为研究流域降雨侵蚀力变化规律,利用三峡库区香溪河流域内10个雨量站1971—2010年的日降雨资料,采用降雨侵蚀力日降雨简易模型,分析该流域降雨侵蚀力的年内分配和年际变化规律。在ArcGIS软件支持下,采用克里格插值研究流域降雨和降雨侵蚀力时空变化特征。结果表明:香溪河流域降雨侵蚀力多年变化范围为2 465.26 ~7 419.29 MJ·mm/ (hm²·h),多年平均均值为4 535.63 MJ·mm/ (hm²·h),降雨侵蚀力R 值的年际分配差异明显,最大年R 值为最小年R 值的3 倍;流域侵蚀力空间变化趋势为从西向东逐渐递减;流域近40 多年的降雨和降雨侵蚀力系列比较平稳,经Mann-kendall 检验无显著的变化趋势。流域降雨量、侵蚀性降雨量和降雨侵蚀力年内分布较集中,汛期降雨量、汛期侵蚀性降雨量、汛期降雨侵蚀力占全年的比例分别为85.4%、92.4%和94.0%。

基于野外人工模拟降雨试验及室内土壤理化指标测定,研究广东省红壤可蚀性并构建其预测模型。可蚀性因子K 与土壤黏粒、砂粒和有机质质量分数呈极显著相关关系(P <0.01),皮尔逊相关系数分别为- 0.920、0.925和-0.642。采用逐步回归分析法筛选对K值有显著影响作用的11 个单因子及多因子交互作用项,其中粉粒与有机质质量分数交互作用对K值影响最大。K 值逐步回归预测模型效果较好,相对误差均小于25%。这11个单因子及多因子交互作用项为输入变量,K值为输出变量,建立K值BP神经网络预测模型。利用灰色关联度分析法确定了BP神经网络最优结构为11-11-1,网络训练算法为Levenberg-Marquardt。K值BP神经网络预测模型90%数据点相对误差小于10%,其精度明显优于逐步回归分析模型,能更为准确地反映影响因子与K值间的内在规律。

研究作物生长覆盖条件下土壤结皮对坡耕地径流和侵蚀产沙的影响,可为坡耕地水土流失防治和水土资源合理利用提供科学依据。以种植大豆的坡耕地土壤结皮为研究对象,利用人工模拟降雨方法,观测前期土壤结皮和不同结皮厚度、覆盖度下的产流产沙,分析前期土壤结皮的存在和土壤结皮厚度、覆盖度对坡耕地土壤侵蚀的影响。结果表明:1)前期土壤结皮的存在对坡面的产流产沙量产生较大影响,使坡面径流量高于非结皮坡面,而坡面的土壤流失量又远低于非结皮坡面。2)裸地前期有土壤结皮的坡面径流量较非结皮坡面高5.27%,产沙量则较其降低了27.66%;种植大豆条件下,前期地表有土壤结皮坡面的径流量较非结皮坡面平均增加了24.81%,产沙量较非结皮坡面平均降低了14.26%。3)大豆作物的存在加大了土壤结皮与非结皮坡面之间径流量的差距,缩小了二者间产沙量的差异;坡耕地坡面土壤结皮厚度及其覆盖度的变化对坡面产流产沙的影响却不显著。

气候暖干化发展趋势使干旱半干旱地区生态环境受到荒漠化发展的胁迫,植被覆盖度能有效地表达研究区植被分布状况及荒漠化程度。利用遥感技术手段监测区域植被覆盖和荒漠化发展趋势是非常有效的途径。为了给黄土高原地区生态环境建设和荒漠化治理提供科技信息,利用1986—2006 年的GIMMS AVHRR NDVI 数据,采用像元二分法估算植被覆盖度;借鉴水蚀风蚀研究成果确定植被覆盖度和荒漠化关系并进行分级,对黄土高原地区荒漠化程度及时空变化进行分析。结果表明:1)黄土高原约64% 的地区为植被覆盖度为10% ~ 50% 的中度和重度荒漠化区;约1/3 的地区为植被覆盖度在50%以上的轻度和非荒漠化区;约3%的地区为植被覆盖度<10%的强烈荒漠化区。2)1986—2006 年间,黄土高原地区整体上荒漠化程度表现为降低趋势,期间,中度和重度荒漠化面积显著减少,非荒漠化面积明显增加,而强烈荒漠化面积扩大。荒漠化程度的时间变化具有10 年尺度特征。3)中度和重度荒漠化的区域具有转化频繁和连片性特征,轻度和非荒漠化区域空间转化零散破碎,强烈荒漠化扩大区域主要在宁夏甘肃的沿黄两岸。

