黄土高原地区林地枯枝落叶层水土保持效应研究进展

枯枝落叶层是林地垂直结构中参与水文循环过程的重要作用层,在涵养水源和保持水土中发挥着重要作用。黄土高原经过20年植被快速恢复,枯落物覆盖使近地表植被特征和生态过程变化明显,这必将影响地表土壤水分入渗、产汇流等水文和土壤侵蚀过程。为全面掌握黄土高原地区林地枯枝落叶层的水土保持效应研究动态,系统回顾了林地枯枝落叶层在凋落动态、蓄积量变化、截留降雨、阻延地表径流、提高土壤抗蚀抗冲能力和增加土壤入渗等方面的研究历史。分析了目前林地枯枝落叶层研究中存在的若干问题,提出未来黄土高原地区应加强野外坡面枯落物原位长期监测和降雨试验研究,开展多地貌、多尺度研究,关注天然林和人工林枯枝落叶层水土保持功能的对比研究,以及水文物理过程模型建立和参数确定,并重视林地枯枝落叶层的保护和监管。     

风沙黄土区排土场不同恢复类型植物群落与土壤种子库特征

风沙黄土区排土场作为一种人造生态系统,自然条件恶劣,土壤贫瘠,植被恢复困难。为了探明有效的人工促进植被恢复措施,采用植被调查与种子库萌发试验相结合的方法,通过研究不同植被类型地上植物群落与土壤种子库特征及二者的关系,探讨了其植被恢复效益及潜力。结果表明:研究区人工植被恢复下地上植物群落中共47种植物,分属16科40属,土壤种子库共14种植物,分属5科13属,其中均以禾本科、菊科、藜科、豆科占主导地位; 灌木植被的地上植被和土壤种子库的物种多样性均表现为最优; 地上植被与土壤种子库密度的变化范围为88.48～495.47株/m²,74.74～1422.91粒/m²,且均在草地类型下最大。土壤种子库和地上植被的相似性普遍较低,相似性系数仅为0.16～0.23。因此,风沙黄土区排土场的植被恢复与重建需要加强保护与管理,可以考虑构建以草灌配置为主的人工植被恢复模式,保障群落的恢复潜力,并提高群落多样性与稳定性,亦可考虑引入外源种子库提升群落恢复的潜力。     

SWAT模型子流域划分引起的土地利用变化对径流和输沙模拟结果的影响

为揭示水文模型计算单元划分引起的土地利用变化对模拟结果的影响,采用SWAT模型,通过设置11种子流域阈值情景(4 000,3 200,2 000,1 500,1 100,800,400,200,100,50,25 hm²),并保持地形和土壤数据不变,定量分析了子流域划分引起的土地利用空间离散化对径流输沙模拟结果的影响。结果表明:(1)随着子流域数量的增加,流域内土地利用中面积最大的林地呈先增加后减少趋势,所有情景下林地面积均高于实际林地面积; 而随着土地利用离散程度的增加耕地面积呈减少趋势,水域、草地和建设用地面积则呈增加趋势并逐渐接近实际面积;(2)土地利用空间离散化导致年均径流量(1.85%)和输沙量(65.84%)减少,且对输沙量影响更显著;(3)土地利用空间离散化造成洪水过程和输沙峰值显著降低,并导致年最大1 d、连续最大5 d和连续最大7 d输沙量显著下降(p<0.01)。综上所述,SWAT模型不同子流域划分显著改变了流域土地利用分布,进而引起径流输沙有关参数变化,最终导致径流和输沙模拟结果的变化。     

汾河流域下游不同土地利用方式下优先流区与基质流区土壤团聚体稳定性分析

优先流是水分和溶质在土壤中非均质性运移的普遍现象,但对其形成的优先流区和基质流区土壤团聚体稳定性的研究还较少。为了阐明土壤团聚体破碎机制的差异,研究以汾河流域下游农田、撂荒地和果园3种土地利用方式为对象,采用野外染色示踪法与Le Bissonnais(LB)法分析了土壤染色区分下优先流区与基质流区土壤团聚体稳定性特征。结果表明:土壤染色率主要分布在0—30 cm土层,在10—30 cm土层果园显著高于撂荒地。LB处理的>0.25 mm团聚体含量和平均重量直径(MWD)在不同土地利用方式下表现为果园>农田>撂荒地,相对消散指数(RSI)和相对机械破碎指数(RMI)则有相反的趋势。优先流区在10—20 cm土层比基质流区具有更强的团聚体稳定性以及抵抗消散作用和机械破坏能力。土壤染色率与快速湿润的MWD呈显著负相关,与RSI呈显著正相关。研究表明果园比农田和撂荒地具有更好的优先流特征和团聚体稳定性,并且优先流区抗团聚破碎能力比基质流区更强,这将有利于维持优先流途径稳定性。     

