Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources
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模拟氮沉降对油松土壤水溶性碳氮及其光谱特征的影响
No full text大气氮沉降对土壤水溶性碳氮含量变化的影响目前还没有一致的结论,为研究氮沉降对黄土高原林地土壤水溶性碳氮的影响,以人工油松林为研究对象,采用氮添加的方式模拟氮沉降,设置3个氮添加梯度,分别为N3[3 g/（m2·a）,N6[6 g（/m2·a）],N9[9 g/（m2·a）],并选不施氮[CK, 0 g/（m2·a）]作为对照处理,对土壤水溶性碳、氮组分及其光谱学特征进行了研究。结果表明:氮添加增加了水溶性总氮（WSN）和水溶性硝态氮（WNO-3-N）含量,随着氮添加水平增加均呈增长趋势,水溶性有机氮（WSON）、水溶性铵态氮（WNH+4-N）和WSON/WSN含量先降低后升高;对土壤水溶性有机碳（WSOC）没有显著影响。氮添加对土壤水溶性有机物质光谱特性影响不显著,三维荧光光谱分析表明土壤水溶性有机质主要由类富里酸物质、芳香族蛋白质物质组成,类富里酸物质随氮添加水平先降低后升高,类芳香族蛋白质物质在土壤表层呈升高趋势。氮沉降通过微生物的转化固定作用使C和N在土壤中积累,对土壤水溶性有机质产生了一定的影响,但微生物及组分分配、元素转化各过程的耦合及对氮沉降的响应机制还不清楚.</p
Evaluation of two generalized complementary functions for annual evaporation estimation on the Loess Plateau, China
No full textGeneralized complementary functions, which describe the relationship between the ratio of actual evaporation over the Penman potential evaporation (E/EPen) and the proportion of the radiation term in EPen (Erad/EPen) have not been widely used at annual time scales. In this study, the generalized nonlinear advection-aridity function (GNAA) and sigmoid generalized complementary function (SGCF) were evaluated for annual evaporation estimation with calibrated parameters in the Loess Plateau of China. For all 15 catchments, the lowest values of annual Erad/EPen were found to be much larger than zero, and the annual E/EPen increased approximately linearly with annual Erad/EPen. This complementary curve at an annual timescale differs from those at daily timescales, which require different parameterizations of the GNAA and SGCF. For the GNAA, parameter c, which is often set to zero for daily time scales, must be well calibrated. For the SGCF, the upper and lower limits of Erad/EPen must be constrained. After calibration, both the SGCF and GNAA performed well at estimating annual evaporation. In addition, the calibrated Priestley-Taylor coefficient from the SGCF was found to be closer to the widely accepted value (1.26) than that determined from the GNAA.</p
