黑土坡耕地有机碳及其组分累积-损耗格局对耕作侵蚀与水蚀的响应

耕作与水蚀是黑土区坡耕地碳库退化的主导因素,为进一步探究土壤有机碳(SOC)及其组分对不同侵蚀驱动力(耕作、水力)的响应格局,基于该区耕作侵蚀与水蚀模型,在定量表达耕作侵蚀-沉积量与水蚀量的基础上,利用地统计学的方法,分析了东北黑土区典型漫岗地形坡面尺度SOC及其3种组分的空间分布特征.结果表明: 耕作侵蚀与沉积速率分别表现为坡上>坡下>坡中>坡脚和坡脚>坡下>坡中>坡上;水蚀速率表现为坡下>坡脚>坡中>坡上;坡下陡坡位置耕作侵蚀与水蚀协同引起严重的土壤流失.虽然耕作侵蚀速率(0.02～7.02 t·hm^-2·a^-1)远小于水蚀速率(5.96～101.17 t·hm^-2·a^-1),但耕作侵蚀在全坡面范围均可对SOC产生不同程度的影响,而水蚀则主要在坡下径流汇集区显著影响SOC的累积-损耗.受水蚀与耕作侵蚀-沉积作用影响,SOC、颗粒有机碳、水溶性有机碳在侵蚀点含量低于沉积点,而微生物生物量碳变化趋势相反;耕作侵蚀通过影响颗粒有机碳参与SOC的积累-损耗过程.     

土壤侵蚀定量评价的空间尺度效应

土壤侵蚀的空间尺度效应使得小尺度上观测到的大量数据无法得到有效的利用,给多空间尺度土壤侵蚀定量评价带来了困难和问题。对土壤侵蚀定量评价研究中的空间尺度效应及其机理和空间尺度转换方法进行了综述。分离、搬运和堆积子系统之间的协同效应与大尺度土壤侵蚀背景条件之间的协同效应是土壤侵蚀空间尺度效应产生的根本原因。在土壤侵蚀定量评价中,基本侵蚀单元地表参数的定量描述是建立土壤侵蚀空间尺度转换模型的基础。     

不同耕作方式对内蒙古旱作农田土壤侵蚀的影响

研究黄河流域内蒙古黄土高原丘陵区农田土壤侵蚀状况,对本区域生态农业建设具有重要的意义。试验于2006年在内蒙古呼和浩特市清水河县进行,设免耕(NT)、免耕覆盖(NS)和传统耕作(CT)3种耕作处理方式,种植作物为胡麻和燕麦,观测了全年降雨量和地表水径流量及土壤流失量。结果表明:免耕覆盖及免耕能显著减少降雨对土壤的侵蚀,与传统耕作相比,免耕覆盖处理的燕麦地地表水径流量和土壤的流失量分别减少21.9%和88.3%;3种耕作方式的土壤侵蚀量均受到坡度的影响,并随着坡度的增大而增大,相同环境条件下,不同作物存在一定差异;通过对3种耕作方式下,胡麻和燕麦田土壤侵蚀量与降雨量的关系符合幂函数,且拟合优度良好,均>0.9。     

坡耕地紫色土养分空间变异对土壤侵蚀的响应

坡耕地土壤侵蚀导致土壤质量降低,并因此造成对作物产量的不利影响。利用土壤侵蚀测定的^137Cs示踪技术,结合土壤理化分析,研究了川中丘陵区紫色土坡耕地土壤侵蚀所引起的土壤再分配对养分空间变异性的影响。结果表明,川中丘陵区坡耕地土壤侵蚀是水蚀和耕作侵蚀共同作用的结果,强烈的耕作导致坡上部发生最为严重的土壤侵蚀。土壤侵蚀对土壤特性的空间变异性产生深刻影响,坡上部土壤有机质和养分贫瘠,而在坡下部相对富集;土壤有机质、全N、碱解N、有效P、K以及土壤粘粒含量在不同坡位之间出现显著差异。反映净余土壤再分配速率的^137Cs面积浓度与这些土壤理化特性均有密切的相关性。因此,^137Cs面积浓度可以作为表征侵蚀坡地土壤综合质量的指标。     

