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。     

连续模拟降雨下岩溶区含砾石堆积体坡面径流产沙特征

为明确砾石含量对岩溶区石灰土质堆积体坡面径流产沙特征的影响,以土质坡面为对照,采用室内模拟降雨试验方法,研究了递增型降雨(0.5,1.0,2.0,2.5,3.0 mm/min)条件下偏土质(砾石含量30%)和偏石质(砾石含量70%)石灰土坡面的径流特性及侵蚀特征。结果表明:(1)随雨强增大,各坡面径流率呈稳定增长—波动的变化趋势,且土质坡面径流率整体小于2种含砾石坡面;偏土质、偏石质坡面累计产流量较土质坡面增加了0.49,0.37倍;(2)1.0~3.0 mm/min雨强下,土质坡面侵蚀速率在0.16~5.4 g/(m^2·s)范围内波动,整体呈稳定—波动增加的变化趋势;偏土质和偏石质坡面分别为0.16~5.4,0.06~0.74 g/(m^2·s),前者侵蚀速率变化范围大且波动剧烈,后者变化范围小且稳定;随砾石含量的增加,各坡面累计侵蚀量呈先增后减的变化趋势,偏土质坡面侵蚀量较土质坡面增加2.5倍,偏石质坡面较其减少了0.9倍;(3)土质、偏土质和偏石质坡面的侵蚀速率与径流率分别呈极显著正相关幂函数、线性函数和线性函数关系。研究结果可为桂西北岩溶区弃渣场水土流失治理提供一定的科学依据。     

施肥对灌漠土作物产量、土壤肥力与重金属含量的影响

有机物还田是提升土壤肥力的主要措施,但也存在造成土壤金属污染的潜在风险。为查明不同有机物还田对土壤质量及作物产量的影响,本文通过长期定位试验,研究了无肥对照、常规施化肥(氮磷配施)以及70%常规化肥与牛粪、沼渣、污泥、鸡粪、菌渣和猪粪配施对土壤理化性状、有机碳和氮的固存率、氮磷钾活化系数、作物产量及重金属含量的影响。结果表明:牛粪、沼渣、污泥、菌渣、鸡粪和猪粪与70%化肥配施虽作物产量与常规施化肥相似,但6种有机物处理土壤有机质、全氮和碱解氮含量都较常规施化肥处理显著增加,污泥、鸡粪和猪粪处理土壤全磷与速效磷含量较常规施化肥处理显著增加,而且牛粪、沼渣、鸡粪和猪粪处理的速效钾、土壤磷活化系数和土壤钾活化系数较常规施化肥处理也显著提升。牛粪、沼渣、污泥、菌渣、鸡粪和猪粪处理土壤有机碳固存率为36.42%～71.61%,较常规施化肥处理都显著提高;而其氮固存率为6.47%～49.44%,仅有菌渣处理与常规施化肥处理差异不显著,而其他处理较常规施化肥处理显著增加。长期施鸡粪和菌渣处理的土壤铜含量较常规施化肥处理显著增加,增加量分别为4.17mg·kg~(-1)和14.2mg·kg~(-1);而污泥、鸡粪和菌渣处理的土壤锌含量较常规施化肥处理显著增加,增加量分别为13.53 mg·kg~(-1)、22.60 mg·kg~(-1)和49.73mg·kg~(-1)。综上,等有机质(4 500kg×hm~(-2))的牛粪、沼渣、污泥、菌渣、鸡粪和猪粪可替代30%氮磷肥,作物产量不受影响;不同有机物培肥土壤效果为污泥、鸡粪和猪粪优于牛粪和沼渣,而沼渣的培肥效果略差。为保证土壤环境质量稳定不恶化,种植小麦时有机物铜和锌的年携入量应分别低于53.01g×hm~(-2)和221.30 g×hm~(-2),而种植玉米时应分别低于153.40 g×hm~(-2)和347.04 g×hm~(-2)。     

