高次指数组合非线性模型在土壤侵蚀中的应用

土壤侵蚀是全球性的严重环境问题。揭示土壤侵蚀过程，建立土壤侵蚀模型将为土地合理利用规划、水土保持措施优化配置、水土流失监测及水土保持减水减沙效益评价等生产实践提供重要科学依据和技术工具。土壤侵蚀预报模型按建模方法可分为经验模型与物理模型等，其中，经验模型主要是基于土壤侵蚀观测资料，采取统计分析的方法模拟侵蚀产沙量与降雨、植被、土壤、地形等影响因子之间的关系。自1953年刘善建在国内首次建立了坡面土壤侵蚀预报方程以来，不同学者根据各地的实际情况，建立了诸多不同的土壤侵蚀经验模型。由于国内土壤侵蚀物理模型研究起步晚，还很不成熟，而经验模型在侵蚀预报中一直处于重要地位，继续强化对它的研究，无疑可以进一步满足水土流失定量评价及水土保持决策等不同生产实践的迫切需求。     

中国主要水蚀区土壤侵蚀过程与调控研究

国家重点基础研究发展计划（973）项目＂中国主要水蚀区土壤侵蚀过程与调控研究＂针对国家对土壤侵蚀防治对策基础理论的迫切需求和国际学科前沿重大问题,选择东北黑土漫岗丘陵区、西北黄土高原区、南方红壤丘陵区和西南紫色土山丘区等4个主要水力侵蚀区,从侵蚀过程、侵蚀模型和侵蚀调控3个层面进行了系统研究。揭示了不同方式和不同尺度下土壤侵蚀发生发展的过程及其空间格局、影响因子和作用机制;构建了中国多尺度水蚀预报模型;提出了水土流失与水土保持的环境效应评价指标体系与方法;综合集成了适应自然生态过程和人类活动的水土流失调控范式。该项研究成果丰富和发展了具有中国特色的水土保持科学,为国家制定水土保持战略和规划提供了理论依据。     

水蚀预报模型研究

土壤侵蚀模型研究是土壤侵蚀学科的前沿领域和水土保持规划的有效手段。概述国外水蚀预报模型的研究进展,并详细述评了国外水蚀预报的经验模型、物理过程模型、基于地理信息系统的水蚀预报模型,细沟侵蚀模型、浅沟侵蚀模型、切沟侵蚀模型和区域侵蚀预报模型。介绍了中国在坡面预报模型和流域侵蚀产沙模型和全国水土流失宏观趋势预测的研究进展,提出了中国水蚀预报模型研究面临的挑战与任务。     

通用土壤流失方程中的坡长因子研究进展

 坡长是决定土壤侵蚀的地形因素。通用土壤流失方程中的坡长因子反映坡长与侵蚀的关系,是土壤侵蚀预报模型的重要指标,在土壤侵蚀预报和水土保持规划中被广泛应用和深入研究。从坡长与侵蚀的关系、坡长因子算法以及坡长因子在地理信息系统环境中的提取3方面,系统回顾坡长因子在国内外的研究成果和发展历史。在此基础上,分析目前在我国土壤侵蚀预报模型的研究和应用过程中,坡长因子存在的5方面的问题,并针对这些问题对未来的研究提出了展望。     

国内坡面土壤侵蚀预报模型述评

坡面侵蚀预报模型的研究可加深对土壤侵蚀过程及其机理的认识，为坡面水土保持措施配置提供科学支持。我国坡面侵蚀预报模型研究大体可分为三个阶段：(1)利用主要水蚀区径流小区观测资料，基于美国通用土壤流失方程USLE(Universal Soil Loss Equation)建立坡面侵蚀预报统计模型研究；(2)结合黄土高原侵蚀特点，考虑陡坡地浅沟侵蚀，建立坡面侵蚀预报经验模型研究；(3)基于物理成因的坡面侵蚀预报模型研究。根据我国坡面侵蚀产沙的特殊性及地形的复杂性，提出建立我国坡面侵蚀预报模型应加强的研究领域，即浅沟侵蚀过程及机理、坡面薄层水流、细沟水流以及浅沟水流的水流剥离方程、坡面水沙汇集传递关系和陡坡地侵蚀过程模拟等研究。     

我国水蚀预报模型研究的现状、挑战与任务

 土壤侵蚀模型研究,是土壤侵蚀学科的前沿领域和水土保持规划的有效手段。述评了我国在坡面预报模型和流域侵蚀产沙模型、区域水土流失评价模型和全国水土流失宏观趋势预测的研究进展,提出了中国水蚀预报模型研究面临的挑战与任务,指出了我国水蚀预报模型近期研究重点。     

