Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources
Not a member yet
7916 research outputs found
Sort by
长期施肥对坡地农田土壤微生物特征的影响
No full text施肥是农业提高作物产量的主要措施，目前关于长期施肥对土壤性质，尤其酶和微生物特征的影响还不是很清楚。本研究以中国科学院安塞水土保持试验站的坡地农田长期(1995-2019年)定位施肥试验为基础，研究长期氮磷施肥处理(CK、N1、N2、N1P、N2P，其中N1、N2施氮量分别为：55.2，110.4 kg·hm-2，P施磷量为90 kg·hm-2) 对坡地农田土壤性质和土壤微生物特征的影响。取得主要结果如下：
1.与对照相比，长期单施氮肥（N1和N2处理）土壤中碱解氮含量分别提高了24.81%和39.92%；长期氮磷肥配施（N1P和N2P处理）土壤有机碳、全磷、碱解氮和有效磷含量分别提高了7.82%~16.81%、52.63%~58.18%、21.59%~22.89%、450.5%~660.3%，土壤pH降低了0.04~0.08个单位。
2.长期单施氮肥（N1和N2处理）使碱性磷酸酶(AP)活性提高了3.90%~4.44%；长期氮磷肥配施（N1P、N2P处理）使土壤β1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶与亮氨酸氨基肽酶酶活性（NAG+LAP）、葡萄糖苷酶活性（βG）分别提高了47.12%~59.94%、16.76%~71.01%；长期轮作种植和施肥对碳源酶、氮源酶、磷源酶活性均有显著提高作用，且在N1P处理土壤酶化学计量比最接近1:1:1稳态。
3.与试验开始前的基础养分相比，经过24年长期施肥后，单施氮肥处理(N1、N2) 使有机碳、全氮增幅分别为51.4%~77.3%、19.6%~30.3%，增速分别为.0.09~0.13 g/(kg·a)、0.02~0.04 g/(kg·a)。氮磷化肥配施处理(N1P、N2P)土壤有机质全氮增幅分别为38.5%~42.2%、18.9%~36.3%，增速分别为0.07~0.08 g/(kg·a)、0.02~0.03 g/(kg·a)。与对照相比，不同施肥谷子产量提高了6.65%~94.73%。
4.不施肥条件下，微生物量磷（MBP）在谷子根际土壤中显著高于非根际土壤中，微生物量碳、氮(MBC、MBN)略低于非根际土壤中。不同施肥条件下，MBC、MBN、MBP在根际土中略高于非根际土。与单施氮肥相比，氮磷配施肥处理明显提高土壤细菌群落的α多样性，优势菌种数也大幅提高。对于根际土壤细菌而言，长期氮磷施肥会显著提高土壤酸杆菌（Acidbacteria）、放线菌（Actinobacteria）和绿弯菌（Chloroflex）的相对丰度，降低蓝细菌（Cyanobacteria）的丰度，但N2施肥处理刚好相反；氮磷配比施肥处理提高了土壤变形菌（Proteobacteria）丰度，单施氮肥处理与之相反。整体上，优势菌群在根际土壤中相对丰度均高于非根际土壤中，但在单施氮肥处理中土壤变形菌门的相对丰度明显降低。在所有处理中，绿弯菌（Chloroflex）都在根际土壤中高度富集。
5.氮磷平衡施肥的显著提高根系碳、磷含量。施肥运输根生物量提高了106.67%~336.41%，吸收根的生物量降低了35.20%~60.20%。吸收根对养分变化敏感，且在氮磷肥配施处理尤为明显。施肥增加了吸收根致病菌的相对丰度，提高了运输根中抗病菌的相对丰度。吸收根中的Ascomycota、Glomeromycota门及Fusarium、Minimedusa属相对丰度显著高于运输根，Mortierellomycota、Basidiomycota门及Mortierella、Bipolaris、Cladosporium属相对丰度则显著低于运输根。
