三维激光扫描技术在水土保持与荒漠化防治中的研究进展

三维激光扫描技术是近年来兴起的一种对于土壤侵蚀监测、风沙地貌、防沙措施效益评价的新手段,对于水土保持研究与荒漠化防治具有重要的促进作用。本文对前人使用三维激光扫描技术在水土保持与荒漠化防治工作中的应用进行总结,并对目前存在的问题和后续研究进行探讨,以期为三维激光扫描技术进一步发展与应用提供借鉴。     

希拉穆仁草原退化评价及地表风蚀颗粒表征

经过对希拉穆仁草原围封、自由放牧草地及旅游区进行实地调查,结合内蒙古自治区第5次荒漠化和沙化监测实施细则,根据植被盖度和生物量等指标对草原进行了退化诊断与评价,并在此基础上研究了不同退化程度的地表粗粒组成。结果表明:希拉穆仁草原围封草地以轻度退化为主,自由放牧区以中度退化为主,但在坡顶出现重度退化,旅游区退化程度最为严重,均为重度退化区;可以以土壤颗粒0.84mm的百分比含量作为草原退化的判别标准,当其含量在82.22%~89.04%范围内为重度退化,含量在74.01%~79.53%为中度退化,含量在56.05%~66.11%为轻度退化。该指标能够直观、实时地反映草原的退化状况,且具有简便、快速诊断的生产应用性。     

荒漠草原风蚀地表颗粒空间异质特征

[目的]研究希拉穆仁荒漠草原地区风蚀地表颗粒的空间异质特征,对研判风蚀地表退化程度,进而合理保护与利用该区草地资源提供支持。[方法]利用数字图像处理技术,获取了希拉穆仁荒漠草原坡面表层土壤颗粒组成信息,结合经典统计学和地统计方法,研究易风蚀颗粒(0.42mm)、中等颗粒(0.42~0.84mm)、不易风蚀颗粒(0.84mm)的空间分布格局。[结果]荒漠草原地表颗粒含量组成表现为:不易风蚀颗粒中等颗粒易风蚀颗粒;颗粒变异系数变化范围为11.23%~38.17%,属中等程度变异。3种颗粒最优半方差函数模型分别为指数、球状、球状模型;Kriging插值结果显示坡顶土壤颗粒组成最粗,自坡顶向下表现出变细的趋势;南坡与西南坡土壤粗化最严重,粗化程度由重到轻依次为:南(S)西南(SW)西北(NW)西(W)东南(SE)北(N)东北(NE)东(E)。[结论]研究区土壤颗粒具有强烈的空间自相关性,土壤颗粒组成空间变异性主要由结构性因素引起,人为干扰也产生了一定影响。     

希拉穆仁荒漠草原风蚀地表颗粒粒度特征

以荒漠草原常见的耕作区、围封区、放牧区及旅游区4种土地利用类型表层土壤为研究对象,利用激光衍射技术分析了0~2 cm表层土壤粒度组成,计算并分析平均粒径、标准偏差、偏度、峰态及分形维数等粒度参数,探讨风蚀颗粒范围。结果表明:1希拉穆仁荒漠草原耕作区、围封区、放牧区及旅游区4种土地利用类型土壤粒度组成均表现为以砂粒和粉粒为主,黏粒含量较低,样地平均粒径数值依次变小,分选性逐渐变好,峰态平缓,分形维数数值逐渐减小,土壤颗粒组成依次粗化;偏度分别为负偏、近于对称、正偏和偏正偏,彼此差异明显,偏度可作为有效的粒度参数指标。2通过分析粒度分布频率曲线和土壤粒度累积频率间平均距离,显示研究区粒径为134μm和454μm附近颗粒为近自然状态下的易风蚀颗粒。各粒度参数及分维值均显示放牧和旅游加剧希拉穆仁草原表层土壤风蚀,土壤粒度分布范围变宽,整体向粗粒化方向发展。     

吉兰泰盐湖不同造林方式下梭梭枝系构型特征分析

人工造林是干旱荒漠地区减少土地荒漠化的重要手段。不同造林措施影响着植物存活率及植物的生长状态。为探究干旱荒漠区不同造林方式对梭梭地上构件在空间排列方式的影响，采用枝系构型的理论和方法，对吉兰泰不同造林方式中梭梭的分枝构型特征进行研究。结果表明:1）不同造林方式下的梭梭分枝构型有较大的差异，主要体现在分枝长度、角度、枝径、体积等变化明显 ；2）不同造林方式中梭梭的分枝长度、枝径、体积总体均呈现随枝序级别的增加其值减小的趋势，但各级别分枝角度表现出不规则分布的特征；3）不同造林方式中梭梭的总体分枝率表现为:水冲造林＞机械穴植造林＞抢墒造林，分别为6.51±1.95、2.88±0.77、2.23±0.61。抢墒造林的梭梭枝系长度、枝径、体积、分枝能力均优于水冲、机械穴枝造林，能够在有限的自然资源中获得更多的空间资源。因此，抢墒造林技术是更适宜吉兰泰当地梭梭生长的人工造林方式。     

