基于SWAT模型的丹江流域土地利用变化对径流影响研究

为定量分析土地利用类型变化对径流的影响,基于SWAT模型,通过分析丹江流域近20年来的土地利用变化,并设置3种不同土地利用情景模式,探究了土地利用类型对流域径流的影响作用。结果表明:SWAT模型率定期和验证期的决定性系数R²和纳什效率系数NS分别为0.8,0.73和0.86,0.78,适用于丹江流域径流模拟。2000—2020年,丹江流域土地利用变化引起的径流变化为-0.18%; 情景1中,把林地、草地全变为耕地的情况下,模拟的年均径流变化率为61.65%,情景2中,把耕地和草地全转换为林地的情况下,模拟的年均径流变化率为-12.69%,情景3中,把耕地和林地全转换为草地的情况下,模拟的年均径流变化率为24.24%。耕地对径流深度的影响系数为0.26 mm/hm²,林地对径流深度的影响系数为-13.35 mm/hm²,草地对径流深的影响系数为-0.01 mm/hm²。由此得出,耕地对产流起促进作用,草地和林地对产流起抑制作用。为维护丹江流域生态环境,增强丹江流域径流供给,应科学开发耕地资源。     

修河中上游流域土地利用变化对径流的影响

[目的]土地利用的变化对流域水文过程产生了重要的影响,研究土地利用变化下的水文响应已成为水文学科研究的一个热点。[方法]以修河中上游流域作为主要研究区域,分析了35年来修河中上游流域各种土地利用类型的变化特征,并利用1987—2000年水文气象数据资料,构建了SWAT模型,通过设置1980年、1990年、2005年和2015年4种土地利用情景,定量分析了修河中上游流域土地利用变化对径流的影响。[结果]SWAT模型在研究区具有较好的适用性。1980—2015年,修河中上游流域主要用地类型为林地、耕地和草地,三者面积之和占流域的98%。其中高利用城市用地和耕地对径流的影响系数是正值,说明高利用城市用地和耕地对径流起促进作用;林地、草地对径流的影响系数均表现为负值,说明林地和草地对径流有抑制作用,且草地的抑制作用更加显著。此外,林地和草地在丰水季会减少径流,在枯水季却会增加径流,有类似海绵的作用。[结论]模拟研究土地利用变化对修河中上游流域径流的影响在合理规划水土资源、改善生态环境方面具有十分重要的现实意义。     

1980—2020年渭河中上游流域土地利用演变及其对径流的影响

[目的] 研究渭河中上游流域不同土地利用情景下径流的响应规律,为渭河中上游流域的发展规划及水资源管理提供科学支撑。[方法] 基于1980—2020年土地利用数据,分析流域40 a的土地利用变化特征,并结合SWAT模型,设置5种历史土地利用情景、两种综合土地利用情景和3种极端土地利用情景,探究径流在不同土地利用情境下的响应。[结果] ①流域40 a间耕地、水域及未利用土地面积逐渐减小,林地、草地和居民用地面积逐渐增加。②1980—2020年共5个时期模拟年均径流深分别为72.24,72.27,72.31,71.86,72.25 mm,退耕还林、退耕还草、耕地型、林地型及草地型模拟年均径流深分别为68.59,69.70,72.60,64.81,66.82 mm。[结论] 40 a间土地利用类型的变化对渭河中上游流域径流的影响小于10%;退耕还林、退耕还草对径流主要起抑制作用。在3个极端土地利用情境下径流大小为：耕地型＞草地型＞林地型,且耕地型与林地型、草地型情境下的差异明显。     