大规模植被恢复对黄土高原生态水文 过程的影响
No full text黄土高原退耕还林工程实施以来，大量坡耕地被转化为草地和林地，植被
恢复效果显著，水土流失得到了有效控制． 但是，由于植被剧烈变化，导致部分区
域水资源供需矛盾进一步加剧． 针对上述问题，本研究采用定位观测与模型模拟
相结合的方法，在考虑植被恢复对地表水热过程影响的基础上，将双源蒸散发模
型与遥感技术相结合实现尺度转化，构建考虑植被动态变化的区域尺度蒸散发
模型，分析大规模植被恢复后黄土高原蒸散发、降水、径流量的变化趋势，明晰植
被重建对生态水文过程的影响． 结果表明，退耕还林(草)工程实施后，黄土高原
全区降水以 5． 16mm·a
－1 的速率增加，而植被恢复最剧烈的 16 个子流域河川径
流量呈不断下降趋势，平均降幅为 －1． 45mm·a
－1 ． 受植被恢复与重建的影响，研
究区蒸散发以 4． 39mm·a
－1 的速率增加，植被恢复导致的冠层蒸腾上升是蒸散
发增加的主要因素． 基于上述结果，我们建议应当加强对黄土高原雨水资源潜力
的利用，缓解植被剧烈变化导致的水资源消耗，并根据不同植被类型的蒸散耗水
规律和区域土壤水分植被承载力，提出基于土壤水资源消耗补给平衡的植被恢
复策略，以期为黄土高原生态恢复可持续发展和黄河流域水资源高效利用提供
科学支撑．</p
地表覆盖对大豆田土壤水热盐及产量的影响
No full text［目的］研究不同覆盖措施对农田土壤水、热、盐及大豆产量的影响，为促进陕北安塞县山地梯田
作物增产提供理论基础。［方法］以大豆（中黄 ３５ ）为试验材料，设置地膜覆盖（ Ｍ ）、谷子秸秆覆盖量
５ ０００ｋｇ ／ ｈｍ
２ （
Ｊ ５
）与 ２ ５００ｋｇ
／ ｈｍ
２ （
Ｊ ２ ）和传统耕作（ ＣＫ ） ４ 个处理进行了系统对比试验 。［结果］ ① 除
２０ — ４０ｃｍ 土层的结荚期外，其他土层各时期 Ｍ 和 Ｊ ５ 处理的土壤贮水量均高于 ＣＫ 处理。另外在 ０ — ６０
ｃｍ 各土层中，出苗期 Ｍ 处理的土壤贮水量均高于 Ｊ ５ 处理； ② 在 ０ — ６０ｃｍ 各土层中，全生育期 Ｍ 的土壤
温度均高于 ＣＫ 处理，除结荚期外， Ｊ
５ 处理的土壤温度均低于 ＣＫ 处理； ③ 在一定范围内， Ｍ 处理可提高土
壤电导率，且在 ０ — ２０ｃｍ 土层中， Ｍ 和 ＣＫ 处理的电导率差异达到极显著水平（
ｐ ＜０．０１ ）； ④Ｍ 和 Ｊ ５ 处理
的大豆产量分别显著高于 ＣＫ 处理 ４６．７３％ （
ｐ ＜０．０１ ）和 ３４．６１％ （ ｐ ＜０．０５ ）； ⑤ 在一定范围内，大豆产量
与其全生育期的平均土壤贮水量、土壤温度和土壤电导率呈正相关关系。且相较于其他生长阶段，出苗期
土壤物理条件对大豆产量的影响更为明显。［结论］大豆产量与出苗期土壤贮水量和电导率极显著正相
关，且地膜覆盖有利于提高出苗期土壤贮水量和电导率，可促进大豆增产。</p
关中平原土壤水分高效利用苜蓿品种筛选研究
No full text为了给关中平原筛选产草量高、水分利用效率高的优良苜蓿品种，以关中平原的主栽苜蓿品种关中苜蓿为
对照，监测巨能 601、巨能耐湿、雷霆、丹农 VNS、北极熊等 9 个苜蓿品种不同刈割期的产草量以及 0 ～200 cm 土层土壤
水分含量、土壤水分利用效率。结果表明，在降水量丰富的年份且可灌溉的关中平原，不同苜蓿品种从返青至最后一
次刈割期前的田间耗水量基本一致且无显著性差异，其中巨能 601 的产草量及土壤水分利用效率显著高于其他品种，
而关中苜蓿的产草量及土壤水分利用效率显著低于其他品种。关中平原应以产草量高、水分利用效率高的巨能 601
作为主要推广品种，淘汰产草量低、水分利用效率低的关中苜蓿。</p
黄河中游区间干支流径流变化特征与归因分析
No full text为探究黄河中游径流时空变化特征及其驱动因素，本文采用 Spearman 秩相关系数、水文情势突变指标
