基于四种分辨率DEM的侵蚀模型地形因子差异分析

通过提取江西省兴国县潋水河流域10 m、25 m、50 m和100 m四种分辨率数字高程模型(DEM,Digital Elevation Model)的坡度、坡长因子,在GIS数字地形分析和数理分析等方法支持下,研究不同分辨率DEM计算坡度坡长组合因子(LS)的精度差异。结果表明:(1)基于4种分辨率DEM提取的坡度结果存在明显差异,随分辨率的降低,坡度整体变缓,DEM精度越低,对地形的概括作用越大,100 m分辨率DEM平均坡度降为10m分辨率DEM平均坡度的45.04%。(2)流域坡长以0~80 m的短坡为主,随着分辨率的降低,地面坡长明显整体延伸。(3)不同分辨率DEM计算的LS因子平均值变化范围为6.10~7.10,坡度和坡长的组合消弱了单一坡度和坡长的影响,随着地形起伏程度增大,在LS因子计算过程中,坡度的主导作用越来越弱,坡长的主导作用越来越强。     

地形因子与DEM分辨率关系的初步研究——以蒙阴县为例

以蒙阴县为研究区探讨坡度、坡长、坡向、汇水面积随DEM分辨率的变化.基于1:5万地形图利用ANUDEM建立多种分辨率的DEM.分辨率水平包括10,15,20,25,30,40,50,75,100,150,200,250,300,400,500,750,1000 m,基于上述DEM提取坡度、坡长、坡向、汇水面积,探讨其随分辨率的变化规律.结果表明:随分辨率降低,平均坡度呈对数函数衰减,坡度向低坡度范围集中,平均坡长增大且在高分辨率范围内较剧烈,坡长向较长坡长范围集中,分辨率200 m以坡向统计信息受分辨率降低的影响小于10%.随DEM分辨率降低平均汇水面积呈线性增大,且不同汇水面积等级所占面积的变化规律不同.     

DEM分辨率对白马小流域坡度与坡向提取的影响

DEM是进行地形研究的重要基础,其分辨率大小会直接影响坡度、坡向等地形因子的提取结果。以山西省平顺县白马小流域为研究对象,利用1∶10 000地形图和Region Manager,建立了5 m、10 m、15 m、20m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m、50 m等不同分辨率水平的DEM,进行坡度、坡向提取。结果表明:随着DEM分辨率的降低,坡度向低坡度范围集中;坡向受分辨率变化的影响不大。本项研究结果,可为正确应用DEM提供指导。     

中国主要水蚀典型区侵蚀地形特征分析

地形是影响地表水文和土壤侵蚀的主要环境因素,坡度、坡长和LS因子是土壤侵蚀模型的重要参数。该文以第四次全国土壤侵蚀普查项目为依托,在ANUDEM软件环境中建立25m分辨率文地貌关系正确的DEM(Hydrologically Correct Digital Elevation Model,Hc-DEM),提取了坡度、坡长并计算了LS因子,对中国主要水蚀地区的土壤侵蚀地形因子的空间及统计特征进行了分析,并将该数据与目前应用较为广泛的2种遥感高程数据进行了对比。结果表明,25m分辨率Hc-DEM可用以表达各典型样区地形特征,其上提取的坡度和坡长,符合一般地貌学原理和常规认识;坡度在东北地区最为平缓(0.8°),而在黄土丘陵区最陡(22.3°);坡长则在东北地区最长而黄土丘陵区最短(479m和69m);在地势比较低的河谷和地势较高的分水地带坡度比较平缓,而在分水岭到河谷冲积平原之间坡度较陡;在地形起伏较大的陡坡丘陵或坡度平缓的丘陵,坡长均比较大;LS因子的空间分布格局与坡度基本一致;该文得到的数据与ASTER和SRTM遥感高程数据对比具有明显优势,全国土壤侵蚀普查项目建立的DEM,在全国、省区和大流域尺度上的土壤侵蚀评价制图中具有不可替代性。该文阐明了中国主要水蚀区的侵蚀地形特征,为土壤侵蚀学、水文学中地形因子的提取提供了参考。     

