对土壤侵蚀研究的几点思考

土壤侵蚀是现代地理环境条件下改变地貌景观的主要过程,也是引起土壤质量退化、沙漠化与石漠化的核心因素,与土壤、生态、水文等多个地表过程密切相关。虽然土壤侵蚀研究需要气候、地质、地貌、土壤、水文、生态等相关学科的基本知识,分析土壤侵蚀发生、发展过程的动力机制,但需要明确界定土壤侵蚀研究的时空尺度。土壤侵蚀与水土保持之间相互联系、相互促进。土壤侵蚀研究的时间尺度以次降雨、月、年为主,研究主题为次降雨侵蚀过程、土壤侵蚀季节变化与年际变化,时间尺度不宜超过100年。土壤侵蚀研究的空间尺度以小流域为主,基于土壤侵蚀垂直分带性,可以进一步分为样点、坡面、沟坡与小流域。在不同空间尺度上,研究内容与研究方法差异明显。土壤侵蚀过程包括土壤分离、泥沙输移和泥沙沉积,各个过程的主控因素存在差异,研究成果积累差异明显,研究重点会随着时空尺度的变化而有所不同。在土壤侵蚀过程研究中,应充分理解分离控制和输移控制及其时空转换阈值。虽然土壤侵蚀研究已经取得了大量成果,但在细沟网络结构及其时空变化、泥沙沉积过程、沟蚀形成与演变动力机制、重力侵蚀发育过程动力学机理、小流域土壤侵蚀过程模型等诸多方面,亟待加强研究。     

基于RUSLE的引黄入晋北干线沿线地区土壤侵蚀定量研究

[目的]分析引黄入晋北干线沿线地区土壤侵蚀时空分布特征及其主控因子,为当地水土保持和生态环境建设提供科学的理论依据。[方法]以引黄入晋北干线沿线地区为研究区,基于GIS和RS技术,利用2005,2010,2015年3期Landsat遥感影像,DEM,LUCC,月降水资料,计算土壤侵蚀模数,并分析研究区土壤侵蚀强度的时空变化特征及与主控因子间的关系。[结果]2005,2015年为轻度侵蚀,2010年为中度侵蚀,从2005—2010年土壤侵蚀模数增长80.91%,2010—2015年土壤侵蚀模数降低47.87%,呈先增后减,总体减小的趋势;以北干线为界,界线两侧土壤侵蚀差异显著,朔州市辖区的土壤侵蚀面积和土壤侵蚀量最大。R因子与土壤侵蚀呈正相关,当土壤类型为栗褐土,坡度为8°~15°,土地利用类型为耕地时土壤侵蚀面积最大,当坡度大于25°,土地利用类型为草地和林地时土壤侵蚀量最高。[结论]引黄入晋北干线的施工加剧了沿线地区土壤侵蚀,降雨、土壤类型、坡度、土地利用类型作为主控因子与该地的土壤侵蚀分布联系紧密。因此应确定水土保持重点区域,有针对性地制定水土流失防治措施,改善生态环境。     

黑土区田块尺度微地形因子对土壤侵蚀与碱解氮的影响

修正通用土壤流失方程流失方程(RUSLE)地形因子未体现田块微地形,造成土壤侵蚀模数模拟精度不高。本文考虑垄向对坡面径流方向影响,通过高空间分辨率DEM,以栅格为计算单元,沿垄向提取相邻栅格的方向性坡度、方向性剖面曲率微地形因子,揭示田块尺度土壤侵蚀与沉积在微地形上的时空变异特征,并以时空变异的实测碱解氮含量进行验证。研究结果表明:在规模化统一耕作管理的田块上,土壤侵蚀模数坡顶坡中(阴坡阳坡),方向性坡度为主控因子,凹形坡直型坡;微凸、微凹地形分别能加剧和抑制土壤侵蚀。研究成果可为黑土区坡耕地RUSLE模型中的地形因子修正提供依据。     