为了弄清垄作坡面地表微地形的变化及土壤侵蚀特征,以期有效防控紫色土区坡耕地水土流失,通过室内人工模拟降雨试验,分析递增和递减降雨系列下,紫色土区横坡垄作坡面地表微地形的空间变化特征,探讨其对地表产流和侵蚀产沙的影响。结果表明:1)在不同降雨条件下,地表高程变化均以减小为主,变化量主要集中在-2 ~0cm 之间。2)递增降雨条件下,地表糙度在前2 场降雨中无明显变化,到第3 场降雨后明显增大;递减降雨条件下则先增大后减小。3)不同降雨条件侵蚀产沙量差异不大,递增降雨条件下产沙量比递减条件下大3.9%;但产流量比递减条件下小14.8%。4)递增降雨较递减降雨产流、产沙时间更晚。5)横坡垄作在小降雨强度时可有效地减少土壤侵蚀,但当降雨强度增大到1郾5 mm/ min 时,则易发生断垄现象,反而会增大土壤侵蚀。

以赤水河上游27 种地带性及乡土树种为对象,从持水和失水2 方面研究枯落物调蓄水分效应。结果表明:1)枯落物现存量为0.15 ~4.50 t/ hm² ,自然含水率为10.23% ~137.66%,最大持水速率为3 122.83 ~ 9 555.80 g/(kg·h),饱和持水深为0.04 ~1.70 mm,有效拦蓄深为0.02 ~ 1.27 mm,最大失水速率为209.52 ~ 2 423.21 g/(kg·h),失水24h 的含水率为85.02% ~256.18%,最大失水深为0.01 ~0.43 mm;2)所有枯落物持水速率和失水速率均表现出前期大于后期、初期下降更快、后期趋于平缓的特征;3)影响枯落物调蓄水分效应的因素主要有现存量、饱和持水深、有效拦蓄深、最大失水深、叶生活期和叶质地;4)按照持水、失水特征和叶片特征可划分为3 类功能群,叶生活期可作为枯落物调蓄水分能力的评定指标。

基于黄土高原半干旱区2012—2013 年观测数据,采用定位研究方法对该区油松人工林林冠层降水再分配情况进行研究;采用王彦辉模型和崔启武模型对林冠截留量进行模拟并对其适用性进行对比分析。结果表明:1)油松人工林穿透雨量与林外降雨量呈显著线性关系(R² = 0.978 9),林冠截留量与林外降雨量呈幂指数关系(R² =0.867 3),平均林冠截留率为25.5%;2)王彦辉模型和崔启武等模型模拟的决定系数R2 分别为0.724 5 和0.755 4,黄土高原半干旱区油松人工林林冠截留模拟效果崔启武模型较王彦辉模型要好。

在非饱和土壤中,优先流是一种较为常见的现象。针对华北方土石山区的优先流现象,在鹫峰森林公园选取6块样地,利用染色示踪法获取优先流路径,分析林地优先流区和基质流区土壤孔隙度与水分变化的差异,以及土壤初始含水率对优先流(最大染色深度、50%染色深度、染色比例)的影响。结果表明:1)土壤中优先流区非毛管孔隙度和总孔隙度比基质流区的大,毛管孔隙度在优先流区与基质流区无明显差异;2)试验后优先流区土壤含水率变少,含水率减少平均比例是21% ,基质流区试验前后含水率几乎无变化,含水率变化比例是0;3)初始含水率与染色比例呈正相关(R2 =0.679),与50% 染色深度呈正相关(R2 = 0.527),与最大染色深度相关性小(R2 =0.236)。

为了给民勤绿洲土壤盐渍化的改良和利用提供理论依据和技术支撑,采用相关分析和主成分分析法对民勤绿洲膜果麻黄周围土壤盐渍化的主要特征因子进行研究,结果表明:民勤绿洲膜果麻黄周围土壤的盐渍化程度主要受氯化盐、硫酸盐和碳酸氢盐的影响,而且以底聚为主。其中:膜果麻黄30cm 处土壤盐渍化的主要特征因子为Ca^{2 +} 、SO₄^2- 、HCO^-₃ 、Mg²⁺ 和K⁺ ,盐分主要是硫酸盐和碳酸氢盐,其次是氯化盐;膜果麻黄60cm 处土壤盐渍化的主要特征因子为全盐、Cl^- 、Na⁺ 、Mg²⁺ 和pH 值,盐分主要是氯化盐,其次是硫酸盐和碳酸氢盐;膜果麻黄90cm 处土壤盐渍化的主要特征因子为全盐、Na⁺ 、Cl^- 和Ca²⁺ ,盐分主要是氯化盐,其次是碳酸氢盐和硫酸盐。同时,膜果麻黄可以降低其周围土壤的pH 值和毒性,可以作为民勤绿洲盐渍化土壤的改良植物。