6.长期施肥通过提高通过提高土壤全磷提高放线菌丰度；施肥通过土壤速效磷含量提高变形菌群落丰度，通过提高提高微生物量碳、硝态氮降低其丰度；施肥通过提高微生物量碳、硝态氮、土壤全磷降低蓝细菌丰度。施氮肥通过提高根系生物量改变运输根优势菌群结构变化。施肥提高了植物根系碳含量、土壤全磷、速效磷、土壤易溶解氮含量从而促进吸收根优势菌群结构变化。施肥增加了吸收根致病菌的相对丰度，提高了运输根中抗病菌的相对丰度。
总之，长期施肥能够促进谷子植株生长，施用氮磷肥的效果优于氮肥，低氮配施磷肥（N 55.2 kg·hm-2+ P 90 kg·hm-2）效果最佳。在低氮配施磷肥处理（N1P）土壤氮磷含量、土壤酶活性、土壤微生物量和产量较不施肥处理分别提高了21.59%~58.18%、59.94%~71.01%、32.46%~218.10%、227.62%。 </p
基于无人机遥感技术的作物分布信息提取方法研究
No full text 为探讨无人机遥感分类技术对种植结构复杂区作物分布信息提取的潜力及适用性，本研究从无人机遥感影像作物分布信息提取方法入手，对比分析了不同分类方法提取作物分布信息的分类精度。首先，通过地面调查在内蒙古五原县域内选择了五处研究区并通过地面调查确定了其作物种类。其中，研究区1和研究区2均具有四种作物，研究区3具有三种作物，研究区4具有五种作物，研究区5具有八种作物。进而，基于无人机遥感可见光遥感平台和无人机多光谱遥感平台获得了研究区1和研究区2的可见光影像和研究区3、研究区4和研究区5的多光谱影像，并对影像进行预处理。最后，基于不同的遥感分类方法实现了5个研究区域作物分布信息的提取。本文主要取得以下成果：
（1）分析了无人机遥感技术在种植结构复杂的小农耕作区作物精细分类中的适用性。首先，基于研究区1和研究区2的可见光影像，使用基于像素的特征参数分层分类模型（PB-HCM）和面向对象的特征参数分层分类模型（OB-HCM）对研究区1和研究区2的作物进行分类，两种分类方法的分类准确率均在88%以上；其次，基于研究区3、研究区4和研究区5的多光谱影像，使用面向对象的支持向量机分类模型（OB-SVM）和面向对象的随机森林分类模型（OB-RF）对研究区3、研究区4和研究区5的作物进行分类，总体分类精度不低于97.21%。表明无论是无人机可见光遥感技术还是无人机多光谱遥感技术均对高度复杂种植结构下的作物精细分类具有广泛的应用潜力。
（2）对比了基于像素和面向对象的图像分析方法的分类精度。基于研究区1和研究区2的可见光影像，使用基于像素的特征参数分层分类模型（PB-HCM）和面向对象的特征参数分层分类模型（OB-HCM）对农田地物进行分类。结果显示，无论是研究区1还是研究区2，OB-HCM的分类效果优于PB-HCM。裸地，向日葵，树苗，玉米和小麦的最佳提取方法均为面向对象的图像分析方法。
（3）构建了一种基于可见光影像的，用以提取树苗分布信息的植被指数—TVI。运用箱形图统计分析了树苗与裸地，向日葵，玉米和小麦等其它地物的光谱差异，以此为切入点构建了一种基于可见光影像的树苗植被指数——TVI，并将其做为树苗提取的特征参数。TVI结合基于像素的特征参数分层分类模型（PB-HCM）和面向对象的特征参数分层分类模型（OB-HCM）对研究区1和研究区2的树苗进行提取，平均提取准确率达到92.89%，表现出了良好的应用潜力。
（4）对比了面向对象的随机森林分类模型（OB-RF）和面向对象的支持向量机分类模型（OB-SVM）的分类精度。基于OB-RF和OB-SVM对基于具有不同种植结构复杂的研究区3、研究区4和研究区5进行分类，在具有三种作物的研究区3，OB-RF模型和OB-SVM模型的分类精度分别为97.09%和99.13%，在具有五种地物的研究区4，精度分别为92.61%和99.08%，在具有八种作物的研究区5，精度分别为88.99%和97.21%。随着种植结构复杂度由低变高，两种模型的精度均有所降低，其中OB-RF模型精度下降了8.1%，OB-SVM模型仅下降1.92%。OB-SVM模型在地块细碎、种植结构复杂度高的情况下，总体分类精度仍可达97.21%。因此，与OB-RF相比，OB-SVM在地块细碎、种植结构复杂度高的情况下，分类精度更高，更适用于农业种植模式复杂的农田地物精细分类。</p
Research of Development on Nano Soil Stabilizer and Properties of Stabilized Soil
