秸秆和地膜覆盖对黄土高原旱作小麦田土壤团聚体氮组分的影响

利用田间定位试验研究旱作农田不同覆盖措施对土壤团聚体氮组分的影响。基于黄土高原8年冬小麦覆盖定位试验,试验设置生育期秸秆覆盖(SM)、生育期地膜覆盖(PM)和无覆盖对照(CK)3个处理。采用干筛法测定团聚体分布特征及不同粒径团聚体中全氮(STN)、微生物量氮(MBN)和潜在可矿化氮(PNM)含量。结果表明:(1)与CK处理相比,2种覆盖处理均未在各粒径团聚体全氮含量有显著变化,但SM处理相较于PM处理提高了0—10 cm土层的1.00～0.25 mm粒径团聚体STN含量(12.88%,P0.05)。(2)与CK处理相比,SM处理在0—10 cm土层中2.00,2.00～1.00,0.25 mm粒径团聚体MBN含量分别提高18.67%,24.05%,20.08%(P0.05),且各粒径团聚体PNM含量分别提高35.13%,30.03%,42.88%(P0.05);SM处理在10—20 cm土层中2.00 mm粒径团聚体MBN含量提高23.02%(P0.05),分别提高2.00,2.00～1.00,0.25 mm粒径团聚体PNM含量28.59%,31.31%,32.48%(P0.05)。(3)PM处理较CK处理提高0—10 cm土层中0.25 mm粒径团聚体PNM含量(32.34%,P0.05)。(4)微团聚体(0.25 mm)氮组分含量均高于大团聚(0.25 mm)氮组分含量,但大团聚体氮组分贡献率为81.88%～87.66%。可见,SM处理可提高土壤表层大团聚体氮组分的贡献率,使更多的氮素储存在大团聚体中,而PM处理对团聚体氮素贡献率的影响作用较小。总体而言,与CK和PM处理相比,SM处理可提高总土壤氮组分含量,提高微团聚体和大团聚体氮组分含量,使更多的氮储存在大团聚体中,促进土壤氮素周转。     

陕西省生态系统水源涵养功能评估分析

以陕西省为研究对象,基于水量平衡法并结合GIS空间分析与线性回归法,对2000—2014年区域生态系统水源涵养功能动态变化进行科学评估和重要性评价,并以此为方向探讨区域生态红线规划。结果表明:(1)陕西省水源涵养能力南北高,中间低,空间差异显著,单元水源涵养量为0～800.90 mm;近15年水源涵养功能增加区域面积占研究区总面积的86.71%,总水源涵养量呈"整体上升,局部下降"特征。(2)气候要素与水源涵养量相关性较强,植被类型也影响着水源涵养的空间特性。植被类型中,森林是生态系统水源涵养的主体,其中,水源涵养能力为:常绿阔叶林常绿针叶林落叶阔叶林落叶针叶林。(3)研究区内水源涵养量200 mm的区域占总面积的65.12%,整体水源涵养生态价值不高;综合划定水源涵养生态保护红线面积约77 593.31 km~2,占总面积的37.70%,主要分布在秦岭中西部高山区、汉水谷地以南以及延河流域以北,生态系统类型以林地为主。     

基于稳定同位素和贝叶斯模型的引黄灌区地下水硝酸盐污染源解析

地下水硝酸盐（NO₃^-）污染已经成为全球严重的水环境问题之一,由于饮用水中高含量NO₃^-会转化成亚硝酸盐而增加各种疾病和癌症风险,其来源的确定对于NO₃^-污染的预防和控制非常重要。本文以黄河下游第二大灌区——潘庄灌区为例,首次采用NO₃^-的氮氧稳定同位素结合贝叶斯模型追溯地下水NO₃^-的来源并量化各种来源的贡献比例。结果表明,地下水NO₃^-含量分布在0.1~197.0 mg·L^-1,平均值为34.2 mg·L^-1。与《生活饮用水卫生标准》中规定的地下水NO₃^-最大含量[20 mg（N）·L^-1,相当于NO₃^-含量90 mg·L^-1]相比,有10%的样品NO₃^-含量超标。井深<30 m、30~60 m和>60 m的地下水NO₃^-平均含量分别为25.9 mg·L^-1、39.7 mg·L^-1和20.1 mg·L^-1。空间上,宁津县、武城县、平原县和禹城市有大片区域地下水NO₃^-含量较高。地下水NO₃^-的δ¹⁵N组成范围为0.72‰~23.93‰,平均值为11.62‰;δ¹⁸O组成范围为0.49‰~22.50‰,平均值为8.46‰。同位素结果表明粪便和污水、农业化肥是地下水中NO₃^-的主要污染来源。这反映了人类活动是引起地下水NO₃^-污染的主要原因。贝叶斯模型结果显示,粪便和污水对潘庄灌区地下水中NO₃^-平均贡献率高达56.2%,化肥的平均贡献率为19.3%,大气降水和土壤的平均贡献率分别为6.2%和12.3%。由于污水、粪便和化肥是地下水中NO₃^-的主要来源,为保护和改善研究区地下水水质,建议加强污水管道建设,强化畜禽粪便的管理以及提高化肥利用效率。     