冻融对土壤分离能力及侵蚀阻力的影响

冻融后坡面为水力侵蚀产沙提供了大量有效物质源,是河道泥沙的主要策源地。该研究利用室内模拟冻融和径流冲刷试验,设置不同冻融循环次数、坡度和流量梯度,分析冻融对土壤分离能力及侵蚀阻力的影响机制。结果表明,冻融条件下,坡度、流量和冻融循环次数均对土壤分离能力有显著影响(P0.05),贡献率分别为17.94%、19.96%和18.43%。冻融前后,土壤分离能力基本均随坡度和流量的增加而增大,冻融后的均值(5.28±2.48g/(cm~2·min))显著大于冻融前(2.39±1.71 g/(cm~2·min)),但冻融后的增幅明显小于冻融前。不同坡度和流量条件下,冻融1次后,土壤分离能力均显著增大(P0.05),但其随冻融循环次数增加的变化趋势差异较大,只有在坡度与流量同时较小(10°和≤18L/min)或较大(15°和≥18L/min)时,呈显著增大趋势。冻融循环1、5、10次后,土壤细沟可蚀性分别增大1.25、1.66和1.72倍,随冻融次数的增加逐渐趋于稳定;土壤临界剪切力冻融后显著降低,与冻融次数无明显关系。冻融后土壤平均容重、水稳性团聚体和抗剪强度分别降低了6.61%、24.77%和21.35%,土壤孔隙度和三相结构指数变化与之相反。冻融条件下,土壤细沟可蚀性与水稳性团聚体和抗剪强度呈显著负相关关系,而与孔隙度呈显著正相关关系。     

稻麦联合收获机分段式脱粒装置设计与优化

针对纵轴流联合收获机在收获稻麦时出现的脱粒不彻底、分离不完全等问题,该研究设计了一种分段式纵轴流脱粒分离装置。该装置主要由锥形脱粒滚筒、脱粒强度可调式凹板筛、360°分离式凹板筛、作业参数电控调节系统等构成。通过单因素试验,分别获得了脱粒强度可调式凹板筛的开关板针对小麦和水稻脱粒的最佳开关状态。为寻求装置作业参数对脱粒效果的影响规律及最优参数组合,进行了多目标优化试验。以滚筒转速、导流板角度、凹板筛脱粒间隙、凹板筛分离间隙及喂入量作为影响因素,以破碎率、损失率、脱出物含杂率为试验指标,建立了破碎率、损失率、脱出物含杂率的数学模型。试验结果表明:各因素对破碎率影响的显著性大小顺序为滚筒转速、凹板筛脱粒间隙、导流板角度、喂入量、凹板筛分离间隙;对脱出物含杂率影响的显著性大小顺序为滚筒转速、导流板角度、凹板筛脱粒间隙、喂入量、凹板筛分离间隙;对损失率影响的显著性大小顺序为滚筒转速、导流板角度、凹板筛脱粒间隙、喂入量、凹板筛分离间隙。通过多目标参数优化分析,确定装置进行小麦脱粒的最优作业参数组合为脱粒滚筒转速905 r/min、导流板角度69°、凹板筛脱粒间隙18 mm、凹板筛分离间隙19 mm、喂入量4 kg/s。在该参数组合条件下进行了田间验证试验,结果表明,与常规纵轴流脱粒装置相比,整机作业破碎率由1.46%降为1.00%,含杂率由1.85%降为1.43%,损失率由1.72%降为1.20%,各指标实测值与模型优化值的相对误差均小于5%,满足国家相关标准要求。该装置有效解决了破碎率高、脱粒不干净、分离不彻底的问题,研究结果可为纵轴流联合收获机脱粒装置的结构改进和作业参数优化提供参考和依据。     

"池-田"蓄引水模式改善环渤海棉田水盐运移提高棉花产量

为探明环渤海"池-田"蓄引水模式下棉田水盐运移规律对棉花生产的影响,2017和2018年4-10月对未改造棉田(CK)及模式中的台田(A)、浅层地下水抽提棉田(B)、抑盐排涝棉田(C)进行土壤水分、盐分和pH值、棉花光合指标、产量进行测定,结果表明,模式中棉田0～80cm土层盐分和pH值显著降低,A和B棉田盐分降至3.0g/kg左右,pH值低于8.0;C棉田盐分低于5.0 g/kg,7-8月pH值低于8.0。A棉田土壤水分、盐分和pH值最低,滴灌条件下棉花光合性能长期保持高值,光合物质积累的直线增长持续时间和活跃期最长,籽棉产量超过3 500 kg/hm~2。B棉田水分0～40 cm土层高于20%,光合性能高值较长,籽棉产量超过3 000 kg/hm~2。C棉花7-8月光合性能明显提高,籽棉产量超过2 500kg/hm~2。环渤海"池-田"蓄引水模式显著改善棉田水盐运移,有利于棉花生产,从而提高产量。研究可为高效开发利用滨海盐碱地提供科学模式和理论基础。     