基于SWAT模型的张家口清水河流域土地利用情景变化对径流影响研究

土地利用是区域气候和环境变化的重要影响因素。以3S技术为依托,分析25年来张家口清水河流域土地利用类型变化特征,建立了流域SWAT模型并评价了其在张家口清水河流域的适用性,通过设置5种土地利用变化情景,定量分析了张家口清水河流域主要土地利用类型对流域径流的影响。结果表明:SWAT模型在张家口清水河流域具有很好的适用性。1990—2015年,张家口清水河流域的土地利用类型以林地、草地和耕地为主,3种土地利用类型面积总和均占流域总面积的96%以上。其中林地对径流量的影响系数为1.908 m~3/(km~2·h),草地对径流量的影响系数为1.836 m~3/(km~2·h),说明林地和草地都具有截留径流的作用,且林地的作用大于草地;耕地对径流量的影响系数为3.168 m~3/(km~2·h),说明耕地对径流起增加作用。因此,合理开发耕地资源,保护林草资源有利于促进张家口清水河流域生态环境质量的改善。     

渭河流域径流对土地利用变化的时空响应

为定量分析渭河流域土地利用变化对径流的时空影响,该文基于渭河流域1985年,1995年和2005年3期土地利用数据,分析了流域近20 a的土地利用变化特征,结合SWAT(soil and water assessment tool)水文模型,设置5种土地利用变化情景,研究了流域土地利用变化与年、季径流的响应关系。结果表明,SWAT模型在渭河流域有较好的适用性;耕地、林地和草地为流域主要土地利用类型,面积变化小于10%,但它们在空间上的位置发生了较大转移;流域近20 a土地利用变化对径流影响小于15%;极端土地利用情景下,产流量总体趋势为耕地草地林地。退耕还林对年、季径流的影响程度均为干流大于支流,退耕还草对年径流(干流中游、下游、泾河)和季径流(冬季)的影响程度较大。该研究成果对于流域土地利用格局的合理规划及极端水文事件的控制具有重要意义。     

土地利用变化对盘古河流域径流的影响

[目的]分析大兴安岭地区盘古河流域土地利用变化情况,研究流域径流对不同土地利用情景的响应,为合理规划土地利用提供依据。[方法]利用盘古河流域1987,2000和2011年3期土地利用数据和1988—2012年的水文气象资料,结合SWAT(soil and water assessment tool)模型,分析盘古河流域土地利用变化的径流响应。[结果]1987—2011年盘古河流域主要土地利用变化为裸地向林地、草地转化,林地面积增加,裸地面积减少;汛期径流量占年总径流量的比例随着林地的增加而减少;林地的增加使得多年平均年径流量、汛期径流量和最大月经流量均呈减少趋势。[结论]SWAT模型能够较好地模拟盘古河流域的月流量过程;流域径流随着林地面积的增加而减少。     

SWAT模型子流域划分引起的土地利用变化对径流和输沙模拟结果的影响

为揭示水文模型计算单元划分引起的土地利用变化对模拟结果的影响,采用SWAT模型,通过设置11种子流域阈值情景(4 000,3 200,2 000,1 500,1 100,800,400,200,100,50,25 hm²),并保持地形和土壤数据不变,定量分析了子流域划分引起的土地利用空间离散化对径流输沙模拟结果的影响。结果表明:(1)随着子流域数量的增加,流域内土地利用中面积最大的林地呈先增加后减少趋势,所有情景下林地面积均高于实际林地面积; 而随着土地利用离散程度的增加耕地面积呈减少趋势,水域、草地和建设用地面积则呈增加趋势并逐渐接近实际面积;(2)土地利用空间离散化导致年均径流量(1.85%)和输沙量(65.84%)减少,且对输沙量影响更显著;(3)土地利用空间离散化造成洪水过程和输沙峰值显著降低,并导致年最大1 d、连续最大5 d和连续最大7 d输沙量显著下降(p<0.01)。综上所述,SWAT模型不同子流域划分显著改变了流域土地利用分布,进而引起径流输沙有关参数变化,最终导致径流和输沙模拟结果的变化。     

