基于LSTM模型预测不同水保工程措施条件下土壤侵蚀量——以辽西北地区为例

[目的] 准确模拟和预测不同水保工程措施下土壤侵蚀量,为辽西北地区精准预测土壤侵蚀量提供技术和理论依据。[方法] 基于野外径流小区2011—2021年的监测数据,包括：最大30 min和60 min降雨强度(I₃₀和I₆₀)、降雨历时(T)、降雨量(P)和土壤侵蚀量,建立了长短期记忆神经网络(LSTM)分别对3种工程措施(水平槽、果树台田和梯田)下的土壤侵蚀量进行预测。并将LSTM预测结果与3个经典机器学习模型〔反向传播神经网络(BP)、随机森林(RF)和支持向量机(SVM)〕预测的结果进行对比。[结果] ①在3种工程措施中,I₃₀,I₆₀,T和P对土壤侵蚀量的影响程度不同,但I₃₀,I₆₀和T对土壤侵蚀量的影响大于P。②利用BP模型预测土壤侵蚀量的相对均方根误差(NRMSE)均大于0.2。③相比于RF和SVM模型,LSTM模型在3种工程措施下(水平槽、果树台和梯田)预测土壤侵蚀量的NRMSE分别降低了约0.04～0.08,0.02～0.08,0.05～0.08。④利用I₃₀和T作为LSTM模型的输入特征预测土壤侵蚀量的精度与使用I₃₀,I₆₀,T和P为输入特征时的预测精度相近。[结论] 在辽西北地区3种水保工程措施中,利用LSTM模型基于最大30 min雨强和降雨历时对土壤侵蚀量进行预测,取得了较其他传统模型高的预测精度。这说明LSTM模型可在同类地区土壤侵蚀量的精准模拟和确定水土保持措施中推广和应用。     

喀斯特土石异质坡面产流产沙规律

侵蚀性降雨是引起喀斯特黄壤坡面水土流失的主要动力因子。采用贵州省遵义市浒洋水流域2018—2020年4个径流小区92次侵蚀性降雨产流产沙实测数据,研究次降雨条件下,裸露坡面和块石出露小区对产流产沙的影响。结果表明:(1)侵蚀性降雨可以分为A、B、C 3类,A类降雨是造成喀斯特黄壤坡面土壤侵蚀的主要雨型。侵蚀性降雨的标准为次降雨量＞6.6 mm或I₃₀＞3.6 mm/h。(2)裸露坡面63.27%的侵蚀性降雨径流深＜0.4 mm,66.30%的侵蚀性降雨土壤流失量＜1 g/m²,坡面土壤侵蚀量主要是由个别的次降雨所贡献。比较3类降雨,产流产沙的规律总体上表现为A雨型＞C雨型＞B雨型。(3)土壤流失量主要是由径流深决定,径流深直接决定着坡面产沙的多少。A类降雨中20 mm降雨量是喀斯特黄壤坡面径流深和土壤流失量明显增加的突变值。(4)3类降雨下,块石出露增加了坡面产流量,产流量随着出露率的增加而变大。但产沙量的变化比较复杂,A类降雨下,产沙量随着块石出露率的提高呈明显增加。研究结果对喀斯特坡面水土流失治理和土壤侵蚀预报模型的建立具有重要意义。     

不同雨强条件下工程措施对坡地产流产沙影响

基于试验站不同坡地措施（坡耕地和坡改梯）2016年和2017年的逐日降水、产流产沙数据，研究不同坡地措施和雨强下产流产沙规律特征，定量揭示坡改梯和坡耕地对产流产沙的影响。结果表明：（1）7月平均雨强I、最大雨强I₃₀及坡地产流量最大，8月最大雨强I₆₀与坡地产沙量最大，表明坡地产流产沙高峰期与雨强高峰期一致。（2）春夏两季产流、产沙量与I、I₃₀和I₆₀相关性显著（超过95%置信度检验）。其中坡耕地产流产沙量与I、I₃₀、I₆₀的相关系数整体高于坡改梯。春夏季坡耕地产沙量分别是坡改梯的3.91，7.85倍。（3）降雨主要集中在I（1~3 mm/h）、I₃₀（3~29 mm/h）、I₆₀（2~27 mm/h）之间，且坡地产流产沙量与最大雨强I₃₀、最大雨强I₆₀在95%置信度水平呈现显著正相关。当I₃₀达到29.0 mm/h、I₆₀达到26.6 mm/h时，坡地产流产沙达到最大，坡耕地产流产沙峰值是坡改梯的2.43，7.52倍以上，并且坡耕地全年产流产沙变异系数总体高于坡改梯，因此坡改梯工程在一定程度上防治了水土流失，使产流产沙变化减小。     

