基于137Cs示踪技术的土壤侵蚀及养分流失特征评价

研究不同土地利用方式对小流域土壤侵蚀及其养分流失特征的影响有助于更好的理解土地利用方式变化引发的环境效应问题,对区域生态保护和高质量发展具有重要意义。选择陕北延安市湫沟小流域为研究对象,利用¹³⁷Cs示踪技术,定量评价了不同土地利用方式的土壤侵蚀和养分流失状况及其相互变化关系,结果表明：（1）土地利用方式显著影响小流域土壤侵蚀状况。土壤侵蚀模数介于-18.67-151.27 t km^-2 a^-1之间,大小顺序为沟道 > 苹果园 > 林地 > 草地 > 灌木,均为微度侵蚀。其中,除灌木地发生沉积以外,其它土地利用方式均发生了土壤侵蚀现象。（2）不同土地利用方式下的土壤侵蚀模数空间变异明显,除沟道为轻度变异以外,其它土地利用均为中等变异。（3）土壤全氮含量、有机质含量、N/P比和C/P比在不同土地利用方式下的变化特征表现一致,大小顺序均为灌木 > 草地 > 林地 > 沟道 > 苹果园,且在不同利用方式间均存在显著性差异。但全磷含量表现为灌木>苹果园>沟道>草地>林地,且与土壤全氮含量和有机质含量极显著正相关。同全国平均水平相比,土壤全氮含量偏低,全磷含量适中;C/N超过全国平均水平,而N/P和C/P远低于全国平均水平,小流域土壤氮限制严重。（4）土壤侵蚀是该小流域养分流失的重要诱因。不同土地利用方式土壤养分流失变化特征与土壤侵蚀模数表现一致,且两者呈极显著正相关关系;但与土壤全氮、全磷、有机质、N/P比及C/P比呈极显著负相关关系,与C/N比关系不显著。     

福建红壤区不同侵蚀强度马尾松林地土壤营养元素变化特征

采用野外调查和室内分析的方法对福建红壤区不同侵蚀强度马尾松林地土壤营养元素动态进行研究,以揭示红壤侵蚀区不同侵蚀强度对马尾松林地土壤营养元素的影响.结果表明:除速效磷以外,侵蚀强度显著改变了土壤有机质、碱解氮、全钾、速效钾的含量以及土壤pH.土壤有机质和碱解氮在中度侵蚀马尾松林地含量最高,随着侵蚀强度的增加植被覆盖减少,土壤有机质和碱解氮显著降低.土壤全钾和速效钾含量随着侵蚀强度的增加而显著增加,土壤速效磷随着侵蚀强度的增加没有显著的变化.土壤pH值随着土壤侵蚀强度和土壤深度的增加而显著增加.皮尔逊相关关系分析表明:有机质与碱解氮、全钾和pH显著相关.灰色关联度分析表明:除侵蚀强度对营养元素和pH有显著影响外,坡度对土壤营养元素和pH影响较大;覆盖度对有机质、碱解氮和速效磷影响较大.因此,植被恢复和植被生境的综合治理是红壤侵蚀区生态恢复与重建的有效途径.     

聚丙烯酰胺对坡地苹果园水土流失和土壤养分流失的影响

为了改善坡地苹果园的土壤环境,遏制水土流失和土壤养分流失,探寻聚丙烯酰胺适宜的干撒施用量,2010—2012年在陕北丘陵沟壑区的坡地苹果园,以不施聚丙烯酰胺为对照,分别撒施0.6、0.8、1.0、1.2、1.4和1.6 g·m^-2的聚丙烯酰胺,监测果园地表产流、土壤流失、养分流失和苹果植株生长状况.结果表明: 坡地果园的径流量和5—7月的产流次数均随聚丙烯酰胺撒施量的增加呈“V”型变化,其中撒施量为1.0 g·m^-2时最低,但果园侵蚀泥沙量则随聚丙烯酰胺撒施量的增加而降低.地表径流和侵蚀泥沙中的铵态氮、速效磷和速效钾的浓度均随聚丙烯酰胺撒施量的增加而降低;聚丙烯酰胺可显著降低地表径流中的硝态氮含量,对侵蚀泥沙中的硝态氮含量则无显著影响;侵蚀泥沙中的有机质、全氮、全磷和全钾含量均随聚丙烯酰胺撒施量的增加而降低.聚丙烯酰胺提高了苹果单果质量及产量,但对苹果植株生长及果实风味品质无显著影响.聚丙烯酰胺在坡地苹果园中的适宜撒施量应为1.0 g·m^-2.     

