黄土丘陵区坡面薄层水流动力学特性及其对土壤侵蚀的影响

为奠定基于运动力学参数构建土壤侵蚀模型的理论基础,通过不同降雨强度(25、50和75 mm/h)、不同坡长(1、5、10、15和20 m)下径流小区内人工模拟降雨试验,对不同处理下坡面薄层水动力学特性进行分析,并对水动力学参数与土壤侵蚀之间的关系进行初步探讨。结果表明:当坡度一定时,坡面平均流速主要受坡长及单宽流量影响,降雨强度通过影响单宽流量的大小间接影响坡面平均流速;在试验设计范围内,当坡长1 m时,整体上呈"层流-急流态",当坡长为1 m时,整体上呈"层流-缓流态";当降雨强度一定时,雷诺数随着坡长的增加线性增加,佛汝德数随着坡长的增加以幂函数形式增加;降雨强度对坡面流有明显的"增阻"效应;坡面阻力系数随着坡长的增加呈幂函数减小趋势;坡面平均土壤侵蚀率与单宽流量间呈一元线性趋势增加,与水流平均流速间呈指数函数增加,与雷诺数间呈二次函数增加。     

近60年山西省降雨侵蚀力时空变化特征

[目的]揭示降雨引发区域土壤侵蚀的潜在能力，分析降雨侵蚀力时空变化特征，为区域生态建设和水土流失治理提供科技支撑。[方法]基于近60 a(1960—2020年)山西省气象站点均一化逐日降水数据，采用线性回归及Mann-Kendall非参数检验、Hurst检验和地理信息空间插值等方法对山西省降雨侵蚀力变化趋势和时空分布特征进行分析，探讨了近60年山西省降雨侵蚀力时空变化。[结果]山西省1960—2020年多年平均降雨侵蚀力变化范围为828.29～3 002.21 MJ·mm/(hm²·h),最低值出现在1997年，最高值出现在1964年；各站点的降雨侵蚀力年际变化趋势迥异，其中五台山站呈显著下降趋势，除侯马站外，其他站点均呈下降趋势，且Hurst指数均高于0.5,表明该下降的趋势将长期持续；山西省多年平均降雨侵蚀力空间分布呈现东南高西北低的特征，且与降雨侵蚀力与地形存在一定的正相关关系。[结论]山西省大部分地区降雨侵蚀力呈下降趋势，黄河沿线表现为上升趋势，未来水土保持与生态治理工作依旧艰巨，应进一步加强山西省黄河沿线生态建设与水土流失综合治理。     

基于无人机可见光影像的树种和树冠信息提取——以晋西黄土区蔡家川流域为例

为探究无人机遥感技术在黄土高原森林资源调查中的适用性,以晋西黄土区蔡家川流域为研究区,以无人机可见光影像为遥感数据源,基于面向对象最邻近分类法,识别并提取研究流域的树种和树冠信息,并与样方调查数据进行对比分析,评估无人机影像提取植被信息的精度及其适用性。结果表明:面向对象最邻近分类法对于郁闭度较低的林分和经济果木林的树种提取效果极好,但复杂植被类型会导致提取精度下降。在农地子流域和人工林子流域上,树种提取的分类混淆矩阵Kappa系数分别为0.898和0.728。面向对象最邻近分类法对人工林和经济果木林的树冠提取精度较高,与实测数据线性回归的决定系数(R²)在0.7以上,但对次生林的树冠提取效果相对较差,R²仅有0.422 3。将该方法拓展应用至流域尺度,识别结果显示,蔡家川流域内人工林子流域主要为刺槐、油松和侧柏混交林,经济作物主要为苹果,油松的林分密度为1 744株·hm^-2,平均冠幅为2.24 m,苹果的林分密度为382株·hm^-2,平均冠幅为4.26 m;农地子流域有苹果树912株,林分密度为439株·hm^-2,平均冠幅为3.84 m。结果表明,基于无人机遥感影像,利用面向对象最邻近分类法可以高效、准确地提取林木株数、郁闭度和平均冠幅,从而有效提高黄土区植被调查的效率。     