红壤区裸露坡地不同类型次降雨的产流产沙规律

为探究红壤区裸露坡地在不同类型次降雨下的产流产沙规律,研究收集长汀县水土保持科教园红壤裸露坡地径流小区2013年1月至2020年12月共388场降雨—径流—土壤侵蚀观测资料,采用K-means将降雨划分为4类进行分析。结果表明:(1)主要降雨类型有A(短历时、大雨强、小雨量、低频次)、B(长历时、小雨强、大雨量、中频次)、C(中等历时、小雨强、小雨量、高频次)3类,B、C为研究区主要产流产沙来源,贡献85%以上的径流和土壤侵蚀量。(2)次降雨径流深及土壤侵蚀量与降雨量(P)、最大30 min雨强(I₃₀)和降雨动能(E)呈线性正相关,与降雨侵蚀力(EI₃₀)呈幂函数关系。但降雨特征对产流产沙的总解释度小于65%,且随着降雨历时的增加而减小。(3)降雨特征与产流产沙存在3种约束关系,其约束线表明降雨特征对次降雨潜在最大产流产沙的影响。其中,潜在最大径流深主要由P和E决定,潜在最大土壤侵蚀量的上限为800~900 t/hm²。从降雨特征单因子影响、综合影响和约束效应3个方面分析了红壤裸露坡地的产流产沙特征,为红壤区水土流失防治提供了数据基础。     

甘蔗种植方式对蔗地土壤侵蚀及氮素流失特征的影响

[目的] 探讨自然降雨条件下甘蔗种植方式(宿根和新植)对坡地的土壤侵蚀及氮素流失特征的影响，为区域水土流失防治和甘蔗合理种植提供理论依据。 [方法] 基于径流小区原位观测试验，以10°赤红壤植蔗坡地为研究对象，设置甘蔗宿根和新植两种种植方式，测定自然降雨条件下坡面径流、侵蚀量及硝态氮和铵态氮流失量，获得自然降雨条件下宿根蔗和新植蔗坡地土壤侵蚀特征和氮素流失的特征。 [结果] ①2021年5-10月宿根蔗和新植蔗地分别发生侵蚀性降雨40场和43场，累计侵蚀性降雨981.8 mm和1 013.0 mm。蔗地径流、侵蚀量及氮素流失量均集中在6月，径流和侵蚀泥沙中硝态氮和铵态氮主要随地表径流流失，占径流侵蚀氮素流失总量的96.0%以上；径流中的氮流失以硝态氮为主(＞70.0%)，而侵蚀泥沙中则以铵态氮流失为主(＞80.0%)。宿根蔗坡面径流、侵蚀量较新植蔗减少了31.8%和83.5%，径流中硝态氮和铵态氮流失量减少了56.7%和51.9%，侵蚀泥沙中则减少了85.4%和60.2%。 ②次降雨条件下，蔗地坡面径流、侵蚀和氮素流失随降雨量波动变化，宿根蔗和新植蔗地的径流、侵蚀量及氮素流失量主要发生在2021年6月3-24日降雨中，且整体上均表现为宿根蔗小于新植蔗。随着甘蔗的生长，蔗地坡面径流、侵蚀及其携带氮素流失量均逐渐减小。 ③最大30 min降雨强度(I₃₀)和降雨量是影响蔗地径流中和侵蚀泥沙中氮素流失的主要因子；最大60 min降雨强度(I₆₀)和I₃₀分别是影响宿根蔗和新植蔗坡面径流侵蚀的最主要降雨因子。 [结论] 蔗地坡面土壤径流、侵蚀泥沙中的硝态氮和铵态氮流失以地表径流中的硝态氮流失为主；与新植蔗相比，宿根蔗在甘蔗苗期和分蘖期可以有效降低坡面径流侵蚀及氮素流失，伸长后期二者差异逐渐变小。     