黑土坡耕地有机碳变化及固碳潜力分析

东北黑土区自开垦以来有机质含量逐渐降低,有机碳库长期处于亏缺状态,理论上也具有较大的固碳潜力。以典型黑土区长期传统作业的坡耕地(30—60 a)为研究对象,通过测定不同坡位(坡上侵蚀区和坡下沉积区)、不同土层(表土和底土)有机碳分布特征,估算不同开垦年限黑土固碳潜力及其恢复至固碳潜力所需的时间。结果表明:(1)总有机碳、有机碳密度以及碳饱和水平均表现为沉积区显著大于侵蚀区,表土显著大于底土,且均在开垦30a坡耕地达到最大值;(2)固碳潜力表现为侵蚀区(1.24—2.89 kg/m~2)显著大于沉积区(0.79—1.04 kg/m~2),底土(0.83—3.59 kg/m~2)显著大于表土(0.6—2.53 kg/m~2),随着开垦年限的增加表现为开垦30 a显著小于开垦40 a、60 a;(3)黑土坡耕地(30—60 a)侵蚀区和沉积区土壤(0—50 cm)达到固碳潜力分别需要20—181 a和13—66 a。黑土坡耕地固碳潜力的时空变异性在农业经营以及修复管理过程中需引起重视,以实现黑土资源的可持续利用。     

细沟发育与形态特征研究进展

细沟发育导致坡耕地表土和养分流失,严重危害农业生产和生态环境;而细沟形态对坡面径流和侵蚀具有重要影响。分析了细沟发育过程、细沟形态特征及二者耦合关系的研究进展,指出了各自研究中存在的主要问题,并提出了细沟发育与形态特征研究中需要加强的重点领域。     

加速侵蚀对土壤腐蚀酸动态变化的影响

土壤腐殖酸的流失是土壤退化的标志之一。林地被开垦破坏后,土壤腐殖酸的流失程度在坡面上空间分布与侵蚀方式和侵蚀强度相对应,坡面中部和中下部浅沟沟槽处最为严重,细沟侵蚀区次之,梁峁上部片蚀区相对最弱。侵蚀土壤中的腐殖酸总碳、胡敏酸碳和富啡酸碳含量随开垦年限的增加呈指数减少,其减少程度受侵包庇中度和侵蚀广度匠影响。腐殖酸的流失与加速侵蚀造在怕土壤剖面破坏密切相关,恢复植被可使土壤腐殖酸逐渐增加,土壤肥力     

加速侵蚀对土壤腐殖酸动态变化的影响

土壤腐殖酸的流失是土壤退化的标志之一。林地被开垦破坏后,土壤腐殖酸的流失程度在坡面上的空间分布与侵蚀方式和侵蚀强度相对应,坡面中部和中下部浅沟沟槽处最为严重,细沟侵蚀区次之,梁峁上部片蚀区相对最弱。侵蚀土壤中的腐殖酸总碳、胡敏酸碳和富啡酸碳含量随开垦年限的增加呈指数减少,其减少程度受侵蚀强度和侵蚀方式的影响。腐殖酸的流失程度与加速侵蚀造成的土壤剖面破坏密切相关。恢复植被可使土壤腐殖酸逐渐增加,土壤肥力得到恢复,土壤退化过程得到逆转。     