区域土壤侵蚀定量评价中的坡长因子尺度变换方法

 区域土壤侵蚀研究中,坡度、坡长只能基于中低分辨率DEM提取,但提取的坡度发生衰减,坡长发生扩张。以陕西省延安市及周边地区为研究区,利用国家测绘局生产的1∶25万数字地形图和研究区内典型地区1∶5万数字地形图,在ANUDEM软件支持下,建立了研究区50m分辨率和典型地区10 m分辨率的水文地貌关系正确DEM,利用直方图匹配原理对50m分辨率DEM上提取的坡度、坡长进行变换,并对变换前后坡度、坡长对土壤侵蚀强度的影响进行了评价分析。结果表明,经变换后的坡度整体变陡,坡长整体变短,变换后坡长平均值和累积频率曲线与高分辨率(10m)坡长均较接近,且其空间格局基本保持不变。利用中国土壤流失方程计算坡度坡长均不变换、只对坡度变换、只对坡长变换和坡度坡长均变换4种情况下的土壤侵蚀强度研究结果表明,只对坡长变换时土壤侵蚀强度有所减小,而只对坡度变换和坡度、坡长均变换时土壤侵蚀强度增大,且前者增大幅度较大。说明坡度衰减比坡长扩张对土壤侵蚀评价结果的影响更大,在实际应用中有必要对坡度和坡长都进行变换,以期为土壤侵蚀定量评价提供更加准确的数据支持。     

汇水面积阈值对土壤侵蚀定量评价的影响

土壤侵蚀预报模型是定量评价水土流失和评估水土保持措施效益的重要手段。通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE)和中国土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation,CSLE)被广泛应用于土壤侵蚀定量评价。这些模型中坡长的计算受汇水面积阈值的影响较大。为揭示汇水面积阈值对土壤侵蚀定量评价的影响,选取北方土石山区、西北黄土高原区、东北黑土区、南方红壤丘陵区、西南紫色土区、西南山地区和西南岩溶区210个流域面积在0.2~3.0km~2的小流域,以1∶10 000地形图10m分辨率DEM为数据源,分别计算了1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,5 000,7 000,9 000,11 000,13 000,15 000m~2共11个汇水面积阈值下各小流域不同坡长、土壤侵蚀强度级别以及土壤侵蚀的面积比例,分析了它们对汇水面积阈值变化的敏感性。结果表明:平均坡长、土壤侵蚀面积和轻度以上各级别的侵蚀强度面积比例都随汇水面积阈值的增加先增加而后趋于稳定。微度侵蚀面积比例随汇水面积阈值的增加逐渐减小并趋于稳定。当汇水面积阈值由1 000m~2增加到15 000m~2时,北方土石山区、西北黄土高原区、东北黑土区、南方红壤丘陵区、西南紫色土区、西南山地区和西南岩溶区的平均坡长分别增至阈值为1 000m~2时的1.53,4.16,1.95,1.90,1.69,1.57,1.47倍;土壤侵蚀面积比例分别增至阈值为1 000m~2时的1.20,1.85,1.43,1.37,1.77,1.44,1.30倍。汇水面积阈值对各分区的影响程度存在差异。从平均坡长和土壤侵蚀面积来看,东北黑土区受汇水面积阈值的影响最大。研究结果不仅为精确评价土壤侵蚀提供了数据支撑,而且对水土保持综合防治措施的评价和优化具有指导意义。     