河套盐碱地不同利用方式土壤盐碱化特征差异分析

为研究河套平原盐碱地在不同利用方式对土壤盐碱化特征分布的影响,通过野外调查取样和室内分析相结合的方法,对5种土地利用方式下(林地、农用地、牧草地、改良地、盐荒地)不同深度土壤剖面形态特征、可溶盐含量、盐分离子组成、总碱度、pH、碱化度等指标的变化规律进行了系统研究。结果表明:不同利用方式土壤剖面土体结构、颜色、根系分布、石灰性反应及碱化层分布均有明显差异;土壤剖面的可溶性盐、阴阳离子分布因土地利用方式不同而存在差异,牧草地和林地土壤剖面可溶性盐呈"橄榄"型、盐荒地和改良地呈"表聚"型、农用地呈"底聚"型;土壤pH、碱化度和总碱度在剖面中的分布特征基本一致,呈"S"型;经不同利用方式土壤的盐化程度和碱化程度均有所下降,与盐荒地相比,农用地盐碱化指标下降的最为显著(P0.05),其中0—20 cm土壤全盐量降至0.88 g/kg,pH降至7.83,总碱度、ESP降至0.17 cmol/kg和12.54%,表明苏打盐碱地经农用后更有利于土壤脱盐化过程和脱碱化过程;土壤全盐量、Ca~(2+)、Mg~(2+)、SO_4~(2-)、总碱度、pH可作为控制区域盐碱化的主要因子。研究结果为阐明河套平原盐碱地的盐碱化过程及盐碱化土壤利用模式提供技术参考。     

生态系统服务权衡最新研究进展

生态系统服务权衡研究对协调生态环境保护和社会经济发展至关重要。为推动生态系统服务管理和提升人类福祉,本文以Web of Science核心合集(WOS)和中国科学引文数据库(CSCD)为数据源,运用文献计量分析法,系统梳理和总结生态系统服务权衡研究的学科知识基础、科学领域结构和热点变化等发展现状以及最新研究进展。研究表明:1)不同研究层面上,生态系统服务间的权衡关系受外部风险和人类需求、参数选取和服务提供者及区域差异性和不均衡性的影响。2)研究方法主要有基于关系识别和具体表征的权衡分析、权衡模拟和预测的模型量化分析和生态系统服务权衡管理优化的多准则分析3类。3)生态系统服务权衡关键驱动因子为城市化、生态工程和气候变化。基于此,我们认为把握生态系统服务权衡不同研究层面的关联特征、创新和优化生态系统服务权衡研究方法、准确甄别生态系统服务权衡关键驱动因子以及充分整合多维生态系统服务权衡资源搭建数据共享平台是未来研究的重点。     

Application of urease inhibitor improves protein composition and bread‐baking quality of urea fertilized winter wheat

Background: Nitrogen losses is an economic problem for wheat production and a high risk to the environment. Therefore, improved N fertilizer management is a key to increasing the N efficiency and minimizing N losses. To increase N efficiency, enhanced fertilizers such as urea combined with urease inhibitor can be used. Aims: The aim of present study was to evaluate the effects of different N forms on grain storage protein subunits in winter wheat and to examine whether the observed changes correlate with parameters of baking quality. Methods: The investigation was performed over two consecutive years at two locations in Germany. Protein subunits were analyzed by SDS‐PAGE. Results: Protein concentrations were similarly increased after fertilization with ammonium nitrate and urea + urease inhibitor. Analysis of the individual storage protein fractions indicated that both fertilizers specifically enhanced ω‐gliadins and HMW glutenins, but the effect was more pronounced in the ammonium nitrate treatment. Application of urea + urease inhibitor had greater influence on the protein composition and resulted in higher specific baking volume as well as the best fresh keeping ability, in comparison with urea treatment. Conclusion: Considering that the urea + urease inhibitor treatment resulted in almost comparable improvements of NUE and baking quality, with the additional benefit of reduced N losses in combination with easy handling, urea + urease inhibitor can be recommended as a viable alternative to both urea alone and ammonium nitrate treatments. This opens up an opportunity for the reduction of N loss in wheat production when use of urea is preferred.     

基于厘米级无人机影像的水土保持措施精准识别

基于厘米级高分辨率无人机影像,应用面向对象方法(Object-Based Image Analysis, OBIA)对吉林省伊通县椽子沟流域的横坡改垄、地埂植物带、生态恢复乔木林、生态恢复草地等水土保持措施进行自动精准识别。应用超绿指数(Excess Green Index,ExG)、超红指数(Excess Red Index,ExR)、归一化差异指数(Normalized Difference Index,NDI)等光谱指数,形状的主方向、形状指数等形状特征,均值(Mean)、方差(Variance)、对比度(Contrast)等纹理特征进行措施的特征提取。结果表明:研究区水土保持措施识别的总体精度可达91.24%,Kappa系数为0.87;对垄台、垄沟等线性水土保持措施总体精度可达72.33%,Kappa系数为0.63。基于厘米级无人机影像,应用面向对象方法基本可实现对黑土区水土保持措施的精准识别,也可对垄台垄沟等线性措施进行自动识别,研究结果可为水土保持措施实施范围及完好程度的动态监测提供参考依据。