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黄土丘陵沟壑区坡沟系统产流产沙对源-汇-路径格局的响应

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农业工程学报 2024年第5期40卷 118-127页

作者：严增焦菊英唐柄哲曹斌挺李航梁越祁泓锟廖俊徐倩严晰芹李萌萌姜晓晗张子琦李建军西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所杨凌712100

坡沟系统是流域水土流失与治理的基本单元,掌握其产流产沙规律是有效解决水土流失区生态环境恢复重建的核心问题之一。该研究利用无人机遥感与地理信息系统技术对流域的土地利用进行识别,再确定5个不同坡沟系统(2个无人为干扰的退耕植... 详细信息

坡沟系统是流域水土流失与治理的基本单元,掌握其产流产沙规律是有效解决水土流失区生态环境恢复重建的核心问题之一。该研究利用无人机遥感与地理信息系统技术对流域的土地利用进行识别,再确定5个不同坡沟系统(2个无人为干扰的退耕植被恢复+自然植被坡沟系统SG1和SG2、2个人为扰动的退耕植被恢复+自然植被坡沟系统SG3和SG4、1个果园+坡耕地的坡沟系统SG5)内泥沙源、汇及其输移路径分布特征,并在量化指标的基础上,结合2016—2022年坊塌小流域5个坡沟系统的降雨和产流产沙的监测数据,研究了不同坡沟系统的产流产沙特征及其对源-汇-路径格局的响应。结果表明:次降雨条件下,SG1和SG2的产沙模数显著低于其他坡沟系统(P水土流失。研究可为坡沟系统土壤侵蚀防控以及流域生态保护和修复提供科学支撑。

关键词：泥沙景观径流坡沟系统产流产沙源汇输移路径

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泥沙磨蚀作用对微塑料老化破碎的影响

土壤学报 2024年第3期61卷 737-745页

作者：郝永丽胡亚鲜郭胜利西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100

泥沙磨蚀作为侵蚀迁移过程中典型作用力之一,可加速微塑料老化破碎,进而影响其在土壤环境中的富集和迁移特征,但泥沙磨蚀影响微塑料老化破碎的作用机理尚不明确。以侵蚀事件频繁且微塑料污染严重的黄土高原王东沟小流域为研究区域,采集... 详细信息

泥沙磨蚀作为侵蚀迁移过程中典型作用力之一,可加速微塑料老化破碎,进而影响其在土壤环境中的富集和迁移特征,但泥沙磨蚀影响微塑料老化破碎的作用机理尚不明确。以侵蚀事件频繁且微塑料污染严重的黄土高原王东沟小流域为研究区域,采集多年覆膜的玉米地土壤,对比分析风干原土、泥沙浸润静置,和含沙量为560 kg·m^(–3),800 kg·m^(–3)和930 kg·m^(–3)三种含沙量震荡磨蚀等多种处理下对微塑料的老化破碎影响,并采用激光红外成像系统分析不同处理下微塑料的丰度、类型和形态特征。研究结果表明:(1)研究区土壤微塑料以聚氨酯(Polyurethane,PU)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)、橡胶(Rubber,RB)为主,多为直径10~50μm的碎片状。(2)风干原土处理中微塑料的平均面积最大(5234μm^(2)),泥沙浸润静置处理下微塑料的平均丰度最小(2067 n·kg^(–1)),而泥沙磨蚀处理下微塑料的平均丰度最大(14400 n·kg^(–1)),且平均面积最小(2868μm^(2))。(3)三种含沙量磨蚀作用下微塑料的平均丰度和面积存在显著差异,其中,平均丰度表现为:中含沙量(18300 n·kg^(–1))>低含沙量(13730 n·kg^(–1))>高含沙量(8667 n·kg^(–1)),而平均面积表现为:低含沙量(3932μm^(2))>中含沙量(2472μm^(2))>高含沙量(2099μm^(2))。总之,本研究表明泥沙磨蚀作用可显著增加微塑料丰度,减小其面积,而微塑料的平均丰度在中含沙量磨蚀强度下达到最大值,且不同微塑料类型对泥沙磨蚀作用的敏感程度不同,为侵蚀环境下土壤微塑料的破碎迁移风险评估提供理论参考。