基于随机森林的农耕区土壤有机质空间分布预测

以陕西省周至县农耕区为研究区,采集192个土壤样品,通过随机森林模型(random forest, RF)对土壤有机质含量进行回归预测,通过29个(15%)独立验证点对预测结果进行精度验证,并与普通克里格(ordinary kriging,OK)和协同克里格(cokriging,COK)插值结果进行对比分析。结果表明,研究区土壤有机质含量在训练集和验证集中均属于中等变异性,含量处于中等偏低水平,大致表现为中、南部黑河东岸土壤有机质含量相对较高,东北部渭河沿岸含量较低。对变量重要性进行排序,影响研究区土壤有机质的主要因素为数字高程(DEM)和降水量。与OK、COK相比, RF对土壤有机质的预测值和实测值的相关系数(0.782)更高,而平均绝对误差(0.618 g·kg^-1)和均方根误差(2.062 g·kg^-1)更低,说明RF能够更精确地反映局部土壤有机质含量的空间变化信息。     

绿肥填闲种植对旱作冬小麦农田耕层土壤物理性质的影响

[目的]探讨绿肥填闲种植对旱作冬小麦农田耕层土壤物理性质的影响,为其在黄土高原旱作农业区的推广提供科学依据。[方法]基于4 a田间定位试验,研究了夏闲期种植长武怀豆、苏丹草、怀豆/苏丹草混播以及裸地休闲(CK)对旱作冬小麦收获期农田耕层(0—20 cm)土壤容重、孔隙度、持水量和团聚体的影响。[结果]在0—10 cm土层,与CK相比,苏丹草和混播处理显著降低了土壤容重,怀豆,苏丹草和混播处理显著提高了土壤毛管孔隙度、总孔隙度、饱和持水量、毛管持水量、大团聚体(>5 mm)所占比例和团聚体平均重量直径(MWD);在10—20 cm土层,苏丹草处理大团聚体所占比例和MWD均显著高于CK。土壤容重与土壤有机碳含量呈显著负相关,毛管孔隙度和团聚体平均重量与绿肥生物量呈显著正相关,而土壤总孔隙度、饱和持水量和毛管持水量与绿肥生物量和土壤有机碳均呈显著正相关。[结论]在黄土高原地区,夏闲期单播种植长武怀豆、苏丹草及混播均能显著改善耕层土壤物理性质,综合来看,苏丹草单播的效果优于长武怀豆单播和二者混播。     

Potential responses of vegetation to atmospheric aerosols in arid and semi-arid regions of Asia

Changes in atmospheric aerosols have profound effects on ecosystem productivity, vegetation growth and activity by directly and indirectly influencing climate and environment conditions. However, few studies have focused on the effects of atmospheric aerosols on vegetation growth and activity in the vulnerable arid and semi-arid regions, which are also the source areas of aerosols. Using the datasets of aerosol optical depth(AOD), normalized difference vegetation index(NDVI) and multiple climatic variables including photosynthetically active radiation(PAR), surface solar radiation(SSR), surface air temperature(TEM) and total precipitation(PRE), we analyzed the potential responses of vegetation activity to atmospheric aerosols and their associated climatic factors in arid and semi-arid regions of Asia from 2005 to 2015. Our results suggested that areas with decreasing growing-season NDVI were mainly observed in regions with relatively sparse vegetation coverage, while AOD tended to increase as NDVI decreased in these regions. Upon further analysis, we found that aerosols might exert a negative influence on vegetation activity by reducing SSR, PAR and TEM, as well as suppressing PRE in most arid and semi-arid regions of Asia. Moreover, the responses of atmospheric aerosols on vegetation activity varied among different growing stages. At the early growing stage, higher concentration of aerosol was accompanied with suppressed vegetation growth by enhancing cooling effects and reducing SSR and PAR. At the middle growing stage, aerosols tended to alter microphysical properties of clouds with suppressed PRE, thereby restricting vegetation growth. At the late growing stage, aerosols exerted significantly positive influences on vegetation activity by increasing SSR, PAR and TEM in regions with high anthropogenic aerosols. Overall, at different growing stages, aerosols could influence vegetation activity by changing different climatic factors including SSR, PAR, TEM and PRE in arid and semi-arid regions of Asia. This study not only clarifies the impacts of aerosols on vegetation activity in source areas, but also explains the roles of aerosols in climate.     

