黄土高塬沟壑区综合治理试验示范成果评述与高质量发展研究展望——以陕西省长武县王东沟小流域30 a多治理实践为例

[目的]研究黄土高塬沟壑区典型小流域综合治理的成效以及生态文明建设时期面临的问题,旨在为该区域高质量发展提供理论支持和实践经验。[方法]以陕西省长武县王东沟小流域综合治理试验示范研究实践为例,基于1986年以来的监测和研究资料,总结分析了该流域30 a多来不同时段在生态环境、土地生产力和农民经济收入等方面的变化。[结果]王东沟小流域综合治理过程存在明显的阶段性。①综合治理阶段(1986—1995)。以提高土地生产力为突破口,重点提高粮食产量和人均经济收入。同时从塬面到沟道综合整治水土流失,合理开发利用土地。②生态保护阶段(1996—2005)。更新与升级粮果管理措施,保护和改善生态环境,进一步稳定和提高了土地生产力。③高质量发展试验示范研究阶段(2006—2019)。以王东沟小流域为试点,从发展绿色高效技术的角度进行研究和示范,探索适合小流域内涵式高质量绿色发展的技术体系,为黄土高塬沟壑区的高质量发展奠定基础。[结论]为实现黄土高塬沟壑区的高质量发展,必须在生态文明理念指引下,重点研究流域生态管理和技术创新体制和机制建设,在总体控制水土流失基础上,保障人居环境的生态性,社会经济系统发展的可持续性以及流域生态系统结构和功能的和谐与完整性。     

覆盖作物翻压对华北平原春玉米产量和土壤养分的影响

冬季覆盖作物-春玉米种植模式是减缓华北平原冬小麦减少导致的耕地裸露及其环境影响的新型农业生产方式,但其翻压后对华北平原下一季春玉米生长季作物产量和土壤养分及微生物学性质的影响研究鲜见。本研究以华北平原冬闲田-玉米(WFM)为对照,设置毛叶苕子-玉米(VrM)、二月兰-玉米(OvM)以及冬油菜-玉米(BcM)3个覆盖作物处理,通过盆栽试验研究了冬季种植覆盖作物翻压对玉米生长季土壤理化性质、微生物量和玉米生长特性的影响。结果表明:(1)翻压覆盖作物显著提高了玉米产量以及作物养分吸收量。与WFM处理相比,OvM处理秸秆产量和籽粒产量提高幅度最大,分别为33.3%和35.5%(P0.05);BcM处理地上部氮、磷、钾和地下部磷素吸收量显著提高(P0.05),分别为30.7%、74.7%、57.6%和171.4%。(2)翻压覆盖作物能显著提高0～10和10～20 cm土层有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮和全钾含量(P0.05)。此外,翻压覆盖作物能显著降低玉米幼苗期土壤NH_4~+-N和NO_3~--N含量(P0.05),范围为0.50～3.52和21.40～33.13mg·kg~(-1)。(3)在玉米的不同生育期,覆盖作物翻压处理的SMBC、SMBN和SMBP均显著高于冬闲处理(P0.05)。综合翻压覆盖作物对华北平原玉米产量及土壤理化性质和微生物量含量的影响,华北平原冬油菜-玉米和二月兰-玉米轮作模式效果较好。     