基于SWAT模型的长江源土地利用/土地覆被情景变化对径流影响研究

土地利用/土地覆被变化对流域水资源循环过程及配置影响显著。为了研究土地利用/土地覆被情景变化对径流影响情况,以长江源流域为例,构建了适合该流域的分布式水文模型(SWAT),并模拟了不同土地利用/土地覆被情景下的流域年均径流量和径流深。模拟结果如下:当流域林地和草地面积增加到最大,径流量减少了16.7%,达到304.12m3/s,径流深减少14.02mm;当林地和草地面积减少,并逐步变为沙地、裸地,流域径流量增加16.1%,达到424.32m3/s,径流深也增加了13.49mm;当林地和草地面积减少到无植被覆盖,将使流域径流量增加28.4%,达到469.67m3/s,径流深增加23.88mm;在草地覆被最佳状况下,径流量有所增加,但增加幅度不大,只有5.6%,达到385.98m3/s,径流深增加4.72mm。综上所述,长江源流域林地和草地面积增加,导致径流减少,而沙地和裸地面积增加导致径流量增加。     

土地利用和气候变化对流溪河水库流域径流的影响

[目的]探究径流对土地利用与土地覆被变化(LUCC)和气候变化的响应，为华南地区流溪河水库流域未来水资源的合理利用开发及社会经济可持续发展提供依据。[方法]通过构建分布式生态水文模型CHESS和设置情景模式，定量分析了土地利用和气候变化对径流的影响，同时结合CA-Markov模型，对流域未来径流变化进行了预测。[结果]CHESS模型在流溪河水库流域径流模拟中有很好的适用性，率定期的纳什系数(NS)为0.82,R²为0.91,验证期的NS为0.74,R²为0.86;土地利用变化方面，耕地转化为林地或草地会导致年均径流量减少，林地或草地转化为耕地会导致年均径流量的增大，耕地、林地、草地对径流形成的贡献能力为耕地>草地>林地；气候变化方面，年均径流量与降水量成正比，与温度成反比；2000—2020年，流域年均径流量逐渐增大，气候变化促进了径流的形成，土地利用变化抑制了径流的形成，且气候变化的影响占主要地位；未来预估情景下，2030年、2050年流域内建筑用地面积会增大，林地、草地面积会减小，耕地、水体面积变化不大，且在2040—2050...     

不同土地利用变化情景下的洪汝河流域水文响应

[目的]研究洪汝河流域土地利用变化对水文过程的影响,为当地水资源的合理规划和利用提供依据和参考。[方法]本研究以土壤水体评价模型(soil and water assessment tool,SWAT)为基础,通过设计多种土地利用情景模式模拟洪汝河流域水文情景,首先利用数字高程模型(digital elevation model,DEM),土地利用数据、土壤数据以及日气象数据建立模型;其次选用2006—2008年的水文观测数据进行模型率定,并进行敏感性和不确定性分析;最后,设置4种土地利用情景模式进行水文模拟。[结果]退耕还林情景下径流减少4.23%;而在耕地增加,城镇用地增加和以城镇用地、林地草地增加为主的复杂土地利用变化这3种情景下,径流分别增加3.01%,4.91%和1.50%。[结论]退耕还林增加了可涵养水源的森林,使得径流减少,而增加耕地开垦或城市建设用地则会增加地表径流。     

全福庄小流域不同土地利用类型地表水氮浓度动态特征

为定量研究元阳梯田"四素同构"生态系统不同土地利用类型地表水氮浓度的动态变化特征,以元阳县全福庄小流域为研究对象,于2016年11月—2017年10月,连续定位观测林地、村庄、梯田、河流4种土地利用类型地表水中总氮(TN)、硝态氮(NO-3-N)和氨态氮(NH+4-N)浓度的动态变化,分析了各形态氮浓度的时空分布及其季节性变化。结果表明:(1)4种土地利用类型下TN和NO-3-N浓度的最大值均出现在6月,最小值均出现在12月—翌年2月,梯田和河流的NH+4-N浓度较高,且最大值均出现在5月,梯田中NH+4-N浓度的最小值出现在7月。(2)TN,NO-3-N和NH+4-N浓度均表现出村庄最高,其次为梯田和河流,最低为林地的分布特征。林地、梯田和河流中TN和NO-3-N浓度均为夏季>春季>秋季>冬季的变化规律,林地、梯田和河流中NH+4-N浓度呈现为春季>冬季>秋季>夏季的变化规律。     