No full text基于黄河流域高质量发展和黄土高原生态环境保护的现实需求，针对黄土高原及广大无砂石料地区工程建设面临的砂石料开采环境成本高、弃土弃渣难以利用且传统土壤固化材料固土性能亟待提升的问题，为了充分利用当地水土资源，同时减少因开山取石、挖河淘沙等对环境的危害，在已有研究的基础上开发了一种新型纳米土壤固化剂N-MBER。通过室内力学试验与野外工程实践相结合的方法，运用扫描电镜和能谱分析等观测手段，明晰了纳米土壤固化剂性能优化的影响机制，揭示了纳米固化剂对土体力学性能及界面结构的作用机理，提出了纳米固化土单轴压缩本构关系及模型方程，构建了基于土壤惰性矿物激活与离子再造的纳米固化剂固土理论，研发了新型纳米固化剂材料及土体重构技术在不同坡沟生态工程中的施工技术，为纳米土壤固化剂的深入研发及在无砂石料地区的应用提供理论及技术支撑。取得的主要研究成果：
1、纳米材料对土壤固化剂的性能影响及N-MBER纳米固化剂开发。
针对土壤固化剂在强度和耐久性等方面的缺陷及纳米材料的性能优势，通过分析纳米改性后的土壤固化剂强度变化规律、影响因素以及微观颗粒形态，探讨了不同纳米二氧化硅掺量和养护龄期下的纳米固化剂、普通固化剂及P.O.32.5水泥的胶砂强度提升规律，建立了纳米改性固化剂胶砂抗压强度与掺量和龄期的复合幂指函数模型，明确了纳米固化剂在微观几何形态上对土体颗粒界面的胶凝机制，开发了一种新型纳米土壤固化剂N-MBER，其配方优化后的纳米二氧化硅掺量为2.5%。胶砂试验结果表明该掺量下的纳米固化剂强度较普通固化剂可提升15%以上，较P.O.32.5水泥可提升约50%。
2、揭示了纳米固化剂对土体力学性能及界面结构的影响机理。
研究发现纳米固化剂的掺量和龄期与固化土的力学性能显著相关，其中掺量与纳米固化土的无侧限抗压强度呈指数函数关系；在力学性能方面，纳米固化土各龄期的无侧限抗压强度较普通固化土和P.O.32.5水泥土可提升10%~30%；在微观界面结构方面，通过对比纳米固化土、普通固化土及水泥土的吸水率、干密度和颗粒形态随养护龄期的变化规律，揭示了纳米固化剂对土体力学性能和界面结构的影响机理。通过上述研究，明确了纳米固化剂加固后的土体在微观界面结构及宏观力学性能方面的演变机制，为进一步研究纳米固化土在受力条件下的应力-应变本构关系提供了基础。
3、建立了纳米固化土单轴受压条件下的弹塑性本构模型。
通过分析典型纳米固化土构件单轴压缩破坏过程，明晰了纳米固化土受力变形的三个阶段，即早期的材料内部孔隙闭合阶段，峰值应力前的线弹性变形阶段和峰值应力过后的材料破型阶段；通过模型筛选和参数计算，提出了纳米固化土单轴压缩应力-应变的弹塑性本构模型，并对模型精度进行了验证；模型验证结果表明，构建的纳米固化土弹塑性本构模型可以较好地模拟材料在单轴压缩受力下的应力-应变曲线变化规律。上述结果为定量计算纳米固化土在一维压缩条件下的应力-应变关系提供了依据，为研究纳米固化土各向异性多轴受力本构模型的研究提供了参考。
4、构建了基于惰性矿物激活与离子再造的纳米固化剂固土理论。
研究了纳米二氧化硅在固化剂水化过程中对其水化活性及离子组成和分布的影响机制研究，发现纳米二氧化硅能利用其火山灰催化活性强，颗粒小且流动性高等特点，通过激活土壤惰性矿物和化学离子再造，强化网状胶结，使材料的基本结构单元无分散，相界面紧密接触。同时能激发土体铝酸盐矿物潜在的活性，在相界面和土体单元内部形成牢固的多晶粘土聚集体，从而改善土体颗粒相界面接触的本质，产生较高的强度和水稳定性。研究发现纳米二氧化硅在早期水化过程中对氢氧化钙晶体的细化率可达50%以上，纳米固化剂对土壤胶体中不同形状的水化硅酸钙凝胶数量提升可达30%。通过上述研究构建了纳米固化剂加固土的基本理论，即“基于土壤惰性矿物活性再生与离子再造的相界面重构理论”，该理论的提出可为纳米固化剂的进一步研发及应用提供理论基础。
5、提出了纳米固化剂在典型工程中的施工技术。