基于SWAT模型的清水河流域年径流侵蚀功率空间分布

为了从能量学的角度解释流域水力侵蚀的空间分布情况,选取可以更好表示流域下垫面条件、降雨及其产生的径流对水力侵蚀综合作用的径流侵蚀功率,以宁夏回族自治区水土流失严重的清水河流域为研究对象,基于SWAT模型模拟研究了清水河流域年径流侵蚀功率的空间分布特征及其空间尺度效应。结果表明:(1)清水河流域多年平均径流侵蚀功率在流域内呈现“支流大,干流小; 东部大,西部小”的空间分布规律;(2)当子流域出口断面控制面积小于4 000 km²时,子流域多年平均径流侵蚀功率与子流域出口断面集水面积间呈显著的幂函数关系; 当子流域出口断面集水面积大于4 000 km²时,子流域多年平均径流侵蚀功率稳定在1.56×10^-5 m⁴/(s·km²)左右;(3)优先选择处于清水河上中游区域且出口断面集水面积小于84.85 km²的小流域进行生态治理,可取得良好的水土流失治理效果。因此径流侵蚀功率具有一定空间分布规律且与流域集水面积间具有显著相关关系,掌握这一规律和相关关系可为流域生态治理提供理论支持。     

黄土旱塬区麦田休闲期降水与土壤贮水的变化特征

为提高休闲期降水资源利用效率和确保区域粮食安全,利用1981—2020年陇东黄土高原旱作麦田定位土壤水分和气象观测资料,分析了冬小麦田休闲期间降水与土壤水分的变化特征及其影响因素。结果表明:(1)近40年陇东黄土高原休闲期降水以14 mm/10 a的速率增加,降雨总日数和小雨日数呈减少趋势,中雨、大雨日数呈弱增加趋势;(2)近40年休闲期1 m土层平均以9.5 mm/10 d的速率充水,贮水量平均增加97 mm,21世纪以来贮水量增加明显;(3)休闲期降水与1 m土层贮水增量符合二次函数关系,1 m土层开始贮存水分的降水阈值为175 mm,贮水增量与中、大雨总日数相关性最高,前期降水主要以土壤蒸发消耗为主,后期降水则大部贮存于土壤中;(4)休闲期1 m土层平均贮水效率为0.27,贮水效率随着麦收时的土壤墒情增加而线性递减,当麦收时1 m土层贮水量小于田间持水量的45%～48%时,贮水效率较高,1 m土层水分得到充分补充的降水阈值为388 mm。该研究成果揭示了近40年陇东黄土高原休闲期降水和土壤贮水的转化规律,同时为指导区域水资源高效利用提供科学依据。     

基于GIS的宁夏土壤侵蚀敏感性与景观生态风险评价

为了探究宁夏土壤侵蚀的空间差异,识别土壤侵蚀敏感性区域,利用气象、植被、DEM、土壤、土地利用等数据,结合GIS技术和Fragstats 4.2软件,构建土壤侵蚀敏感性和景观生态风险的综合评价模型,对研究区进行了土壤侵蚀和景观的综合生态风险评价与分析。结果表明:(1)在综合风险评价中,宁夏由低到高5个风险等级的面积占比依次为34.97%,33.56%,15.03%,11.57%,4.88%。(2)从县域尺度上看,高风险区集中分布在西吉、彭阳、隆德部分地区; 较高风险区分布在南部山区及盐池最南部; 中等风险区主要分布在海原、同心等地,较低等级以下风险区在各县(区)均有分布。(3)宁夏耕地、草地面积占比最大,共计占比达69.7%,在不同土地利用类型中,各风险等级占比不同。由此可知,宁夏土壤侵蚀敏感性空间分布差异显著,低、较低风险等级区域分布范围广泛。     

