探究风蚀区草地、林地和农田土壤有机碳物理组分及其影响机制,可为风蚀区土地的碳固定与科学利用、防风措施制定以及坡耕地农田肥力修复提供科学依据.本研究在黑龙江省齐齐哈尔市梅里斯区风沙土风蚀区选取相邻近的草地、林地和坡长约350 m、坡度约5°的坡耕地农田(自下而上每100 m分别设为下坡段、中坡段和上坡段),研究0～15cm 土层团聚体有机碳和密度分组有机碳的分异.结果表明:风蚀区草地、林地和农田土壤＞2 mm团聚体均遭到破坏,＜0.053 mm团聚体显著高于其他粒级团聚体;与草地和林地土壤相比,农田各粒级土壤团聚体、密度分组有机碳含量以及重组有机碳占比均显著减少.农田上坡段＞2 mm团聚体被完全破坏,各粒级团聚体及密度分组有机碳含量均随坡面的上升逐渐下降,重组有机碳占比逐渐减小,轻组有机碳占比逐渐增加.土壤有机碳和速效钾是影响团聚体稳定性、团聚体有机碳含量和密度分组有机碳含量的关键因子,且团聚体有机碳的流失使团聚体稳定性下降.综上,相比草地和林地,东北风蚀区农田土壤团聚体稳定性、团聚体有机碳含量、密度分组有机碳含量以及重组有机碳占比均降低,坡耕地随坡段的上升,团聚体有机碳含量、密度分组有机碳含量以及重组有机碳占比均降低.在风蚀区植树、保护与扩大草原面积、增加坡耕地有机物料施用等是稳固和提高土壤碳储量、改善土壤结构、提升土壤质量的有效途径.

粮食生产服务与土壤保持服务的供给矛盾是制约怒江流域可持续发展的一大阻碍.以流域中心的施甸县为例,使用均方根偏差(Root Mean Square Error,RMSE)方法评估了 2000-2020 年粮食生产和土壤保持服务权衡强度的空间特征变化.然后将 2020 年作为基准年,以坡耕地生态恢复作为决策变量,使用多目标线性规划提取了高生态恢复优先的区域,进而识别了权衡强度与恢复潜力的空间分布异同.研究结果表明,(1)两项生态系统服务权衡的空间分异明显,研究期间权衡强度呈增加趋势,RMSE平均值由 2000 年的 0.466 增加至 2020 年的 0.499;高权衡强度区域主要集中在研究区的低海拔坝区,而低权衡强度区域分布零散,且高/低权衡强度区域在空间上都表现出聚集的特征.(2)根据线性规划绘制的效率前沿曲线,在土壤保持服务收益达到 13.35×106t hm-2 a-1时需要转出 3388.51hm2坡耕地,同时粮食生产服务损失达 9.59×106 kg,而继续提升会显著增加成本.(3)各权衡强度等级坡耕地的生态恢复潜力为:中权衡＞低权衡＞高权衡,其中权衡强度在 0.4-0.5 区间的坡耕地最适宜进行生态恢复.这一研究结果可以为山地区域坡耕地利用模式提供参考,推进可持续发展目标的实现.

以产业兴旺、生态宜居等各方面协同推进为总要求的乡村振兴战略的实施,对于生态环境脆弱且发展落后问题突出的西南喀斯特广大乡村地区具有重要意义.合理的景观格局是乡村振兴的基础.以贵州典型喀斯特石漠化乡村为研究区,从类型和景观两个尺度选取 11 个景观格局指数,对研究区的景观类型分布、景观破碎度空间分布、景观多样性空间分布等展开研究,探明了研究区景观格局特征.在此基础上结合生态学理论和乡村振兴总体要求,提出研究区乡村景观优化思路.结果表明:(1)研究区景观类型可分为水田、坡耕地、有林地、疏林地、经果林、石漠化灌丛等10 类,其中坡耕地和石漠化灌丛是主要景观类型,石漠化灌丛是优势景观类型,道路、水系和居民点景观面积占比较小.(2)研究区西北部和西南部以人工景观的分布为主,景观破碎化程度高;北部石漠化景观集中连片分布,景观多样性和异质性指数较低.(3)从景观格局优化、产业结构调整两个角度对研究区乡村景观进行了优化,优化后形成了较为完善的生态网络格局,生态系统稳定性提升;种植结构的调整提升了景观结构复杂程度和土地利用价值,也优化了研究区的生态环境,为乡村旅游业的发展创造了条件.结果可为喀斯特地区乡村振兴规划及实施提供理论参考.