绿洲灌区玉米产量及水分利用对绿肥还田方式的响应

针对绿洲灌区小麦-玉米长期连作,麦后休闲期长、光热水资源利用效率不高等问题,研究麦后复种绿肥对轮作玉米产量及水分利用效率的影响有重要意义。在石羊河流域,于2017—2019年度通过田间试验研究了麦后复种绿肥的不同还田利用方式(全量翻压、地表覆盖免耕、地上部收获后根茬翻压、地上部收获后免耕和不复种绿肥传统翻耕对照)对后茬玉米产量形成和水分利用特征的影响。两年试验结果表明,绿肥地表覆盖免耕和全量翻压处理玉米籽粒产量平均达14 274.9kg·hm~(-2)和14 687.5kg·hm~(-2),较不复种绿肥翻耕处理(对照)显著提高18.2%和20.4%(P0.05)。绿肥地表覆盖免耕条件下,玉米穗数、穗粒数、百粒重分别较不复种绿肥翻耕处理(对照)平均高5.4%、9.6%、20.8%(P0.05),且较根茬还田处理(翻压、免耕)增幅显著。与此同时,绿肥地表覆盖免耕和全量翻压显著增加玉米叶面积指数、干物质累积量和平均净同化率。绿肥地表覆盖免耕处理水分利用效率平均达24.4kg·hm~(-2)·mm~(-1),较不复种绿肥翻耕处理(对照)显著提高29.9%(P0.05),该处理较不复种绿肥翻耕处理(对照)显著提高玉米播前土壤贮水量26.9%(P0.05),平均达280.7mm,且该条件下玉米全生育期耗水量显著低于其他绿肥还田处理。绿肥根茬还田处理(翻压、免耕)下,玉米平均水分利用效率分别较不复种绿肥翻耕处理显著高16.7%、16.0%(P0.05)。因此,在干旱绿洲灌区,麦后复种绿肥地表覆盖免耕获得玉米高产的同时,实现了水资源的高效利用。     

生长后期干旱复水对饲草大麦产量、品质及叶绿素含量的影响

为研究水分胁迫对饲草大麦生长、产量、籽粒关键品质和相关生理指标的影响,于2017～2018年采用盆栽称重控水法对甘饲麦1号进行以干旱胁迫持续时间(T)为主因素(10、20、30 d)和旱后复水量为副因素(W1、W2和W3)的裂区试验,测定其株高、穗长、生育期、单株产量及构成因子、关键品质指标以及叶绿素含量的变化。结果显示:干旱胁迫时间显著影响了各项测定指标,各项测定指标均表现出随着干旱胁迫时间的延长其显著降低,指标测定值均表现出T1T2T3。较T1,T2和T3处理的株高显著降低了10.87和16.26 cm,生育期显著提前了5.12和14.00 d;穗粒数、千粒重和单株产量分别显著降低了37.77%和67.06%、15.68%和30.62%、28.72%和69.09%;籽粒蛋白质含量显著提高了4.33%和10.16%,籽粒淀粉含量显著降低了5.65%和22.78%,籽粒饱满度显著降低了12.83%和18.95%。在同一胁迫期内,除了籽粒蛋白质含量以外,其余各项测定指标值均随着复水量的减少而不同程度的降低,指标测定值均表现为W1W2W3,且在T2和T3胁迫期下较对照W1,W3降低尤为明显。通过测定饲草大麦叶片叶绿素含量发现:在T1和T2持续胁迫时间下,复水后W1和W2处理存在显著的补偿效应,而W3以及T3持续胁迫时间的所有复水处理均未产生显著的补偿效应。说明甘饲麦1号干旱复水补偿效应的利用应注意干旱胁迫持续时间不超过20 d(土壤最大持水量的60%～65%),旱后复水量不低于田间土壤最大持水量的55%～60%为宜。     

Microbial remediation of a pentachloronitrobenzene-contaminated soil under Panax notoginseng: A field experiment

Pentachloronitrobenzene (PCNB) is an organochlorine fungicide that is mainly used in the prevention and control of diseases in crop seedlings. Microbial removal is used as a promising method for in-situ removal of many organic pesticides and pesticide residues. A short-term field experiment (1 year) was conducted to explore the potential role of a PCNB-degrading bacterial isolate, Cupriavidus sp. YNS-85, in the remediation of a PCNB-contaminated soil on which Panax notoginseng was grown. The following three treatments were used:i) control soil amended with wheat bran but without YNS-85, ii) soil with 0.15 kg m^-2 of solid bacterial inoculum (A), and iii) soil with 0.30 kg m^-2 of solid bacterial inoculum (B). The removal of soil PCNB during the microbial remediation was monitored using gas chromatography. Soil catalase and fluorescein diacetate (FDA) esterase activities were determined using spectrophotometry. In addition, cultivable bacteria, fungi, and actinomycetes were counted by plating serial dilutions, and the microbial biodiversity of the soil was analyzed using BIOLOG. After 1 year of in-situ remediation, the soil PCNB concentrations decreased significantly by 50.3% and 74.2% in treatments A and B, respectively, when compared with the uninoculated control. The soil catalase activity decreased in the presence of the bacterial isolate, the FDA esterase activity decreased in treatment A, but increased in treatment B. No significant changes in plant biomass, diversity of the soil microbial community, or physicochemical properties of the soil were observed between the control and inoculated groups (P<0.05). The results indicate that Cupriavidus sp. YNS-85 is a potential candidate for the remediation of PCNB-contaminated soils under P. notoginseng.     