不同间伐强度下桥山麻栎林土壤渗透特性

为了探讨不同抚育间伐强度下麻栎(Quercus acutissima)林土壤水分渗透规律及影响因素,以桥山林区麻栎天然次生林地土壤为研究对象,对不同间伐强度(对照,10%,20%,30%)近自然经营抚育间伐5年后麻栎林的土壤入渗、土壤基本物理性质和土壤根系进行了研究。结果表明:在0—10cm土层中土壤渗透性能表现为间伐30%>间伐20%>间伐10%>对照;林地土壤总孔隙度、非毛管孔隙度随着间伐强度增强而增大,间伐达到20%以上显著高于对照,土壤容重则随间伐降低;在10—20cm土层中,间伐对土壤入渗及土壤基本物理性质并无显著影响;土壤根系结构指标随间伐强度增强而升高;通过相关性分析知,土壤容重、总孔隙度、非毛孔隙度、根长密度、根表面积密度是影响该地区土壤渗透性的关键因素;Philip模型能准确描述该研究区域的土壤水分入渗过程。间伐对土壤表层(0—10cm)的渗透性具有显著的改善作用,对较深层(10—20cm)土壤的渗透性并无显著影响。     

植被恢复对红壤侵蚀区土壤氮组分的影响

为了解植被恢复过程中土壤不同氮组分变化规律,以福建省长汀县典型红壤侵蚀区为研究对象,利用时空互代法,选取5个典型植被恢复阶段样地(裸地、恢复10、20、30年马尾松人工林和天然林)。土壤样品采集后,测定不同土壤氮组分,并探讨了其与土壤养分的关系。结果表明:(1)土壤全氮和有机氮组分(微生物量氮、溶解性有机氮、颗粒有机氮和粘粒有机氮)均为天然林>马尾松恢复20年人工林>裸地。天然林土壤铵态氮含量显著高于其他恢复阶段样地,植被恢复10年后硝态氮含量显著升高;(2)天然林土壤微生物量氮和粘粒有机氮与全氮的比例分别是裸地的5.37倍和2.81倍,并且其两种矿质氮(铵态氮和硝态氮)与全氮的比例也分别是裸地的3.23倍和5.67倍。(3)土壤全氮、有机氮组分和矿质氮与土壤其他养分(全碳、全磷、有机质、碱解氮、速效磷和速效钾)呈显著正相关,说明植被恢复过程中,土壤肥力也逐渐改善。     

不同年龄杉木林MB-P的调控因子

选取会同县不同林龄(3年生、8年生、18年生、26年生)杉木人工林为研究对象,测定其土壤全磷(TP)、有效磷(Bray1-P)、微生物量磷(MB-P)、无机磷和有机磷组分,利用逐步回归分析和通径分析揭示各土壤磷素因子和理化因子对MB-P影响较大的优势因子。结果显示:(1)4种不同林龄杉木林土壤MB-P含量的平均值为6.90mg/kg。TP和Bray 1-P含量的平均值分别为320.71mg/kg,1.77mg/kg,均属低水平。(2)不同龄林各因子对MB-P的影响:3年林,Bray 1-P,Al-P对MB-P的影响较大;8年林,N/P,LO-P、土壤含水率(W)、MRO-P对MB-P影响突出;18年林,Fe-P,N/P,AlP,Bray 1-P对MB-P的作用明显;26年林,Fe-P,TP对MB-P的影响较大,Ca-P,pH,P%,MLO-P直接或间接地对MB-P产生较大影响。综上,不同林龄各因子对MB-P的影响程度不同。     