皇甫川流域不同尺度景观分异下的土壤性状

皇甫川流域地处我国北方农牧交错带中段,是该地区正在进行的国家重点基础规划(“973”)项目设置的范式点之一。按照区域-小流域-中小地形这样的景观分类的等级体系,通过代表小流域的样带设置、实地调查和取样分析等,对该地区区域尺度、流域尺度和中小地形尺度景观分异下的土壤性状进行了分析。在此基础上,对研究区优化生态-生产范式的空间配置问题进行了探讨。结果表明:(1)总体上该研究区土壤养分含量低、发育程度差。(2)不同地质地貌类型区的土壤特性存在差异,黄土丘陵沟壑区的小流域比沙化黄土丘陵区和砒砂岩裸露丘陵沟壑区的小流域的土壤养分和质地好,相对更适于发展耕地。(3)中小地形尺度下,坡向、坡度和坡位及土地利用与土壤性状的关系为:1阴坡和阳坡的土壤有机质含量存在差异显著,且土壤养分还随着坡的向阳程度的减弱而增加。川地的土壤养分也较高,但土壤偏砂性。2坡度与土壤粒径存在显著相关,坡度不同侵蚀强度也不同。15°是侵蚀加剧的临界值,把它作为当地的退耕坡度标准是合理的。3土壤表层养分总体表现为随坡位的下降而减少的趋势。4综合考虑中小地形条件,景观立地类型可以划分为川台地养分富集区,坡中下部养分严重流失区(坡度>15°)和坡梁缓坡地养分涵养区(坡度<15°)。5中小地形尺度下,样带剖面上土地利用变化对土壤性状的影响较大:乔木林土壤养分积累高、团粒结构好,灌木林由于放牧和沙化的影响,土壤养分最低,砂粒含量最高而粘粒含量最低。撂荒地的土壤养分少而农田和果园的土壤养分较高。荒草地的土壤养分条件较差。但就耕地与非耕地而言,土壤养分和质地并无显著差异。说明耕地熟化作用很弱,广种薄收、靠天吃饭现象十分普遍;(4)不同尺度景观分异下的土壤性状研究是优化生态-生产范式的构建的重要理论基础。     

红壤剖面土壤养分对土地利用变化响应的敏感性

为了解红壤剖面土壤养分及其有效形态的分布以及对高强度土地利用的响应,本研究选取位于湘东大围山低丘陵地带同一景观单元内花岗岩红壤发育的4种毗邻的典型土地利用方式(包括樟树天然林以及由此转变而来的杉木人工林、板栗园和坡耕地),采用自制土钻以20 cm等间隔采集0~100 cm土壤样品,测定各土层的p H、有机质、大量元素(全氮、全磷、全钾)及其有效态(碱解氮、有效磷、速效钾)、中量(钙、镁)和微量元素(铁、锰、铜、锌)有效态的含量,并计算不同养分的敏感性指数(SI),分析土壤养分对土地利用变化响应的敏感性。结果表明,天然林地改为其他土地利用方式,0~100 cm土壤剖面有机质、全氮含量分别降低9%~55%和28%~57%,全磷含量则升高0.3~52倍,高强度的人类活动(如施肥)导致土壤剖面有机质和全氮的损失,但却引起磷素的累积。较之土壤全量养分(SI介于-0.6~1.5),有效态养分含量(SI介于-0.8~51.8)对土地利用变化的响应更为敏感。土壤有效磷(SI介于-0.8~51.8)、速效钾(SI介于-0.5~2.9)、有效态铁(SI介于-0.6~3.1)、有效态铜(SI介于-0.8~2.2)含量对土地利用变化以正响应为主,反映土地利用方式的转变提高了土壤剖面上养分的有效性。与表土相比,花岗岩红壤底土有效态养分(如碱解氮、有效磷、速效钾、有效态锰、锌)含量对土地利用变化的响应更敏感。不能简单地将不同土地利用方式浅层表土养分的研究结论外推到深层底土,应重视土地利用变化引起的底土养分(尤其是有效态和中、微量元素)的演变趋势。     