贵州省黎平县地表覆被变化引起的生态系统碳储量变化

[目的]对贵州省黎平县地表覆被变化引起的生态系统碳储量变化进行评估,为区域碳源和碳汇管理及"大生态"发展目标提供科学依据。[方法]基于黎平县2005,2010和2015年3期土地利用数据,结合CA-Markov模型和InVEST模型碳储量模块,在对土地利用变化趋势进行分析的基础上定量评估了研究区2005—2025年生态系统固碳能力。[结果]①2005—2015年,黎平县耕地、林地、未利用地呈减少趋势,草地、建设用地、水域呈增加趋势。②2015—2025年土地利用整体变化趋势与2005—2015年一致但幅度增大。耕地由2005—2015年的降幅2.37%到2015—2025年的增幅4.21%,整体趋势发生转变;③2015年黎平县生态系统总碳储量和平均碳密度分别为9.12×10~7 t和206.61 t/hm~2。自2005年以来分别下降2.00×10~5 t和0.45 t/hm~2。2025年黎平县碳储量和平均碳密度分别为8.98×10~7 t和203.44 t/hm~2。[结论]黎平县生态系统固碳能力呈减弱趋势,林地的大面积转出和建设用地的扩张是碳储量下降的直接原因,未来应加强对土地利用结构的优化。     

黄土丘陵区不同土地利用方式下土壤养分及生态化学计量特征

[目的]探究黄土丘陵区土地利用方式变化前后土壤养分及生态化学计量比的变化特征,为该区农业生产以及生态恢复工作提供科学依据。[方法]选取山西省永和县岔口小流域因生态工程的实施而改变土地利用方式的坡改梯地(梯田)、退耕还林地(林地)、地埂核桃园地(园地)3种样地为研究对象,以现有坡耕地为对照,利用时空互代法,比较不同土地利用方式变化前后0—20 cm,20—40 cm土壤C,N,P,K含量以及生态化学计量比的差异。[结果]①流域各种生态恢复措施实施后,土壤C,N元素含量明显增加,梯田、林地、园地0—40 cm土壤有机C含量分别是坡耕地的1.38,2.44和1.09倍,全N含量分别是坡耕地的1.76,2.66,1.68倍。P,K元素增加量不明显,林地相比其他2种土地利用方式对C,N元素的固持更加明显;②通过分析土壤养分化学计量比的关系,发现流域土壤的限制性元素为C,N元素;③流域土壤养分及计量比之间存在着稳定的耦合关系,C-N之间的耦合关系最为显著且在各元素和生态化学计量比稳定方面发挥着重要作用。[结论]流域3种土地利用方式有效地改变了土壤全量养分含量和元素的生态化学计量比,有利于流域的生态保护和植被修复。     

泛第三极典型地区土地利用和水保措施解译精度分析

[目的]进行泛第三极典型地区抽样单元土地利用和水土保持措施遥感解译精度评价,提高高分辨率影像的解译正确率,分析解译结果的区域代表性。[方法]于2018—2019年在中国西藏、泰国清莱和巴基斯坦地区分别选取9个、18个、15个抽样单元进行野外调查。以野外调查的土地利用结果作为参照,通过混淆矩阵、土地利用变化转移矩阵分析基于Google Earth影像进行土地利用和水保措施判读的精度;通过与参考数据集土地利用结构的对比,分析解译结果的区域代表性。[结果]①3个典型样区土地利用解译精度较理想,总体分类精度在80%以上,平均kappa系数分别为0.74,0.75和0.82;②与野外调查结果相比,3个典型样区水土保持措施解译结果比较理想;③遥感抽样解译的结果与GLC 30 m,GLC 10 m数据集的土地利用结构相似度较高。[结论]基于高分影像解译土地利用类型和水土保持措施的结果与野外调查的结果一致性较好,且符合参考数据集的土地利用结构,抽样单元遥感解译结果对于土地利用的宏观特征结构有较好的区域代表性表达。     