三种草本植物缓冲带对铜和铅面源污染的净化效果

为研究不同草本植物缓冲带对铜和铅面源污染的净化效果,选择早熟禾(Poapretensis)、黑麦草(Lolium perenne)和紫花苜蓿(Medicago sativa)三种草本植物在哈尔滨市某内河河段构建滨岸缓冲带试验样地。结果表明,以单种种植的方式构建的草本植物缓冲带均对重金属铜和铅有一定的净化效果。在三种植物的生长各阶段,紫花苜蓿缓冲带对重金属铜和铅始终保持最佳的净化效果;并且紫花苜蓿缓冲带对铜离子的径流、渗流平均去除率最高,分别为84.75%和88.20%;对铅离子的径流、渗流平均去除率最高,分别为94.95%和96.13%;三种植物体内重金属铜总积累量由高到低为:紫花苜蓿(283.07 mg)>黑麦草(157.14 mg)>早熟禾(57.39 mg);三种植物体内重金属铅总积累量由高到低为:紫花苜蓿(20.32 mg)>黑麦草(16.64 mg)>早熟禾(4.53 mg),紫花苜蓿对重金属铜和铅表现出较好的积累能力。因此,紫花苜蓿缓冲带对铜和铅面源污染净化效果最佳。     

滇中亚高山典型森林林下植被碳氮储量及其分配格局

通过标准地调查和生物量实测相结合的方法,对滇中亚高山5种典型森林华山松(HSS)、云南松(YNS)、滇油杉(DYS)、高山栎(GSL)和常绿阔叶林(CL)林下植被(灌木层、草本层和凋落物层)各组分生物量、碳氮储量及其分配格局进行了研究。结果表明:(1)在5种森林群落中,林下灌木、草本和凋落物生物量变幅为1.47～11.19t/hm2,0.01～0.63t/hm2,7.85～46.73t/hm2。(2)灌木层的碳氮储量变幅在0.77～5.94tC/hm2,10.97～92.84kgN/hm2,碳氮储量的主要营养器官分别为茎和叶;草本层为0.01～0.29tC/hm2,0.07～5.35kgN/hm2,均呈现出地上部分>地下部分;凋落物为2.15～13.03tC/hm2,42.07～320.58kgN/hm2,碳氮储量随分解程度加深各有不同。(3)5种林分林下灌草及凋落物碳储量大小顺序为:CL>YNS>DYS>HSS>GSL;氮储量为:CL>YNS>DYS>GSL>HSS。综上,常绿阔叶林和云南松林下灌草和凋落物具有较高的碳氮贮能力,滇油杉的碳氮贮潜力较大,应提高林分质量增加林分密度,加大保护管理力度,制定科学可行的森林管理措施,为林下植被与上层林木的协同发展以及今后研究林下植被对于全球气候变化的响应提供理论支撑。     

不同生物炭制备条件对重金属在秸秆生物炭中存留的影响

项目研究了重金属修复基地水稻、玉米、油菜、高粱4种修复材料秸秆的热重反应,并首次探讨了重金属修复材料在制备生物炭过程中,不同生物炭制备条件对重金属在生物炭中留存的影响。结果表明:四种秸秆热重反应变化趋势基本一致,失重主要发生在200～400℃之间,而在400～600℃区间,基本保持恒重。水稻秸秆失重率90%明显高于其他三种秸秆失重率75%。在不同终点温度条件下(350～550℃),重金属在生物炭中浓度有增加趋势,其百分比例均随温度的升高而降低,原料利用热值则在400℃最高。在不同升温速率和保温时间下,重金属在生物炭中的含量随升温速率升高和保温时间的延长而升高,生物炭得率和秸秆综合利用热值却随之下降。因此,秸秆生物炭制备过程中为获得较低重金属含量和高热值的生物炭,建议以400℃为终点温度,升温速率不宜过快,保温时间不宜过长,分别在1℃min^-1和1 h左右即可。     