具有水窖设施的梯田苹果地抗暴雨侵蚀研究

针对2013年延安地区极端暴雨径流侵蚀条件下土壤侵蚀严重、水土资源利用效率低等问题,通过对陕北安塞县方塔村带有水沙调控措施的梯田—水窖—苹果水土流失状况进行定位监测,基于收集的降雨资料,研究该梯田内水沙调控措施在抗御暴雨条件下的防蚀作用和土壤侵蚀规律,结果表明:该梯田能够抗御暴雨的冲刷,各阶梯田土壤侵蚀都在中度侵蚀以下,平均土壤侵蚀模数仅为该区多年平均的1/7。集中性的高强度降雨对黄土高原土壤侵蚀起决定性作用,本文基于安塞水土保持试验站坡面土壤侵蚀预测预报模型,给出了适宜该区具有水沙调控措施的梯田土壤侵蚀预测预报模型,得到在I₃₀=0.24 mm/min前提下,当年降雨量小于191.1 mm时,土壤能够维持较高的生产力;当年降雨量小于997.13 mm时,该区土壤侵蚀模数可控制在多年平均水平以内。梯田内修建的水窖、梯壁植草、地表枯枝落叶以及梯田质量等因素的综合作用在抗御暴雨侵蚀过程中起到了重要作用。     

坡面草带分布对坡沟水土流失的防控作用及其优化配置

深化植被措施对坡沟系统水蚀过程的调控机理及其优化配置,成为土壤侵蚀研究关注的焦点问题。该研究以坡沟系统为研究对象,利用室内模拟降雨试验,结合三维激光扫描和微地貌分析技术,辨析了不同植被空间配置方式的水土保持功效,动力调控途径,提出了低覆盖度下调控侵蚀的植被优化配置。结果表明:从减水减沙的角度,不同位置的草带布设更具有直接拦沙的水土保持功效。水蚀动力的角度,草带对其坡面上方来水来沙和下方径流产沙的水蚀动力过程和侵蚀产沙过程分别发挥出缓流拦沙和滞流消能的水土保持功效,且这2种功效调控侵蚀的作用范围和作用强度与草带布设位置密切相关。草带位于坡面中下部,兼具较好的缓流拦沙和滞流消能的双重水土保持功效。依靠缓流拦沙的功效可以有效减缓坡面范围内的侵蚀强度;依靠滞流消能的功效能够有效减缓坡面下部和沟道范围内的侵蚀程度。植被在坡沟系统中的位置参数指标与侵蚀产沙量之间满足二次幂函数关系,该指标在0.571～1.200之间,为植被调控侵蚀最优布设区域。在此区域内布设植被,能够有效发挥出植被的双重水土保持功效。该研究有助于加深坡沟系统植被配置对土壤侵蚀产沙过程以及对水动力过程的作用机理的理解。     

水土保持及土壤侵蚀动态机制研究现状及存在问题

简要回顾了目前我国水土保持研究存在的问题,提出了以“地表径流调控”为主的水土保持技术措施和基于水动力学特性的侵蚀产沙机理研究方向和研究意义。系统总结了以“地表径流调控”为主的水土保持措施和减流减沙效应指标以及土壤侵蚀过程机理研究现状,探讨了径流调控及坡面流侵蚀动力过程中存在的主要问题以及亟待开展的研究。     

公路水土保持技术理论研究进展

简要回顾了公路建设的水土流失影响,重点阐述了公路边坡水土保持的发展历程及其研究现状,指出亟待开展的4个主要研究方向:①开展不同侵蚀环境下公路建设新增水土流失规律与土壤侵蚀动力学机理研究;②建立不同区域公路建设水土保持监测技术体系,发展土壤侵蚀的预测预报理论技术;③加强公路建设水土流失防治体系与植被快速建植技术研究,构建水土保持标准化治理模式与技术标准;④推动公路建设水土保持损益分析及水土保持与经济社会可持续发展的关联研究。     

土壤理化性质对结皮形成的影响

通过人工降雨试验、土壤微形态观察以及理化分析 ,研究了几种土壤结皮形成过程及其影响因素 ,并利用SPSS统计分析了不同因素对结皮形成的影响程度。研究结果表明 ,土壤颗粒组成是土壤结皮形成的主导因素 ,而土壤结构指标、部分胶体性质与结皮形成关系不明确 ,并提出土壤粘粒矿物组成可能是土壤结皮形成的一个重要因素     