壤中流和土壤解冻深度对黑土坡面融雪侵蚀的影响

融雪侵蚀是东北黑土区土壤流失的一种重要形式,而目前有关壤中流和土壤解冻深度对融雪径流侵蚀的影响研究较少。本研究采用室内模拟试验,设计两个融雪径流量(1和4 L·min^-1)和两个土壤解冻深度(5和10 cm),以及有、无壤中流处理,分析壤中流和土壤解冻深度对黑土区坡面融雪侵蚀的影响。结果表明: 1)壤中流处理下坡面融雪径流深度和侵蚀量分别是无壤中流处理的1.1～1.2倍和1.3～1.9倍。两个融雪径流量下,当土壤解冻深度由5 cm增加到10 cm时,无壤中流处理下坡面融雪径流深度和侵蚀量分别增加10.0%～13.5%和15.4%～37.1%;而有壤中流处理下坡面融雪径流深度增加6.5%～8.5%,融雪侵蚀量则无显著变化。2)坡面细沟发育受壤中流、土壤解冻深度和融雪径流量的综合影响,各处理下细沟侵蚀量占坡面融雪侵蚀量的72%以上。3)壤中流发生使坡面径流流速和径流剪切力分别增加20.3%～23.2%和37.0%～51.3%,Darcy-Weisbach阻力系数减少9.0%～21.4%,从而增加了坡面融雪侵蚀量;且壤中流发生促进了坡面细沟发育,其细沟侵蚀量较无壤中流处理增加43.6%～69.9%,也导致坡面融雪侵蚀量增加。无壤中流条件下,土壤解冻深度加剧坡面融雪侵蚀的主要原因是随着土壤解冻深度的增加,坡面径流侵蚀能力和可蚀性物质来源增加,导致融雪径流侵蚀量增加。此外,土壤解冻深度对壤中流条件下细沟形态发育也有明显的影响,土壤解冻深度为5 cm时,细沟横向加宽作用显著;而土壤解冻深度为10 cm时,细沟下切侵蚀作用更显著。本研究加深了对黑土区融雪侵蚀机理的认识,可为水蚀模型的研发提供理论指导。     

植被覆盖度和综合治理对纸坊沟流域土壤氮素流失的影响

同小流域土壤侵蚀一样,小流域土壤氮素随洪流流失也受到植被覆盖度的影响,通常经过调整小流域内土地利用结构以达到控制水土流失.该研究以8.27 km2纸坊沟流域和1:400比例流域模型为研究对象,研究植被覆盖度和综合治理对纸坊沟流域土壤氮素流失的影响.结果表明:在模拟降雨下,当流域植被覆盖度分别为60%、40%、20%和0时,流域模型铵态氮流失量分别为87.08、44.31、25.16和13.71 kg/km2,硝态氮为85.50、74.05、63.95和56.23 kg/km2,全氮为0.81、1.18、1.98和7.51 t/km2;在自然降雨下,1998年与1992年相比,全流域年土壤侵蚀量为1 086 t/km2和1 119 t/km2,氮素流失量为8 758.5和7 562.2 kg,减少了15.8%,其中农地减少了52.0%.流域对降水中的矿质氮具有过滤作用,硝态氮的过滤作用明显高于铵态氮.洪流泥沙中＜20 μm微团聚体富集造成了泥沙有机质和全氮的富集.植被覆盖虽能有效地减少流域土壤侵蚀和全氮的流失,却能增加土壤矿质氮的流失.坡地退耕还林草可显著减少流域土壤氮素流失.     

植被覆盖度和综合治理对纸坊沟流域土壤氮素流失的影响

同小流域土壤侵蚀一样,小流域土壤氮素随洪流流失也受到植被覆盖度的影响,通常经过调整小流域内土地利用结构以达到控制水土流失。该研究以8.27 km2纸坊沟流域和1:400比例流域模型为研究对象,研究植被覆盖度和综合治理对纸坊沟流域土壤氮素流失的影响。结果表明:在模拟降雨下,当流域植被覆盖度分别为60%、40%、20%和0时,流域模型铵态氮流失量分别为87.08、44.31、25.16和13.71 kg/km2,硝态氮为85.50、74.05、63.95和56.23 kg/km2,全氮为0.81、1.18、1.98和7.51 t/km2;在自然降雨下,1998年与1992年相比,全流域年土壤侵蚀量为1 086 t/km2和1 119 t/km2,氮素流失量为8 758.5和7 562.2 kg,减少了15.8%,其中农地减少了52.0%。流域对降水中的矿质氮具有过滤作用,硝态氮的过滤作用明显高于铵态氮。洪流泥沙中<20 mm微团聚体富集造成了泥沙有机质和全氮的富集。植被覆盖虽能有效地减少流域土壤侵蚀和全氮的流失,却能增加土壤矿质氮的流失。坡地退耕还林草可显著减少流域土壤氮素流失。     

Implications of land-cover types for soil erosion on semiarid mountain slopes: Towards sustainable land use in problematic landscapes