降雨和前期含水量对大别山区不同作物坡面产流产沙的影响

基于霍山县水土保持试验站3个径流小区（茶叶、桑树、红芋）2016—2017年逐日连续观测数据，定量研究土壤含水量与天然降雨条件下产流产沙规律与动态变化特征。结果表明：（1）4—7月为产流高峰期，该时期各小区产流量占年产流量的76%（桑树），57%（茶叶），70%（红芋）。3种作物对产流产沙的抑制效果为茶树地 > 桑树地 > 红芋地。（2）各作物年内土壤含水量变化趋势相似，全年变化呈"W"形。其中表层土壤平均含水量排序为茶树地 > 桑树地 > 红芋地，与作物抑制产流产沙效果排序一致。秋季土壤水分稳定性最强，夏季最弱。全年以桑树为例的乔木对土壤水分稳定效果最好。（3）降雨参数与土壤含水量之间灰色关联度大小为历时 > 平均雨强 > I₃₀ > I₆₀ > 雨量。作物小区内产流量贡献度最大变量为降雨侵蚀力，而就产沙量而言，茶叶地与红芋地的产沙量贡献度最大变量为I₃₀，对桑树地产沙贡献度最大变量为降雨量。     

黔中喀斯特山区坡耕地产流产沙对无籽刺梨种植的响应

产流产沙是坡耕地土壤侵蚀的主要形式,为探讨无籽刺梨对黔中喀斯特山区坡耕地土壤侵蚀治理效应,采用径流小区野外定位观测法和相关性分析法,分析了坡度15°和25°坡耕地共6个自然坡面径流小区2016年6—9月15次野外实测侵蚀性降雨产流产沙数据。结果表明:(1)在同坡度同降雨量同I₃₀下,无籽刺梨地较自然恢复地有显著保水保沙能力,无籽刺梨+自然荒草地模式优于无籽刺梨单种模式。(2)无籽刺梨种植模式减流减沙效果坡度25°优于15°,减沙效果优于减流效果。其中无籽刺梨+自然荒草地减流减沙效果最优,在小雨、中雨、大雨、暴雨4种雨型下,坡度15°度时较自然恢复地分别平均减流59.08%,65.23%,56.96%,54.87%,分别平均减沙87.32%,71.64%,51.10%,74.69%;坡度25°度时分别平均减流53.11%,76.09%,76.72%,46.12%,分别平均减沙85.40%,86.87%,71.55%,73.99%。(3)研究区产流产沙量与降雨参数(P、I₃₀)高度相关且在0.01水平上显著,在不同雨型下无籽刺梨减流减沙均有明显效果,小雨、中雨时减流减沙效果最佳。研究证实了研究区无籽刺梨种植能抵御不同雨型的降雨侵蚀,可作为贵州省喀斯特山区生态修复的极优经济选种。     

裸露砒砂岩区人工林地侵蚀特征及其侵蚀量模拟研究

[目的] 研究裸露砒砂区天然降雨条件下不同类型人工林地的侵蚀特征,为裸露砒砂区植被建设和减轻泥沙入黄提供科学指导。[方法] 以裸露砒砂岩区广泛栽植的油松人工林、山杏人工林、沙棘人工林和柠条人工林以及草地和裸地为研究对象,采用径流小区监测的手段,对各类型样地的年内天然降雨以及土壤侵蚀量进行监测。[结果] ①依据研究的年内降雨数据,裸露砒砂岩区长历时的暴雨和中到大雨的情况下,瞬时雨量呈现双峰趋势,累积降雨量呈梯式增长规律;短历时的暴雨和小到中雨的瞬时雨量呈单峰趋势,累积降雨量分别呈S形和线性增长趋势; ②裸露基岩坡面侵蚀较为严重,总产流量达28.48 L,总土壤侵蚀量达31.85 t/(hm²·a),有植被的坡面总产流量在9.8～18.41 L之间,总土壤侵蚀量在1.67～10.14 t/(hm²·a)之间。各类型人工林地的产流量随着降雨类型的变化并无统一规律;但土壤侵蚀量均呈现：裸地>草地>柠条林>山杏林>油松林>沙棘林的规律。油松林和沙棘林地的产流量和土壤侵蚀量均呈极显著相关关系,相关系数分别0.929,0.893;各类型样地的平均雨强和I₃₀均与土壤侵蚀量呈显著相关关系,相关系数高于0.595。③各类型人工林地降雨量分别与径流量、土壤侵蚀量呈多元线性(R²>0.771)的关系。降雨产流模型的Nse值高于0.62,除柠条人工林外降雨产沙模型的Nse值高于0.57,表明模型精度相对较高。[结论] 在裸露砒砂岩区侵蚀性降雨条件下,人工林地降雨、产流与产沙均存在一定的函数关系且人工林地的侵蚀量小于裸露坡面的侵蚀量。     