梯田对侵蚀地形指标的影响——以黄土丘陵第2副区为例

[目的]探究人工地形(梯田)对地形指标的影响,分析修建梯田对土壤侵蚀过程的影响,为土壤侵蚀评价中梯田措施因子的确定提供科学依据。[方法]通过无人机航空摄影测量,获取纸坊沟流域高精度DEM数据,通过模拟原始坡面数据和构建水平梯田数据,并对这些数据提取坡度、坡长、坡度坡长因子、单位汇水面积和地形湿度指数,分析了这些因子的变化情况,认识梯田对侵蚀地形的影响。[结果](1)梯田的修建使得坡度减缓、坡长截断、LS因子变小,随着梯田面积占比的增加,坡度、坡长、LS因子均呈减小趋势;梯田区,坡度、坡长、LS因子大致沿等高线呈条带状分布,非梯田区,坡度、坡长、LS因子从分水线向下逐渐增加,到沟底又逐渐变缓。(2)梯田的修建使得单位汇水面积减小、地形湿度指数变大;单位汇水面积的空间格局与坡长比较类似,较高部位单位汇水面积较小、低洼部位较大;梯田区地形湿度指数与坡度有相反的空间分布格局,非梯田区地形湿度指数与单位汇水面积类似。(3)微观尺度上,坡长、LS因子、单位汇水面积以及地形湿度指数均沿田面坡降方向呈增加趋势,在修建梯田或维护梯田时,应尽量保持田面水平或有微小反坡。(4)根据梯田对LS因子的影响,研究...     

青藏高原坡度坡长因子(LS)空间格局及影响因素分析

地形是影响土壤侵蚀的主要因素,但目前关于青藏高原地形因子的分布格局和影响因素有待研究。基于1弧秒分辨率的SRTM(shuttle radar topography mission)高程数据,计算坡度、坡长、LS因子(slope length and steepness factors,LS),结合高程积分和Hack剖面等,对青藏高原LS因子的分布格局、统计分布特征和影响因素进行研究,结果表明：(1)坡度、坡长和LS因子这3个地形指标,均表现出高原内部小、四周高山大的格局,内流区与外流区的坡度均值分别为6.55°和14.3°,坡长均值分别为122.9,172.2 m,LS均值分别为4.8和12.7;(2)青藏高原LS因子整体受坡度影响,但高原边缘陡峭地区LS因子主要受坡长影响;(3)青藏高原6条主要河流的Hack剖面都呈上凸形态,该地区地貌演化整体上处于幼年期;(4)青藏高原LS因子的分布特征与土壤侵蚀类型及其组合有对应关系：周边地区的高值对应冰川侵蚀—水蚀,西北部的低值对应水力—冻融侵蚀和风蚀,东南部边缘向高原内部过渡地区的较高值对应水力—重力侵蚀。通过分析LS因子的分布格局和统计特征...     

DEM提取坡度产生的边缘效应分析

由DEM提取地形因子时一般采取3×3窗口分析运算,导致得到的地形因子矩阵在边缘上存在明显边缘误差。以黄土高原不同地貌类型区坡度的提取为例,研究基于1∶10 000和1∶50 000比例尺DEM提取坡度时所产生的边缘效应,分析了边缘效应与DEM分辨率、区域面积及区域地貌特征之间的关系,提出了解决或改善边缘效应的方法。用2个指标量化了边缘效应:一是平均坡度的变化值;二是边缘部分坡度提取的中误差。试验结果显示:平均坡度的变化值与DEM分辨率、区域面积及区域地貌特征之间有较明显的相关关系,即分辨率越高、区域面积越大,地面起伏越小,则边缘效应对整个区域平均坡度的影响就越小;而边缘部分坡度提取的中误差与区域面积没有明显的稳定相关关系,但与DEM分辨率和区域地貌特征之间存在较明显相关关系,即分辨率越高,地面起伏越大,则边缘上坡度提取的中误差越大。     

DEM栅格分辨率对多元线性土壤—景观模型及其制图应用的影响

以亚热带丘陵地区为对象,以该区4 km×3 km的5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m数字高程模型(DEM)为基础,建立多元线性土壤景观模型,并应用该模型预测研究区内土壤表层有机质含量分布,进而比较不同分辨率DEM中土壤景观模型及其预测制图的精度。结果表明:在本研究区11 km2范围内,随着DEM栅格分辨率降低,坡度、曲率、比汇水面积(对数)频度均表现出了向其中值区集中的趋势;地形因子的这一变化规律对土壤景观模型的影响较小,例如模型的变量、变量系数及R2在不同分辨率DEM中的差异很小;但地形因子的这一变化规律对模型预测制图的精度具有较大影响,各项指标均说明,模型在10~25 m DEM中的制图精度较高,而在更高分辨率(5 m)或更低分辨率(30 m)DEM中较低。本研究结果对其他亚热带丘陵地区具有一定的指示意义。     

