Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources
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黄土高原土壤团聚体-水-植被的时空变异分析
No full text黄土高原位于干旱半干旱区，退耕前大量的毁林开荒导致该区域水土流失严重，生态环境脆弱，成为世界上具代表性的干旱半干旱生态系统和侵蚀景观。为改善这一状况，采取了建造梯田和淤地坝等多种措施，但该区水土流失仍然严重。因此，1999年我国推行了退耕还林（草）工程，即将坡耕地退耕为林地、灌木地或草地，以改善坡耕地水土流失问题。在水土流失的综合治理过程中，常遵循“土是基础，水是关键，植被是标志，产业是保障，水土保持是目标”的理念指导；因此，为更好的实施退耕还林（草）工程，需要充分了解其在时空尺度上对“土—水—植被”的影响。同时，探讨该影响与农业生产间的平衡也是必要的。“3S”技术集成了卫星定位、遥感技术、计算机技术、空间技术等对空间数据进行采集、管理、分析和表达，从而为评估黄土高原退耕还林（草）工程对水土流失的改善提供了机会。本论文在“3S”技术支持下，基于采样数据、文献数据、遥感数据、气象站监测数据、FLUX监测数据、统计年鉴数据等，选择黄土高原腹地典型小流域——纸坊沟流域和整个黄土高原土壤团聚体稳定性、黄土高原土壤水分、黄土高原植被总初级生产力及农业生产为研究对象，利用空间分析详细探究纸坊沟流域团聚体稳定性在景观尺度上的空间结构，并对其进行空间预测和空间贡献分析，利用趋势分析探究黄土高原退耕还林（草）工程前后土壤水分的时空变化及其驱动要素，以及监测黄土高原植被总初级生产力GPP对退耕还林（草）工程的时空响应，并逐像元探测其时空变化出现的拐点/断点，最后结合统计年鉴数据分析黄土高原农业活动的时空变异，以期为黄土高原退耕还林还草下的生态环境建设和社会经济的可持续发展提供理论依据。本研究取得主要结果如下：
（1）团聚体稳定性指数平均重量直径MWD、水稳性团聚体含量WSA>0.25和可蚀性因子K值的最优半变异函数模型分别是球状模型、指数模型和高斯模型；三指数低的块金值和基台值表明了实验具有较小的采样误差、随机误差和总变异。变程信息证明在0–10cm土层，它们均具有较强空间自相关性；10–20cm的K值具有最大的空间异质性和最小的空间相关性。基底效应强调了MWD和WSA>0.25具有强的空间相关性，二者主要受到本质因素的作用，对于K值，人为作用不可忽视，尤其在表层。局部空间自相关性分析进一步证明了强的农业活动和低的团聚体稳定性、高的土壤可侵蚀性具有紧密联系，其中特殊点分析发现短期内，耕园地转为灌木可显著改善土壤结构，尤其是对表层。进一步利用景观指数量化土地利用类型和结构，结合土壤性质、地形因子、温度、干旱度和植被覆盖数据，预测MWD、WSA>0.25和K值的空间分布，发现团聚体稳定性指数的空间变异受土壤性质、景观结构、地形、植被活动和水热条件的综合影响，并且预测模型在很大程度上依赖于土地利用类型和结构的量化，这在以往的研究中常被忽略。土壤变量的排除虽会降低MWD和WSA>0.25预测性能，但对K值的预测仍较理想，说明利用辅助数据预测团聚体稳定性指数的空间分布的可行性。在此基础上，量化了各个影响因素对团聚体稳定性的贡献（包括直接和间接贡献），结果表明土壤有机碳SOC、高程、坡度、耕园地斑块所占面积、草地斑块所占面积、pH、非晶质氧化铁、碳酸钙、季节性温差和地形湿度指数起着主要作用，越往表层，自然因素直接作用越强，土地利用类型和景观结构直接影响SOC、坡度等从而间接贡献团聚体稳定性；越往深层，土壤性质的直接和间接作用均加强；