坡度对紫色土坡耕地侵蚀性降雨值的影响

侵蚀性降雨标准是指将发生侵蚀和不发生侵蚀的降雨区分开来的某种降雨参数的临界值.该标准值的确定可以为次降雨是否引起土壤侵蚀和土壤养分流失作出初步判断.利用遂宁水土保持实验站坡耕地小区观测资料,分析发现同一时间序列中坡度对侵蚀次数有极显著的影响(相关系数r=0.968),并拟定川中紫色土坡耕地 5°,10°,15°,20°和25°的侵蚀性降雨的雨量标准分别为55.7,42.9,39.9,39.5,32.0 mm;平均雨强标准分别为8.87,7.86,5.53,5.36,5.24 mm/h;PI标准分别为552.12,416.16,351.09,331.53,239.29 mm~2/h.并通过回归分析拟合了侵蚀性降雨雨量标准与坡度,平均雨强标准与坡度,PI标准与坡度之问的函数关系.     

三氯异氰尿酸对马铃薯连作障碍土壤微生物群落组成的影响

采用盆栽试验，选择三氯异氰尿酸(TCCA)为土壤消毒剂，研究不同施用量TCCA对马铃薯连作障碍土壤微生物群落组成的影响。TCCA施用量设置分别为：0(CK)，30 kg/hm²(S₃₀)，60 kg/hm²(S₆₀)和120 kg/hm²(S₁₂₀)。结果表明：与CK处理相比，S₆₀和S₁₂₀处理显著提高土壤pH(P<0.05)，分别提高0.15个和0.26个单位；显著增加土壤可溶性有机碳含量 (P<0.05)，增幅分别为30.4% 和83.5%；显著提高土壤铵态氮含量(P<0.05)，分别提高3.3倍和9.7倍。同时，S₆₀和S₁₂₀处理显著影响了土壤微生物优势菌属的相对丰度(P<0.05)。与CK处理相比，在门水平上，S₆₀和S₁₂₀处理下土壤变形菌门(Proteobacteria)的增幅达55.3% 和85.9%，子囊菌门(Ascomycota)的增幅达16.7% 和35.1%；在属水平上，S₆₀和S₁₂₀处理下显著降低马铃薯致病菌链霉菌属(Streptomyces)的相对丰度(P<0.05)，降幅达35.7% 和57.1%。主坐标(PCoA)分析表明，S₆₀和S₁₂₀处理与CK处理的细菌和真菌的群落结构截然不同。除了TCCA直接杀菌的影响，冗余分析(RDA)显示，土壤pH和铵态氮含量亦是影响微生物群落组成变化的关键因子。     

用日雨量和雨强计算降雨侵蚀力

利用全国8个气象站次降雨和日降雨资料,分析了次、日降雨关系。结果表明,用次降雨资料计算的降雨侵蚀力与用日降雨资料计算的降雨侵蚀力,二者之间不仅高度线性相关,而且是通过原点、斜率接近1的直线,方程的平均决定系数达到0.950,表明可以用日降雨资料计算降雨侵蚀力。由于各地区方程的系数差异不显著,可以在不同气候区采用同一个公式。该方法不仅简化了降雨侵蚀力计算,有助于其推广应用,而且大大促进了气象水文资料在土壤侵蚀定量研究中的应用。     