砒砂岩区坡面微地貌变化与侵蚀产沙的响应关系

为了定量描述坡面微地貌变化与侵蚀的响应关系,通过三维激光扫描仪,以严重侵蚀的砒砂岩区裸露坡面为研究对象,在自然降雨条件下进行野外原位监测,试验分析了两个雨季13次有效降雨下坡面微地貌与坡面侵蚀的空间变化特征。结果表明:(1)13次降雨中,重度侵蚀3次、中度侵蚀5次、轻度侵蚀3次、微度侵蚀2次,且均与降雨强度密切相关。(2)各地形因子均在R₄降雨时达到变化峰值,且其变化规律因坡位不同而有所差异,其中坡中与坡下变化规律基本一致,而上坡部地形因子波动起伏较为明显。(3)各地形因子间均存在一定的相关性,且坡位不同与产流产沙关系也不尽相同,其中产流量与微坡度相关性显著,随着坡位越靠下相关性越强。产沙量则在坡上及坡中与地表粗糙度表现为极显著相关,在下坡部与地表起伏度呈现出极显著相关。综上,坡面微地貌的变化一定程度上可以反映坡面侵蚀强度。     

陕北黄土高原区生态服务价值对土地利用变化的响应

为了给陕北黄土高原区生态恢复工程的经济效益评估提供科学数据和参考依据,基于遥感图像解译的土地利用变化数据,运用单位面积价值当量法,剖析了区域的生态系统服务价值对土地利用变化的响应。结果表明:(1)1997—2018年,土地利用格局的变化主要表现为农田向林木和草地转化,未利用地向草地、林木和农田转化; 这些转化同时促使研究区生态系统服务价值增加357.56亿元,增幅33.28%,其中榆林市增量最大,铜川市最小; 除食物生产功能价值量有所减少外,其他服务价值均在增加; 调节服务价值增加量最大,文化服务价值增幅最大。(2)研究区32.93%的区域生态服务价值增加,主要集中退耕还林区和防风治沙区; 农田向林木和草地的转化是价值增加的主要驱动力,促使服务价值增加363.64亿元,占总增加量的95.68%; 未利用地的转化是服务价值增加的另一贡献因子,促使价值量增加16.42亿元,占比4.32%。研究区5.92%区域生态服务价值减少,集中在西部风沙区和南部残塬区; 大型集中农场的修建导致林木和草地向农田转换,促使服务价值损失70.17亿元,占总损失量的93.08%。(3)榆林市辖区43.24%的区域生态服务价值在增加,延安市23.37%增加,铜川市仅11.51%。(4)在不同地物类型中,林木的生态服务价值增加最大,草地次之; 农田生态系统服务价值减少最多。以上监测结果说明,研究区生态恢复工程的实施使其土地利用结构发生变化,随之促使生态服务价值显著增加,生态恢复工程取得了一定的经济效益。     

黄土丘陵沟壑区耕地细碎化评价与土地整治工程分区——以吴起县为例

为研究黄土丘陵沟壑区耕地细碎化的特征,提高农业机械化水平,以延安市吴起县为研究区,以行政村为单元,基于ArcGIS与Fragstats软件,运用景观指数、地理探测器等方法评价了吴起县的耕地细碎化程度,分析影响因素,并划分土地整治工程分区。结果表明:(1)吴起县耕地综合细碎化程度总体较高,各程度细碎化的行政村数量排序为中度细碎>重度细碎>轻度破碎。轻度细碎化集中分布于吴起县北部,重度细碎化主要分布在中部、南部、西南部,中部地区的重度细碎化呈现出西北—东南走向的条带状。吴起县耕地细碎化的主要类型为面积细碎化,形状细碎化与分布细碎化程度相对较低。(2)吴起县耕地综合细碎化的主要影响因素为高程、坡度、距河流的距离、距农村居民点的距离,影响力大小排序为距河流的距离>坡度>高程>距农村居民点的距离。坡度、距河流距离分别与距农村道路距离、距农村居民点距离有很强的交互作用。(3)基于耕地细碎化评价与影响因素分析结果,划分土地权属调整区、土地平整工程主导区、农田水利工程主导区、农村道路工程主导区、土地工程综合整治区共5个整治工程分区,为吴起县耕地细碎化整治提供方向性引导。可见,吴起县耕地细碎化水平较高,空间异质性较强,主要受地形、水源、耕作便利性等多因素影响,需要以权属调整、土地整治等手段改善。