及双累积曲线法对中游头道拐-花园口区间干流 4 个水文站及 11 条典型支流 1957—2018 年实测降雨、径流数据
进行统计分析。结果表明：黄河中游干流站年径流量呈显著减少趋势（显著性水平 0.001），各站年径流发生两次
突变，且都出现在 1969 年与 1987 年前后；区间 11 条支流多年径流深自 1970s 后显著减少，头道拐–龙门区间径
流占整个中游区间径流的比例由 2000 年前的 31%减至之后的 23.5%，龙门断面以下区间占比则明显上升；人类
活动对头道拐–龙门与龙门–潼关区间多年平均径流变化贡献率分别为 62.68%和 79.85%，坝库工程、引水灌溉及
梯田林草等水利水保工程措施是黄河中游径流锐减的主要驱动力。</p
黄土高原草地土壤细菌群落结构对于降水变化的响应
No full text微生物作为生态系统功能的主要参与者，对降水变化引起的土壤水分变化的响应是科学评估气候变化对半干旱生态系统
影响的一个非常重要的方面． 为研究降水变化对土壤微生物群落结构多样性的影响，在黄土高原进行了为期 2 a 的原位模拟降
雨变化实验，设置了5 种降水梯度，即减少自然降雨的80%和40%、自然降雨和增加自然降雨的 40%和 80%(编号为 D80、D40、
NP、I40 和 I80)． 结果表明: ① 减雨或增雨 80% 处理中 C/N 较低，而增雨 40% (I40)时最大，0 ～20 cm 土层的均值为 10. 76;
MBC/MBN 在减雨80%(D80)和增雨80%(I80)处理中随土层变化显著，D80 时最大值为 14. 15． ② 黄土高原天然草地土壤中，
主要的优势菌门为放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)，主要的
优势菌纲为放线菌纲(Actinobacteria)、酸杆菌纲(Acidobacteria)、α-变形杆菌纲(α-Proteobacteria)和热微菌纲(Thermomicrobia)．
③ ＲDA 分析显示，在降水处理条件下，土壤溶解性有机碳、可溶性有机氮、电导率、pH 值的变化是影响该研究区土壤细菌分布的
主要因素． 总之，干旱或极端降水对黄土高原区土壤活性有机质含量和土壤细菌种群多样性及丰度影响显著．</p
关中地区田块尺度土壤含水量时空变异性及合理采样方式
No full text我国是一个水资源极度短缺的国家，加之农业用水量大、用水效率低下，极大地影响了我国的可持续发展。灌溉是提高农业生产力的重要措施，而明确田间土壤含水量空间变异特征，能够准确监测土壤含水量变化，对提高精确灌溉尤为重要。本文以关中地区为例，利用经典统计学和地统计学相结合的方法，研究了不同采样间距、不同土层、不同植被覆盖下以及不同生育阶段的土壤含水量空间变异性，同时利用Spearman秩相关系数和相对偏差法对土壤含水量的时间稳定性进行了研究与分析。初步提出了田块尺度土壤含水量合理的采样方法，主要研究结果如下：
（1）田块尺度土壤含水量空间分布呈弱变异或中等偏弱变异。土壤含水量在11.7%~20.1%范围时，土壤含水量越低，其空间变异性越强。采样间距对土壤含水量空间变异性的计算精度有较大的影响。采样间距设置为东西方向间距27 m和南北方向间距9 m时的土壤含水量变异系数比采样间距设置为东西方向间距9 m和南北方向间距18 m的大3.3%。随着采样密度的增大，土壤含水量分布的等值线变化增大。表征田块尺度土壤含水量空间变异性采样密度约为45 个·hm-2。采样间距为东西方向间距18 m和南北方向间距9 m时，田块尺度土壤含水量具有较高的空间相关性，田块中间位置的土壤含水量比四周高3%~5%。
（2）植被覆盖下对土壤含水量空间变异性的影响较小。玉米地土壤含水量空间变异系数为11.71%~13.29%，桃树地为9.16%~11.74%，柿树地为8.18%~11.75%。土层越深，土壤含水量空间变异强度越小。田块土壤含水量具有较强的空间相关性，土壤性质等结构因子对土壤含水量空间变异性产生较大的影响。
（3）随深度的增加，田块尺度土壤含水量的时间稳定性而增强，40~60 cm土层土壤含水量空间格局变化比0~20 cm小。各土层已选定的测点的土壤含水量与区域平均土壤含水量的R2值的均值为0.91，ME值的均值为0.08%，RMSE值的均值为1.46%，这些点可以作为代表性测点对区域土壤含水量的均值进行估计。不同采样时间的土壤含水量大都表现为显著正相关。对于雨养作物而言，夏季多雨期的土壤含水量相对较低，土壤含水量时间稳定性主要受外界因素影响。