基于RUSLE的黑土区典型县域土壤侵蚀时空变化特征研究

[目的] 明确土壤侵蚀时空变化特征,为土壤侵蚀防治与水土保持效益评估提供参考依据。[方法] 基于RUSLE土壤侵蚀方程,在RS和GIS技术支持下,分析2000—2020年典型黑土区黑龙江省宾县土壤侵蚀时空演变特征,并探究地形因子及土地利用对土壤侵蚀的影响。[结果] ①2000,2010,2020年宾县平均土壤侵蚀模数分别为893.02,499.84,1 561.02 t/(km²·a),土壤侵蚀强度整体以微度和轻度为主。②低强度侵蚀全区域均有分布,高强度侵蚀主要分布在南部山区; ③100～200 m是侵蚀分布的主要高程带;土壤侵蚀面积与坡度成反比,0°～5°是主要侵蚀坡度带;偏北坡方向的土壤侵蚀面积大于偏南坡方向; ④研究区坡耕地土壤侵蚀模数和侵蚀面积较大,是宾县土壤侵蚀治理的重点区域。[结论] 2000—2020年宾县平均土壤侵蚀模数呈现先增加后减少的趋势,具有显著的时空分异特征,地形因子和土地利用变化对该区土壤侵蚀驱动作用明显。可以作为黑土区土壤侵蚀防治和水土保持效益评估的参考依据。     

基于时空克里格的土壤重金属时空建模与预测

土壤重金属或其他生态环境属性在时间和空间上均存在连续性和变异性,而目前的研究忽略了它们在时间维的变异。为了在预测时使用多时期采样数据,该文提出使用时空克里格方法对土壤重金属进行时空建模及预测,着重介绍了经验半方差值的计算、理论变异模型的形式及参数拟合、时空克里格估值算法、估值方差和精度随邻近点数量的变化及时空克里格制图。以武汉市青山区土壤重金属为例介绍了时空克里格建模及预测的流程。结果表明,时空克里格方法能够很好地描述土壤重金属在空间、时间和时空上3个部分的变异特征,能够利用其他时期的数据对预测时间点的属性进行插值,而多时期的属性空间分布图能够很好地反映土壤重金属的分布变化规律。该研究可为资源环境生态时空建模及预测研究提供参考。     

地面灌溉土壤入渗参数时空变异性试验研究

基于典型田块的试验观测数据,开展地面灌溉条件下冬小麦生长期间土壤入渗性能时空变异性的试验研究,描述土壤入渗参数的时空变异分布特征,分析各参数间存在的相关关系。结果表明,在冬小麦生长期内,土壤入渗参数的空间变异强度呈持续性减弱趋势,其时间变异性逐渐下降并趋于稳定。土壤入渗性能在冬灌后各时段间的差异并不显著,故在此后的灌溉试验设计与管理或地面灌溉模拟中,可基本无需考虑土壤入渗性能的时间变异性影响。考虑到土壤入渗参数f0和Z180之间存在着强烈的互相关性和非常相近的时空变异分布特征,可借助f0的时空变异分布特点达到描述土壤入渗性能、衡量土壤入渗能力的目的。     

应用遥感技术研究余江县土壤侵蚀时空演变

以江西省余江县为例,运用1979年、1988年和1996年3个时期的卫星遥感影象进行了土壤侵蚀时空演变研究。结果表明,土壤侵蚀有明显的逐渐减轻趋势;土壤侵蚀与多方面因素有关,尤其与土地利用类型关系密切。     

