崩岗是鄂东南花岗岩地区普遍存在的土壤侵蚀现象,给农业生态与经济发展带来了严重影响。研究崩岗剖面土壤液塑限特征不仅有利于崩岗侵蚀机理的研究,也为崩岗水土流失的防治改良提供理论依据。以通城县五里镇典型的花岗岩崩岗剖面为对象,通过室外采样结合室内液塑限联合测定实验,以及土壤理化性质测定,分析花岗岩崩岗剖面土壤液塑限规律及其影响因子,并探讨其与崩岗发育的关系。结果表明:花岗岩崩岗不同层次间的土壤液塑限差异显著,淋溶层和淀积层的液限值均大于50%,塑限值为30% 左右,显著高于母质层;土壤液塑限值受黏粒质量分数、有机质质量分数、容重、游离氧化铁质量分数等影响,并随各因子的增大而增大,均呈正相关关系;其中,黏粒质量分数、游离氧化铁质量分数对土壤液塑限的影响更加显著(R² = 0.860**,R² = 0.908**)。花岗岩崩岗土壤液塑限过渡层、母质层相对较低,在遇到降雨冲刷时,土体状态极易发生改变,易发生水土流失。利用土壤基本理化性质,可以对土壤液塑限进行预测,并为加强崩岗侵蚀机理研究及其治理提供依据。

降雨侵蚀力经典模型计算结果准确,但计算过程繁琐、数据量大且难获取;简易模型计算便捷,但结果不够准确。本文分析了8 种黄土丘陵沟壑区降雨侵蚀力模型的差异,并对简易模型进行修正。以经典模型为基准值,对与经典模型结果最为接近的简易模型进行修正,基于修正后的简易模型分析黄土丘陵沟壑区降雨侵蚀力的时空分布特征。在此过程中用到的方法主要是数理统计法和模型差异分析方法。经典模型更能准确估算陕北黄土丘陵沟壑区降雨侵蚀力;拟合模型y = 0.849x - 29.651 可以提高章文波降雨侵蚀力简易模型的模拟精度(拟合优度0.734);陕北黄土丘陵沟壑区2006—2012 年间降雨侵蚀力总体呈现上升趋势;汾川河流域、清涧河流域上游降雨侵蚀力较高,下游次之;延河流域、大理河流域下游降雨侵蚀力较高,上游次之。降雨侵蚀力简易算法经修正后可以较好的估算黄土丘陵沟壑区的降雨侵蚀力的时空分布特征,陕北黄土丘陵沟壑区2006—2012 年间降雨侵蚀力时空分布不均,降雨侵蚀力整体较高。

为揭示DEM 分辨率对地形因子(LS)提取精度的影响,本研究将30 m 分辨率DEM 数据进行重采样,分别计算30、60、90、120、250、500 和1000 m 7 个不同分辨率下我国黑土区、黄土区和红壤区的LS 因子值,分析3 个土壤类型区LS 因子随着DEM 分辨率变化的特点,并进一步研究LS 因子与坡度和坡长的相关性及其空间分布情况。结果表明:黑土区LS 因子值最小、黄土区次之,红壤区LS 因子值最大;坡度因子比坡长因子对DEM 分辨率的变化更为敏感,随着分辨率的降低,L 因子值整体变化不大,有轻微先增大后减小趋势,S 因子值和LS 因子标准差均呈现降低态势;随着DEM 分辨率降低,3 个土壤类型区的LS 因子值均逐渐减小,当分辨率由30 m 下降到1 000 m 时,LS因子值可降至原来的1/6 ~1/3;DEM 分辨率为30 m 时,LS 与坡度的相关系数在0.78 ~0.86 之间(P <0.05),与坡长的相关系数在0.34 ~0.46 之间(P <0.05),随着DEM 分辨率的降低,LS 因子与坡长和坡度的相关系数均有明显的降低趋势。在应用土壤流失模型过程中,DEM 分辨率对LS 因子值的影响不可忽视,研究结果对于大中尺度研究中DEM 分辨率选取和参数修正具有一定的参考和借鉴价值。

