流域尺度重金属行为模拟及其对不同气象因子的响应特征研究

模拟重金属的流域尺度行为有利于更好地理解重金属对生态系统和人类的潜在不利影响,而探究重金属在不同气象情景下的迁移转化规律有利于流域环境风险分析和环境管理。本研究采用流域重金属迁移转化模型SWAT-HM,该模型考虑了重金属化学反应如吸附和老化反应;陆面重金属迁移过程包括通过水分渗流和蒸发引起的垂向下降上升运动以及通过土壤侵蚀和地表/地下径流的水平迁移;水体中重金属迁移过程包括沉降、再悬浮、扩散和掩埋等过程。本研究选取湖南浏阳河上游流域为研究区,该流域几十年来一直受到采矿活动的影响,重金属污染严重。结果表明,SWAT-HM模型对于流域内重金属锌(Zn)和镉(Cd)的动态模拟结果与监测结果符合较好,94.5%的Zn和94.2%的Cd的模拟浓度与实测浓度在同一数量级内。流域内Zn和Cd的高污染区主要集中在宝山河,当宝山河与大溪河汇合后,由于稀释作用和水沙交互作用,溶解相Zn和Cd浓度显著降低至地表水环境质量Ⅲ类水标准(GB 3838—2002)以下。2009—2014年流域出口Zn和Cd总输出通量的多年均值分别为90.8 t和1.1 t,溶解相重金属和吸附相重金属输出量的大幅提升几乎全部出现在强降水后,吸附相重金属输出量主要由几次暴雨过程贡献。本研究通过气象因子分析方法评价重金属输出量对于降雨和气温变化的敏感性,结果显示溶解相重金属和吸附相重金属输出量对于降雨变化比温度变化敏感,且吸附相重金属对于降雨变化的响应比溶解相重金属强烈。探究不同气象情景下重金属迁移转化响应特征对于环境风险分析和污染控制具有一定意义。     

土壤水蚀模型中的融雪侵蚀模拟研究

在季节性或常年积雪地区,春季积雪融化产生的径流及其造成的侵蚀占全年总侵蚀量的比例很大,同时反复进行的冻融过程会影响土壤的物理性质,如团聚体稳定性、水分传导率、抗剪切力、可蚀性等,进而加重土壤侵蚀。因此在这些地区进行融雪侵蚀预报十分必要,它主要包括融雪径流的产生,及其形成的土壤侵蚀量,冻融过程导致土壤性状的变化,以及由此造成的对土壤可蚀性的影响。本研究总结了国内外融雪侵蚀的研究现状,并分析了几个代表性土壤水蚀预报模型中的融雪侵蚀过程,提出我国部分地区土壤侵蚀模型中考虑融雪侵蚀的必要性。     

土地沙漠化过程的土壤风蚀率指标——以青海共和盆地为例

由风蚀所导致的土壤物质再分配过程,决定了土地沙漠化的程度。根据半干旱干草原地区不同程度沙漠化土地土壤风蚀率的137Cs示踪结果,沙漠化各个阶段的土壤风蚀率指标为:潜在沙漠化土地以微弱堆积和微度风蚀为特征,风蚀率小于2000kg/(hm2·a);轻度沙漠化土地风蚀率介于2000～7000kg/(hm2·a)之间;中度沙漠化土地风蚀率大于7000kg/(hm2·a);重度沙漠化土地风蚀和堆积都很强烈,地表物质交换迅速,没有必要制定风蚀指标。     

坑状浅沟侵蚀研究

坑状浅沟作为浅沟与切沟的中间过程，深入理解它对于进一步认识切沟侵蚀规律具有十分重要的意义，但是还没有见到相关的研究报道。以内蒙古高原的一个小流域为例。利用高精度的全球定位系统（GPS）测量坑状浅沟侵蚀的形态参数，探讨了坑状浅沟的相关特征，分析了坑状浅沟的坡度（S）和上有集水区面积（A）的关系（S—A）、侵蚀体积（V）和长度（L）的关系（V-L），以期能推动坑状浅沟侵蚀的研究。     

黄土高原小流域植被特征及其季节变化

植被作为影响水土流失的一个重要因子一直受到广泛关注 ,黄土高原的植被特征随季节发生很大的变化 ,从而对土壤侵蚀发生深刻影响。选择陕北安塞县大南沟小流域 ,于 1998年、1999年和 2 0 0 0年的 5～ 10月 ,每 2周1次对其植被盖度、植被高度和叶面积指数 (L AI)及其季节变化进行了测量和分析。在大南沟流域 ,一半以上的土地是农地 ,种植了玉米、糜子、谷子、马铃署、荞麦和大豆 ,其它土地利用方式有荒草地、休闲地、灌丛、林地和果园。对于农地 ,叶面积指数、作物高度和盖度随季节发生很大的变化 ,农地盖度在春天增长缓慢 ,一般在 8月份才达到其最大值 ;非农地的盖度从 4月份开始增长 ,一般 6～ 7月达到其最大值 ,并保持至 9月甚至 10月份。年降雨总量对植被有很大的影响 ,而单场大降雨对植被特征也有很大的影响     