关键词：微塑料磨蚀破碎丰度形态特征

基于SSA-BP算法的仿鸮翼形量水槽水力性能

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农业工程学报 2024年第9期40卷 59-67页

作者：姚田成张宽地杨洋李柯吕宏兴西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室杨凌712100

为了设计出构造简单、水力性能优良,同时能满足灌区量水需求的量水槽,该研究根据鸮翼曲线提出了一种仿鸮翼形渠道量水槽。首先,利用基于麻雀搜索算法的BP神经网络(sparrow search algorithm,SSA-BP)优化鸮翼展向比,得到最小水头损失的... 详细信息

为了设计出构造简单、水力性能优良,同时能满足灌区量水需求的量水槽,该研究根据鸮翼曲线提出了一种仿鸮翼形渠道量水槽。首先,利用基于麻雀搜索算法的BP神经网络(sparrow search algorithm,SSA-BP)优化鸮翼展向比,得到最小水头损失的量水槽线形,并探究了优化后的量水槽在输水渠道的适用性。进一步地,在8种流量工况下,选用6组收缩比开展测流试验,结合FLOW-3D数值模拟分析仿鸮翼形量水槽水头损失、弗劳德数、壅水高度、临界淹没度等水力参数,建立测流公式。试验表明,基于SSA-BP优化的仿鸮翼形量水槽具有良好的测流性能,在建议收缩比0.60~0.66范围内,其水头损失为7.75%~14.21%,临界淹没度为0.81~0.90,上游壅水高度为0.84~3.16 cm,上游弗劳德数均小于0.42,符合灌区量水要求。建立的测流公式,平均测流误差为1.49%,测流精度较高。仿鸮翼形量水槽各项水力性能指标优良,能满足灌区测量精度,针对灌区优化水资源配置、精细化用水具有一定的推广价值。

关键词：量水槽仿生数值模拟优化算法收缩比水力性能

近30 a陕西土壤有机碳的时空变化特征及影响因素

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环境科学 2024年第10期45卷 5994-6001页

作者：冯晓琳闫雨阳张欣然张楚天耿增超胡斐南许晨阳西北农林科技大学资源环境学院杨凌712100 西北农林科技大学农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所杨凌712100

土壤有机碳(SOC)动态变化对土壤质量演变和全球碳循环具有极其重要的指示意义,因此有必要对区域SOC库的时空分布变化和影响因素进行研究.分别收集陕西省1985~2015年近30 a共540个土壤剖面信息及其环境变量数据,使用单因素方差分析和路... 详细信息

土壤有机碳(SOC)动态变化对土壤质量演变和全球碳循环具有极其重要的指示意义,因此有必要对区域SOC库的时空分布变化和影响因素进行研究.分别收集陕西省1985~2015年近30 a共540个土壤剖面信息及其环境变量数据,使用单因素方差分析和路径分析法探究陕西省SOC含量的时间和空间分布特征以及SOC含量变化的影响因素.结果表明,1985年和2015年陕西省SOC含量在空间分布上表现为:关中最高,陕南次之,且都显著高于陕北.自1985~2015年,陕南SOC含量上升幅度最大,为21.28%,关中上升了15.33%,而陕北SOC含量小幅度下降,降幅为10.23%,主要发生在60~80 cm和80~100 cm的深层土壤.与1985年相比,2015年陕西省0~100 cm各土层SOC含量增幅的变化范围为3.21%~29.39%.1985年和2015年各土壤类型中SOC含量最高的土壤类型分别为暗棕壤和棕壤.与1985年相比,2015年SOC含量增幅最大的土壤类型为粗骨土,其次为新积土.相关分析及路径分析结果表明,SOC含量与海拔显著正相关,与年平均降水量、归一化植被指数和全氮含量极显著正相关;与曲率、容重和pH极显著负相关.全氮含量是影响SOC含量的主控因素.研究结果可为区域内未来的碳管理措施提供参考.