The impact of land-cover types on soil erosion and runoff, as well as on physico-chemical soil properties, was monitored. The study area, an agroforestry landscape was located in Sierra Nevada Mountains in south-eastern Spain. Eight land-cover types were investigated: farmland planted with olive, almond, and cereals; forest with P. halepensis and P. sylvestris; shrubland; grassland; and abandoned farmland. The erosion plots replicated twice were located on hillslopes, where erosion and runoff were measured after 22 storm events. Forest dominated by Pinus stands exhibited significantly the lowest amounts of erosion and runoff, contrasting with abandoned farmland. Olive had higher erosion than did almond, cereals, or grasslands, but with the highest runoff rate under almond groves. The erosion and runoff response to shrubland showed an intermediate situation between forest and farmland–grassland uses. Under forest and shrubland, better soil properties were determined, especially higher organic C and total N, and lower soil-bulk density. Erosion was highly dependent on runoff, bulk density, soil organic C, and the degree of soil surface covered. Thus, the alteration in land cover is essential to an understanding of productivity of soil undergoing erosion, as sustainable planning can mitigate soil-degradation processes in the overall agroforestry landscape.     

砾石对红壤工程堆积体边坡径流产沙的影响

为探究砾石对红壤工程堆积体边坡降雨侵蚀的影响,基于室内模拟降雨试验,在1.0、1.5、2.0、2.5 mm/min雨强条件下,以土质边坡为对照,研究了10%、20%和30%的砾石质量分数红壤工程堆积体边坡的径流特征、产沙过程及侵蚀动力机制。结果表明：1）砾石质量分数对稳定径流强度的影响存在阈值,在雨强 > 1.0 mm/min时稳定径流强度随砾石质量分数的增加先减小后增大,在1.0 mm/min雨强时则表现为先增大后减小,且均在10%砾石质量分数下达到极值;2）雨强1.0 mm/min时,径流为缓流,砾石促进径流流动,使弗汝德数增大24.5%-87.8%,雨强2.0、2.5 mm/min时,径流为急流,砾石延缓径流流动,使弗汝德数降低4.2%-13.0%;3）侵蚀速率随产流历时变化过程受砾石质量分数和雨强的影响,雨强越大,砾石质量分数越低,边坡越易发生细沟侵蚀且伴随重力崩塌现象,侵蚀速率呈多峰多谷变化趋势;4）1.0 mm/min雨强时,砾石存在加剧了土壤侵蚀,产沙增幅达28.7%-50.5%;雨强 > 1.0 mm/min时,砾石减沙效益为5.0%-64.4%;5）径流功率是描述红壤工程堆积体侵蚀动力机制最优参数,其可蚀性参数及发生侵蚀临界径流功率从大到小对应的砾石质量分数均为10%、0、20%和30%。研究成果可为红壤区开发建设项目水土流失治理及侵蚀预测模型提供科学依据。     

Grass mulching effect on infiltration, surface runoff and soil loss of three agricultural soils in Nigeria

Mulching the soil surface with a layer of plant residue is an effective method of conserving water and soil because it reduces surface runoff, increases infiltration of water into the soil and retard soil erosion. The effectiveness of using elephant grass (Pennisetum purpureum) as mulching material was evaluated in the laboratory using a rainfall simulator set at rainfall intensities typical of the tropics. Six soil samples, two from each of the three major soil series representing the main agricultural soils in South Western Nigeria were collected, placed on three different slopes, and mulched with different rates of the grass. The surface runoff, soil loss, and apparent cumulative infiltration were then measured under each condition. The results with elephant grass compared favorably with results from previous experiments using rice straw. Runoff and soil loss decreased with the amount of mulch used and increased with slope. Surface runoff, infiltration and soil loss had high correlations (R = 0.90, 0.89, and 0.86, respectively) with slope and mulch cover using surface response analysis. The mean surface runoff was correlated negatively with sand content, while mean soil loss was correlated positively with colloidal content (clay and organic matter) of the soil. Infiltration was increased and soil loss was reduced greatly with the highest cover. Mulching the soils with elephant grass residue may benefit late cropping (second cropping) by increasing stored soil water for use during dry weather and help to reduce erosion on sloping land.     