为了寻找适宜进行咸水结冰灌溉的灌溉用水矿化度区间,采用土柱模拟实验,研究不同矿化度(8、16、24 和32 g/ L)咸水结冰灌溉对滨海盐碱土的改良作用。结果表明:矿化度较低的灌溉用水(8 和16 g/ L)处理后的土柱0 ~50 cm 土层相对于处理前表现为脱盐,而矿化度较高的灌溉用水(24 和32 g/ L)处理后的土柱0 ~50 cm 土层相对于处理前表现为积盐。矿化度较高(24 和32 g/ L)的处理在春季冰层完全融化后,0 ~ 20 cm 土层会出现爆发性的积盐,而在矿化度较低(8 和16 g/ L)的处理下并未产生爆发性的积盐。因此,使用低矿化度灌溉用水进行咸水结冰灌溉,在春季冰层完全融化后,0 ~50 cm 土层表现为脱盐,且灌溉用水矿化度越低脱盐效果越好;较高矿化度的灌溉用水进行咸水结冰灌溉可能造成0 ~50 cm 土层进一步积盐,采用高矿化度的灌溉用水进行咸水结冰灌溉可能会引起土壤的进一步盐碱化。在本实验条件下,灌溉用水矿化度低于16 g/ L 较适宜进行咸水结冰灌溉。

采用盆栽试验,通过测定不同土壤改良剂处理条件下土壤的物理性质以及苗木的生长和生理指标,探讨土壤改良剂对土壤性质及核桃生长的影响,并利用方差分析和因子分析法,评价3 种自制多功能土壤改良剂(I、II 、III)和1 种市场土壤改良剂对核桃苗木生长的作用效果。结果表明:施用土壤改良剂能提高土壤孔隙度和土壤持水能力,降低土壤密度,并能促进核桃苗木的生长,且自制多功能土壤改良剂的作用效果明显优于市场土壤改良剂;与对照和市场土壤改良剂相比,施用自制多功能土壤改良剂玉的苗木,新稍长度分别增长44.1% 和36.3%,地径增长20.4%和11.6%,生物量增长32.3% 和8.2%,光合速率提高35.6% 和15.1%,蒸腾速率降低26.7% 和15.6%———因此,自制多功能土壤改良剂玉为最优配方。

以黄土丘陵区9、23、33、47 a 油松人工林为研究对象,分析油松人工林不同发育阶段土壤有机碳质量分数和土壤有机碳密度的变化规律,结合土壤全氮质量分数和土壤密度、枯落物现存量、根系生物量指标,分析其影响因素。结果表明:1)9、23、33 和47 a 油松人工林0 ~100 cm 土层平均土壤有机碳质量分数分别为4.9、5.9、9.2 和6.5g/ kg,土壤有机碳密度分别为63.0、66.8、100.7 和72.5 mg/ hm² ,二者均表现为随林龄变化先增大(9 ~33 a)后减小(33 ~47 a)的趋势,土壤有机碳质量分数和密度垂直分布规律明显,即随土层深度增加而减小,其中,0 ~ 30 cm 土层土壤有机碳密度占0 ~100 cm 土层碳密度的48.5% ~ 57.9%;2)相关性分析及拟合结果显示,土壤有机碳质量分数与全氮质量分数、枯落物现存量和根系生物量存在极显著线性正相关关系,与土壤密度呈线性负相关关系,根系生物量、枯落物现存量与土壤有机碳质量分数的相关性随着土层深度的增加逐渐减小,逐步回归分析结果表明,土壤全氮质量分数和枯落物现存量是土壤有机碳质量分数最主要的影响因素。