关键词：陕西省土壤有机碳(SOC) 时空分布路径分析影响因素

基于NSGA-Ⅱ遗传算法的Myring流线型量水槽体型优化设计

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农业机械学报 2024年第4期55卷 241-250页

作者：杨洋张宽地姚田成李柯吕宏兴王蒙西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100

Myring流线型在水下航行器领域应用较为广泛,而量水槽在渠道中的受阻状态与潜水器潜行时受到的阻力情况具有一定的相似之处,因此本文借鉴潜水器的结构特点进行量水槽体型设计,探究量水槽受阻最小的较优线型。基于FLOW-3D软件,采用最优... 详细信息

Myring流线型在水下航行器领域应用较为广泛,而量水槽在渠道中的受阻状态与潜水器潜行时受到的阻力情况具有一定的相似之处,因此本文借鉴潜水器的结构特点进行量水槽体型设计,探究量水槽受阻最小的较优线型。基于FLOW-3D软件,采用最优拉丁超立方设计方法,以流线型的收缩段长度和锐度因子、扩散段长度和离去角为变量设计了40组数值模拟方案,得到对应的水头损失百分比和上游佛汝德数。以数值模拟变量为输入、结果为输出,训练RBF神经网络,结合NSGA-Ⅱ遗传算法获得Patero前沿解,通过TOPSIS评价法筛选出最优解并得出其线形参数:优化模型收缩段长度为45.9 cm、收缩段锐度因子为0.74、扩散段长度为49.2 cm、扩散段离去角为14.63°,并通过等比例缩放得到6组收缩比,在9组流量下进行模型试验分析水力性能。结果表明,优化后线型过流较顺畅,水力性能较优,预测结果和模拟结果误差不超过5%;不同工况下上游佛汝德数均小于0.5,满足测流规范要求,收缩比为0.58~0.66时各项水力性能均较优;基于临界流测流和量纲分析原理得到的测流公式精度较高,平均相对误差为2.09%。本研究证明了将流线型运用于量水槽领域研究以及通过神经网络和遗传算法寻优的可行性,优化后Myring流线型量水槽具有良好的性能和测流精度,在灌区渠道中具有较好的运用前景。

关键词：流线型量水槽体型优化数值模拟神经网络 NSGA-Ⅱ遗传算法

陆地生态系统土壤CO_(2)排放对模拟增温的响应特征及影响因素

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生态学报 2024年第5期44卷 1928-1939页

作者：田茜杨芳王召欢张庆印西北农林科技大学资源环境学院杨陵712100 西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室杨陵712100

全球变暖已经成为不争的事实,陆地生态系统碳循环的研究受到了各界广泛关注,是当前全球变化研究中的重点。土壤CO_(2)排放是陆地生态系统与大气间二氧化碳交换的最大通量之一,当前陆地生态系统中土壤CO_(2)排放如何响应全球气候变暖及... 详细信息

全球变暖已经成为不争的事实,陆地生态系统碳循环的研究受到了各界广泛关注,是当前全球变化研究中的重点。土壤CO_(2)排放是陆地生态系统与大气间二氧化碳交换的最大通量之一,当前陆地生态系统中土壤CO_(2)排放如何响应全球气候变暖及其影响因素仍不清楚,限制了对土壤碳循环过程及影响机制的深入认识。旨在明确全球变暖背景下陆地生态系统中土壤CO_(2)排放格局及影响因素。基于Web of Science、PubMed和中国知网等中英文期刊数据库,充分收集全球范围内的相关野外试验文献81篇,提取出65个研究位置和213组相关研究数据,采用Meta分析方法探讨陆地生态系统土壤CO_(2)排放对增温的响应特征,分析其与海拔、气候、土壤含水量、容重(BD)、pH、全氮(TN)和土壤有机碳(SOC)的相关关系。结果表明:陆地生态系统中土壤CO_(2)排放对增温整体有显著的正向响应,在农、林、草生态系统中,增温使土壤CO_(2)排放分别显著增加13.1%、18.0%、5.9%(P土壤呼吸,但随着增温持续时间增加,土壤呼吸对温度的敏感性会降低,对温度变化产生适应性,从而使其对增温的响应能力减弱;响应特征受到环境因子、土壤特性以及其他试验条件等的影响,绝大多数条件下对增温表现出显著的正响应特征,不同影响因子之间共同作用、相互影响。增温通常能够改变植物生物量、土壤养分含量及微生物数量和活性,从而影响到植被根际呼吸和土壤呼吸速率。相关分析表明,海拔对土壤CO_(2)排放有显著负向影响,而年均气温、年均降水量、土壤含水量和仪器嵌入土壤深度则对土壤CO_(2)排放产生显著正向影响。这些结果对于理解全球土壤CO_(2)排放的时空变化格局有重要意义,也为准确评价全球变暖背景下土壤碳汇功能及其持续性提供理论依据。