（4）田块尺度土壤含水量的最小合理采样点数为4个，宜采用四边形布置。当土壤含水量监测深度≤40 cm时，采样点宜布置在表层（0~20 cm）土壤中；当土壤含水量监测深度>40 cm时，采样点宜布置在最大土壤含水量监测深度的中间。在玉米地、桃树地和柿树地进行实地验证：三种不同植被覆盖下不同土壤含水量监测深度内，水平与垂直方向上的采样布点方法相结合所确定的平均土壤含水量与田块区域平均土壤含水量的相对误差在10%内，说明推荐的采样点方法和采样点数目基本可行，采样精度高。</p
基于中红外光谱的黄土丘陵沟壑区泥沙来源示踪研究
No full text土壤侵蚀严重危害生态环境并制约社会经济发展，侵蚀泥沙来源的识别是土壤侵蚀研究的热点和难点，精确识别侵蚀泥沙来源对正确模拟水土流失，进而做到因地制宜，合理布置水保措施有着重要影响。黄土高原丘陵沟壑区土壤侵蚀严重，在该区域开展土壤侵蚀泥沙来源的定量识别，对揭示土壤侵蚀的发生机理及发展过程有着极其重要的意义。本研究选取黄土高原丘陵沟壑区7个集水区小流域作为研究区域，开展基于中红外漫反射光谱的黄土特性表征研究，对黄土中红外漫反射光谱特征进行分析，以能反映黄土显著特性的物质碳酸钙（Calcium carbonate, CaCO3）和土壤有机碳（Soil organic carbon，SOC）为例，通过建立基于中红外漫反射光谱的模型对CaCO3含量和SOC含量进行定量预测。在此基础上，进行中红外漫反射光谱技术示踪黄土高原丘陵沟壑区小流域侵蚀泥沙来源的研究，结合沉积泥沙反演土壤侵蚀技术，对9个典型小流域沉积泥沙的坡面和沟道两种侵蚀来源进行了定量识别，并将结果与传统地化指纹示踪法进行对比分析。同时借助构建的中红外光谱示踪法开展黄土丘陵沟壑区河流推移质和悬移质的来源识别。其主要研究结论如下：
（1）黄土具有高CaCO3和低SOC的特点，其中红外漫反射光谱表现出明显的CaCO3、有机物及粘土矿物等组分相关基团的特征峰。建立了基于中红外光谱的CaCO3和SOC定量模型，模型预测性能受光谱预处理方法、建模回归方法和建模集样本选择的影响。本研究中偏最小二乘法（Partial least squares regression, PLSR）要优于主成分回归法（Principal component regression, PCR）和支持向量机回归法（Support vector machine regression, SVMR）。黄土CaCO3含量和SOC含量的高低会对光谱建模定量预测CaCO3和SOC的相对误差产生影响。建立基于中红外光谱的定量预测模型，不仅充分利用了预测目标组分本身的光谱特征，黄土其它组分的光谱特征也参与了模型建立并在其中有重要贡献，但预测目标不同，各光谱特征对建立模型的贡献大小不同。
（2）利用中红外光谱结合化学计量学方法构建了基于中红外光谱的黄土丘陵沟壑区泥沙来源示踪技术，在正确判别流域内坡面土壤和沟道土壤两种泥沙源样的基础上，通过构建基于中红外光谱的泥沙来源定量模型，计算得到研究区域沉积泥沙来源以坡面侵蚀土壤为主，沟道侵蚀土壤的平均贡献仅占大约35%。将光谱示踪法与传统地化示踪法进行比较，在大多数沉积旋回泥沙样品中地化示踪法计算出的沟道贡献要低于光谱示踪法结果，但两种方法计算得到的总深度沟道加权平均贡献分别为27%和21%，结果基本一致。光谱示踪法由于样品前处理简单，所需样品量少，对样品无损，对环境无污染，测定速度快和经济成本低等优点，使其与传统化学示踪法相比具有明显优势。
（3）利用构建的基于中红外光谱的泥沙来源示踪技术，结合PLSR方法建立了基于中红外光谱的河流泥沙来源示踪模型，分别对洪水期和基流期河流推移质及洪水过程悬移质坡面和沟道来源进行了定量预测。结果表明，洪水期和基流期河流推移质总体上均以坡面侵蚀为主，坡面侵蚀贡献分别为65%和71%。不同支流推移质来源的变化表现不同，上游支流在洪水期和基流期推移质均以坡面侵蚀来沙为主，下游支流在基流期推移质来源以坡面侵蚀来沙为主，沟道贡献仅占14%，而洪水期则沟道贡献明显增加，达到60%。洪水过程中流域出口悬移质来源以沟道侵蚀贡献为主，沟道贡献比例变化范围为39%-97%，平均沟坡比例大致为12:5，悬移质颗粒的粘粒和粉粒比例明显高于源样，中值粒径明显小于源样。相关分析发现河流泥沙沟道贡献比例与SOC含量、CaCO3含量、粘粒体积百分比和粉粒体积百分比均呈极显著正相关，与砂粒体积百分比和中值粒径呈极显著负相关关系。含沙量与悬移质的沟道贡献比例以及含沙量与中值粒径之间均表现出抛物线拟合关系，但变化规律正好相反。</p