东北黑土区坡耕地斜坡垄作与顺坡垄作土壤侵蚀的对比分析

斜坡垄作是东北黑土区最普遍的垄作方式之一,但当前关于斜坡垄作对坡耕地土壤侵蚀的影响鲜见报道。为此,本研究基于室内模拟试验,设计2个降雨强度（50和100 mm/h）以及2种垄作方式（斜坡垄作和顺坡垄作）,分析东北黑土区坡耕地斜坡垄作与顺坡垄作坡面土壤侵蚀的差异。结果表明：（1）在50和100 mm/h降雨强度下,斜坡垄作断垄前坡面侵蚀速率分别是顺坡垄作的0.46%和0.35%;但在45 min的降雨过程中,由于斜坡垄作发生断垄现象,造成50和100 mm/h两种降雨强度下斜坡垄作坡面侵蚀速率分别是顺坡垄作的1.24和1.03倍。（2）斜坡垄作径流强度和侵蚀速率随降雨历时的变化均从断垄开始发生突变。在50和100 mm/h降雨强度下,随着降雨历时的变化斜坡垄作断垄前的径流强度和侵蚀速率值均低于顺坡垄作,其平均径流强度分别为顺坡垄作的8.42%和3.75%、平均侵蚀速率分别为顺坡垄作的0.46%和0.35%,但斜坡垄作断垄后坡面径流和侵蚀速率明显增大,其平均径流强度分别为顺坡垄作的1.33和1.47倍、平均侵蚀速率分别是顺坡垄作的2.03和1.62倍。（3）在50和100 mm/h降雨强度下,斜坡垄作断垄前坡面径流量和侵蚀量存在显著的线性关系（P<0.01）,而断垄后两者的相关关系则不显著（P>0.05）;而顺坡垄作在两种降雨强度下坡面径流量和侵蚀量存在显著的线性关系。（4）在两种降雨强度下斜坡垄作坡面90%以上的径流泥沙均来自断垄后。因此,提高垄丘稳定性和防止断垄现象发生,是减少斜坡垄作坡面土壤侵蚀的关键所在。     

河西绿洲膜下滴灌板蓝根生长、耗水特性和品质对水分调亏的响应

通过大田试验研究了水分调亏对膜下滴灌板蓝根生长、耗水规律、产量、水分利用效率及品质的影响。于2018年在甘肃河西中部的民乐县益民灌溉试验站开展板蓝根水分控制试验,板蓝根苗期和肉质根生长期保持充分灌水,在营养生长期和肉质根生长期分别进行不同梯度(轻度、中度和重度)的水分调亏处理,并测定各项生长指标、产量、水分利用效率和品质。结果表明：(1)营养生长和肉质根生长期中度和重度水分调亏显著降低了板蓝根株高、叶片数、主根长和主根直径,且降幅随调亏程度的加剧而增大,而轻度水分调亏与对照组无显著差异。(2)板蓝根在营养生长期和肉质根生长期各处理的耗水量呈现出随着水分调亏程度的加重逐渐降低,与对照相比显著降低(P<0.05);耗水强度变化次序为营养生长期和肉质根生长期(约3.0mm/d)>肉质根成熟(约1.5mm/d)>苗期(约1.0mm/d)。(3)营养生长期轻度水分调亏处理(RD1)的板蓝根产量与水分利用效率最高,分别达到8475.38kg/hm_²和23.33kg/hm_².mm,处理RD4次之,其余水分调亏处理产量和水分利用效率均有所下降,与对照组之间差异显著(P<0.05)。(4)在营养生长期和肉质根生长期轻中度连续水分调亏有利于靛蓝、靛玉红、(R,S)-告依春、多糖含量的提高,与对照组差异显著(P<0.05),重度水分调亏处理各项指标均最低。因此,综合分析板蓝根产量、水分利用效率和品质可知,最优控水处理为营养生长期和肉质根生长期连续轻度水分调亏(RD4),即该阶段土壤相对含水率为65%~75%,可作为河西冷凉灌区板蓝根种植的最佳灌水策略。