细沟侵蚀对于坡面侵蚀量的贡献很大。以长江中上游典型侵蚀性土壤紫色土为研究对象,采用变坡限定性细沟径流土槽放水冲刷试验,研究不同流量、坡度和坡长情况下,紫色土细沟侵蚀特征。结果表明:相同坡度和流量情况下,清水流速大于浑水流速,坡度和流量影响流速的变化;不同流量情况下,5°坡面流速随坡长增大变化幅度很小,基本稳定。15°和23°坡面流速呈现随坡长增加而减小的趋势,并趋于稳定。在给定的坡度和流量条件下,产沙量随着坡长的增加而增加,但增加的幅度越来越小,且趋近一个稳定值。5°坡面含沙量稳定所需的坡长在5、15 和25 L/ min 情况下,分别为7、5 和5 m。15°和23°坡面在5 和15 L/ min 情况下,含沙量稳定所需的坡长分别为7和6 m,25 L/ min 情况下坡长到试验坡长10 m 时,含沙量还没稳定,含沙量与坡长成对数函数关系。其研究结果为紫色土坡面侵蚀物理模型的建立提供参数支持。

土壤侵蚀导致黑土生产力下降已成为不争的事实,以往多采用盆栽、池栽或小区实验,主要关注侵蚀对地上生物量和产量的影响,缺少侵蚀对根系及其与地上生物量关系影响的研究。本研究选择不同侵蚀强度黑土的大田,于2014—2015 同时观测地上和地下生长过程及产量,研究侵蚀对二者及其相互关系的影响。结果表明:大田情况下,剧烈侵蚀黑土导致玉米减产32.7%,大豆减产57.1%。与根系生长相比,侵蚀对地上生物量的影响更为显著,且主要在生殖生长期以后影响较大。从地上生物量与根系之间的关系看,随侵蚀加剧,根冠比增加。剧烈侵蚀玉米和大豆根冠比在全生育期平均增加41.8%和67.1%。2 种作物的根系分布随土壤深度增加呈指数规律递减,侵蚀导致作物根系趋向深层———中度侵蚀根系的表层比例较高,剧烈侵蚀根系的深层比例较高。

在人类活动与自然因素的共同作用下,黄河中下游河岸缓冲带土壤结构和植被等受到不同程度的破坏。本研究选择黄河中下游郑州—开封段河岸缓冲带作为研究区,探讨河岸人工林表层0 ~20 cm 土壤颗粒组成和分形维数在不同植被类型和河岸缓冲距离的分布特征及其与群落特征的关系。结果表明: 1)研究区土壤颗粒质量分数呈非均匀分布,土壤质地空间分布表现为同质性,不同植被类型和河岸缓冲距离对土壤颗粒组成与土壤颗粒分形维数D 值的影响差异不显著,D 为2.75 左右,土壤结构良好; 2)D 值与黏粒质量分数均与土壤全碳(TC)、总有机碳(TOC)和全氮(TN)的质量分数显著正相关(P <0.01),砂粒质量分数则与TC、TOC 和TN 质量分数呈显著的负相关(P <0.01),粉粒质量分数只与TN 质量分数在0.05 水平显著正相关; 3)草本高度、乔木胸径、高度和郁闭度与D 值、粉粒和黏粒质量分数呈正相关,与砂粒质量分数呈负相关。说明河岸人工林覆盖和生物量越大,土壤结构越好。

全球变化背景下,植被动态变化及其与气候的关系研究,是当前国际社会十分关注的科学问题。研究植被NDVI 时空变化特征及其对气候的响应,对调节生态过程、改善生态环境质量具有重要的理论和实际意义。基于锡林郭勒盟2001—2015 年MODIS NDVI 数据及该地区气温、降水数据,利用Sen 斜率估计与Mann Kendall 统计检验、相关分析等方法,探讨了其植被时空变化特征及其对气候因子的响应。结果表明:1)锡林郭勒盟2001—2015 年平均植被NDVI 呈波动上升趋势,其变化过程出现了2 次较明显的波动,2 个波峰分别出现在2003 和2012 年,其中2008 年植被NDVI 出现了1 次明显的增加。2)锡林郭勒盟NDVI 大体呈现出“东高西低冶的空间分布特征,变化趋势总体表现为上升,具体为先下降后上升;空间分布上,太仆寺旗、多伦县增加趋势显著,西部苏尼特左旗、二连浩特市下降趋势明显;草原类型上,显著上升面积从大到小依次为草甸草原、典型草原和荒漠草原。3)NDVI 出现峰值的年份与同年降水量波峰相对应,但区域植被变化对气候因子的响应及其相关关系因季节和植被类型而异。植被状况改善与降水量关系密切,只有结合区域气候要素,开展相关生态工程,才能充分发挥生态保护的效益。