东北黑土区TDR测定农田土壤含水量的室内标定

土壤水分标定是利用TDR监测农田土壤水分过程中的必要环节.以东北黑土区农田土壤剖面深度上的4种典型介质（黑土层、母质层、过渡层、砂砾层）为试验对象,利用“由湿到干”的土柱试验方法,用烘干法对TDR进行室内标定研究.结果表明：1）TDR内置土壤标定曲线测定的含水量明显低于烘干法测量的含水量.在TDR法土壤含水量标定时,指数关系比线性关系具有更高的标定精度.2）单一介质的TDR法土壤含水量标定曲线对自身介质的标定精度高（最大绝对误差3.2％）.3）混合介质的TDR法土壤含水量标定曲线的标定精度较高（最大绝对误差6.6％）,可用于不同介质TDR法土壤含水量标定.本研究结果可用于研究区及类似区域修订TDR法含水量测定结果.     

闽西南崩岗土壤理化性质及可蚀性分异特征

崩岗是南方红壤区侵蚀沟在水力和重力交互作用下沟头遭受坍塌、陷蚀作用而形成的围椅状地貌,是该区域土壤侵蚀及生态系统退化的最高表现形式之一.为揭示崩岗侵蚀对土壤理化特性及可蚀性的影响,以福建省长汀县濯田镇黄泥坑崩岗群内植被盖度分别为2％,20％,95％的3个典型崩岗为研究对象,分别对崩岗系统内的集水坡面、崩壁、崩积体和沟口进行采样和理化特性的测定,并运用EPIC模型测算土壤可蚀性(K).结果表明:1)从集水坡面到崩壁、崩积体至沟口,3个崩岗的土壤砂粒质量分数、pH值和土壤密度呈升高趋势,粉粒、砂粒的质量分数和含水量呈下降趋势.2)1号和2号崩岗,集水坡面的土壤有机质质量分数最高,在崩壁最低;3号崩岗土壤有机质质量分数在崩壁处急剧下降,在崩积体中又明显上升.3)各崩岗中集水坡面、崩壁和崩积体的土壤颗粒组成、土壤密度和含水量差异较小,各土壤理化特性指标在沟口与集水坡面、崩壁和崩积体之间存在显著差异.4)崩岗系统内的集水坡面、崩壁、崩积体和沟口4个子系统的K值差异显著,1、2号崩岗呈现崩壁＞崩积体＞沟口＞集水坡面的变化规律,而3号崩岗则表现为沟口＞崩积体＞崩壁＞集水坡面的趋势.5)崩岗系统内的黏粒质量分数、pH值和有机质质量分数与土壤可蚀性关系密切,可以作为表征崩岗土壤可蚀性的有效指标.崩岗侵蚀造成土壤理化特性不断恶化,砂化严重,研究崩岗系统的土壤理化特性与可蚀性空间变化规律,对指导崩岗的恢复与重建具有重要意义.     

东南红壤丘陵地区农业可持续发展研究

针对东南红壤丘陵区域的农业发展状况,以区域ＰＲＥＳＤ系统构型方法对区域的人口、资源、环境、社会和经济等子系统逐一分析,在此基础上提出了农业可持续发展评价指标体系,对其１９８８～１９９６年间的农业发展可持续程度进行评价,并将评价结果与此前利用遥感等手段取得的评价结果对比,结果基本吻合,验证了指标体系的适用性以及红壤地区农业面临的最重要的环境障碍－－水土流失问题,并因此提出了对策和措施。     