汉江流域景观格局变化对土壤侵蚀的影响

在流域尺度上,景观格局变化是决定土壤侵蚀程度的重要因素。以汉江流域为研究区域,基于2000—2015年四期土地利用类型数据及环境气象数据,运用中国土壤流失方程和逐步回归法,探究景观格局变化对土壤侵蚀的影响。结果表明:(1)在2000—2015年间,汉江流域土壤侵蚀量下降,高值区分布在流域中部草地区,低值区分布在流域东西两侧的林地和耕地区。不同坡度下各等级土壤侵蚀量不同,侵蚀量最大值出现在10—30°的坡度范围内。(2)研究期间,汉江流域的景观破碎化程度加强,斑块形状趋于简单,各斑块自身连通性增强,景观类型空间分布均匀。(3)汉江流域土壤侵蚀量与斑块密度和平均邻接度指数呈正相关,与蔓延度指数和香农均匀度指数呈负相关,即景观破碎度越高、连通性越差,土壤越容易遭受侵蚀,反之则不易受到侵蚀;研究表明景观格局变化对土壤侵蚀有显著影响,结果可为流域尺度景观管理与水土保持研究提供参考。     

植被格局对侵蚀产沙影响的研究评述

土壤侵蚀是人类可持续发展的重要挑战,植被重建则是防控侵蚀产沙的有效手段。在当前水土资源日益稀缺的新形势下,优化植被布局将成为黄土高原等生态脆弱地区未来阻蚀减沙、改善环境的重要途径,有关植被格局对侵蚀产沙影响的科技需求更加急迫、意义更加重要。为此,从坡面与流域两个尺度,总结评述了侵蚀产沙研究中的植被格局表征、侵蚀产沙对植被格局的变化响应两个议题的研究进展。分析认为,目前主要存在缺乏反映侵蚀产沙过程的植被格局表征指数、较少考虑植被与地形叠置格局对侵蚀产沙的耦合影响、尚未建立侵蚀产沙对植被格局的直观响应关系等问题。为促进有关研究,今后在格局指数和耦合关系的构建中应重视植被和地形对侵蚀产沙过程的耦合影响,并选用具有良好应用精度的分布式物理成因模型,以获得反映植被格局影响的流域侵蚀产沙结果。同时,可通过采用GIS空间分析技术,设计获得更多的典型植被格局及对应情景的侵蚀产沙,以丰富基础资料,减少信息干扰。     

物种多样性的空间格局及其形成机制初探

在物种多样性变化的空间格局中,得到广泛研究的是物种多样性的梯度变化特征。在短短不到五十年的时间,已经提出了十几种学说来解释为什么会形成这种梯度特征。在这些解释中,ESA假说是最近才提出的,因而似乎显得更合理一些。综合这十几种学说,作者提出了一些自己的想法,即所有以前提出的假说都可以归入两上门类,一类是属于环境因子,另一类是属于生物因子类的。在这两类因子间,环境因子是首要的,而生物因子是第二位的。     