黄土丘陵沟壑区撂荒草地产流产沙特征研究
No full text
黄土高原作为我国最大的水土流失治理区，其生态与环境的保护意义极其重大。草地恢复和重建是控制水土流失的关键性生物措施之一。黄土丘陵沟壑区撂荒草地作为当地自然环境选择的产物，具有重要的水土保持功效。本研究以黄土丘陵沟壑区撂荒草地为研究对象，采用野外自然降雨试验方法，观测坡面产流产沙特征，并分析降雨、土壤、植被、坡度和坡长等因素对撂荒草地坡面产流产沙的影响，同时分析了上述各影响因子对撂荒草地坡面产流产沙的相对重要性。主要结论如下：
（1）降雨特征可显著影响黄土丘陵沟壑区撂荒草地产流产沙特征。其中径流深随降雨量、降雨动能增加均呈线性增大（p＜0.01），随最大30分钟雨强、降雨侵蚀力增加呈幂函数递增（p＜0.05）。径流系数随降雨历时、平均雨强增加分别呈指数、对数增加（p＜0.01），随最大30分钟雨强和降雨侵蚀力增加均呈线性增长（p＜0.05）；坡面产沙量随最大30分钟雨强、降雨侵蚀力增加均呈线性增长（p＜0.05），平均含沙量随降雨特征变化未呈现明显规律性；与侵蚀性降雨相比，侵蚀性降雨条件下的径流深、径流系数、产沙量和平均含沙量均显著增大，且在在侵蚀和非侵蚀性降雨条件内部，径流深、径流系数、产沙量和平均含沙量基本随降雨侵蚀力的增加而增大。
（2）径流深和径流系数随前期含水量增加分别呈指数和线性函数递增（p＜0.01）；产沙量和平均含沙量随前期含水量增加分别呈指数和幂函数递增（p＜0.05）；侵蚀和非侵蚀性降雨条件下，径流深、径流系数随着前期含水量增加均呈增加趋势，且侵蚀性降雨条件下的递变速率更大。在不同性质降雨条件下，产沙量、平均含沙量随前期含水量表现出相同消长变化。
（3）坡面径流深随植被盖度增加呈指数递减（p＜0.05），径流系数整体上随植被盖度增加呈递减趋势，但未表现出确定性规律。坡面产沙量和平均含沙量均随植被盖度增加呈指数递减（p＜0.01），植被减沙效果在60%处趋于稳定；当降雨性质不同时，撂荒草地和裸地的坡面产沙特征也表现出明显差异。侵蚀性降雨条件下下，植被的减流减沙效果更加显著。
（4）径流深和径流系数随坡度增加均呈对数递减（p＜0.01），但两者在坡度20°处出现极值，局部趋势出现逆转；坡面产沙量和平均含沙量随坡度增加分别
呈对数和线性函数递减（p＜0.01），其中产沙量在坡度20°和25°分别出现极大值和极小值；当降雨性质不同时，坡面产流产沙特征均随坡度也表现出不同变化。坡度对坡面产流产沙的影响在侵蚀性降雨条件下更显著。
（5）径流深、径流系数随坡长增加呈对数递减（p＜0.01），两者均在40 m坡长处出现极值；坡面产沙量和平均含沙量均随坡长增加分别呈对数递减（p＜0.01）和指数递增（p＜0.01），坡面产沙量和平均含沙量随坡长变化虽呈现不同的变化趋势，但两者均在40 m坡长处出现局部趋势逆转。当降雨性质不同时，坡面产流产沙特征均随坡长也表现出不同变化。随降雨侵蚀力增大，坡长对坡面产流产沙的影响愈显著。
（6）灰色关联度分析结果表明，各影响因子对径流深、径流系数、产沙量和平均含沙量的影响程度并不一致。对于径流深，各影响因子对其影响权重排序为：降雨量＞降雨侵蚀力＞降雨动能＞I30＞平均雨强＞坡长＞坡度＞植被盖度＞前期含水量＞降雨历时；径流系数为：I30＞降雨动能＞降雨量＞降雨侵蚀力＞平均雨强＞坡长＞坡度＞植被盖度＞前期含数量＞降雨历时；产沙量为：降雨侵蚀力＞降雨量＞I30＞平均雨强＞降雨动能＞坡长＞坡度＞植被盖度＞前期含水量＞降雨历时；平均含沙量为：降雨量＞降雨动能＞坡长＞平均雨强＞降雨历时＞坡度＞I30＞降雨侵蚀力＞植被盖度＞前期含水量。整体而言，降雨特征对坡面产流产沙影响最大，其后依次为坡长、坡度、植被盖度和前期含水量。以降雨侵蚀力、前期含水量、植被盖度、坡度和坡长为输入变量建立了撂荒草地坡面产沙预测方程，相对误差控制在±20%以内，约93%的数据点相对误差分布在±5%以内，预测方程具有较好的精度。</p