（2）黄土高原尺度下，人为活动强度的差异性导致退耕前后土壤团聚体稳定性的控制因素不同，退耕前主要受土壤质地、气候因子、SOC、地形因子的控制，退耕后土地利用类型和景观结构的作用由不显著到较强，证明了人为干扰对土壤团聚体稳定性的显著作用，坡度由负效应转为正效应，说明坡耕地转为林灌草地有益于土壤结构的改善。另外，线性回归模型的性能反映出该尺度团聚体稳定性空间预测难度大，后期需更详细的规划，本论文是对该尺度相关研究的初探，为后期深入研究提供一定的依据；
（3）提出了一种基于卫星数据产品的综合方法，对土壤水时空动态中植被的驱动进行系统和定量评估。该方法也可应用到其他未布有土壤水监测网区域。首先证明了GLEAM土壤水数据集在评估黄土高原土壤水时空动态变异中的有效性，研究发现在34年的时间尺度上，植被恢复在植被区土壤水分动态变异中发挥主导作用，驱使较湿润区域（年降雨> 450 mm）变干燥，较干燥区域变湿润，这是植被结构差异、密度、树龄和物种综合促成的。降雨仅对裸地和稀疏植被区土壤水有显著正效应。而蒸散对裸地、稀疏植被区或茂密植被区的土壤水有重要影响。空间尺度上，蒸散和降雨作用更为显著，植被覆盖对土壤水动力学的驱动作用相对较弱，蒸散在还林区土壤水分动态中发挥主导作用，尤其是在退耕还林（草）工程早期阶段（2000–2010年）；降雨和植被恢复对还草地土壤水的贡献远大于蒸散的作用。因此，空间分析对明确土壤水和植被恢复间相互作用是必要的；建议在半湿润地区不应进一步退耕，但在干旱、半干旱地区稀疏以及过度稀疏的植被覆盖区可进一步恢复；
（4）利用通量观测站监测数据验证GLASS GPP数据集在黄土高原地区的适用性；并进一步利用趋势分析探测到1982–2015年来GPP整体的增加趋势，但分段函数分析发现所有像元的变化速率和趋势是有显著性差异的，且在不同阶段也不同，主要呈现出先快速增加后缓慢增加（拐点）、先增加后减少的趋势（断点）；平均拐点发生在2005年，平均断点在2003年，主要像元拐点/断点集中在2011–2015年，强调了在不同的地理位置，退耕还林（草）工程的方式需不同，其强度也应因地制宜，否则可造成不可逆转的负面生态效应，且主要像元的植被恢复已经达到阈值；
（5）退耕后黄土高原粮食产量并未因种植面积减少而减少，反而大范围县域呈现增加趋势，肥料施用量的增加是原因之一，从趋势分析可知部分县域的产量波动较大，这种情况不利于退耕还林（草）工程成果的维护，如果农民生计较为单一，则会为提高产量而增加耕地以抵御产量波动。为解决这一问题，应考虑拓宽农民生计降低其对耕作的依赖性。
综上所述，黄土高原退耕还林（草）工程虽致该区耕地面积减少，但并未导致其农业生产力下降；考虑到退耕对“土—水—植被”的影响，在工程的实施过程中需因地制宜。这对于揭示土壤侵蚀规律、更加有效地开展水土保持工作、减少入黄泥沙具有重要意义，为后期治理工作提供经验和建议，为黄土高原地区实现生态和经济的可持续发展提供理论支撑。</p
基于地貌特征的青藏高原边缘泥石流沟分类
No full text青藏高原地形急变带受构造运动、极端降水等因素的影响，呈现泥石流高发、群发的特
点。对泥石流沟地貌特征的科学分类有利于探索泥石流发生机制、确定防治对策，对山区防灾
减灾和生态修复具有重要意义。本文以青藏高原边缘7 个泥石流高发流域为研究对象，开展地
貌测量和统计分析。通过非度量多维尺度分析，将泥石流沟分为3 种类型：I 型是基岩下切区暴
雨型泥石流；II 型是基岩下切区冰川融水型泥石流；III 型是沉积盆地下切区暴雨型泥石流。通
过Kruskal-Wallis 检验进一步分析3 类泥石流沟地貌差异性，从地质、地貌与气候等方面探讨了
3 类泥石流沟的松散物来源与水沙输移特性。在气候变暖的影响下，II 型泥石流的活跃性将增
大；随着极端降雨频率的增加，I 型和III 型泥石流活跃性也将增加。</p
宁南山区柠条枝在香菇栽培中的应用研究