1995～2000年中国沙地空间格局变化的遥感研究

利用遥感方法 ,在覆盖全国的 Landsat-TM数据的基础上 ,对 1 995年和 2 0 0 0年中国沙地的空间分布格局与动态变化进行了调查。结果显示了 2 0 0 0年中国沙地总面积为 5 9× 1 0 4 km2 ,主要分布于各主要沙漠和我国的 7个主要省份。1 995～ 2 0 0 0年 ,有 470 9.7km2的土地转化为沙地 ,同时又有 2 1 5 6.4km2的沙地转化为其它土地利用类型 ,沙地总面积扩大了2 5 5 3 .3 km2 。对变化为沙地的土地进行分析 ,发现草地占主要部分 ,但耕地所占的比重也非常突出 ,同时也表明有部分沙地变化为草地和耕地。根据土地沙化的空间分布特征 ,将土地沙化过程分为 5种格局 :沙地 -绿洲型、沙漠型、沙地 -黄土过渡型、沙地 -草地型和高原风蚀型。通过对中国发生土地风蚀沙化的主要省份在 1 995～ 2 0 0 0年间的土地利用动态变化发现 ,土地利用变化是促使土地发生沙化的一个重要因素。在 5 a的时间里 ,7个省份耕地总面积扩大了 90 3 9.7km2 ,草地减少了 1 1 5 97.9km2。耕地的增加部分几乎均表现为对草地的侵占 ,土地变为沙地也主要发生在草地区。人为因素导致的耕地面积扩大是促使土地沙化的重要原因。对主要省份的土地利用方式进行分析 ,探讨不同地区减轻土地沙化趋势下的土地利用布局。     

农业生态系统模式的形成演替及其空间分布格局探讨

农业生态系统模式是由生物要素与非生物环境之间相互作用而构成的一个物质实体 ,它会随时间的变化而发生状态的演替或“位移” ,在空间上也会呈现一定的分布格局 ,那么引起农业生态系统形成与演替的动因是什么 ?其运行的内在机制是什么 ?是农业生态学中值得探讨的一个重要问题 ,目前也是一个较为薄弱的研究领域。农业生态系统模式时空分布与演替规律的研究可对农业生态系统的设计与构建、区域模式群的景观生态规划与布局提供重要的理论依据与实践指导。1　农业生态系统模式形成与演替　　农业生态系统模式是区域自然环境与社会经济条件共同…     

华北山地典型天然次生林群落的树种空间分布格局及其关联性

关帝山华北落叶松、云杉、杨桦天然次生林植被类型是华北高海拔地带代表性的森林类型。以该地区上述3种典型的天然次生林群落为例,运用点格局分析中的单变量O-ring统计方法,分析各群落主要树种的种群空间分布格局;用双变量O-ring统计方法,分析各群落中树种间的空间关联性;并对同一树种在不同森林群落类型中种群空间分布格局和种间关联性的变化进行比较,以探讨华北山地次生林群落空间格局形成和种群维持与动态机制。研究结果表明,(1)各种群在相对小的尺度上聚集分布特征明显,随尺度增加树木种群的聚集性减弱并逐渐表现出随机分布的格局特征;(2)同一树种在不同森林群落类型中空间分布格局差异很大。红桦、白桦和山杨在阔叶林中呈明显的小尺度聚集分布格局,而在针叶林群落呈随机分布。在阔叶次生林中混生的小龄级华北落叶松呈现聚集性空间分布格局。在华北落叶松为优势树种的针叶林中,大龄级的华北落叶松表现出小尺度上均匀分布和较大尺度上随机分布的格局特征;(3)各群落中树种间的空间关联性主要表现在小尺度范围,随尺度加大空间关联性逐渐不明显;(4)在阔叶树占优势的次生林,小龄级华北落叶松与桦木的分布有较明显的空间正关联性,而在华北落叶松为优势树种的针叶林,桦与华北落叶松并未表现明显的空间关联性。种群分布格局和种群间的空间关联性随群落结构、空间尺度和龄级结构不同而有较大变化。     

黄土丘陵沟壑区黄土坡面侵蚀过程及其影响因素

降雨强度、坡长、坡度是影响坡面产流产沙的重要因素.为定量分析降雨强度、坡长、坡度对黄土丘陵沟壑区安塞黄土坡面侵蚀过程的影响,本研究基于室内人工模拟降雨试验,分析2个坡长(5、10 m)、3个坡度(5°、10°、15°)、2个降雨强度(60、90 mm·h-1)下安塞黄土坡面产流产沙规律.结果 表明:初始产流时间随坡长增...     