在全球气候变暖背景下,关注流域水文与气象要素的变化尤为必要。为了揭示气候变化及人类活动对延河流域径流的影响程度,本文运用Mann Kendall 方法和重标极差法,分析流域径流深、降水和气温等要素在1955—2012 年间的变化;利用pettitt 突变检验,识别出径流的突变年份,并采用水文敏感性分析方法,定量区分气象因素和人类活动对延河流域径流变化的贡献。结果表明:1955—2012 年,延河流域降水减少89.4 mm,气温升高2.15℃,径流深减少17.3 mm,呈现暖干化趋势。径流突变发生在1996 年,与1955—1995 年相比,1996—2012 年的年平均径流深减少11.7 mm;其中人类活动对径流减少的贡献率为56%。研究阐明延河流域气候有暖干化的趋势,且人类活动作用在径流减少中所占比重较大,并对该区水资源合理利用与管理具有较好的指导意义。

气候变化影响林木早期生长,设置温度和水分的双因素三水平控制实验,研究山西气候变化对关帝山林区2种针叶树种种子萌发和幼苗生长的影响作用。结果表明,增温2 ℃和降水量增加20% 利于这2 树种种子出苗:出苗稳定期提前,出苗率提高;但增温6 ℃,降水减少20%时,种子出苗稳定期延迟,出苗率降低。气候变化对2 树种的影响作用不同:华北落叶松对暖干化气候更敏感,增温或减少降水时,该种幼苗的死亡率大幅增加,苗高降低;温度和降水量变化对油松幼苗存活率和地上生长的影响作用不明显。降水量减少条件下的增温,促进华北落叶松和油松幼苗的主根和侧根伸长。发生土壤干旱时,华北落叶松和油松幼苗生长策略改变,优先满足根系生长。暖干化气候不利于华北落叶松种群的更新,生长季高温降低了幼苗适应性,即使降水量增加亦不能缓解。

以锡林河流域为研究对象,针对锡林浩特、阿巴嘎旗、林西和克什克腾旗4 个国家气象站,1960—2010 年的逐日气象数据和锡林浩特水文站1960—2010 年的实测径流数据,利用相关分析、偏相关分析和通径分析等方法,在年时间尺度和季时间尺度上研究降水、气温、最高气温、最低气温、日照时数、潜在蒸散发和有效积温等气象因素与径流的相关性、偏相关性,并通过通径分析,确定其对径流影响的直接作用和间接作用。结果表明:在年时间尺度上,日照时数、年均气温、最低气温和最高气温与径流量的相关性不显著,其对径流的直接影响和通过其他因素对径流的间接影响也较小,不是影响径流变化的主要气象驱动因素;降水、蒸发和有效积温与径流的相关性较高,这3 种因素对径流的直接影响也较大,是影响流域径流的主要气象因素。在季时间尺度上,对锡林河流域径流变化影响较大的前3 种因素依然是降水、蒸发和有效积温;但不同季节、不同气象因子对流域径流影响的贡献不同,春季起主要控制作用的是有效积温,夏季和秋季起主要控制作用的是降水。

为研究香樟(Cinnamomum camphora)的耐盐性,为南方沿海盐碱地的引种栽培提供参考。本文以实生香樟苗为材料,采用盆栽法,设置0(CK)、2‰、4‰、6‰、8‰ 5 种盐处理,对不同NaCl 盐处理下香樟生长指标,水分生理指标,叶片光合色素质量分数、光合作用参数、叶绿素荧光参数、抗氧化酶活性、渗透调节物质、膜稳定性等进行分析。结果表明:1)香樟苗高、基径相对生长量随着盐处理浓度的增加依次降低,且超过4‰的盐处理对其生长量的抑制作用显著(P <0.05)。2)随着盐处理浓度的增加,香樟叶片水分饱和亏损、丙二醛含量逐渐增加,膜稳定性指数、光合能力逐渐降低。3)2‰盐处理下香樟叶片相对含水率、光合色素质量分数、Fv/ Fm、NPQ、抗氧化酶活性、脯氨酸含量、可溶性蛋白含量高于CK,而膜稳定性指数、Yield、ETR 虽然有所下降但降幅较小。4)盐处理达4‰后,香樟叶片光合色素质量分数、净光合速率、光化学效率、水分利用效率、膜稳定性指数显著减小(P < 0.05),丙二醛含量、脯氨酸含量显著上升(P <0.05),水分状况显著变差,与此同时抗氧化酶活性、可溶性糖含量,可溶性蛋白含量降低。综上所述,香樟的耐盐性处理在2‰~4‰,超过4‰的盐处理能显著抑制香樟的生长, 2‰盐胁迫下,香樟可通过提高相对含水率、光合色素质量分数、NPQ 的耗散,关闭部分气孔,提高抗氧化酶活性,增大脯氨酸、可溶性蛋白含量来应对盐胁迫。盐处理达4‰后,香樟抗氧化酶活性逐渐下降,酶系统损伤越来越严重;可溶性糖和可溶性蛋白含量所起的调节作用逐渐变小;脯氨酸含量大量增加,所起的渗透调节作用逐渐变大,但远不足以应对盐胁迫,因此叶片严重失水;膜脂过氧化,膜稳定性遭破坏,光合机构损伤严重,危及其生命。