No full text宁夏南部山区是全国有名的“三西”贫困地区之一，涉及的6 个县(区)均为
国家级扶贫开发工作重点县，该地区沟壑纵横、产业单一，粮食生产为当地居民
重要的收入来源，丰富当地产业结构迫在眉睫。柠条在宁南山区表现出极大适应
性，成林面积达700 万hm2，平茬可以使其复壮同时有助于土壤水分与养分的恢
复。本试验以柠条枝作为香菇栽培基质，对于生物性状以及营养成分进行测定，
筛选出了适宜宁南山区香菇菌种以及柠条枝栽培香菇的配方比例，同时对于栽培
基质养分降解规律进行了测定，具体试验设计和研究结果如下：
（1）在固原地区引进申香93、沪农3 号、渭香1 号、L808、WL、L-26、申
香10 号和武香1 号中高温型香菇菌种8 个，以生物学效率为指标，选择L808 作
为宁南山区柠条枝代料栽培香菇的菌种。对于柠条枝和苹果木的养分进行了测定，
根据粗纤维含量对比，确定柠条枝适宜添加比例应在40%之内。
（2）以L808 为供试菌株，柠条枝以10-40%替代苹果木作为香菇栽培基质，
结果表明柠条枝培养基中木质素、纤维素含量均不同程度低于苹果木。随着柠条
枝比例增加，基质中全C 含量下降，全N 含量上升，C/N 下降，菌丝生长速率变
慢，香菇产量与生物学效率下降，柠条枝添加比例为10-20%时，生育期、产量与
生物学效率与传统栽培的配方无显著差异，使用灰色关联度对于香菇配方进行筛
选，结果表明10%柠条枝配方为替代苹果木的最优比例。
（3）选择10%、20%柠条枝配方与对照组进行香菇栽培基质中碳、氮源变化
的测定，结果表明在香菇生长过程中全C 含量降低，全氮与有机氮降低速率与配
方测定的子实体蛋白质趋势相一致；木质纤维素中，木质素降解率最高，其次为
半纤维素，最后为纤维素；氨氮含量在所选三个配方中均为菌丝长满之后含量上
升，可能为香菇菌丝生长过程中纤维素、木质素以及半纤维素被降解，部分转化
为氨氮后被吸收、利用，之后含量下降。</p
Revealing the nutrient limitation and cycling for microbes under forest management practices in the Loess Plateau – Ecological stoichiometry
No full text核磁共振水分仪在田间的应用和标定
No full text土壤水分是黄土高原生态系统的驱动因子之一，量化其数量特征是研究区域生态系统中物质循环和能量转化的基础。当前，测定土壤水分的主要方法有烘干法、中子法和时域反射法（Time Domain Reflectometer，TDR）等。这些方法不仅费时费力，还会扰动土壤，导致测定结果的不准确。近年来，一种非接触式直接测定土壤水分和孔隙度的方法，即核磁共振法（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）得到了广泛的重视。然而，当前还缺少对该方法测定准确度和应用范围的研究。本文利用核磁共振水分仪对长武田间草地、玉米地、刺槐地、苹果地的土壤水分和孔隙度进行了测定，分析了土壤基本物理性质对核磁共振法测定结果的影响，并以烘干法和环刀法作为对比，量化了核磁共振法与传统方法测量值之间的关系并确立了核磁共振水分仪的标定曲线，主要研究结果如下：
（1）核磁共振法水分测量值与土壤有机质、黏粒和砂粒之间存在正相关关系，与粉粒和土壤团聚体平均质量直径之间存在负相关关系；T2值（横向弛豫时间）与土壤有机质、黏粒和砂粒之间存在明显的负相关关系，与粉粒和土壤团聚体平均质量直径之间存在正相关关系。