黄河中游中等流域切沟空间分异规律研究

水土流失综合治理是黄河中游地区在高质量发展中面临的重要挑战,其中切沟侵蚀是产沙量最大的土壤侵蚀类型之一,严重破坏耕地土壤肥力,对农业生产危害极大。本研究针对黄土高原中等流域切沟空间分布问题,以陕北岔巴沟流域为例,基于2020年高分辨率无人机影像,选取32个小流域,结合野外实测,对切沟空间分布规律进行研究。结果表明：岔巴沟流域中游切沟最多,切沟长度密度主要集中在7~11 km·km²,切沟长度主要在50 m以内,切沟面积主要在500 m²以内;古代沟谷长度密度与切沟长度密度无显著相关性;切沟密度与坡面坡度、流域坡度、流域坡长等呈显著正相关,与正负地形面积比和流域海拔呈显著负相关,切沟在阴坡的分布密度略大于阳坡。研究结果可明确黄土高原中等流域尺度切沟形态特征及其分布规律,为切沟侵蚀治理及耕地保护提供理论依据。     

嘉陵江上游径流变化及其影响因素归因分析

近年来,受气候变化与人类活动的双重影响,许多国内外河流的河川径流都受到强烈影响。以嘉陵江上游西汉水的礼县水文站控制流域为研究区,在对1960—2016年研究区年径流量进行突变点分析和趋势分析的基础上,使用8种基于Budyko假设的气候弹性系数法的水量平衡方程式进行流域径流变化归因分析。结果表明：(1)研究区潜在蒸散发呈显著增加趋势(p<0.01),径流量呈显著减小趋势(p<0.01),降水量呈不显著减少趋势(p>0.1),径流量的突变点发生在1994年,并以此为界,把研究时段划分为基准期和变化期;(2)8种基于Budyko假设的方法得出的气候变化对于径流减少的贡献率为40%～50%,人类活动贡献率为50%～60%,占主导作用。在气候变化中,8种方法得出的流域降水的敏感性系数为2～3,流域蒸散发的敏感性系数为-1～-3;(3)人类活动对于径流减少的主要作用形式是通过改变下垫面来表现的。由于植被保护措施实施,1990—2010年研究区域的林地面积增加68.42 km²,在所有土地类型中变化最大,表明人类活动对于下垫面的影响显著。     

土地利用和农业管理对丹江流域非点源氮污染的影响

为研究土地利用和农业管理对流域非点源氮污染的影响,选择南水北调中线的重要水源地丹江流域作为研究区,应用SWAT模型模拟了流域地表水硝酸盐氮和氨氮负荷,揭示了土地利用变化和不同施肥灌溉措施对氮污染负荷的贡献。结果表明:(1)流域内全年氮污染分布不均,硝酸盐氮和氨氮污染较为严重的时段集中在每年7—9月,输出量分别为734.32,735.36 t,占全年硝酸盐氮和氨氮输出量的50%以上;(2)硝酸盐氮和氨氮的输出量具有较大的空间差异,自上游至下游逐渐加重,污染较为严重的子流域主要集中在丹凤县和商南县;(3)通过设置情景模拟,当坡度大于15°和25°的耕地退耕还林时,流域硝酸盐氮负荷分别减少59.83%和45.89%,氨氮负荷分别减少48.91%和35.78%。当流域内施肥量和灌溉量分别降低20%时,流域硝酸盐氮负荷分别减少3.63%和13.26%,氨氮负荷分别减少0.12%和15.65%;(4)耕地是流域氮污染的主要来源,降低流域施肥灌溉量和陡坡地退耕还林是控制流域非点源氮污染的关键。     

陕西省景观生态脆弱性时空演变及其影响因素

以陕西省为研究区,基于景观格局和景观功能2个方面构建景观生态脆弱性模型,分析省域及内部自然单元分区2个层面景观生态脆弱性时空演变,并运用地理探测器方法探究景观生态脆弱性多尺度驱动机制。结果表明:①2000-2015年陕西省景观格局脆弱性指数分别是0.477 3和0.409 7,降低了6.76%,在空间上高值区分布于北部及中部,低值区分布于中部两侧;景观功能脆弱性指数分别是0.492 6和0.417 4,降低了7.52%,高值区集中于北部和中部,低值区呈零星分布的空间布局。②研究期间陕西省景观生态脆弱性指数分别为0.427 5和0.369 7,减少了5.78%,呈现出南北方向高低交错的空间布局,且内部分区之间有明显分区过渡表现。其中,黄土高原区脆弱性降低8.55%;关中盆地区脆弱性降低3.81%;秦巴山地区脆弱性降低1.20%。③全省及内部分区生态脆弱性的影响因素因地理尺度的差异而不同,自然环境因素对脆弱性变化起重要作用,而社会经济因素呈不断增强态势。本文提出的景观生态脆弱性评价方法可为生态脆弱性评估提供方法参考。