本研究在团队研发的土壤固化剂成果基础上，利用开发的纳米固化剂及其土体重构技术在不同土质地区进行了典型工程的实践应用，结果表明：采用纳米固化土材料修建的工程比同等成本下的水泥土工程强度提升20%以上；在同等工程强度条件下，采用纳米固化土的修建成本可节省30%以上；纳米固化土的具有就地取材、施工简单且对环境无污染等优势，可以作为主体工程修建淤地坝拦挡墙、道路、蓄水池等设施，同时兼顾节约成本和环境保护。修建的纳米固化土工程及设施对生产建设和生态恢复具有积极的作用，在黄土高原等缺砂少石地区具有良好的推广应用前景。</p
青海省海西州土地利用变化强度分析与稳定性研究
No full text基于青海省海西蒙古族藏族自治州1995年、2000年、2010年和2018年4期土地利用数据,采用土地利用变化强度分析方法,从间隔层次、类别层次和转移层次3个方面对海西州1995—2018年土地利用变化强度及稳定性予以研究,深入分析了海西州不同层次土地利用强度变化过程与模式。结果表明:（1）间隔层次,海西州1995—2010年土地利用变化强度表现为慢速变化,2010—2018年土地利用变化强度呈快速变化。（2）地类层次,1995—2018年间,耕地和城乡、居民和建设用地（城居建设用地）变化活跃。1995—2000年水域变化处于相对稳定状态;2000—2010年水域、林地和草地变化相对活跃;2010—2018年间,水域和林地变化活跃,未利用地变化表现为稳定状态。（3）转移层次,1995—2018年增加的草地主要来源于未利用地、水域以及林地;耕地和城居建设用地向草地的转变过程均呈现出一种稳定的避免性系统转换模式;减少的耕地主要转变为城居建设用地,耕地向城居建设用地转移表现出稳定的倾向性系统模式。</p
黄土高原坡面尺度土壤微生物代谢限制机制研究
No full text黄土高原生态环境脆弱，坡地面积广，水土流失严重，植被恢复是黄土高原生态修复的重要方式。由于干旱缺水，土壤水分成为制约黄土高原植被恢复和重建的关键性因子，并对黄土高原生态系统养分循环过程产生重要影响。然而，目前仍缺乏对植被恢复过程中土壤水分驱动下的土壤养分循环和微生物代谢机制的系统研究。本研究以黄土高原典型坡面土壤为研究对象，对坡面不同坡位、不同土层、根际与非根际土和不同植被恢复类型的土壤微生物代谢限制进行研究，阐明了黄土高原坡面尺度下土壤微生物代谢特征和驱动机制，为黄土高原生态环境的恢复提供一定的科学依据。主要研究结果如下：
（1）坡面土壤微生物代谢活动主要受碳（C）和磷（P）限制，而微生物代谢限制在不同土层中存在差异，0-20 cm微生物代谢C和P限制均高于20-40 cm和40-80 cm层土壤。0-80 cm土层微生物代谢限制受到土壤水分（SWC）和养分的调控。在0-20 cm土层中养分计量比和全量养分对微生物代谢C限制的总影响最大，微生物生物量、养分计量比和SWC对微生物代谢P限制的总影响最大；在20-40 cm土层中，全量养分对微生物代谢C限制的总影响最大，SWC对微生物代谢P限制的总影响最大；在40-80 cm 土层中，养分计量比对微生物代谢C限制的总影响最大，SWC对微生物代谢P限制的总影响最大。
（2）根际与非根际土壤微生物代谢限制均受C和P限制，根际土微生物代谢C和P限制高于非根际土；在不同坡位上，上坡位土壤微生物代谢C限制高于下坡位，根际和非根际土壤微生物代谢P限制均随坡长的增加而逐渐增加；碳利用效率（CUE）在根际和非根际土以及在不同坡位无显著差异；有机碳：全磷（SOC: TP）、速效磷（Olsen-P）和全磷（TP）对微生物代谢限制和CUE有显著影响。
（3）坡面草地和刺槐地微生物代谢主要受C和P限制，在不同坡位上微生物限制没有显著差异，刺槐林地微生物代谢P限制在中坡和下坡位显著高于草地，冗余分析（RDA）和偏最小二乘法路径建模（PLS-PM）分析的结果显示土壤养分和养分计量是驱动坡面植被恢复的关键性因子。</p
Distinguishing Planting Structures of Different Complexity from UAV Multispectral Images