中国土壤可蚀性值及其估算

土壤可蚀性是评价土壤对侵蚀敏感程度的重要指标，也是进行土壤侵蚀预报的重要参数。本文运用野外观测资料，研究了我国不同水土流失区的土壤可蚀性值问题。根据实测资料，计算给出了一组土壤可蚀性实测值。并利用这组实测值。对我国土壤可蚀性估算问题进行了探讨。结果表明，国外现有的可蚀性估算模型不能直接应用于我国土壤的可蚀性计算，估算值明显大于实测值。但估算值与实测值之间存在有良好的线形关系。最后提出了我国不同地区及不同资料占有情况下的土壤可蚀性估算方法。本文研究结果可以直接用于我国土壤侵蚀预报中土壤可蚀性计算。     

降雨及土壤湿度对水土流失的影响

水土流失同降雨及降雨前土壤湿度关系密切。坡耕地产生坡面流失的临界雨强约为4mm/10min,降雨量为12.5mm;从中雨至大暴雨,雨型每增加一级,土壤流失量将翻一番;水土流失量同侵蚀雨量呈极显著的线性关系;地表径流量同降雨前0—30cm的土壤湿度因子成正比,冲刷量则与此成反相关。     

河西绿洲灌区保护性耕作对土壤风蚀特征的影响

为研究河西绿洲灌区保护性耕作对土壤风蚀的影响,通过春小麦田间试验,设置免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖、立茬和残茬压倒4种保护性耕作处理,以传统耕作为对照,分析了河西绿洲灌区不同保护性耕作措施对田间输沙量、风蚀深度、风蚀物粒径组成、风速的影响。结果表明：0~30 cm高度输沙量能敏感地反映不同耕作措施之间输沙量的差异。与传统耕作相比,免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖、立茬和残茬压倒处理0~30 cm高度输沙量分别减少17.4%~46.7%、21.7%~45.2%、24.7%~48.2%和10.7%~42.4%。风蚀深度传统耕作为1.22~1.44 mm,4种保护性耕作处理均为0 mm。与传统耕作相比,保护性耕作处理风蚀物粒径组成无显著变化,但<0.063 mm细粒占比有减小趋势。立茬处理20 cm高度风速显著降低24.1%~39.5%,其他保护性耕作措施风速降低不显著。综上所述,河西绿洲灌区不同保护性耕作措施能不同程度地抑制土壤风蚀,立茬处理是相对较优的保护性耕作措施,适宜该地区推广应用。     

江西省兴国县、余江县土壤侵蚀时空变化研究

利用遥感技术与地理信息系统技术的结合 ,对江西省兴国县和余江县的土壤侵蚀状况进行了时空变化研究。研究结果表明 ,兴国县和余江县的土壤侵蚀状况 ,在侵蚀面积和程度上 ,都在明显改善 ;两县土壤侵蚀面积百分数的缩小量几乎相等 ,但兴国县缩小的比例较余江县小。但就总的情况看 ,土壤侵蚀仍是一个突出问题 ,值得重视     

耕作及水蚀影响下坡耕地土壤有机碳动态模拟

土壤侵蚀和沉积明显影响土壤有机碳(SOC)的积累与损耗,在以往土壤碳平衡模拟中却未得到应有的重视。本文以典型黑土漫岗坡耕地表层土壤为研究对象,利用CENTURY模型模拟特定质地下自然黑土有机碳的积累过程,估算研究区黑土有机碳及各组分的背景值;对比研究侵蚀泥沙对SOC富集的影响,将模型模拟值与实测值进行统计比较来验证模型;进而模拟侵蚀区开垦后SOC以及各组分随时间的变化,定量研究土壤侵蚀对SOC各组分损失的贡献。研究结果表明:黑土有机碳的累积大致可分为初期的快速积累和后期缓慢积累两个阶段,前期慢性有机碳库的累积对SOC库的增加贡献最大,后期SOC累积主要由惰性有机碳缓慢累积来完成。达到平衡状态时,研究区黑土有机碳含量为7 240 g m-2,以慢性和惰性有机碳为主,约占总SOC的97.4%。考虑泥沙对SOC的富集作用,模型模拟值与实测值更加吻合。自然黑土开垦后,微生物分解矿化作用是活性和慢性有机碳损失的主要途径,土壤侵蚀明显降低惰性有机碳含量,其贡献率随侵蚀速率的增加而增大。因研究区侵蚀不严重,土壤侵蚀对开垦以来的SOC库损耗贡献较小。     