（2）核磁共振法T2值能反映土壤孔隙度的大小，与土壤非毛管孔隙度相关系数最高。T2值的分布大小范围是1.76 ms - 8.80 ms，且主要分布在2.00 ms - 3.50 ms之间。随着核磁共振法Tr值（在给定测量频率下两次自旋回波序列之间的时间量）的增大，核磁共振法T2值无明显差异，说明调节Tr值核磁共振水分仪对T2值的测量结果无影响。
（3）核磁共振水分仪水分标定曲线为y=1.38x+1.37 ，R2为0.95，其中y为标定值（质量含水量），x为测量值。随着Tr值的增大，核磁共振法水分测量值趋向稳定，适宜的Tr值为6 s。保持探头与土壤直接接触、并在探头上覆盖有屏蔽作用的铝箔能提高测定数据的准确性。
</p
黄土丘陵区人工林刺槐和油松凋落叶在不同降雨时期 的分解特征
No full text凋落物分解是维持生态系统养分循环和能量流动的关键过程，但在雨热同期的黄土丘陵区，不同降雨时期凋落物基质质
量动态对该区不同树种凋落物分解速率的影响还不清楚。采用凋落物分解袋法，基于野外原位分解实验分析黄土丘陵区主要
人工林刺槐(Ｒobinia pseudoacacia Linn．)和油松(Pinus tabulaeformis Carr．)凋落叶在不同降雨时期的分解特征和分解过程中凋落
叶基质质量的变化与分解速率之间的关系。研究结果发现:(1)经过 391 d 的分解，刺槐凋落叶的平均质量损失速率为(51．0±
8．44) mg/d，显著地高于油松凋落叶(36．7±4．83) mg/d;雨季期间两树种凋落叶的质量损失速率均显著地高于旱季，其中夏季
多雨期间凋落叶的质量损失速率最高，冬季微量降雨期间质量损失速率最低。(2)在整个分解过程中两树种凋落叶 C 和 N 含
量都表现为净释放且主要发生在雨季，P 含量表现为释放与富集交替进行;刺槐凋落叶 C/N 比、C/P 比和 N/P 比呈波动的趋
势，油松凋落叶 C/N 比则显著地增加且在夏季多雨期出现峰值，C/P 比呈波动的状态，N/P 比变化较小。(3)不同降雨时期刺
槐凋落叶的质量损失速率与凋落叶 P 含量动态显著正相关，与 C 含量、C/P 比和 N/P 比动态显著负相关。油松凋落叶质量损
失速率与 C/N 比动态显著正相关，与 C、N 含量动态显著负相关，与 N/P 比动态呈负二次函数的关系。这些结果说明黄土丘陵
区刺槐和油松凋落叶在不同降雨时期分解速率之间的差异显著且两树种凋落叶的分解都集中在雨季期间;此外凋落叶分解主
要受到凋落叶 N 含量和 N/P 比动态变化的制约，与刺槐凋落叶相比，N 含量与 N/P 比对油松凋落叶的限制作用更强。</p
黄土丘陵区退耕草地土壤呼吸及其组分对氮磷添加的 响应
No full text 为探究不同氮磷添加水平对黄土丘陵区退耕草地土壤呼吸及其组分的影响，于 2018 年 5 ～9 月采用田间试验的方法，
设置 3 个施氮(以 N 计)主区［0、50 和 100 kg·(hm 2 ·a)
－1 ］和 3 个施磷(以 P
2 O 5 计)副区 ［0、40 和 80 kg·(hm
2 ·a) －1 ］． 测定
每月各处理下土壤总呼吸和异养呼吸速率，以及土壤温度和土壤含水量． 结果表明，氮磷添加对土壤温度和土壤水分的影响
均不显著(P ＞0. 05)． 土壤呼吸速率具明显月份变化特征，在 7 月达到峰值． 未施肥处理的月平均土壤总呼吸、异养呼吸和自
养呼吸分别为 0. 69、0. 39 和 0. 29 g·(m 2 ·h)
－1 ． 未施氮条件下，施磷对土壤呼吸及其组分无显著影响(P ＞0. 05)． 施氮条件
下，磷添加显著提高土壤呼吸及其组分的呼吸速率(P ＜0. 05)，氮磷配施后月平均土壤总呼吸、异养呼吸和自养呼吸最大值
分别为 0. 93、0. 50 和0. 47 g·(m 2 ·h)
－1 ． 未施肥的土壤总呼吸、异养呼吸和自养呼吸的 Q
10 值分别为1. 86、2. 36 和2. 24;氮磷