关键词：土壤CO_(2)排放土壤呼吸陆地生态系统增温 Meta分析

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土壤水分及磷水平对草甘膦农药降解动力学的影响

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土壤学报 2024年第2期61卷 469-483页

作者：丁玲玲薛萐杨晓梅西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学水土保持研究所/黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100

近年来,草甘膦及其降解产物氨甲基膦酸(AMPA)在土壤中的持久性及其环境风险日益受到关注。然而,草甘膦与磷酸盐结构相似且带电荷,可能与磷酸盐在土壤颗粒表面产生吸附竞争,进而影响其在土壤中的环境行为及土壤磷的生物有效性。本研究通... 详细信息

近年来,草甘膦及其降解产物氨甲基膦酸(AMPA)在土壤中的持久性及其环境风险日益受到关注。然而,草甘膦与磷酸盐结构相似且带电荷,可能与磷酸盐在土壤颗粒表面产生吸附竞争,进而影响其在土壤中的环境行为及土壤磷的生物有效性。本研究通过室内控制试验,对不同磷酸二氢钾施用水平(0,50 mg·kg^(-1),100 mg·kg^(-1))及水分条件下(20%田间持水量(20FC),60%田间持水量(60FC))黄土中草甘膦农药降解动力学、土壤速效磷及土壤酶活性变化特征进行研究。结果表明:(1)不同磷酸二氢钾施用及水分条件下,草甘膦农药在喷施初期降解速率较快,后期逐渐减缓;不同磷酸二氢钾施用水平对草甘膦降解影响不显著,但不同水分梯度对其影响差异显著。其降解产物AMPA的含量随着草甘膦农药的降解而增加,不同磷酸二氢钾施用水平处理AMPA的含量差异不显著,但不同水分条件下其峰值及变化特征差异显著,即:20FC条件下至喷施后第14天达到峰值,而60FC条件下在喷施后第7天就达到峰值。通过拟合发现,草甘膦残留数量特征符合污染物一级动力学衰减模型,其半衰期分别为69.3~77.0 d(20FC)和10.5~12.8 d(60FC)。(2)草甘膦农药喷施后,土壤中速效磷含量随草甘膦农药的降解呈现先减小后增大的变化特征,土壤水分对其影响差异显著。此外,草甘膦农药喷施后,磷酸酶活性受到明显抑制,N-乙酰胺基-β-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、亮氨酸酶活性波动较大。不同磷酸二氢钾施用水平对以上四种土壤酶活性的影响差异不显著,但不同水分梯度对其影响较大。由此表明:黄土中磷水平对草甘膦农药降解特征的影响不显著,但土壤水分状况显著影响草甘膦农药的衰减速率及其降解产物的残留水平;同时,草甘膦农药喷施,对黄土中速效磷及磷酸酶活性的影响较大,可能对土壤P循环及植物利用产生影响。因此,后续研究还应考虑草甘膦与土壤磷组分及相关酶活性的互馈效应,特别是在干旱条件下草甘膦及其降解产物的持久性与土壤健康的关系研究,以期为黄土区草甘膦农药的安全喷施提供科学依据。