黄土区小尺度坡面土壤含水率时空变异性研究

土壤含水率在水平和垂直方向上均具有高度的时空异质性,关于水平方向变异的研究取得了很大进展,而对垂直方向变异的研究较为缺乏。为掌握土壤含水率在剖面上的垂直变异特征,采用经典统计、地统计及分形分析相结合的方法,研究了黄土高原典型坡地剖面土壤含水率的时空变异性。结果表明:不同测定时间下的剖面土壤含水率均服从自然对数正态分布,在空间上均表现为中等变异性,沿土层深度方向的变化趋势均为增长型,且这种变化规律具有时间稳定性;剖面土壤含水率在整个研究区域尺度、微尺度上的半方差函数均可用指数模型进行很好地拟合,均表现出强烈的空间依赖性,并且这种规律几乎不随时间的变化而变化;不同测定时间下剖面土壤含水率在整个研究尺度上均表现出有限的自相似性,在小于2.00 m的间距尺度下具有稳定的自相似性,大于2.00 m间距尺度的自相似性比较微弱,分维数的大小与控制土壤含水率的主要过程有关;不同测定时间下剖面土壤含水率的空间自相关性基本一致,即当滞后距离小于3.20 m时为空间正自相关,大于3.20 m时为负自相关,等于3.20 m时为不相关,而在剖面土壤含水率之间的相关性达到了极显著水平。     

多尺度蒸散发估测与时空尺度拓展方法研究进展

蒸散发时空尺度信息是作物高效用水调控与节水灌溉管理的基础,某一尺度下获得的蒸散发理论或参数具有高度的尺度依赖性,蒸散发多时空尺度耦合关系的缺乏常导致人们对农业用水效率与效益评价的片面性,因而多尺度蒸散发估测与时空尺度拓展方法研究对优化区域灌溉制度、实现区域农业水资源可持续利用有着非常重要的理论和实际意义。本文系统评述了多尺度蒸散发监测方法和估算模型,指出了其适用的尺度、适宜的应用条件及其优缺点,评述了现有蒸散发多时空尺度拓展方法,表明量化作物对多因子的协同耦合响应机制,研究多方法、多时空尺度下多源蒸散发监测数据融合技术,构建不同时空尺度间的蒸散发拓展模式,建立将时空尺度二维耦合、水-热-碳耦合纳入统一系统的蒸散发转换体系将成为未来的研究热点。     

应用遥感技术研究余江县土壤侵蚀时空演变

以江西省余江县为例,运用1979年,1988年和1996年3个时期的卫星遥感影像进行了土壤侵蚀时空演变研究,结果表明,土壤侵蚀有明显的逐步减轻趋势,土壤侵蚀与多方面因素有关,尤其与土地利用类型关系密切。     

不同时间尺度下刺槐蒸腾耗水与环境因子关系

探究不同时间尺度下植物蒸腾变化与环境因子的关系,对理解植物生长的驱动机制及估算林分耗水具有重要的理论意义。以晋西黄土区蔡家川人工刺槐纯林为研究对象,于2021年5—12月采用热扩散探针(TDP)测定8株样树树干液流,并同步监测太阳辐射、空气温度、降雨量、土壤温度、土壤含水量等环境因子,分析不同时间尺度(小时、日、月)下刺槐蒸腾特征及其对环境因子的响应。结果表明:(1)环境因子对刺槐蒸腾耗水的影响在不同时间尺度下存在差异,整体上随着时间尺度的变大,土壤含水量成为影响刺槐蒸腾的主要因子,并且短时间尺度是主要取决于表层土壤水分,长时间尺度不仅为表层同时也取决于较深层土壤含水量。小时尺度下,刺槐蒸腾随太阳辐射、空气温度、水汽压亏缺、土壤温度变化而变化,但蒸腾峰值与环境因子的峰值均存在时间差异性,并无完全同步,差异时长可达-180~30 min,在各环境因子中太阳辐射与空气温度对刺槐蒸腾的影响较大;日尺度下,刺槐蒸腾速率主要取决于浅层土壤含水量,并随浅层含水量的增加而增大;月尺度下刺槐蒸腾耗水则取决于浅层与深层土壤含水量的共同作用;(2)构建了不同时间尺度下环境因子与刺槐蒸腾耗水的模型,各时间尺度下模型拟合度均较高。(3)在短历时尺度下可使用测定植物蒸腾的仪器直接测定与计算蒸腾耗水,而较大时间尺度下可以通过监测较少的环境因子应用建立模型进行蒸腾耗水的计算,可大大提高效率且可减少蒸腾耗水监测的成本。     