乔灌草治理年限对红壤区土壤养分的影响

以退化红壤区4个不同治理年限的乔灌草混交治理措施的马尾松林地和未被治理的严重侵蚀退化马尾松林地为研究对象,研究不同治理年限的乔灌草治理措施对土壤养分特征的影响。研究表明:(1)土壤有机质、全N、全P含量变化范围分别为0.81~28.10g/kg,0.18~1.15g/kg,0.03~0.18g/kg,均随治理年限的增加呈上升趋势,增速规律为先快后慢;土壤全K含量变化范围为0.92~4.65g/kg,治理13年后全K含量最高在40—60cm土层,增速规律为先慢后快。(2)土壤养分与治理年限相关性分析显示,土壤有机质含量、全N含量与治理年限存在显著相关关系(P0.05),土壤全P含量与治理年限存在极显著相关关系(P0.01),土壤全K含量与治理年限没有相关性。研究认为,乔灌草混交治理措施下的马尾松林地土壤养分含量与治理年限具有相关性,可为生态治理与恢复提供科学依据。     

耕作侵蚀研究项目进展

土壤侵蚀是全球性的严重环境问题，而农耕地则是全球土壤侵蚀最严重的地区。农地上存在的水力等侵蚀早已被研究者认识到，并且已进行了大量的研究，但农地上存在的另一种侵蚀，也是从根本上导致农地土壤退化及产生严重水土流失的侵蚀，却在以往的土壤侵蚀研究中被大大地忽视，这就是耕作侵蚀。 　　耕作侵蚀是土壤物质在耕作机具的作用下发生分散、搬运、沉积的过程。在耕作侵蚀过程中，土壤物质主要在农地内发生再分布，在坡地上，这种再分布则主要表现为坡面土壤的从上向下运动。 　　耕作侵蚀作为一种新近认识到的重要侵蚀过程，已引起国际上的广泛关注。耕作侵蚀研究也已在各大洲迅速开展起来。1997年起，欧共体将耕作侵蚀列为大型研究项目，组织了7个国家的科学家协作攻关，研究范围包括到全部欧共体国家；1997年7月在加拿大多伦多（Toronto）举行了第1次耕作侵蚀国际会议；1999年4月在比利时鲁汶（Leuven）举行了第2次耕作侵蚀国际会议；2001年8月将在英国埃克塞特（Exeter）再次举行关于耕作侵蚀影响的重要国际会议。 　　我国是一个幅员辽阔，农业人口众多，耕种历史悠久的农业大国，坡耕地面积大，尤其与西方发达国家相比，坡耕地普遍较短，较陡，较崎岖，且各地的耕作机具与耕作方式差异较大，因此，耕作侵蚀是在我国广泛存在、形式多样的一种重要类型的土壤侵蚀。为了认识我国坡耕地的耕作侵蚀规律，进而发展科学的坡耕地保护性耕作技术，我们从1999年开始，在我国黄土高原开展了耕作侵蚀研究。 　　我们在主持的国家自然科学基金项目“黄土地区耕作侵蚀评价”（1999—2001）、中国科学院水土保持研究所知识创新工程项目课题“耕作侵蚀过程与模拟”（1999—）及陕西省人事厅留学回国人员科技活动择优资助项目“农地耕作侵蚀研究”（2000—2002）的资助下，通过前两年的研究，已获得了黄土地区耕作侵蚀过程中的土壤再分布规律、黄土地区耕作侵蚀模型，黄土地区耕作侵蚀强度及其空间分布特征，以及黄土地区耕作侵蚀在总土壤侵蚀中的重要性及其空间变化规律。目前，我们正在对该地区耕作侵蚀其它方面的内容进行研究，各个项目进展顺利。 (王占礼，中国科学院 水利部 水土保持研究所， 陕西 杨凌 712100)     

中国地形起伏度的提取及在水土流失定量评价中的应用

基于全国 1:10 0万的栅格数字高程模型 ( DEM)数据 ,在 ARC/ INFO的 GRID模块支持下 ,利用窗口分析方法 ,经过采样统计 ,确定中国水土流失地形起伏度的最佳分析窗口大小为 5 km× 5 km;基于 5 km× 5 km的分析窗口 ,提取了中国水土流失地形起伏度 ,完成了中国水土流失地形起伏度制图 ;最后对中国水土流失地形起伏度进行了适用性分析 ,并将其初步应用于中国潜在水土流失评价     

