黑土农田冻结-融化期土壤剖面温度变化特征

[目的]研究东北黑土区农地土壤温度变化特征,为冻融作用程度量化分析和冻融作用对土壤侵蚀影响提供基础数据。[方法]利用2015—2018年黑龙江省宾州河流域典型农地2 m土壤剖面11月至翌年4月土壤温度观测资料以及气温数据,分析了冻结和融化过程中土壤温度变化特征以及土壤温度对气温变化的响应,确定土壤冻结与融化过程中耕层土壤冻融循环次数。[结果] 11月至翌年2月的冻结期,土壤温度随土层深度的增加而增加;3—4月份土壤温度梯度发生反向改变,当土壤完全消融后,土壤温度随着土层深度的增加而递减,土壤最大冻结深度为80 cm。研究结果还表明,0—60 cm土层的土壤温度均与气温呈极显著正相关,其相关性随土壤深度增加而减小;而80 cm以下土层,土壤温度均与气温呈负相关。[结论]研究区土壤冻结和融化过程分别呈单向冻结和双向融化现象,冻融循环主要发生在农地耕层0—20 cm土层,其年最大冻融循环次数分别为12次和7次,为设计黑土冻融循环模拟试验提供了数据支持。     

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。     

地形对黑土区典型坡面侵蚀—沉积空间分布特征的影响

研究地形对黑土区坡面侵蚀-沉积空间分布特征的影响可以为水土保持措施配置提供科学依据。以典型黑土区——黑龙江省宾县东山沟小流域为研究区域,在流域上游、中游和下游各选取2个典型坡面,坡面种植作物均为玉米。典型坡面坡顶、坡上、坡中、坡下和坡脚的平均坡度分别为3.1°,3.0°,4.0°,2.8°,1.2°。利用137Cs示踪技术,分析了坡度、坡长和坡形对坡面侵蚀—沉积空间分布特征的影响。结果表明:研究流域农耕地坡面以侵蚀为主,平均侵蚀速率为448 t km~(~(-2)) a~(~(-1)) ;坡面不同部位土壤侵蚀—沉积分布特征差异明显,坡顶、坡上、坡中和坡下主要表现为侵蚀,平均侵蚀速率分别为819、376、1 000和634 t km~(~(-2)) a~(~(-1)) ,而坡脚表现为明显的沉积,平均沉积速率为~(~(-1)) 382 t km~(~(-2)) a~(~(-1)) 。不同坡形坡面侵蚀-沉积分布存在差异,凸形坡坡面表现为先侵蚀后沉积的分布特征,而复合坡坡面呈现出侵蚀-沉积交错分布特征;坡面土壤侵蚀速率与坡度和坡长均呈极显著的幂函数关系,而坡度对黑土区坡面侵蚀的影响明显大于坡长,反映了即使在长坡缓地形的黑土区坡度对侵蚀的影响仍然有重要作用。因此,在黑土区配置合理的水土保持措施时,应尽量削弱坡度对坡耕地土壤侵蚀的影响。     

玉米秸秆汁土壤改良剂对黄绵土抗侵蚀能力的影响

改良土壤物理性质是提高土壤抗侵蚀能力的主要途径之一。通过人工模拟降雨试验、风蚀试验和野外原位观测试验,研究了不同玉米秸秆汁土壤改良剂喷施方式下黄绵土抗侵蚀能力的改良效果,探讨了玉米秸秆汁防治土壤侵蚀的机理。结果表明,玉米秸秆汁能有效防治黄绵土的水蚀和风蚀。在模拟降雨条件下,喷施玉米秸秆汁的试验处理,黄绵土溅蚀量较对照处理降低24.7%~78.3%,黄土坡面的径流量和片蚀量分别降低40.0%~43.3%和20.9%~34.5%;在天然降雨条件下,无论是短历时低强度或长历时低强度的降雨类型,还是短历时高强度的降雨类型,喷施玉米秸秆汁的试验处理,黄土坡面的径流量和片蚀量较对照处理明显减少,二者的减少幅度分别介于26.3%~62.1%和58.3%~72.0%之间;在不同风速下,玉米秸秆汁可使黄绵土的风蚀量降低24.5%~64.6%。此外,喷施玉米秸秆汁后的静置时间及翻耕与否对不同类型的侵蚀也有重要影响。喷施玉米秸秆汁可有效提高黄绵土的抗剪强度、硬度及大团聚体的百分含量,从而降低土壤侵蚀量。施用玉米秸秆汁后,黄绵土静水崩解量降低了97.4%~98.5%、土壤抗剪强度增加了97.9%~140.0%、土壤硬度增加了11.4%~127.5%;0.25 mm团聚体降低了46.9%~51.6%;2 mm团聚体增加了88.1%~129.7%。玉米秸秆汁是一种良好的防治坡面水蚀和风蚀的土壤改良剂,在施用玉米秸秆汁时,应尽量一次喷施完毕并避免人为土壤扰动。     

高次指数组合非线性模型在土壤侵蚀中的应用

土壤侵蚀是全球性的严重环境问题。揭示土壤侵蚀过程，建立土壤侵蚀模型将为土地合理利用规划、水土保持措施优化配置、水土流失监测及水土保持减水减沙效益评价等生产实践提供重要科学依据和技术工具。土壤侵蚀预报模型按建模方法可分为经验模型与物理模型等，其中，经验模型主要是基于土壤侵蚀观测资料，采取统计分析的方法模拟侵蚀产沙量与降雨、植被、土壤、地形等影响因子之间的关系。自1953年刘善建在国内首次建立了坡面土壤侵蚀预报方程以来，不同学者根据各地的实际情况，建立了诸多不同的土壤侵蚀经验模型。由于国内土壤侵蚀物理模型研究起步晚，还很不成熟，而经验模型在侵蚀预报中一直处于重要地位，继续强化对它的研究，无疑可以进一步满足水土流失定量评价及水土保持决策等不同生产实践的迫切需求。     