探究快速城市化、工业化背景下,山区乡村功能多元化与坡耕地演变的耦合关系,对山区耕地保护和乡村可持续发展具有重要意义.从人地关系视角,构建了山区乡村功能多元化与坡耕地演变耦合关系测度模型,并以三峡库区奉节县为例,采用乡村功能评价、耦合协调度模型等方法,揭示其耦合关系及其驱动机制.结果表明:(1)奉节县各乡村功能均呈现发展的趋势,其中社会保障功能的发展最为明显,乡村功能综合指数呈现南北部增加、中部减少的特征,且南部增加幅度大于北部;(2)奉节县坡耕地占比呈现下降趋势,缓坡耕地减少最少,急陡坡耕地减少最多,呈现南部减少幅度小、北部减少幅度大的特征;(3)乡村功能多元化与缓坡耕地演变的耦合协调度呈下降的趋势,与陡坡耕地和急陡坡耕地的耦合协调度呈先降后升的趋势,其耦合响应类型可以归纳为可持续型、转型型、一致型和衰退型 4 种类型;(4)乡村功能多元化与坡耕地演变耦合变化主要受到自然、社会经济、政策等要素驱动,今后应当从发展生态农业、推行环境治理等方面来提高乡村功能发展与坡耕地利用之间的协调性.研究方法和研究结果可为其他山区坡耕地资源的优化利用、生态保护以及乡村可持续发展提供借鉴价值.

为证实坡面微地形改造措施—等高反坡阶(CRT)对坡耕地的生态修复功能,揭示CRT对球囊霉素相关土壤蛋白(GRSP)含量及土壤碳氮储量贡献的影响与机制至关重要.通过分析原状(CK)和CRT处理下旱季和雨季坡耕地 0-5、5-15、15-30 cm土层中总GRSP(T-GRSP)、易提取GRSP(EE-GRSP)、土壤有机碳(SOC)与土壤全氮(TN)在CRT阶上和阶下及CK对应位置处的时空分布特征,探讨CRT措施下GRSP 对土壤碳氮储量的贡献,揭示相关机制.结果表明:(1)CRT坡耕地土壤T-GRSP、EE-GRSP、SOC和 TN 的含量较 CK 显著提高(P＜0.05),增幅分别为 16.6%—189%、7.28%—102%、1%—68.3%和7.29%—79.7%.且CRT对坡耕地 GRSP 含量的提升效果总体表现为雨季强于旱季、表层(0-5 cm)土壤高于深层(15-30 cm)、阶下优于阶上.(2)相比CK,CRT坡耕地旱季和雨季SOC储量分别提高 8.06%和 13.5%,TN储量提高 7.01%和 12.1%.T-GRSP对SOC和TN储量的贡献率较CK分别提高8.5%—141%和2.58%—133%,EE-GRSP对SOC和TN储量的贡献率较CK分别提高1.38%—82%和5.25%—87.2%.且CRT对坡耕地SOC和TN储量提升效果雨季优于旱季,对表层土壤T-GRSP对SOC和TN贡献率的提升效果表现为雨季强于旱季、阶下强于阶上.(3)CRT极大提高了坡耕地T-GRSP与土壤孔隙度、SOC和TN的正相关性.相比CK,相关系数(R2)分别由 0.17、0.26 和 0.29 增至 0.51、0.66 和 0.64.因此,CRT措施不仅降低了坡耕地SOC和TN的流失,还通过提高有机质含量改善土壤通气透水性,进而提高坡耕地GRSP的分泌与累积,同时提高GRSP对碳氮的贡献率,促进了土壤碳氮的固持与封存.

了解土壤侵蚀和泥沙连通性的空间分布特征对制定流域综合管理措施具有重要作用.本研究以辽西低山棕壤丘陵区二道岭小流域为对象,基于InVEST泥沙输移比模型,引入连通性指数和土壤流失模型作为泥沙连通性和土壤侵蚀强度空间分布特征的衡量指标,通过探究不同泥沙连通性等级和土壤侵蚀强度下坡度、坡向和土地利用特征,分析地形、土地利用类型、泥沙连通性和土壤侵蚀之间的关系.结果表明:二道岭小流域泥沙连通性平均值为-3.79,平均土壤侵蚀量为614 t·km2·a-1;高连通性主要出现在坡耕地中,较低的连通性主要分布在林草地中;93.3％流域面积的土壤侵蚀强度在中度以下,极强烈以上侵蚀面积仅占流域面积的1.1％.泥沙连通性等级越高,＜5°坡度的面积所占比例越高,其余坡度的面积占比相对稳定;耕地面积占比增加,林草地面积占比减少;阴坡面积占比降低,阳坡面积占比增加.随着土壤侵蚀强度的递增,＜8°坡度的面积占比增加,其余坡度的面积占比相对稳定;林草地面积占比减少,其他土地利用面积占比增加;阳坡面积占比总体增加,阴坡面积占比总体降低.土地利用是影响该流域土壤侵蚀与泥沙连通性响应关系的关键因素.