东北黑土区水土流失胁迫下的生态安全评价指标体系的建立

在东北黑土区,水土流失是生态安全最重要的胁迫因子.从水土流失的角度出发,通过对东北黑土区水土流失成因、危害、现状以及防治等4方面因素的具体分析,引入一系列相关评价指标,结合指标选取的一些基本原则,参考压力(P)-状态(S)-响应(R)模型框架模式和专家的建议,对初选指标进一步筛选和分类,建立了东北黑土区水土流失胁迫下的生态安全评价指标体系.该指标体系分为系统压力P,系统状态S,系统响应R共3大部分;由8个一级指标,21个二级指标构成.     

东北黑土区农田土壤水分剖面分布与大气降水关系的研究

东北黑土区属于雨养农业,大气降水是土壤水分的主要来源,大气降水的强度和频率是影响水分在剖面分布的重要因素。以中国科学院海伦农田生态系统野外科学观测研究站内水分平衡观测场的自然降水条件下的0~170 cm土体为研究对象(三次重复),2011~2016年的每年5月25日~9月10日利用中子仪测定0~170 cm土层土壤含水量,其中0~10 cm、10~20 cm和160~170 cm土层深度间隔10 cm,40~160 cm间隔为20 cm。研究结果表明:观测期内64.35%以上的降水发生在7月5日~8月20日,0~170 cm不同土层的平均含水量在24.71%~37.23%之间(体积含水量),随着剖面深度的增加不同深度土层间土壤含水量差异逐渐减弱;受降水、地面蒸发和作物耗水的影响,土壤含水量变化最大的层次为0~10 cm土层。当单次降水量达到178.20 mm时,0~170 cm各层土壤含水量均增加,但49.30%的降水储存在0~40 cm土层;而在作物生长季节持续15 d无降水时,0~170 cm各层次土壤水分均呈亏缺状态,其中消耗水量的47.38%~58.80%来自0~40 cm土层。因此,东北黑土区农田0~40 cm土层对于容纳大气降水、满足作物需水具有重要作用,应通过耕作和有机物料还田等措施进一步改善这一土层土壤物理性质以增强其蓄水、保水和供水的能力。     

黑土农田冻结-融化期土壤剖面温度变化特征

[目的]研究东北黑土区农地土壤温度变化特征,为冻融作用程度量化分析和冻融作用对土壤侵蚀影响提供基础数据。[方法]利用2015—2018年黑龙江省宾州河流域典型农地2 m土壤剖面11月至翌年4月土壤温度观测资料以及气温数据,分析了冻结和融化过程中土壤温度变化特征以及土壤温度对气温变化的响应,确定土壤冻结与融化过程中耕层土壤冻融循环次数。[结果] 11月至翌年2月的冻结期,土壤温度随土层深度的增加而增加;3—4月份土壤温度梯度发生反向改变,当土壤完全消融后,土壤温度随着土层深度的增加而递减,土壤最大冻结深度为80 cm。研究结果还表明,0—60 cm土层的土壤温度均与气温呈极显著正相关,其相关性随土壤深度增加而减小;而80 cm以下土层,土壤温度均与气温呈负相关。[结论]研究区土壤冻结和融化过程分别呈单向冻结和双向融化现象,冻融循环主要发生在农地耕层0—20 cm土层,其年最大冻融循环次数分别为12次和7次,为设计黑土冻融循环模拟试验提供了数据支持。     

宁夏南部水土流失区坡面造林整地工程设计

关于东北黑土区的地域界定长期以来众说纷纭,莫衷一是。而这一概念的悬疑又直接影响到《东北黑土区水土流失防治工程》的地理界定和措施选取,从土壤、地貌和经济结构三个角度论述了广义东北黑土区的地域范围,并结合该区水土保持区划成果对黑土区水土保持生态建设提出了建设性建议。