黄土丘陵区第三副区人工牧草SCS-CN值率定研究

径流曲线数法(SCS-CN模型)是估算地表径流的常用方法,可以快速评估不同地表覆盖对降水径流关系的影响。为探讨径流曲线数法在黄土高原地区人工牧草措施下的适用性,提高植被恢复对黄土高原水资源影响的理解,为黄土高原人工牧草地表径流估算提供理论参考,选取黄河水利委员会天水水土保持科学试验站罗玉沟试验场7个径流小区中73场降雨径流事件资料,采用步长法对黄土高原人工牧草标准SCS-CN模型的径流曲线数(CN)和初损率(λ)进行优化率定。结果表明:(1)人工牧草最优λ值为0.15,而对照农田为0.18;(2)不同种类牧草CN值差异不显著,约为79,对照农田CN值为81,表明美国土壤保持局推荐的CN值对黄土高原人工牧草径流计算具有适用性,但λ值需根据实际情况进行优化率定;(3)根据前期土壤湿度情况修正S值,模拟效果较为理想,修正后的SCS-CN模型适用于黄土高原半干旱人工牧草地区。     

黄土残塬沟壑区3种林地枯落物和土壤水源涵养功能

为了研究黄土残塬沟壑区典型林地枯落物和土壤水文特性,并对黄土残塬沟壑区造林树种的选择及功能导向型林分改造提供依据,于2017年在山西省吉县蔡家川流域选择刺槐林、油松林、刺槐×油松混交林为研究对象,分别采用浸泡法、环刀法对林地枯落物层和土壤层持水性能进行定量化研究,探究其水源涵养功能。结果表明:(1)3种林地枯落物总储量在105.49~148.38t/hm~2之间变动,且半分解层储量大于未分解层储量;油松×刺槐混交林地枯落物总厚度最大(3.8cm),刺槐林次之(3.6cm),油松林最小(3.4cm);(2)枯落物最大持水量(率)均为油松×刺槐混交林最大,刺槐纯林次之,油松纯林最小,分别为117.99t/hm~2(387.12%),106.19t/hm~2(324.31%),82.86t/hm~2(305.76%);(3)枯落物有效拦蓄量与持水量(率)表现一致,均为阔叶林优于针叶林,有效拦蓄量为83.66~195.72t/hm~2,有效拦蓄率为121.75%~292.21%;枯落物持水量、吸水速率与浸水时间分别符合对数函数和指数函数;(4)3种林地土壤容重均值在0.99~1.01g/cm~3浮动,总孔隙度为49.39%~50.09%,土壤有效持水量为32.99~81.73t/hm~2,林地土壤入渗速率与入渗时间呈幂函数关系。综合3种林地枯落物层和土壤层的涵养水源能力表现为油松×刺槐混交林较高,油松纯林较差。建议在现有林分改造中,宜将刺槐纯林和油松纯林逐渐向混交林模式改进。     

基于DEM的马莲河流域数字地形分析

研究基于DEM的数字地形分析可以为各个领域提供地形分析的基础理论及实现手段。DEM水平分辨率作为重要的尺度参数,是确定地形参数和应用尺度的重要指标。选取陇东黄土高原地区的马莲河流域作为研究对象,应用美国ESRI公司开发的ArcGIS地理信息系统软件,基于数字高程模型进行流域地形特征的提取与分析。研究提取流域的基本地形特征如坡度和坡向,提取流域水系,划分了小流域。通过分析比较,得出DEM水平分辨率对提取的地形特征及水文特征的影响,为马莲河流域的数字地形分析提供了理论依据。     