利用GPS进行切沟侵蚀监测研究

切沟侵蚀在土壤侵蚀中占据重要位置,切沟侵蚀监测研究是切沟侵蚀研究的重要方面。目前进行切沟侵蚀监测研究主要利用摄影测量的方法,该方法存在一定的局限性。对利用GPS进行切沟侵蚀监测研究进行了探讨,对切沟在不同时间进行测量,获得多个时相的DEM,通过对比不同时相的DEM来获取该时间段的切沟侵蚀变化。最后以位于黑龙江省漫川漫岗黑土区的丰产电流域的一条切沟为研究实例,建立了2002,2003年10月两个时段分辨率为0.4 m的DEM,对比这两个时段的数据表明,该切沟沟头后退达13.78 m,侵蚀面积增大了711m~2,切沟的土壤侵蚀量增加了2377 m~3,展示了GPS在切沟侵蚀研究中精度高、速度快等优越性,可为切沟侵蚀监测研究提供参考。     

农田耕作措施对近地表风沙运动的影响

我国北方传统耕作模式的犁耕、耙磨及磨平整地措施对农田近地表风沙活动影响显著。通过对春季半干旱沙区农田风沙活动的观测,本文对犁耕、耙磨磨平两种处理下近地表0~60 cm内输沙率和风沙流结构随田块长度的变化规律进行了研究。结果表明,耙磨磨平处理破坏了犁耕在农田地表形成的非可蚀性土块结构,使近地表0~60 cm内输沙率增大,在强沙尘事件中增加幅度可达数10倍。犁耕地表上输沙率随田块长度的增加呈指数关系递增,而耙磨磨平后风沙流发育的饱和路径长度减小,在强沙尘事件中近地表输沙率随田块长度的增加而递减。此外,上风向处犁耕地表低层输沙比例(Q0-10/Q0-60)小于耙磨磨平地表,且随田块长度的增加逐渐增大,而耙磨磨平后风沙流结构随田块长度的变化不大。     

五台山高山、亚高山草甸植物种分布的环境梯度分析和种组划分

通过野外植被调查,结合景观尺度生境因子的测定与模拟,运用CCA排序分析研究区内高山、亚高山草甸地段植物物种分布与环境因子之间的定量关系,综合TWINSPAN分类结果对五台山高寒草甸植物种进行了生态种组划分。结果表明：1)五台山的高山、亚高山草甸分布地段,温度和太阳辐射是控制着草甸植物种分布的关键因子;2)依据草甸物种在CCA排序图上的分布位置,划分出高山冷干型、高山冷湿型、亚高山典型种、亚高山凉干型、亚高山凉湿型、山地暖干型和山地暖湿型几类物种,可以较好地指示研究区的生境特征;3)TWINSPAN划分结果与CCA 划分的生态种组比较吻合。     

农田休闲期垄作地形对近地表风场的影响

垄作是旱作农田常用的保护性耕作技术,而其防风抗蚀的机制尚需研究。通过野外试验,对垄脊高25cm,垄沟宽1.5m的垄作田上风向、垄间及下风向地带0～4m的风流场进行了同步观测,对不同观测位置的时均风速、空气动力学粗糙度、摩阻速度和风速脉动进行了对比分析。结果表明,土垄间和下风向近地表0～1m内时均风速比上风向平坦地表明显降低,其中高0.3m处降低幅度最大。水平方向上风速降低幅度、空气动力学粗糙度和摩阻速度均随观测点与垄作地表距离的增大而减小。受风速递增的影响,风速的绝对脉动强度随高度呈对数关系递增。风速的相对脉动强度在0～1m内随高度增大而降低,1m以上基本无变化。高0.05m处风速的相对脉动强度在水平方向上随与垄作田距离的减小而增大,其中垄间最大,时均风速相同时对地面剪切力最大。     

基于CT扫描研究青海湖流域高寒草甸不同坡位土壤大孔隙结构特征

以青海湖流域的高寒草甸土壤为研究对象,对该高寒草甸的坡上、坡中和坡下土壤分别取原状土柱进行CT扫描,利用Fiji软件分析土壤大孔隙结构特征的差异。结果表明:坡位对土壤的大孔隙结构有较大影响,坡上土壤的大孔隙数量、大孔隙度和大孔隙等效直径均大于坡中土壤,坡中土壤的大孔隙参数大于坡下土壤,坡上土壤的平均大孔隙度是坡中和坡下土壤的15.5和46.5倍。坡上土壤的大孔隙主要分布在150~400 mm土层深度,而坡中土壤的大孔隙主要分布在0~150 mm深度,坡下土壤的大孔隙主要在0~200 mm深度分布。坡上和坡中土壤的大孔隙形成主要是在土壤团聚体的作用下形成,植物根系在坡下土壤的大孔隙形成中占主导作用。