用日雨量和雨强计算降雨侵蚀力

利用全国 8个气象站次降雨和日降雨资料 ,分析了次、日降雨关系。结果表明 ,用次降雨资料计算的降雨侵蚀力与用日降雨资料计算的降雨侵蚀力 ,二者之间不仅高度线性相关 ,而且是通过原点、斜率接近 1的直线 ,方程的平均决定系数达到 0 .95 0 ,表明可以用日降雨资料计算降雨侵蚀力。由于各地区方程的系数差异不显著 ,可以在不同气候区采用同一个公式。该方法不仅简化了降雨侵蚀力计算 ,有助于其推广应用 ,而且大大促进了气象水文资料在土壤侵蚀定量研究中的应用。     

人工模拟降雨的能量相似及其实现

 能量相似是降雨模拟的基本原则。通过对雨滴粒径、雨滴击溅速度、降雨均匀度等能量相似要素的分析和探讨,提出实现降雨模拟能量相似的重要手段,即在降雨高度、雨滴发生器等条件不变的情况下,通过调节雨强来实现降雨能量的相似;通过加大供水压力等手段可提高降雨动能,所以在降雨模拟实践中,降雨高度不一定需要达到使所有粒径的雨滴均达到终速所需的高度。     

山东省药乡小流域侵蚀性降雨分布特征

为探究山东省药乡小流域侵蚀性降雨分布特征,本研究选择裸地坡面径流小区为研究对象,利用小区观测法得到的降雨、径流以及泥沙等资料,通过频率分析法拟定研究区侵蚀性降雨标准,并运用数理统计方法从时间、降雨强度、降雨侵蚀力角度分析侵蚀性降雨分布特征.结果表明:1)该研究区侵蚀性降雨标准为降雨量17.3 mm;2)7月份侵蚀性降雨场次、降雨量、径流量和产沙量占侵蚀性降雨比例为42.31％、45.71％、85.78％和97.97％,其他月份侵蚀性降雨分布较少;3)大雨、暴雨以上侵蚀性降雨,高降雨强度型降雨场次分别占相应雨量等级比例为60％和100％,其产沙量所占比例分别为75.07％、100％;4)降雨侵蚀力＞1000MJ·mm/(h·hm2)侵蚀性降雨产沙量占侵蚀性降雨比例为95.26％,其径流深是≤1 000 MJ·mm/(h·hm2)侵蚀性降雨3倍以上.以上研究表明,研究区侵蚀性降雨标准为17.3 mm,其主要分布在中雨以上雨量等级,造成严重土壤侵蚀的侵蚀性降雨多为高降雨强度型降雨或降雨侵蚀力＞1 000 MJ·mm/(h.hm2)的降雨,且其多分布于7月份.本文结果有助于研究区小流域侵蚀性降雨规律分析以及土壤侵蚀规律研究.     

降雨对河岸生态系统杨树树干液流及其环境控制的影响

降雨能够改变土壤水分状况进而促进林木蒸腾,然而场降雨量及其持续时间对林木树干液流及其环境控制机制的影响尚不明确。为此,在华北半干旱半湿润区的北京市顺义区共青林场,选取位于河岸生态系统不受土壤水分胁迫的欧美杨(Populus×euramericana)人工林为研究对象,在2019年和2021年生长季,使用TDP热扩散法测量树干液流,同步监测气象及土壤含水量等环境因子。根据对该区长期(2016—2017年、2019年和2021年)降雨数据统计分析结果,将2次降雨脉冲间隔超22.5 h的事件划分2场独立的降雨事件。按照降雨事件雨量及历时,将其中位数±1.5倍标准误的事件定义为常见事件,而将累积概率大于90%的事件定义为极端事件。结果表明:(1)太阳辐射是唯一显著控制该杨树人工林生长季树干液流的环境因子(偏相关系数r_p=0.539),饱和水汽压差、风速和土壤含水量均与树干液流不相关(p>0.533),降雨事件发生前后这一环境控制特征没有发生变化;(2)雨后树干液流随着场降雨量的增加而降低(R²=0.78,p=0.004),但与降雨事件历时无显著相关关系;(3)树干液流在常见降雨事件和极端事件后,在半小时尺度上随时间变化无显著差异(p≥0.264),但4类降雨事件后主导的环境控制因子却不完全相同,太阳辐射和饱和水汽压差总能显著促进半小时尺度的树干液流(r_p≥0.374),而土壤含水量仅在常见和极端的强降雨历时事件后,显著促进雨后半小时尺度液流(r_p≥0.215)。风速显著抑制常见场降雨量事件后半小时尺度的树干液流(r_p=-0.258),却能显著促进常见和极端场降雨历时事件后半小时尺度的树干液流(r_p≥0.183)。研究成果为进一步深入揭示降雨特征对树干液流及其生物物理控制机制的影响,以及改进气候变化下生态水文过程的模拟与评估提供参考。     