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～ 7.02t·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.

为探究黄土丘陵区退耕地植被恢复土壤有效氮素养分累积的季节动态变化特征及水热驱动效应,以邻近坡耕地为对照,分析了植被恢复15a的刺槐、柠条、荒草地土壤可溶性氮组分密度、分布比例在4-10月份内的动态变化状况及其与土壤温度和含水量间的关系.结果表明,整个采样期间,0-30 cm土层土壤硝态氮、可溶性有机氮和可溶性全氮动态变化显著,且各可溶性氮组分中仅硝态氮随土层变化差异显著.其中土壤硝态氮变化幅度整体为0.13-1.71 g/m2,占可溶性全氮的5.1％-52.1％,其最大值出现在4月份,最小值出现在10月份;可溶性有机氮整体变化幅度为0.29-2.92 g/m2,占可溶性全氮的30.9％-85.3％,在4月份和8月份分别达最小值和最大值;铵态氮动态变化不显著,4-10月份整体变化幅度为0.17-0.74 g/m2,占6.4％一21.4％,其最小值出现在10月份,最大值出现在4月份;可溶性全氮整体变化幅度为1.25 3.52 g/m2.可溶性氮组分中,各组分所占比例为可溶性有机氮＞硝态氮＞铵态氮,并且可溶性有机氮与硝态氮所占比例动态变化趋势相反.刺槐、柠条林和荒草地0-30 cm土壤硝态氮平均约为耕地的3.42倍、2.54倍和1.26倍,铵态氮平均为耕地的1.71倍、1.37倍和1.30倍,可溶性有机氮约为1.64倍、1.31倍和1.23倍.可溶性氮组分受土壤含水量的影响大于土壤温度,硝态氮对土壤含水量的变化最为敏感,而可溶性全氮则对土壤温度变化最为敏感.综上所述,人工林植被恢复有利于提高土壤可溶性氮组分,增加氮的有效性,同时除铵态氮外,土壤可溶性氮组分随季节变化显著.

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.

黄土高原是我国水土流失最严重的地区之一,区域生态系统服务退化.小流域是水土流失的主要发生地,在提升水土保持服务时如何权衡各类生态系统服务,是当前生态系统服务管理的重要内容.选取黄土高原典型小流域——甲积峪,以2012年为基准年,2022年为规划目标年,基于统计年鉴和调查数据,采用市场价值法、影子价格法、影子工程法、替代成本法和机会成本法对各土地利用类型的生态系统服务价值进行估算;采用多目标线性规划方法,将生态系统服务分为供给服务、水土保持服务与其他服务,以三者价值作为权衡子目标,生态系统服务总价值作为总目标构造目标函数,依据土地面积、粮油保障和各土地利用类型对坡度的适宜性,利用35个变量构造了17个约束方程,通过调整甲积峪土地利用类型实现小流域生态系统服务的权衡优化.结果表明,甲积峪生态系统服务价值主要受占地比例较大且生态系统服务价值较低的坡耕地和荒草地制约.权衡优化后,坡耕地和荒草地主要调整为生态系统服务价值较高的乔木林和梯田,土地利用结构得到明显改善.生态系统服务总价值增幅为9.23％,供给服务、水土保持服务与其他服务价值增幅分别为6.24％、9.81％和17.35％.三者增加量分别占生态系统服务总价值增加量的25.96％、54.42％和19.62％.与仅以供给服务、水土保持服务、其他服务或总服务价值为目标函数的优化结果相比,3个子目标的优化结果更加协调,且三大效益均明显增加.空间分布上,不同生态功能区的各生态系统服务价值增长率存在明显差异,上游其他服务价值增长率最高,中游水土保持服务价值增长率最高,下游供给服务和总服务价值增长率最高,与甲积峪上中下游生态功能区定位一致.充分考虑了土地利用适宜性,在保证供给服务的前提下,突出了水土保持服务并优化了其他服务,各综合治理效益评价指标均得到提高,符合黄土高原小流域的实际情况.