黑土坡耕地侵蚀和沉积对物理性组分有机碳积累与损耗的影响

以侵蚀和沉积过程明显的黑土坡耕地为研究对象,通过测定不同地形部位表层和典型剖面土壤不同粒级的水稳性团聚体、颗粒态有机碳（POC）以及团聚体结合态有机碳含量,探讨土壤侵蚀和沉积对土壤有机碳（SOC）损失、迁移和累积过程的影响。研究结果表明：上坡三个侵蚀部位表层土壤大团聚体、矿质结合态有机碳（MOC）以及团聚体结合态有机碳含量随侵蚀速率增加而减小;沉积部位（尤其是坡脚）POC含量和POC/SOC较低,而MOC含量和MOC/SOC较高。始终处于沉积状态的坡脚部位,各粒级有机碳组分的深度分布均表现出土壤累积和埋藏特征,并随着粒级的减小累积现象趋于明显。上述结果反映了土壤侵蚀优先使与细颗粒和微团聚体结合的SOC迁移流失,并在低洼的沉积区累积;埋藏层中的侵蚀物质（如微团聚体、颗粒态有机质）通过深埋作用和重新团聚作用形成稳定的大团聚体,最终促进SOC的固定。     

辽西春季解冻期褐土工程堆积体坡面产流产沙模拟试验研究

为揭示春季解冻期工程堆积体土壤侵蚀过程机理,以辽西地区的开挖河道工程堆积体为研究对象,采用室内模拟放水冲刷试验对春季解冻期褐土工程堆积体坡面侵蚀过程进行研究。结果表明:各解冻坡面径流量随着放水冲刷量的增加而增加,并且在相同放水冲刷量下,坡面径流量整体呈现未解冻坡面>解冻2 h坡面>解冻4 h坡面>对照;解冻时间越长,坡面对径流的延迟作用越明显;解冻时间越长,坡面侵蚀越严重。在相同放水冲刷量下,堆积体坡面总产沙量整体呈现解冻4 h坡面>解冻2 h坡面>未解冻坡面>对照。相较于对照,受冻融作用影响的坡面平均产沙率增加7.90%~44.76%。不同解冻时间及放水量条件下工程堆积体坡面径流量、产沙量与放水流量均呈线性关系变化,随着放水流量增加,径流量、产沙量均线性增加;相较于自然土壤,工程堆积体更容易发生土壤侵蚀。     

ASSESSING THE PERFORMANCE OF A SPATIALLY DISTRIBUTED SOIL EROSION AND SEDIMENT DELIVERY MODEL (WATEM/SEDEM) IN NORTHERN ETHIOPIA

Most regional‐scale soil erosion models are spatially lumped and hence have limited application to practical problems such as the evaluation of the spatial variability of soil erosion and sediment delivery within a catchment. Therefore, the objectives of this study were as follows: (i) to calibrate and assess the performance of a spatially distributed WATEM/SEDEM model in predicting absolute sediment yield and specific sediment yield from 12 catchments in Tigray (Ethiopia) by using two different sediment transport capacity equations (original and modified) and (ii) to assess the performance of WATEM/SEDEM for the identification of critical sediment source areas needed for targeting catchment management. The performance of the two model versions for sediment yield was found promising for the 12 catchments. For both versions, model performance for the nine catchments with limited gully erosion was clearly better than the performance obtained when including the three catchments with significant gully erosion. Moreover, there is no significant difference (alpha 5 per cent) between the performances of the two model versions. Cultivated lands were found to be on average five times more prone to erosion than bush–shrub lands. The predicted soil loss values in most parts of Gindae catchment are generally high as compared with the soil formation rates. This emphasises the importance of implementing appropriate soil and water conservation measures in critical sediment source areas prioritising the steepest part of the catchment (i.e. areas with slope >50 per cent). The applicability of the WATEM/SEDEM model to environments where gully erosion is important requires the incorporation of permanent gully and bank gully erosion in the model structure. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

2种扰动土壤工程堆积体坡面泥沙运移特征比对研究

为探究不同土壤类型对工程堆积体坡面侵蚀泥沙搬运的影响,选取构筑堆积体的2种扰动土壤,设定4个放水梯度(8,12,16,20 L/min)在32°条件下进行野外冲刷试验。结果表明:2种坡面产流产沙率均随冲刷延时呈"多峰多谷"变化;较扰动风沙土堆积体,扰动红壤堆积体产流产沙率均随流量增加上升速率较缓;流量20 L/min时,重力在扰动风沙土堆积体坡面侵蚀中发挥主导作用;各放水梯度下2种堆积体坡面累积产沙量与累积径流量均呈极显著线性关系(P0.01,R~20.99);随流量增大,搬运泥沙颗粒组成均接近原状土,扰动风沙土坡面径流搬运泥沙颗粒以砂粒为主( 60%),扰动红壤坡面径流搬运泥沙颗粒各组分比例相对均匀(各组分含量为24%～41%)。该研究结果可为不同土壤类型堆积体坡面水土流失防控措施科学配置提供理论依据。