海南稻菜轮作休闲期适宜填闲作物初筛

国内外研究表明休闲期种植填闲作物可减少土壤氮淋洗损失,提高氮素循环利用,而填闲作物应具备生物量大、深根、吸氮量大等特点。在海南稻菜轮作休闲期(4～6月)通过田间试验比较研究了10种作物的株高、干物质累积量、吸氮量以及根长密度等。结果表明:高丹草在播后5周时的株高达66.4 cm,显著高于其它作物(9.5～47 cm,多数甚至低于20 cm),因此如果休闲期在5周以内,高丹草适合作为填闲作物。休闲期延长至63 d,田箐、王草、墨西哥玉米草的生物量、吸氮量和20～40 cm根长密度都显著高于其余作物,可作为填闲作物。其中王草一般采用种茎移栽,耗时、耗工,因此田箐和墨西哥玉米草作为填闲作物容易被农民接受。另外田箐吸氮量极显著高于王草和墨西哥玉米草,而且抗旱性和抗涝性都较强,因此在海南稻菜轮作休闲期干湿季交替的气候条件下,田箐更适合作为填闲作物。     

杭州市城区热岛效应与景观格局的动态研究

以杭州市城区为研究对象,以1992年、2004年Landsat-5,2015年Landsat-8卫星遥感数据为信息源,利用单窗算法反演三期城区地表温度,通过提取土地利用类型信息来计算景观格局指数,结合多元回归线性模型分析了杭州市城区景观格局对地表温度的影响。结果表明:(1)在研究时间段内,杭州市城区存在着明显的热岛效应,高温区域不断扩张、分散;(2)多元线性回归模型可以很好地刻画景观格局与地表温度之间的定量关系,景观格局指数PLAND,ED,LSI和AI与地表温度的相关性最高,分别达0.753,0.771,0.779,0.772,景观的面积指标、形状指标、边缘指标和聚合指标等共同影响着杭州市城区热岛效应的强度;(3)在城市化建设进程中,应通过增加绿地景观的面积,合理选择植物物种,形成集中成片的绿地,从而对城镇用地进行分割,提高现有绿地景观的立体化程度,建设较为复杂的绿地生态网络系统等方式,来缓解和改善热岛效应,达到改善人居环境的目的。     

贺兰山东坡青海云杉林苔藓群落及环境之间的关系

苔藓植物作为一种环境指示植物广泛应用于生态各领域。以贺兰山东坡青海云杉(Picea crassifolia)林下苔藓群落为研究对象,沿着东坡山体设置了15个样地,运用冗余分析(RDA)对苔藓物种重要值与环境因子进行了排序,以期揭示贺兰山苔藓植物群落结构与环境因子之间的关系。结果表明:15个样地485份标本都是地面生苔藓,共有14科19属36种,主要是丛藓科(Pottiaceae)、灰藓科(Hypnaceae)、青藓科(Brachytheciaceae)、牛毛藓科(Ditrichaceae)和提灯藓科(Mniaceae),占苔藓植物总数的69.44%;15个样地苔藓物种重要值大小排序显示:优势种分别为灰藓(Hypnum cupressiforme)、山羽藓(Abietinella abietina)、树形疣灯藓(Trachycystis ussuriensis)、美姿藓(Timmia megapolitana)、青藓(Brachythecium pulchellum)、对叶藓(Distichium capillaceum)、无齿紫萼藓(Grimmia anodon)、厚角绢藓(Entodon concinnus)、细牛毛藓(Ditrichum flexicaule)和中华赤藓(Syntrichia sinensis),其中灰藓的重要值为0.417 6,是贺兰山东坡青海云杉林下苔藓植物主要的建群种,说明贺兰山东麓云杉林下较为干燥。RDA结果表明:海拔(F=5.124,p=0.010)、坡向(F=3.114,p=0.034)、年均降雨量(F=2.598,p=0.050)和年均温度(F=3.357,p=0.030)是影响苔藓群落分布的主要因素,第一和第二主轴共计可以解释苔藓群落方差63.20%。研究结果可以为贺兰山苔藓植物保护和合理利用提供理论依据。