降雨强度和坡度对细沟形态特征的综合影响

细沟的形态特征研究可揭示坡面侵蚀发生机理,且细沟形态对坡面径流和侵蚀有重要影响;而现有研究仅用细沟密度和细沟宽深比等指标来表征细沟形态,不能全面准确地反映细沟的形态特征。为此基于模拟降雨试验,研究降雨强度和坡度对黄土坡面细沟侵蚀和细沟形态特征的综合影响。试验处理包括3种黄土高原有代表性的侵蚀性降雨(50、75、100 mm/h)和3个细沟侵蚀发生最常见的坡度(10°、15°、20°)。试验结果表明,坡面侵蚀速率和细沟侵蚀速率均随着降雨强度和坡度的增加呈幂函数增加。试验条件下,细沟倾斜度介于16°~20°之间,随着降雨强度的增加而增大,随着坡度的增加而减小;细沟密度、细沟割裂度和细沟复杂度分别为0.74~1.95 m/m2、0.08~0.17和1.09~1.38,三者皆随降雨强度和坡度的增加而增大;细沟宽深比为1.93~2.35,随着降雨强度和坡度的增加而减小。通过相关分析发现,细沟割裂度是评价细沟侵蚀和细沟形态的最优指标;研究降雨强度对细沟形态的影响时,建议优先选用细沟割裂度、细沟复杂度和细沟倾斜度指标;分析坡度对细沟形态的影响时,除选取细沟割裂度外,建议优先选用细沟密度和细沟宽深比指标。细沟横断面主要呈"V形",随着降雨强度和坡度的增加,径流紊动性增强,细沟横断面变化趋于不规则,说明细沟横断面变化可以反映径流的变化特征,从而揭示细沟侵蚀发生机理。     

基于CA-Markov模型的黄土塬区黑河流域土地利用变化

研究黄土高原的土地利用变化,可为其生态建设提供重要的决策依据。基于CA-Markov模型,分析了黄土高塬沟壑区黑河流域1985－2000年土地利用变化的趋势、速度、类型及其与地形的关系,并模拟了2015年土地利用情景。结果表明,黑河流域以耕地和中覆盖草地为主;1985－2000年林地和农地减少,草地和建设用地增加,其他类型变化很小;林地和草地相互转化与耕地转出是两大变化类型;土地利用变化主要发生在沟壑区。CA-Markov模型模拟的2000－2015年土地利用将保持1985－2000年的变化趋势,因此,需加强耕地保护措施,推进退耕还林草工程,促进区域可持续发展。     

松花江流域极端降雨变化对流域输沙量的影响

基于松花江流域及其周边共43个气象站点1960—2014年逐日降雨数据及佳木斯水文站输沙量数据,采用Mann-Kendall非参数趋势分析方法、小波周期性分析和双累积曲线法,分析了流域内7个极端降雨指数和输沙量的动态变化趋势,在此基础上定量评估了流域极端降雨变化对输沙量的影响。结果表明:1960—2014年间,松花江流域7个极端降雨指数(最大1 d降雨量(RX1day)、连续5 d最大降雨量(RX5day)、降雨强度指数(SDII)、大于95%分位值强降雨量(P95pTOT)、大雨量(HP)、暴雨量(RSP)和汛期降雨量(FSPTOT))皆呈阶段性波动变化,存在16~20 a的大周期和5~6 a的小周期变化特征,但近55 a各极端降雨指数整体上呈不显著的变化趋势;期间佳木斯水文站输沙量的变化趋势与7个极端降雨指数的变化趋势类似。松花江流域各极端降雨指数与输沙量均存在极显著相关性(p0.01),其中RX5day、P95pTOT与输沙量的相关性最显著。双累积曲线分析显示,流域输沙量与各极端降雨指数关系的突变点均发生在1977年。与基准期(1960—1977年)相比,1978—2014年松花江流域各极端降雨指数对输沙量变化的影响在3.09%~15.24%之间,其中SDII变化对输沙量的影响最大(15.24%),其次是FSPTOT(14.81%)和RX5day(14.34%)。     

LISEM模型及其应用

LISEM是第一个与GIS完全集成并直接利用遥感数据的土壤侵蚀预报模型，可用来计算流域内各点径流和侵蚀量。在简要介绍LISEM模型研发背景的基础上，系统剖析了该模型的基本理论框架，详细介绍了模型涉及的各种物理过程，并对模型运行所需输入的数据和运行输出的结果作了归纳。通过LISEM应用结果分析，认为只有采用空间分布式数据才能取得较好的预报结果。根据我国黄土高原侵蚀环境特点，采用一系列措施对LISEM修正后，可用于该区土壤侵蚀过程模拟。     

AGNPS模型及其应用

AGNPS模型是美国研发的用于模拟小流域土壤侵蚀、养分流失和预测评价农业非点源污染状况的计算机模型。介绍了AGNPS模型的结构、输入输出变量、适用范围，概述了AGNPS模型在美国、欧洲、澳洲和我国南方地区的应用结果。