黄土丘陵沟壑区自然恢复草被对浅沟侵蚀的影响

浅沟侵蚀是黄土高原丘陵沟壑区的一种重要侵蚀类型.以往研究多侧重于农地浅沟,有关自然恢复草被对浅沟侵蚀影响的研究甚少.本研究采用野外原位冲刷试验,以裸地浅沟为对照,探究放水流量为5、10、15、20和25 L·min^-1条件下草地浅沟的径流产沙特征及侵蚀机理.结果表明: 与裸地相比,草地浅沟平均流速、稳定径流率、雷诺数、弗劳德数分别减小25.4%～67.3%、8.4%～26.6%、54.9%～80.5%、18.6%～65.1%,阻力系数增大0.09～7.18倍.草地浅沟最大产沙率、稳定产沙率和平均产沙率较裸地浅沟分别减小55.1%～90.9%、61.8%～95.4%和64.8%～92.4%;5～25 L·min^-1放水流量下,自然恢复草被的减沙效益可达65.9%～88.8%,且随放水流量增大,减沙效益呈减小趋势.与裸地相比,草地浅沟的平均径流功率和平均径流剪切力分别减小54.9%～80.5%和12.4%～51.1%,临界径流功率增大1.43倍,临界剪切力增大33.7%;草地和裸地浅沟平均产沙率与平均径流功率、平均径流剪切力均呈显著线性相关.自然恢复草被显著增加了浅沟抗蚀性能,降低了浅沟径流侵蚀能力.     

黄土丘陵区小流域土地利用对土壤有机碳和全氮的影响

通过野外调查和室内分析,研究了黄土丘陵沟壑区燕沟流域农地、果园、林地和草地0～20cm表层土壤的有机碳(SOC)和全氮(TSN)积累特征.结果表明:该区SOC含量平均值为7·56g·kg-1,TSN平均值为0·71g·kg-1.其中,农地SOC和TSN平均值分别为4·67和0·48g·kg-1,且梯田较低,川坝地较高.与农地相比,果园SOC(4·33g·kg-1)和TSN(0·46g·kg-1)平均值略有降低,草地较高.林地SOC和TSN平均值较农地高117·7%和89·4%.该区SOC和TSN含量的变异系数为69·7%和58·4%,以林地最大(62·8%和54·5%),草地和农地次之,果园最小(18·0%和22·9%).土壤C/N依果园、农地、草地和林地的顺序递增.该区各类土地利用方式下的SOC和TSN都呈极显著正相关(r=0·9791).黄土丘陵沟壑区基本农田建设和果园建设对SOC和TSN积累作用不明显;退耕还林还草、封山育林等土地利用优化措施明显促进了SOC和TSN的积累.     

陕北黄土丘陵区露水量及影响因子

为探明中国黄土丘陵半干旱区露水量特征及其影响因子,利用叶片湿度传感器(LWS)在陕西安塞县进行1年的监测试验.结果表明: 安塞地区2015—2016水文年露水总量为29.85 mm,日最大露水量可达0.82 mm.露水凝结量主要呈现日变化和季节变化两种特征,日变化过程中露水凝结量大多发生在18:00至次日7:00;季节变化中露水在秋季凝结量最大,夏季次之,春、冬季最少.在时空分布上,露水和降雨高度互补,露水大多产生于晴朗无云夜间,但降雨前后几天更有利于露水凝结.空气相对湿度和气温-露点差是影响露水凝结的主要因素,露水量与相对湿度呈显著正相关(r=0.726,P<0.01),与气温-露点差呈显著负相关(r=-0.725,P<0.01);风速、风向在一定程度上影响露水凝结,但风速(r=0.133,P<0.01)、风向(r=0.219,P<0.01)与露水量之间的相关性较弱.     