添加降低了土壤呼吸及其组分的 Q 10 值． 总体上，氮磷添加对黄土丘陵区退耕草地土壤呼吸及其组分的影响与施氮磷量有关．</p
基于多时相无人机遥感植被指数的夏玉米产量估算
No full text为建立夏玉米无人机遥感估产模型，正确评价规模化农业经营管理和用水效率，以内蒙古自治区规模化种植
的夏玉米为研究对象，设置了 5 个不同水分处理的实验区域，每个实验区域布置了 3 个样区，利用自主研发的多旋
翼无人机多光谱遥感平台，对夏玉米进行多时相的遥感监测。采用牛顿-梯形积分和最小二乘法，构建了基于多种
植被指数和多种生育期对应的夏玉米实测产量的 6 种线性模型，并采用阈值滤波法减少土壤噪声对模型精度的影
响。结果显示，不同生育期的玉米估产模型精度存在显著差异。单一生育期中，精度由高到低依次为:抽雄期、吐
丝期、蜡熟期、拔节期，最优植被指数为 EVI2(决定系数 Ｒ 2 =0. 72，均方根误差 ＲMSE 为 485. 46 kg/hm 2 );多生育期
的最优植被指数为 GNDVI(Ｒ 2 =0. 89，ＲMSE 为 299. 35 kg/hm 2 )。经过土壤滤波后，拔节期和多生育期的 Ｒ 2 提升显
著，其中基于植被指数 GNDVI、MASVI2、EVI2 的多生育期估产模型的决定系数 Ｒ 2 提升到 0. 87 以上。多生育期的
无人机遥感估产优于单生育期，最优估产植被指数为 GNDVI，阈值滤波法可以有效提升估产精度，优化后基于植被
指数的无人机遥感估产模型可以快速有效诊断和评估作物长势和产量。</p
近 ５５ 年来渭河流域输沙变化及驱动因子分析
No full text根据渭河流域水文站点分布特征，将流域划分为１５个子流域，结合１９６１ — ２０１５年输沙资料和气象
站日降雨量资料，采用 Ｍａｎｎ — Ｋｅｎｄａｌｌ检验、双累积曲线、相关性分析及偏最小二乘回归等方法，定量分析
渭河流域输沙时空变化特征及其主控因子。结果表明：渭河流域 １９６１ — ２０１５ 年输沙量呈显著减少趋势，
渭河干流咸阳站、北洛河状头站和泾河张家山站年输沙量分别以０． ０３９ ０ ， ０． ０１７ ４ ， ０． ０４１ ４亿ｔ ／ ａ的速率减
少。 １５ 个水文站中，北洛河的张村驿站年输沙量呈显著增加趋势（
Ｐ ＜０． ０５ ），洪德、雨落坪和庆阳站呈不显
著减小趋势，其余各站的输沙均显著减小（ Ｐ ＜０．
０５ ）。主要通过对输沙驱动因子和渭河流域输沙模数 ２ 个
方面进行纵横方向上的综合分析对比，最终得到的相关数据结果表现出渭河输沙变化与降雨集中度指数、
植被覆盖指数、草地面积比例、最小高程、平均坡度等因子具有良好的相关关系（ Ｒ ２ ＞０．
７ ）。</p
毛乌素沙地３种人工植被类型对土壤颗粒组成和 固碳的影响
No full text植被恢复会对干旱半干旱区土壤固碳过程产生重要影响，探讨植被恢复对不同土壤颗粒碳含量的影响有利
于进一步揭示荒漠土壤演变过程。选择毛乌素沙地东南缘人工植被恢复区的乔木林、灌木林、草地和流沙地为样地，
对 ０ — ３０ｃｍ 的土壤进行了分层取样分析。结果表明：乔木、灌木和草地的恢复均会降低土壤粗颗粒（细砂粒、粗砂粒）含量，
增加团聚体和粉黏粒含量；植被恢复后土壤有机碳（ ＳＯＣ ）和无机碳（
ＳＩＣ ）含量均显著增加，其中最大值均出现在乔木样地，分
别达到流沙地的 ３． ９６倍和２． ０８倍；植被恢复对土壤有机碳密度（ ＳＯＣＤ ）的影响较土壤无机碳密度（ ＳＩＣＤ ）更为明显；乔木有利
于粗砂粒和细砂粒有机碳的累积，灌木更有利于粉黏粒和团聚体有机碳的累积；各粒级 ＳＯＣ 含量在细砂粒中增幅最为明
显； ＳＩＣ 含量在粉黏粒中增幅最为明显；粉黏粒有机碳对总有机碳的贡献率较为显著。总之，不同类型植被的恢复均
会提高土壤有机和无机含量，从增加土壤固碳的角度出发，乔木为毛乌素沙地的最佳植被恢复类型。</p