甘肃省小陇山林区降雨型浅层滑坡汇水面积-坡度关系及其影响因素

沟头发生侵蚀的地形临界模型可有效预测侵蚀沟的形成条件,浅层滑坡失稳形成的洼地也是沟头形成的方式之一。为探究浅层滑坡临界起动模型的特点,以甘肃省天水市小陇山林区的降雨型浅层滑坡为研究对象,运用汇水面积-坡度关系,构建临界起动模型,与黄土高原典型侵蚀沟(浅沟、切沟)的临界起动模型进行对比分析,并探讨土地利用类型、植被类型和土壤质地对该模型的影响。结果表明:(1)浅层滑坡临界起动模型为S=3.50A_s^-0.34,其侵蚀阈值为3.50,大于黄土高原典型浅沟(0.96)和切沟(1.54)的侵蚀阈值。研究区浅层滑坡一般发生于土层较薄的陡坡地带,其平均坡度(S=1.26)大于浅沟(S=0.35)与切沟(S=0.46),单位汇水面积(A=89.08 m²/m)小于浅沟(A=920.93 m²/m)和切沟(A=1 129.82 m²/m)。(2)汇水面积与坡度平方的乘积(AS²)代表了沟头产生侵蚀的能量指标值。研究区浅层滑坡AS²值在269.1~5 703.2 m²,平均值为1 772.97 m²,黄土高原浅沟AS²值在4.74~892.66 m²,切沟在41~814 m²,启动能量值方面,浅沟<切沟<浅层滑坡。(3)土地利用类型、植被类型和土壤质地通过影响土壤的抗冲力、渗透性和黏粒含量,从而对浅层滑坡的起动难易程度产生影响。在不同的土地利用方式中,农地最易发生侵蚀,其次是林地。油松林附近浅层滑坡的抗侵蚀能力高于日本落叶松林。研究结果为探究浅层滑坡的起动条件提供理论依据。     

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。     

不同林分类型土壤理化特征及其对土壤入渗过程的影响

利用双环入渗法对黄土残塬沟壑区主要林分类型（刺槐林、油松林、刺槐×油松混交林、山杨栎类天然次生林）进行土壤入渗试验,分析4种林分类型土壤理化特征及其对土壤入渗过程的影响。结果表明：（1）研究区不同林分类型土壤理化特征存在一定差异,山杨栎类天然次生林的土壤理化性质总体最好,刺槐×油松混交林优于刺槐林和油松林;（2）0~90 min测试时间内,不同林分类型的土壤入渗速率随时间的变化规律均表现为迅速递减（0~5 min）、逐渐递减（5~60 min）和趋于稳定（60~90 min）的过程;4种林分的土壤初始入渗速率、稳定入渗速率和平均入渗速率由大到小依次为山杨栎类天然次生林、刺槐×油松混交林、刺槐林、油松林;（3）4种常见土壤入渗模型（Kostiakov模型、Horton模型、Philip模型和通用经验模型）中,通用经验模型对研究区不同林分类型土壤入渗过程拟合效果最好,拟合精度均在0.990以上;（4）相关性分析结果表明,不同林分类型的土壤入渗指标与土壤容重呈现极显著负相关（P<0.01）,与非毛管孔隙度、> 0.25 mm水稳性团聚体含量、砂粒含量以及有机质含量呈现极显著正相关（P<0.01）;通过通径分析并计算主要影响因子的决定系数表明,对土壤初始入渗速率影响程度最大的因子是土壤容重（0.309）,对土壤稳定入渗速率影响程度最大的因子是>0.25 mm水稳性团聚体含量（0.251）,对土壤平均入渗速率影响程度最大的因子是有机质（0.408）。研究结果为研究区营造水土保持林树种的选择与水土保持功能评价提供一定参考。     

黄土高原小流域水土保持林空间配置对场降雨径流影响的模拟

合理的水土保持林空间配置是黄土高原植被恢复和水土保持功能持续提高的关键。在对HEC-HMS分布式水文模型参数进行率定的基础上,探讨该模型在黄土高原小流域中的适用性,模拟水土保持林覆被率以及水土保持林空间配置对场降雨径流的影响。结果表明：HEC-HMS分布式水文模型在黄土高原小流域中的应用效果良好,径流系数、洪峰流量均随森林植被覆盖率的增加而减少,随着水土保持林覆被率的提高,流域对高强度暴雨的调控能力将得到极大的提高;当水土保持林位于流域的上游、中游时,场降雨的径流量、洪峰流量均降低,水文调节效果较好。因此,在干旱的黄土高原应该适度造林,在小流域中配置水土保持林时,应该配置在上中游。