No full text This study explores the classification potential of a multispectral classification model for farmland with planting structures of different complexity. Unmanned aerial vehicle (UAV) remote sensing technology is used to obtain multispectral images of three study areas with low-, medium-, and high-complexity planting structures, containing three, five, and eight types of crops, respectively. The feature subsets of three study areas are selected by recursive feature elimination (RFE). Object-oriented random forest (OB-RF) and object-oriented support vector machine (OB-SVM) classification models are established for the three study areas. After training the models with the feature subsets, the classification results are evaluated using a confusion matrix. The OB-RF and OB-SVM models’ classification accuracies are 97.09% and 99.13%, respectively, for the low-complexity planting structure. The equivalent values are 92.61% and 99.08% for the medium-complexity planting structure and 88.99% and 97.21% for the high-complexity planting structure. For farmland with fragmentary plots and a high-complexity planting structure, as the planting structure complexity changed from low to high, both models’ overall accuracy levels decreased. The overall accuracy of the OB-RF model decreased by 8.1%, and that of the OB-SVM model only decreased by 1.92%. OB-SVM achieves an overall classification accuracy of 97.21%, and a single-crop extraction accuracy of at least 85.65%. Therefore, UAV multispectral remote sensing can be used for classification applications in highly complex planting structur.</p
火烧对北方封育草地植物-土壤生态系统化学计量及内稳性特征的影响
No full text本研究以中国北方6个研究站点3种草原类型区封育草地群落为研究对象，分析不同季节火烧对草地群落生物量、化学计量特征及其化学内稳性特征的影响，旨在为全球干旱加剧背景下，我国退化草地恢复和治理工作提供理论基础和依据。本论文主要结论如下：