关键词：草甘膦氨甲基膦酸(AMPA) 降解动力学速效磷土壤健康

关中塿土工程堆积体坡面径流和产沙对坡长及砾石含量的响应

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应用生态学报 2024年第3期35卷 749-758页

作者：郭培龙王文龙李建明康宏亮娄义宝韦思瀚西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所陕西杨凌712100

随着关中地区经济发展,产生大量以塿土为主要土壤类型的工程堆积体。采用模拟降雨的方法研究不同降雨强度(1.0、1.5、2.0、2.5 mm·min^(-1))和不同坡长(3、5、6.5、12 m)条件下土质(0%砾石)、土石质(30%砾石)塿土堆积体坡面径流和产沙... 详细信息

随着关中地区经济发展,产生大量以塿土为主要土壤类型的工程堆积体。采用模拟降雨的方法研究不同降雨强度(1.0、1.5、2.0、2.5 mm·min^(-1))和不同坡长(3、5、6.5、12 m)条件下土质(0%砾石)、土石质(30%砾石)塿土堆积体坡面径流和产沙特征。结果表明:雨强在1.0~1.5 mm·min^(-1)时,径流率相对稳定,而在2.0~2.5 mm·min^(-1)时,径流率波动变化明显;平均径流率在相同坡面不同雨强时存在显著差异,随雨强增大2种坡面间平均径流率差异显著增大,在相同雨强下,土石质坡面径流率在各坡长间的差异较土质坡面更明显。在3~6.5 m坡长时,坡面流速先迅速增大后缓慢增大或趋于稳定,12 m坡长时则显著提高;随雨强增大,砾石对平均流速的抑制作用增强,雨强2.5 mm·min^(-1)时,土石质坡面平均流速较土质坡面的减幅最大可达61.5%。雨强侵蚀量的贡献率均最高,分别为51.8%和35.5%。该研究结果可为塿土区工程堆积体水土流失治理提供科学依据。

关键词：模拟降雨坡长砾石含量径流产沙贡献率

陕北黄土区深剖面不同土地利用方式下土壤水分和温度的分布特征

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应用生态学报 2024年第9期35卷 2552-2560页

作者：李明辉李秧秧樊军中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100 中国科学院大学北京100049 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100

研究不同土地利用方式对深剖面土壤水分和温度时空动态的影响,揭示不同植被覆盖对区域水热资源的调控效应,可为优化土地管理和植被恢复提供理论依据。本研究以黄土高原北部六道沟流域不同土地利用方式为研究对象,于2022年对0~1000 cm土... 详细信息

研究不同土地利用方式对深剖面土壤水分和温度时空动态的影响,揭示不同植被覆盖对区域水热资源的调控效应,可为优化土地管理和植被恢复提供理论依据。本研究以黄土高原北部六道沟流域不同土地利用方式为研究对象,于2022年对0~1000 cm土层土壤含水量和温度进行动态监测,分析4种土地利用方式下(林地、草地、农地和荒草地)土壤水分和温度的时间变化规律和垂直剖面分布特征。结果表明:研究区不同土地利用方式之间的土壤水分和温度分布特征差异显著。2022年生长季(4—10月),4种土地利用方式0~1000 cm土层土壤总储水量由高到低依次为:大豆农地(1393 mm)、荒草地(1374 mm)、柠条林地(1218 mm)和苜蓿草地(557 mm)。柠条林地和大豆农地在0~300 cm、荒草地在0~500 cm、苜蓿草地在0~200 cm土壤水分变化较大,深层土壤水分均变化较小。土地利用方式对土壤温度的影响主要表现在0~200cm土层,最深可达300 cm。2022年4种土地利用方式的降水入渗补充深度在200 cm之内。柠条林地和苜蓿草地的土壤水分消耗深度均为200 cm,大豆农地和荒草地的土壤水分消耗深度为100 cm。植被变化显著影响了土壤深剖面水热过程。

关键词：深剖面土地利用方式土壤水分土壤温度