土壤有机碳库是全球碳循环和气候变化研究的核心内容,以鲁中南山区药乡小流域林地土壤为研究对象,应用地统计学和GIS 技术,研究林地土壤有机碳的空间异质性分布特征。结果表明:1)土壤有机碳和全氮、全磷质量分数随土壤层深度增加而减小,土壤有机碳质量分数在0 ~10 和10 ~30 cm 土层之间差异极显著;全氮和全磷质量分数在0 ~10 和10 ~30 cm 土层之间差异显著。2)0 ~10 cm 土层的有机碳质量分数与全氮质量分数、海拔呈极显著正相关,与全磷质量分数呈显著正相关;在10 ~30 cm 土层有机碳质量分数与全氮质量分数、海拔呈显著正相关。3)土壤有机碳质量分数的半方差函数模型属于高斯模型,0 ~10 cm 土层有机碳质量分数具有强烈的架构化区域模式;10 ~30 cm 土层有机碳质量分数表现为中等强度的空间自相关性。4)土壤有机碳质量分数是流域的东部和西北部较高、中南部较低;有机碳质量分数分布由东部和西北部向中南部递减,基本与药乡小流域DEM 趋势一致。5)0 ~10 cm 土层的土壤有机碳质量分数分形维数较小,土壤有机碳空间格局较简单;10 ~30 cm 土层的有机碳质量分数分形维数较大,土壤有机碳空间格局较为复杂。不同方位的土壤有机碳质量分数分形维数表明,东西方向是药乡小流域林地土壤有机碳分布的优势格局。

利用西北极端干旱区32个气象站点1960—2013年的月均气温和降水资料,采用线性倾向率法、累积距平法和Mann-Kendall法,研究西北极端干旱区近54年降水量和温度的变化趋势。结果表明:1)54年来,西北极端干旱区平均气温9.3 ℃,30站表现为显著上升趋势,上升倾向率达到0.034 ℃/ a(P <0.01),且冬季和春季增温幅度大于夏季和秋季,在空间上,西部塔里木盆地为高值区,东南部为低值区;2)西北极端干旱区平均年降水量55.35 mm,29 站表现为增加趋势,其中11站通过了0.01水平的显著性检验,倾向率为0.346mm/a(P <0.01),夏季增加幅度最大,春季最小,在空间上,西北部和东部为高值区、南部为低值区。研究结果表明,近54年西北极端干旱区总体气候呈现明显的暖湿化趋势。

为探明不同林龄的油松和白扦林地植物多样性的变化规律并确定影响其变化的因子,以物种丰富度指数、物种多样性指数和物种均匀度指数作为衡量植物多样性的标准,研究内蒙古兴和县二道营流域友谊水库不同林龄油松和白扦水土保持林地的生物多样性特征及其影响因子。结果表明:1) 油松人工林植物多样性指数大于白扦人工林,草本群落生物多样性随林龄的增加呈现出非线性增长趋势。5年生油松林的草本群落生物多样性指数最高,为2.09;13 年生油松最低,仅1.63。白扦人工林的Margalef 指数高于油松林地,13 年生白扦人工林的Margalef 指数最高,为3.79;2 年生油松的Margalef 指数最低,仅为2.16。2) 在植被恢复演替进程中,多年生草本逐渐替代一年生草本,演替朝正方向进行。3)在众多土壤因子中,土壤水、土壤抗冲性及土壤有机碳质量分数对生物多样性指数起直接作用。研究结果可为森林草原过渡区域植被恢复与重建提供必要的理论支撑。

在全面调查32个林隙的358株云冷杉林林隙边缘木的胸径、树高、冠幅等的基础上,分析林隙边缘木的胸径级和高度级特征、偏冠率分布及其与林隙面积大小的关系;采用Weibull 模型和正态分布模型分别对胸径级和高度级分布进行拟合,并用柯尔莫哥洛夫和卡方检验对其适合程度进行检验。结果表明:1)所调查林隙边缘木的胸径级不符合正态分布,但符合Weibull 分布,林隙边缘木高度级既符合Weibull 分布又符合正态分布;2)15.08% 的边缘木未出现偏冠现象,65.36%的边缘木偏冠率在0.5 ~0.7之间,不同树种边缘木的特征差异极显著,单个林隙边缘木平均偏冠率与林隙面积大小无显著的线性关系;3)拥有10株边缘木的林隙比例最高,为21.88%,平均每个林隙拥有11.19株边缘木。

为了对同一生态单元同一目标林分类型中没有生态监测数据的林分进行准确的生态服务功能评估,以辽宁省退耕还林工程为例,基于生物量的森林生态功能修正系数对其生态服务功能进行评估。结果表明:2013年,辽宁省退耕还林工程生态系统服务功能总价值量为491.94亿元,在涵养水源、保育土壤、固碳释氧、林木积累营养物质、净化大气环境和生物多样性保护6个生态系统服务功能中,涵养水源和生物多样性保护的生态系统服务功能价值量占退耕还林生态系统服务功能总价值量的比例最大,分别为26.84% 和26.30%。研究结果可为《森林生态系统服务功能评估规范》的修订和区域尺度森林生态系统服务功能的精确核算提供参考。

