后土样的土壤团聚体、有机质跟产沙速率的关系。结果表明:(1)添加玉米茎秆汁液对产沙速率是有明显的抑制作用的,玉米茎秆汁液通过增加土壤中0.25mm的团聚体和有机质实现减沙作用的。(2)4种处理后的土样中5 mm的土壤团聚体和有机质是显著线性相关的,通过了0.01的显著性水平。在各种试验雨强(25,50,75,100mm/h)下的产沙速率与0.25mm的土壤团聚体、有机质都具有显著线性负相关关系,通过了0.01的显著性检验。     

近54 a中国西北地区气温和降水的时空变化特征

利用中国西北地区1961—2014年191个台站的逐月气温和降水资料,通过线性倾向估计、滑动平均、累积距平、IDW(反距离空间插值)等方法,研究了西北地区气温和降水的时空变化特征。结果表明:近54 a西北地区平均气温呈波动上升趋势,其中冬季的增温速率最大,极端最高、最低气温均呈上升趋势。降水量也呈上升趋势,尤其是近几年上升速度较快。降水主要集中在夏季,进入21世纪后冬季降水增加。多年平均气温较高区域集中在南疆地区、祁连山东南部,其中升温较明显区域集中在准噶尔盆地和天山地区西南部分地区。降水量表现出东多西少的特征,降水量较多区域集中在祁连山东南部,降水量较少区域集中在南疆地区,其中降水增加较明显区域集中在北疆地区、塔里木盆地的西部地区。从西北地区近54 a气温和降水的时空变化可以看出,西北地区有向暖湿转变的趋势。     

基于生命周期评价的相同食物当量玉米与紫花苜蓿生产环境影响比较研究

为了探讨种植业结构调整对于我国环境的影响,本研究运用生命周期评价方法,计算了甘肃省民勤县农户水平2014与2015年从农资生产到农户入仓范围生产1kg玉米籽粒及1kg紫花苜蓿鲜草的环境影响,并使用基于蛋白质和热量的计量单位——食物当量(FEU),比较分析了1个FEU玉米籽粒和紫花苜蓿生产的全生命周期环境影响差异。结果表明,生产1kg玉米籽粒和1kg紫花苜蓿鲜草全生命周期的一次性能源消耗(PED)分别为9.35和1.22 MJ,水资源消耗(WU)分别为889.33和144.37kg,矿物和化石资源消耗(DAR)分别为0.13和0.02kg antimony-eq,气候变化潜值(GWP)分别为1.21和0.10kg CO_2-eq,可吸入无机物(RI)分别为4.23×10~(-3)和1.88×10~(-4) kg PM2.5-eq,光化学臭氧合成(POFP)分别为2.41×10~(-3)和1.71×10~(-4) kg NMVOC-eq,环境酸化潜值(AP)分别为8.55×10~(-3)和8.03×10~(-4) kg SO_2-eq,淡水富营养化(FEP)分别为1.20和0.09kg P-eq,生态毒性(ecotoxicity)分别为1.26×10~(-2)和1.49×10~(-3) CTU。1个FEU紫花苜蓿生产的PED、WU、DAR、GWP、RI、POFP、AP、FEP和ecotoxicity则分别为玉米籽粒的20.50%、25.43%、21.08%、12.99%、6.98%、11.15%、14.76%、12.31%和18.58%。因而考虑到苜蓿的食物-经济比较优势,目前应给予其不少于粮食作物的种植补贴。并且如果将我国的部分玉米种植改为苜蓿种植,则是最便捷、经济的既能满足我国食物结构需求,又能减少农业生产的资源消耗与环境污染的措施。本研究同时也为在我国深入开展粮改饲提供了一定的立论基础。     

基于高光谱数据的高寒草地土壤有机碳预测模型研究

土壤退化是草地退化的更深层次指示,运用遥感手段大面积测定土壤有机碳进而评估草地土壤状况有助于对草地退化状态的正确认识。以甘南州高寒草地土壤为研究对象,使用ASD地物光谱仪,在室内条件下对土壤样品进行可见光/近红外光谱测量,分析8种光谱变换形式与土壤有机碳含量的相关性并选取特征波段,利用3种多元回归方法(逐步多元线性回归、主成分回归、偏最小二乘回归),通过验证样本的决定系数(R_v~2)、均方根误差(RMSE)和剩余估计偏差(RPD)来评价模型,进而确定高寒草地土壤有机碳的最佳估测模型。结果表明,微分变换方法可以显著提高光谱特征与土壤有机碳含量的相关性,在所有变换形式中以光谱反射率的一阶微分与土壤有机碳含量相关性最好,最大相关系数绝对值为0.865;基于光谱反射率一阶微分变换形式的3种多元回归方法对土壤有机碳均有极好的预测能力,表明对于土壤有机碳的稳定监测来说光谱反射率的一阶微分是非常有效的变换形式;综合考虑基于所有光谱变换形式的3种多元回归方法的预测结果,偏最小二乘回归法具有高的R_v~2和RPD,同时具有低的RMSE值,是研究区土壤有机碳估测的最优回归方法;基于光谱反射率对数的一阶微分变换形式所建立的偏最小二乘回归模型具有相对较高的预测集决定系数(R_v~2=0.878)、最大剩余估计偏差(RPD=2.946)和最小均方根误差(RMSE=7.520),因此该模型为甘南高寒草地土壤有机碳的最优估测模型,最优模型的RPD大于2.5说明该模型有足够的稳定性可以应用于其他地区土壤有机碳的估测。