Stocks and dynamics of SOC in relation to soil redistribution by water and tillage erosion

Soil organic carbon (SOC) displaced by soil erosion is the subject of much current research and the fundamental question, whether accelerated soil erosion is a source or sink of atmospheric CO₂, remains unresolved. A toposequence of terraced fields as well as a long slope was selected from hilly areas of the Sichuan Basin, China to determine effects of soil redistribution rates and processes on SOC stocks and dynamics. Soil samples for the determination of caesium‐137 (¹³⁷Cs), SOC, total N and soil particle size fractions were collected at 5 m intervals along a transect down the two toposequences. ¹³⁷Cs data showed that along the long slope transect soil erosion occurred in upper and middle slope positions and soil deposition appeared in the lower part of the slope. Along the terraced transect, soil was lost over the upper parts of the slopes and deposition occurred towards the downslope boundary on each terrace, resulting in very abrupt changes in soil redistribution over short distances either side of terrace boundaries that run parallel with the contour on the steep slopes. These data reflect a difference in erosion process; along the long slope transect, water erosion is the dominant process, while in the terraced landscape soil distribution is mainly the result of tillage erosion. SOC inventories (mass per unit area) show a similar pattern to the ¹³⁷Cs inventory, with relatively low SOC content in the erosional sites and high SOC content in depositional areas. However, in the terraced field landscape C/N ratios were highest in the depositional areas, while along the long slope transect, C/N ratios were highest in the erosional areas. When the samples are subdivided based on ¹³⁷Cs‐derived erosion and deposition data, it is found that the erosional areas have similar C/N ratios for both toposequences, while the C/N ratios in depositional areas are significantly different from each other. These differences are attributed to the difference in soil erosion processes; tillage erosion is mainly responsible for high‐SOC inventories at depositional positions on terraced fields, whereas water erosion plays a primary role in SOC storage at depositional positions on the long slope. These data support the theory that water erosion may cause a loss of SOC due to selective removal of the most labile fraction of SOC, while on the other hand tillage erosion only transports the soil over short distances with less effect on the total SOC stock.     

中国生态系统水源涵养空间特征及其影响因素

水源涵养是陆地生态系统重要生态服务功能之一,包含着大气、水分、植被和土壤等自然过程,其变化将直接影响区域气候水文、植被和土壤等状况,是区域生态系统状况的重要指示器。我国水资源贫乏,降水时空分布不均,在区域尺度上评估全国生态系统水源涵养功能空间特征及其影响因素,对科学认识和合理保护我国生态系统水源涵养,和制定生态环境保护决策具有十分重要的意义。以全国生态系统水源涵养功能为研究对象,通过收集和分析相关数据,对各类典型生态系统水源涵养数据进行归类与统计,在区域尺度上评估中国生态系统水源涵养功能,并分析气候与人类活动对其影响。结果表明:(1)中国水源涵养总体上呈现东南高西北低、由东到西逐渐递减特征。2010年全国生态系统水源涵养总量为12224.33亿m~3。(2)森林是我国生态系统水源涵养的主体,其水源涵养量最高,占全国水源涵养总量的60.80%。其中,常绿针叶林生态系统水源涵养量最多,而常绿阔叶林水源涵养能力最高。按流域统计,相对于其他一级流域,长江流域生态系统的水源涵养量最高。(3)中国生态系统水源涵养受气候和人类活动的影响,与降水、温度、蒸散、坡度、COD密度和长江生态工程呈现显著的正相关,而与GDP密度和农村人口密度呈现明显的负相关。     