以同一坡面不同坡位上生长的野生三裂绣线菊和黄刺玫成年植株为试验材料,于2013和2014 年连续2个生长季内,通过监测上、中、下3 个坡位上土壤水分含量的变化趋势,测定土壤养分质量分数以及2 种灌木的叶形态及叶营养等指标,研究3个坡位上生长的2种灌木成年植株的叶片是否存在响应和适应相应坡位土壤水分和营养特性的长期机制。结果表明:1)土壤水分含量随坡位上升而显著下降,存在明显的梯度,且3个坡位的土壤养分均较为缺乏,但上坡土壤氮和有机质质量分数显著低于和下坡;2)不同坡位生长的2 种灌木的叶特性显著不同,随坡位上升,三裂绣线菊和黄刺玫叶片均面积缩小、质量减轻,比叶面积却未改变;3)2 种灌木上坡植株叶片的可溶性糖和非结构性碳水化合物质量分数以及全氮质量分数和氮磷比均显著小于下坡植株,仅碳氮比值显著高于下坡植株,但有机碳、全磷和可溶性蛋白质量分数无差异;4)野生三裂绣线菊和黄刺玫成年植株的叶形态和营养特性虽然差异较大,但随坡位变化的响应趋势相同、程度相近且与土壤水分含量变化耦合度更高;5)2 种灌木的叶片对于坡位带来的天然土壤水分梯度具有相似的长期响应机制。

为探明小麦玉米周年水肥利用效应,在农业部作物高效用水原阳科学实验站进行小麦-玉米周年水肥一体化研究。试验肥料设置底施、1次追施和2次追施,水分设置1水、2水和3水,每次灌水450 m³ / hm² 。结果表明:补充灌溉与追肥相结合对小麦、玉米的生长发育具有积极效果,其中小麦穗长增加0.2 ~ 0.8 cm,穗粒数增加2 ~ 10粒,千粒质量增加2 ~9 g,成穗数增加9 万~57 万穗/ hm² ;玉米穗长增加0.48 ~1.82 cm,行粒数增加2.0 ~8.4 粒,5穗穗粒质量增加15 ~374 g,百粒质量增加2.0 ~ 13.0 g。同时,补充灌溉和追肥处理较对照小麦增产9.85% ~37.93%,与一次性底施肥处理相比,相应补充灌溉+ 追肥处理增产9.92% ~25.66%,以3 水2 肥效果最好;与1次追肥处理相比,相应2次追肥增产3.95% ~6.11%,以2水2肥效果最好。与对照、相应1 次性底施肥和1次追肥处理相比,玉米产量分别增加11.05% ~ 46.62%、18.71% ~ 32.03% 和2.8% ~ 5.42%;小麦玉米综合产量分别增加10.46% ~42.36%、14.37% ~28.87%和3.34% ~5.75%,与小麦增产趋势一致。小麦玉米综合灌水利用效率较对照增加0.95 ~5.41 kg/ m³ ,较一次性底施肥0.56 ~3.81 kg/ m³ ,较1次追肥提高0.35 ~0.67 kg/ m³ ,均以1水2肥处理最好。因此,节水增产的最佳配置为2水2肥和1水2肥。

为了揭示气候变化影响下华北平原粮食作物需水量的空间差异规律,应用统计降尺度模型对RCP4.5 气候情景气象要素进行降尺度,用彭曼公式计算作物需水量,用统计评价法对华北山前平原、中部平原和滨海平原典型农业区的缺水程度进行评价。结果表明:1)粮食作物需水量与年均最高气温之间存在较强相关关系,现状气候条件下年均最高气温每升高1 ℃,华北山前平原保定农业区粮食作物需水量增大38.8 mm,中部平原德州农业区增大44.8 mm,滨海平原沧州农业区增大50.6 mm;RCP4.5 气候情景下年均最高气温每升高1 ℃,保定农业区增大29.1 mm,德州农业区增大44.2 mm,沧州农业区增大39.6 mm。2)从现状条件下到RCP4.5 气候情景,3 个典型地区的灌溉需水量均有不同程度的升高,其中沧州地区升高幅度最大,为5.4%;保定地区升高幅度最低,为4.8%。3)从现状条件到RCP4.5 气候情景,山前平原和中部平原缺水程度有所升高,滨海平原缺水程度呈降低特征。