（1）火烧并未显著改变地表植被高度、盖度和地上生物量（P > 0.05），而对所有研究区地表植被密度和地下生物量有显著影响（P < 0.05）。火烧对北方封育植被特征的影响存在区域性差异，整体上促进了禾本科植物的生长（物种重要值最大增幅118.74%），抑制了除鄂温克旗之外的所有研究样地非禾本植物的繁殖（物种重要值最大降幅85.08%）。火烧分别减弱了草地地上生物量及多样性指标与环境因子的相关性强度，但增加了地下生物量与环境因子的相关性强度。
（2）火烧对叶片化学性质的影响存在季节性差异和植物群落功能群类别差异，非禾本科植物叶片受火烧影响强于禾本科植物，秋季火烧对植物叶片作用强于春季火烧。火烧对根系化学性质及化学元素计量比的影响没有季节性差异，但0-10 cm根系化学元素计量比受火烧的影响强于10-30 cm。火烧对封育草地土壤的影响存在地域性的差异，秋季火烧影响显著（P < 0.05）。
（3）火烧后叶片-根系-土壤系统与环境因子各要素的相关关系发生不同程度的变化。在植物叶片和环境因子关系上，火烧对其相关性影响较小；不同季节火烧均强化了植物根系与环境因子的相关性，改变了正负相关关系，同时春季火烧影响作用强于秋季；但不同季节火烧弱化了土壤与环境因子相关性，秋季火烧弱化作用强于春季火烧。
（4）秋季火烧对植物叶片和根系元素内稳性的影响均显著强于春季火烧。火烧条件下植物叶片碳和磷元素内稳性强于根系，始终维持为“强内稳态”（P > 0.05）；而根系氮元素的内稳性则强于叶片，始终维持为“强内稳态”（P > 0.05）。火烧条件下植物叶片氮元素内稳性显著降低，禾本科植物氮素两季火烧后内稳性降低为“弱内稳态”（0.25 < 1/H < 0.5），植物氮素秋季火烧后内稳性降低为“弱内稳态”（0.25 < 1/H < 0.5）；而根系碳和磷元素内稳性也显著降低，10-30 cm和0-30 cm根系碳素内稳性秋季火烧后均降低为“内稳态”（0 < 1/H < 0.25），0-10 cm根系和0-30 cm根系磷素内稳性秋季火烧后分别降低为“弱内稳态”（0.25 < 1/H < 0.5）和“弱敏感型”（0.5 < 1/H < 0.75）。</p
渭河陕西段河道沉积物中碳氮磷时空变化分析及评价
No full text河流沉积物是营养元素的源和汇，反映了河流的污染状况。以2014—2016年渭河陕西段16个采样点沉积物中的碳氮磷含量为研究对象，在分析了沉积物中碳氮磷含量时空变化特征的基础上，采用模糊综合评价法对渭河陕西段沉积物中营养元素污的染状况进行了评价。结果表明：沉积物中碳氮磷含量在2016年较前两年均有所降低，但在汛期（2015年）无显著变化。沉积物中碳氮磷含量变化具有相似的空间特征，在清姜河入渭处和灞河入渭处达到峰值，兴平和沙王渡处存在低谷。渭河陕西段沉积物营养元素污染等级为Ⅱ级，存在一定的生态风险，需注意磷元素的外源输入以及支流处污染物处理与排放管理。</p
延河流域潜在蒸散发时空变化特征分析
No full text研究气候变化下潜在蒸散发（ET0）的时空特征，可为区域生态需水和水资源管理提供科学依据。本文基于延河流域1978～2017年逐日气象资料，利用Penman-Monteith方法对ET0进行计算，运用Mann-Kendall 趋势检验法、Pettitt检验对ET0时空变化特征进行分析，并通过Pearson相关性分析对ET0变化的影响因子进行探讨。结果表明：延河流域多年平均ET0为923.53mm，整体呈现上升趋势；月ET0呈单峰分布，高值月份出现于5～7月；季节上ET0表现为夏季>春季>秋季>冬季，夏季、春季、冬季的ET0呈上升趋势，秋季呈下降趋势，春季蒸散变化速率最大。空间上，ET0呈现西部向南部增加再向东南部减少的趋势，延安站蒸散量最大，志丹站蒸散量最小，除甘泉站外的其他站点的ET0均呈上升趋势，甘泉附近地区存在“蒸发悖论”现象，主导因子是日照时数、两米高风速和降水量；ET0变化率呈现东南高西北低的分布规律，延安站变化率最大，安塞站变化最小。平均温度、日照时数、相对湿度、气压、两米高风速、降水量等气象因子的变化趋势和变化速率时空差异显著，同一气象因子对ET0的影响程度具有时空差异，相同因子的不同变化趋势的组合对蒸散发的影响具有显著差异。总的来说，延河流域ET0变化与平均温度、日照时数、两米高风速的变化为正相关关系，与相对湿度、气压、降雨量的变化为负相关关系，其中与日照时数最为相关。</p