随着国家对生态文明建设的日益重视,以及国家及地方主体功能区规划的实施,对于水土保持的功能研究也越来越多。结合全国水土保持规划工作的需要,提出水土保持功能的概念、类型确定原则和功能类型,阐述了水土保持基础功能和社会经济功能的评价方法,以及各基础功能的评价指标体系。以太行山东部山地丘陵区为例,举例说明水土保持功能评价的过程和结果。对全国水土保持区划三级区基础功能进行统计分析,明确各功能的区域比例,提出8个一级区水土保持工作主要方向,维护和提高区域水土保持功能将成为水土保持工作的重点和方向。

为明确石漠化地区土地利用变化对生态服务价值(ESV)的影响。以广西典型石漠化区———隆林县和西林县为研究区,结合遥感解译与实地调查,分析2004—2010 年土地利用变化特征;采用Costanza 估算生态服务价值方法,基于谢高地的生态服务价值当量因子表,定量评价该区土地利用变化对9 项生态服务价值(气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、食物生产、原材料、美学景观)的影响。结果表明:研究期间,隆林县和西林县的林地、草地、建设用地面积均呈增加趋势,耕地、水域和未利用地面积则减少。两县总生态服务价值分别增加6.14 亿和3.27 亿元;除废物处理和食物生产价值减少外,其余7 项价值均增加;林地生态价值构成ESV 的主体。敏感性分析表明,研究区的ESV估算值相对稳定;生态经济协调度分析表明,两县的生态经济系统分别处于中度协调和潜在危机水平,说明隆林县生态环境有所改善,西林县需要加强生态建设。ESV 可作为衡量石漠化地区生态环境的1 个综合性指标,为当地制定生态环境保护政策提供参考依据。

烤烟碳氮代谢是重要的代谢过程,有机物料是作物所需养分的重要来源,直接影响烤烟的碳氮循环。通过盆栽试验,将玉米秸秆、猪粪和生物炭调节碳氮比为25颐1,分析不同有机物料在相同碳氮比下,对烤烟和植烟土壤主要碳氮组分和酶活性的影响。结果表明:添加生物炭与猪粪,能够显著提高烤烟的农艺性状,添加玉米秸秆,则会降低烤烟的农艺性状。添加生物炭能够显著增强烟叶碳氮关键酶活性;其中,硝酸还原酶活性、淀粉酶活性和转化酶活性最大分别达到33.3 µg/ (g·h)、14.42 mg/ (g·min)和5.08 mg/ (g·h)。与对照(不施有机物料)相比,添加有机物料能够显著增加烟叶氮、磷、钾质量分数。植烟土壤添加猪粪,可以提高土壤脲酶活性(最大值1.78 mg/ kg),但土壤蔗糖酶活性却基本不受有机物料种类的影响;同时,有机物料能够显著增加土壤有机质质量分数,土壤氮质量分数显著提升。特别是猪粪处理中,土壤全氮和碱解氮质量分数显著高于其他处理。有机物料的施用,促进土壤硝化作用,提高硝态氮质量分数。因此,添加生物炭能够提高烤烟碳氮代谢,协调烟叶化学成分,提高烤烟品质;添加猪粪更有利于提高土壤活性营养元素质量分数。

测钎法具有布设简单、实施灵活、选材方便、成本低廉的优点,在土壤侵蚀监测,特别是生产建设项目土壤侵蚀监测工作中应用广泛,但在实际使用中具有局限性。根据测纤法可测量的精度及其测定原理,从理论上推算适用测钎法的土壤侵蚀模数最低阈值,对提高土壤侵蚀监测精度具有现实意义。结果表明:使用测纤法进行土壤侵蚀监测,月度、季度和年度的监测值可适用的土壤侵蚀模数最低阈值分别为1 452、484 和121 t/ (km²·a),低于该阈值,监测数据精度不能保证。根据研究结果,建议在土壤侵蚀监测中,土壤侵蚀强度低于此阈值的地区或时段,宜采用其他监测方法,以确保土壤侵蚀监测结果的精确性。