黄土区草本植被根系与土壤垂直侵蚀产沙关系研究

为了系统揭示植被根系对径流侵蚀产沙的影响,采用土钻法对草地植被根系分布特征进行系统调查,采用分层冲刷的方法对黄土高原草地土壤不同坡度、不同流量条件下的侵蚀产沙特征进行了研究。结果表明不同立地上的植被根系都表现出了随着土层深度增加而减少的趋势。分层冲刷的试验结果表明在土壤表层,植被根系对侵蚀产沙的影响是占主导地位的;而当土层超过一定深度后,根系的分布数量减少,不同流量和坡度下的深层土壤侵蚀产沙量明显增加,根系提高土壤抵抗径流侵蚀产沙的能力受到了限制。同时随着土层深度的不断加大,坡面上径流侵蚀的形态也在发生变化,逐渐从面蚀向细沟侵蚀发展。结合对草地植被根系生物量垂直分布特征的研究,证明土壤侵蚀产沙的这种变化是与草本植被根系的分布特征密切相关的。通过进一步分析植被根系分布特征和土壤垂直侵蚀产沙之间的联系,建立了草地植被根系生物量与土壤垂直侵蚀产沙特征之间的定量关系。     

火干扰对森林土壤斥水性的影响研究进展

土壤斥水性是指水分不能或很难湿润土壤颗粒表面的现象,很多植被类型及气候带森林存在土壤斥水性。土壤斥水性受水分、温度、干湿交替、土壤质地、植被类型等生物和非生物因子的影响。而火干扰是森林生态系统土壤斥水性的重要影响因子,使森林土壤斥水性增强,渗透率降低,地表截留体减少,从而增加地表径流和土壤侵蚀。就火干扰对土壤斥水性的发生机理及其对水文过程的影响进行了较为全面的总结和讨论,并指出目前存在的问题和未来的研究重点。森林火灾后火烧迹地地表径流和土壤侵蚀显著增加,定量预测火灾后土壤斥水性对径流与侵蚀的影响比较困难,因此,基于不同尺度和自然降雨的火灾后斥水性对地表径流和土壤侵蚀的实验及长期定位观测是今后的研究方向与重点。     

辽西半干旱区典型人工林生态系统的水土保持功能

从森林生态系统地表径流和土壤侵蚀角度对辽西半干旱区5种人工林生态系统的水土保持功能进行了定量研究．结果表明：不同类型人工林生态系统可以有效地减少地表径流及土壤侵蚀．油松纯林、油松-沙棘混交林、沙棘林、小叶杨纯林和小叶杨-沙棘混交林6—9月的月平均地表径流系数分别为荒山（对照）的10．1％、6．5％、2．3％、8．6％和5．3％,土壤侵蚀量分别为荒山的2．65％、0．96％、0．15％、2．32％和0．69％．5种人工林生态系统中,沙棘林的地表径流量和土壤侵蚀量最小,水土保持功能最佳．     

模拟降雨下喀斯特坡耕地土壤养分输出机制

喀斯特区坡耕地水土及养分流失不仅是该区土地质量退化、土地生产力衰退主要原因,同时也是该区地下水质污染的重要因素。为揭示喀斯特坡耕地地表和地下二元空间结构下的土壤养分流失机制,以喀斯特坡耕地为研究对象,通过模拟其地表微地貌及地下孔(裂)隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究不同雨强下喀斯特坡耕地地表及地下水土及其氮、磷、钾流失特征。结果表明:(1)小雨强(50mm/h)和中雨强下(70mm/h),喀斯特坡耕地坡面产流主要以地下产流为主;大雨强下(90mm/h),地表径流高于地下径流;产沙方式则表现为由小雨的地表和地下产沙并重到中大雨强的地表产沙为主的一个转变过程。(2)在降雨侵蚀过程中,径流各养分输出浓度均表现出一定的初期冲刷效应,受土壤吸附作用影响,雨强对全钾(TK)和全氮(TN)的影响较全磷(TP)明显。(3)地表径流、地表泥沙和总泥沙各养分输出负荷均随雨强增大而增加,坡面径流泥沙总的TK输出负荷以泥沙为主,而TN和TP输出负荷则以径流为主;TP和TN在径流的输出负荷上以地下径流输出为主(其中TP地表负荷比在11.6%—46.2%,TN在7.0%—48.5%之间),而TK则以二者并重(地表负荷比在43.5%—57.0%之间);各养分在泥沙的输出负荷上则均以地表泥沙流失为主,其负荷比均在54.5%以上。研究结果可为喀斯特区坡耕地水土流失及养分流失的源头控制提供基本参数和科学依据。