不同空间尺度下的土壤侵蚀元胞自动机建模评述

土壤侵蚀系统是一个典型的非线性动力系统,系统内部的侵蚀发育演化过程十分复杂,为了对该过程进行精确的模拟和预测,需要发展有效的技术和方法.元胞自动机( cellular automata,CA)是一种具有时空特征的离散动力学模型,采用“自下而上”的构模方式,对于模拟和分析具有空间特征的土壤侵蚀系统具有先天优势.由于空间尺度变化所引起的土壤侵蚀因子对侵蚀产沙过程的影响不同,CA模型在坡面尺度下主要针对细沟侵蚀和土壤颗粒的变化,在小流域尺度下涉及到更多的元胞状态和更加完整的侵蚀过程,在大区域尺度下重点研究气候和地貌之间的相互作用.不同空间尺度建立的CA模型没有确定的转换规则,模型通用性较低,今后需要在三维可视化、智能化等方面深入研究CA模型在土壤侵蚀领域的应用.     

流域侵蚀输沙空间尺度效应及其影响因素研究进展

侵蚀输沙空间变异及其尺度效应是流域水文过程研究的一个重要内容,对流域水土流失控制和水沙资源科学管理具有重要意义。通过对流域侵蚀输沙空间尺度效应研究成果的系统回顾,从坡面到流域,阐述了降雨、土壤和植被等环境要素对侵蚀输沙尺度效应的影响,梳理了尺度效应产生机制方面的认知,总结了不同条件下坡面产流和侵蚀输沙尺度转换的代表性方法。在此基础上,对流域侵蚀输沙空间尺度效应研究的发展趋势进行了讨论,未来应增加新技术和数据的应用,建立具有明确物理机制的侵蚀输沙空间尺度转换方法,同时,急需突破剧烈环境变化对空间尺度效应影响的研究。本文的梳理与总结可为流域侵蚀输沙过程的深入研究提供参考,为土壤侵蚀防治和河流水沙的综合管理提供一定的科学支持。     

基于DEM和GIS的修正通用土壤流失方程地形因子值的提取

 地形是影响土壤侵蚀的重要因子。以修正通用土壤流失方程中的地形因子为研究对象,以黄土高原延河流域县南沟5m分辨率的DEM为数据源,在ArcGIS软件平台下,实现对地形因子LS值的提取。对提取后的LS值和LS值分布进行检验分析,结果表明:以5m分辨率的DEM为数据源,采用适合该地区的修正后的LS值的算法,在ArcGIS支持下,可以获得较准确的LS值。研究结果可以为区域土壤侵蚀的地形因子研究提供数据支持,为更大区域尺度转换提供数据匹配基础,同时,为土壤侵蚀在区域尺度上进行预测评价提供方法引导和技术支持。     

湘中低山丘陵区土壤侵蚀时空变化及其对环境干扰的响应

为揭示土壤侵蚀时空变化及其对环境干扰的响应,综合运用CSLE、熵权TOPSIS、障碍度模型等分析方法,剖析湘中丘陵区2000—2015年土壤侵蚀的时空变化和诊断土壤侵蚀风险的障碍因素并提出针对性建议。结果表明:(1)湘中低山丘陵区土壤侵蚀以微度侵蚀为主,面积占比在50%以上;(2)2000—2015年土壤侵蚀流失量呈减小趋势,约下降了49.75%;(3)土壤侵蚀强度和风险在空间上有显著差异,高值区主要集中在湘中丘陵区西部和南部;(4)湘中低山丘陵区土壤侵蚀主要是由人为干扰引起的,其贡献率达73.76%,是自然干扰的3.62倍,未来应坚持自然恢复为主,避免过度人工干扰。综上,湘中低山丘陵区土壤侵蚀以微度侵蚀为主,存在显著的时空变化特征,人为干扰是其变化的关键驱动力。     