华北平原作为我国的粮食主产区,土壤水分是制约作物生长的主要限制因子。本文首次运用土壤水分指数数据,对华北平原土壤水分以及灌溉特征进行空间分析,旨在为区域尺度农田旱情以及农作物产量的实时监测与预报提供相关参考。研究基于1993—2002 年华北平原逐旬降雨数据和主动微波遥感反演的土壤水分指数数据,应用地统计分析方法,分析典型干旱年(1999 年)该区表层土壤水分时空变异特征,并提取和分析小麦生长期内的灌溉信息;通过对逐旬的降水和土壤水分数据的空间叠置分析,提取区域内的灌溉信息。结果表明:1999 年降水量比多年(1993—2002 年)平均量少约140 mm;1999 年土壤水分变化与降水变化整体保持一致,低于多年平均水平,春季和夏季,土壤水分减少尤为明显,土壤干旱非常普遍;小麦生长期内,大部分地区均存在不同程度的灌溉,其中中部地区灌溉次数最少,占研究区面积的65%左右的南部和北部地区灌溉次数多为2 ~ 3 旬次。采用降水量和遥感水分监测数据,可以分析土壤水分变化的原因,提取灌溉的范围和时间特征,并可为旱情遥感监测提供科学参考。

降雨形成的径流是产生坡面土壤侵蚀的主要动力来源,径流流速是土壤侵蚀模型的重要参数之一。为研究电解质示踪法测量坡面水流流速过程中电解质优势流速和水流流速的关系,本研究利用实验水槽,在坡度4°、8°、12°,流量12、24、48 L/ min 条件下,于距离电解质注入位置0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 m 处放置探针测量电解质传递过程,计算不同工况下各测量断面的电解质优势流速。结果表明:流量对电解质优势流速的影响大于坡度对其影响,电解质优势流速随距离增加而增大,采用指数函数拟合计算得到的电解质优势流速随距离的变化过程,得到稳定的电解质优势流速,即水流优势流速,其范围在0.241 ~0.568 m/ s 之间。随坡度和流量的增大,水流优势流速均增大。流量对水流优势流速增长的影响大于坡度对其的影响。不同坡度和流量条件下,水流优势流速与平均流速基本一致,二者的比值为1.007,水流优势流速与最大流速的比值为0.774,平均流速与最大流速的比值为0.776,符合坡面薄层水流的流态。结果可为研究坡面薄层水流动力过程提供新的计算方法和参考数据。

浅沟侵蚀是土壤水蚀的一种重要形态。卷尺法是测量浅沟体积的重要方法。在使用卷尺法测量垄作耕地中的浅沟时会遇到一个难题,即:浅沟深度的测量位置只能选在垄台或垄沟,但无论选在哪里,所测得的浅沟深度都不能直接用来计算浅沟体积,而是需要先将其换算成无垄状态下的浅沟深度;而如何进行这种换算,尚缺乏相关报道。本研究旨在:建立1 个可以将在垄台处测得的浅沟深度(测量深度)换算为无垄状态下的浅沟深度(换算深度)的换算公式,以辅助今后的浅沟测量工作;并结合该换算公式和东北黑土区的实测浅沟数据,计算不换算(直接使用测量深度计算浅沟体积)情况下的误差,以探讨换算的必要性。为此,本研究利用平面几何知识建立换算公式,并在黑龙江省鹤山农场鹤北2 号小流域加以应用。结果表明: 1)换算深度是1 个以测量深度和垄台形态(高度、上宽、下宽)为自变量的函数。2)如果不换算(直接使用测量深度计算浅沟体积),会造成高估。垄作影响到浅沟深度的测量,但只要知道垄台形态,就可以将测量深度换算为换算深度。研究结果可以辅助今后的浅沟测量工作,具有一定实用价值。

水土保持涉及农业、林业、水利、国土、环保等部门以及生产建设各行业,任务艰巨、关系复杂。做好其顶层设计十分重要。水土保持顶层设计就是在全国水土保持规划的指导下,构建自上而下的水土保持规划体系,并通过不断协调各种关系和调整实施方案,最终达到既定的长远性、战略性总体目标和任务。2015 年国务院以国函也2015页160 号文批复了《全国水土保持规划(2015—2030)》,明确水土保持目标和任务。据此,针对水土保持面临的新形势和新问题,审视水土保持的区域、部门、行业特点,科学分析中央与地方、部门与行业、区域内部及区域之间、经济与生态、保护与利用等各种重要关系,提出水土保持落实顶层设计,分级实施全国水土保持规划的对策与建议,重点是建立相关部门的协作协调合作机制,健全我国水土保持规划体系,落实水土流失防治目标与任务,完善和拓展投入机制。