黄土丘陵半干旱区密植枣林随树龄变化的根系空间分布特征

该文研究了黄土丘陵半干旱区密植枣( Ziziphus jujuba ‘Lizao’)林群体根系随树龄变化的空间分布特征。对1年生、4年生、8年生和11年生4种树龄的密植枣林采用剖面法, 获得0-1 m土壤剖面上直径>3 mm、1-3 mm及<1 mm的根系数量和空间位置信息。利用方差分析, 评价了山地密植枣林林分根系随树龄变化的水平和垂直分布特征。结果表明: 3种直径的根系数量均随着树龄的增长而增加, 直径< 1 mm的根系增长速度最快; 随着土层加深, 根系数量递减, 1年生枣林的根系主要聚集在0-40 cm土层中, 4年生及以上树龄的根系主要分布在0-60 cm土层中; 0-1 m土层内, 1年生枣林(株距1.2 m)及4年以上树龄(株距2 m), 同树龄枣林中直径<1 mm的根系水平分布无差异; 同一土层中(0-20 cm, 20-40 cm, 40-60 cm), 无论树龄大小及离树干的水平位置如何, 不同直径根系的数量都无差异。研究表明: 在有水肥管理措施的条件下, 枣林根系垂直方向形成浅层型的适应模式; 在密植环境下, 枣林细根形成根网型的适应模式。     

降雨能量对东北典型黑土区土壤溅蚀的影响

溅蚀特征研究可揭示溅蚀发生机理,而现有研究大多用溅蚀量来表征溅蚀特征,不能全面准确地反应溅蚀作用过程。为此,基于改进的试验土槽进行室内模拟降雨试验,研究降雨能量对坡面不同方向溅蚀量及溅蚀过程的影响。试验设计包括2种降雨强度(50 mm/h和100 mm/h)和10个降雨能量,其中10个降雨能量是通过2种降雨强度(50 mm/h和100 mm/h)和5个雨滴降落高度(3.5,5.5,7.5,9.5、11.5 m)来实现的。结果表明:在相同降雨强度下,坡面总溅蚀分量均随降雨能量的增加而增大。次降雨坡面溅蚀量均为向下坡最大,其次为侧坡溅蚀量,而向上坡溅蚀量最小。当降雨强度由50mm/h增加至100mm/h时,坡面向上坡溅蚀量增加2.3—5.0倍,向下坡溅蚀量增加1.7—5.1倍,侧坡溅蚀量增加1.9—4.3倍,总溅蚀量增加1.9—4.5倍,净溅蚀量增加1.2—6.4倍。对于不同降雨能量处理,坡面溅蚀率均表现为坡面产流前随降雨历时的增加而递增,产流后迅速达到峰值,之后逐渐减小并趋于稳定。定量分析了各溅蚀分量、总溅蚀量、净溅蚀量与降雨能量的关系,提出了溅蚀发生的降雨能量阈值,发现雨滴溅蚀发生的临界能量为3—6 J m~(-2)mm~(-1),且向上坡溅蚀量,向下坡溅蚀量,净溅蚀量和总溅蚀量皆与降雨能量呈幂函数关系,而侧坡溅蚀量与降雨能量呈二次多项式关系。     

黄土丘陵区地形、土壤水分与草地的景观格局

在黄土丘陵区,地形因素和土壤水分是决定草地景观格局的主要因素,同时草地景观格局在不同尺度上影响着景观中的流.地形因素、土壤水分和草地结构在不同尺度上有着密切的联系,研究它们之间的关系对于了解生态系统的过程十分重要.针对黄土高原异质化的草地群落结构,选取黄土丘陵区经过20多年自然封育形成的天然草地,从坡面尺度对景观格局进行了调查研究,在地形因素、土壤水分和草地结构中选取了有代表性的指标14个,用多元统计分析对选取的指标进行了主成分分析和聚类分析.聚类分析将样方分成3种植被类型,不同植被类型的海拔、坡度、20～140cm土壤含水量以及物种丰富度和生物多样性存在显著性差异.相关分析表明：海拔对0～300cm土壤含水量影响显著;海拔对草地群落盖度,坡位、坡向对草地群落的物种丰富度和生物多样性有着重要影响;而草地群落的物种丰富度和生物多样性与0～100cm土层的含水量关系密切.