淮南市土地利用程度变化过程的时空演化特征

土地利用变化研究中存在重格局轻过程、重模拟轻度量的现象,缺乏对序列快照间土地利用单元演化过程的时空模式的探查和度量研究。该文以土地利用变化的序列时空数据为研究对象,以时空栅格为建模手段,以土地利用程度累积变化度为时空过程的基本度量工具,对淮南市土地利用变化过程的时空模式进行分析。结果表明:2008—2017年间研究区的土地利用程度的剧烈变化在特定尺度下呈现显著的时空聚集性特征;同时土地利用程度的平缓变化也呈现出较为显著的时空聚集性特征;介于二者之间的较为剧烈的土地利用程度变化的时空聚集性不显著,表明研究时段人类干扰活动具有明显的时空异质性。进一步研究发现,3种土地利用程度在距离交通网络较近的范围内(300和600 m范围内)均呈现聚集性,而在更远的距离上(900 m范围内)趋于随机分布,表明交通网络对土地利用变化具有较强烈的影响;在距离交通网络的不同空间尺度上,土地利用程度的剧烈变化和平缓变化在较小的空间尺度上时空聚集性呈现显著性,而较为剧烈的土地利用程度变化在多个尺度上的时空聚集性都不显著,表明交通网络对土地利用程度时空变化的影响存在尺度差异,且较为极端的土地利用变化过程更容易呈现时空聚集性。     

Factors Affecting Herbaceous Richness and Biomass Accumulation Patterns of Reclaimed Coal Mines

Open‐cast mining reclamation strategies are focused on the identification of the environmental factors at different scales that facilitate the vegetation establishment and development. Here, we characterised the environmental factors at macro‐scale and micro‐scale that influenced the herbaceous richness and biomass accumulation patterns trough a 32‐year chronosequence. Herbaceous richness and biomass were influenced at macro‐scale by successional and soil development gradients whereas at micro‐scale by shrub cover and coarseness gradients. Indeed, certain environmental factors at macro‐scale and micro‐scale contributed simultaneously to determine these gradients. Explicitly, the successional gradient was related to carbon and nitrogen ratio, grazing intensity and Shannon diversity. Across this successional gradient, total herb biomass and Fabaceae biomass were reduced as well as main taxonomical groups richness. Soil development gradient was related to total nitrogen, pH and erosion severity. This gradient only influenced species richness and produced a richness reduction when pH and erosion severity increased. At micro‐scale, the shrub cover gradient was related to organic matter thickness, producing a Poaceae biomass and bryophytes cover increase when shrub cover and organic matter increased. The coarseness gradient was related to the cover of rocks and bare soil, producing a reduction of herb biomass and richness when rocks and bare soil increased. These results emphasise the need to incorporate in the management plans the influence of soil development, successional, shrub cover and coarseness gradients over herbaceous richness and biomass to improve mine reclamation strategies. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

鄂西北山丘区水土流失时空格局及影响因子定量评价

[目的]揭示十堰市水土流失时空格局及影响因子,可对该区域水土保持及丹江口水库水质保护工作提供科学依据。[方法]基于2005—2020年十堰市水土流失动态监测数据及监测站点长时序观测数据,探究十堰市水土流失时空变化特征,并借鉴RUSLE模型定量评价其主要影响因子。[结果]十堰市水土流失在2005—2011年处于遏制阶段、2012—2020年处于相对稳定阶段;2020年十堰市中部地区水土流失呈现面积小、强度高的特点,南部三区呈现面积广、强度低的特点,而北部地区呈现面积广、强度高的特点。对于不同土地利用类型的径流小区,裸地小区平均土壤侵蚀模数最高[2 320 t/(km²·a)],随后依次为耕地、经济林和草地小区;3个坡度等级(0°～10°,10°～20°,20°～30°)小区平均土壤侵蚀模数分别为[616.73,1 226.65,2 080.26 t/(km²·a)],表明坡度超过10°后水土流失严重加剧;与天然植被覆盖小区相比,紫穗槐植物篱和土坎梯田小区的水土流失明显减弱,且紫穗槐植物篱的水土保持效果更优;不同土地利用类型小区的土壤侵蚀模数与坡...