人工模拟降雨试验降雨特性及问题分析

由于试验的需要和人工模拟降雨的优点,越来越多的研究者采用人工模拟降雨。但在大量的试验中,人工模拟降雨试验的降雨特性与天然降雨特性之间联系不够紧密,对应特性之间存在差异。除了人工模拟降雨特性与天然降雨特性的不统一性外,人工模拟降雨试验中还存在一些自然与非自然因素导致的问题,在关注并逐一克服这些问题的同时,将人工模拟降雨和高科技技术,如GPRS等结合起来,应用于更广阔的领域。     

Veejet80150喷头特性及其在降雨机中的应用

由于人工模拟降雨可以解决天然降雨耗时长、成本高以及难以取得精准控制数据等问题,越来越多的学者使用该方法进行科学研究。通过降雨量测量和计算分析方法,测定了Veejet80150喷头降雨特征参数,评价了改进后槽式下喷模拟降雨机的降雨均匀性。结果表明:Veejet80150喷头降雨面积为矩形,且随喷头高度增加而增加,中心点降雨强度随高度增加而减小,并从中心点向外呈规律性减小,便于多喷头组合,获得空间均匀降雨。多喷头组合降雨时,2.5 m高度下的降雨均匀系数在0.88~0.90范围内;4 m高度下的降雨均匀系数在0.94~0.95范围内,该降雨机均匀性好,喷头高度大于2.5 m时可满足试验要求。     

1961-2010年怒江流域降雨时空变化

在全球变暖的背景下,为探讨高原水系水资源的重分配利用,选取怒江流域作为研究对象,研究怒江流域的降雨时空变化。基于怒江流域13个雨量站点中6个站点的50 a降雨数据,采用反距离权重插值法、Kendall非参数检验、线性回归法对流域内年际降雨特征、年内强度特征和极端降雨事件进行了分析。结果表明:怒江流域上游（青藏高原东南区）降雨量小,年内降雨集中性总体趋势减弱;流域中游（青藏高原与云贵高原过渡区）降雨量较为丰富,年内降雨强度趋势上升;流域下游（云南泸水县六库以南区）降雨量最为丰沛,降雨集中性趋势平稳;流域内3片区极端降雨事件均呈上升趋势。综上所述,西藏地区应当注意保水、节水,西藏云南交界过渡区注意预防水土流失与水土综合治理,流域内云南剩余地区应当注意防洪与泥石流治理。     

鄱阳湖流域日降雨的侵蚀性雨量标准研究

确定日降雨的侵蚀性雨量标准是提高基于日降雨数据的降雨侵蚀力模型计算精度的重要前提。利用鄱阳湖流域降雨数据,采用最小偏差法,确定该流域日降雨的侵蚀力雨量标准。结果表明:(1)鄱阳湖流域次降雨的侵蚀性雨量标准为14.0 mm,降雨侵蚀力偏差系数为1.8%,土壤侵蚀损失率2.8%,降雨场次错选度为14.9%。(2)流域内各站点的逐月降雨量均表现为6月达到峰值的倒"V"形规律;侵蚀性次降雨中,降雨时间跨越2日或以上的类型最多,占总次数的54.2%。(3)流域日降雨的侵蚀性雨量标准为10.0 mm,该标准下年均次、日降雨侵蚀力偏差值为0.11%。     

土壤侵蚀降雨物理学简论

土壤侵蚀降雨物理学是一门尚待建立的学科。从土壤侵蚀降雨物理学的概念出发,探讨土壤侵蚀降雨物理学的主要内容及其与相关学科的关系,在回顾土壤侵蚀降雨物理学的相关理论发展简史的基础上,认为土壤侵蚀降雨物理学是气象学、水土保持学的交叉学科,是值得发展的新学科。