吉兰泰盐湖防风固沙林体系土壤理化性状特征

以吉兰泰盐湖防风固沙林体系为对象,通过测定不同部位土壤理化性状,评估该防风固沙林体系防沙治沙效益,并可为干旱区植被恢复提供理论依据。结果表明:(1)吉兰泰盐湖防风固沙林带营建35年后,在林带拦截风蚀物质和植被改良共同作用下,原有流沙质地发生了明显改变。与流动沙垄相比,防护林带土壤细砂及粉粒含量显著增加,其增幅分别为30.55%,500.00%,粗砂含量与流动沙垄相比减少27.00%。(2)防护林带内土壤有机质、速效氮及全氮含量最高,分别是流动沙垄的252%,665%,1 466%;全磷各样地差异不明显,盐湖湖心土壤速效磷和速效钾含量最高,分别为流动沙垄的276%和202%;过渡带白刺灌丛样地土壤全钾含量最高,为流动沙垄的153%。总体上各养分含量与中砂、细砂、极细砂和粉粒呈现显著正相关关系。(3)土壤有机质、全氮和钾素能够综合反映防护林体系土壤质量改良效果,且防护林带土壤综合养分最高。在历经35年发展后,防护林带土壤速效氮、全氮和有机质含量分别增加204.20%,90.63%,94.11%,说明防风固沙林体系对土壤具有明显的改良作用。研究成果可为评价吉兰泰盐湖防风固沙林体系防护效益提供数据支撑。     

基于多重分形的半干旱区农田表层土壤粒径分布特征研究

为探明农田因管理方式不同而导致的土壤粒径分布(PSD)差异,在阴山北麓农牧交错区选择典型莜麦留茬地、翻耕耙平地、翻耕不耙平地进行了研究。试验选择表层0~10 cm土壤为研究对象,运用多重分形理论分析探讨不同管理方式下土壤颗粒的分布特征及差异。研究结果表明:不同管理方式下研究区土壤颗粒组成中黏粒含量均极低,翻耕不耙平地和莜麦留茬地以粉粒和细砂为主,翻耕耙平地以粉粒和极细砂为主;广义维数谱D(q)为反"S"型递减函数,且D_0D_1D_2,多重分形谱f(q)为左勾状单峰曲线,?α值在2.405~2.596,非均一性高,可用多重分形来表征土壤PSD特征;多重分形参数D_1、D_2同黏粒含量呈显著正相关关系,D_0/D_1与粉粒呈显著正相关关系,与砂粒成负相关关系,?f反之;管理方式对土壤PSD及多重分形参数D_0、?α、?f有显著影响(P0.05),对D_1、D_1/D_0、D_2、α0影响不显著。根据试验结果,建议当地农田在生产后进行留茬或秸秆覆盖处理,结合当地主风向选择适宜翻耕方式。     

乌兰布和沙漠东北缘人工梭梭林防风效能分析

[目的]测定乌兰布和沙漠东北缘不同林龄各坡位的风速,揭示梭梭林防风效能随林龄的变化规律以及与梭梭空间构型的关系。[方法]以乌兰布和沙漠东北缘种植3,5和8a的人工梭梭林为研究对象,通过测定林内及CK不同坡位距地表10,20,50,100,200cm高度处风速,对比不同年限梭梭林的防风效能。[结果]随着林龄的增加,梭梭林对近地表风速减弱作用增强;同一坡位下,3a梭梭林防风效能主要作用在0—100cm高度内,防风效能为48.19%,100—200cm高度内风速迅速恢复。5,8a梭梭林对0—200cm高度范围均有很好的防护作用,防风效能分别为69.72%,71.93%,二者间减弱效果差异不明显。相关分析显示梭梭林空间构型与防风效能显著相关,梭梭盖度、高度、冠幅与防风效能的相关性分别达到0.935,0.930,0.942。[结论]3a梭梭林迎风坡底、背风坡的防风效能优于迎风坡中、迎风坡顶,5,8a梭梭林与之相反。     

库布其沙漠北缘8种荒漠灌丛生物量预测模型研究

生物量模型是估算荒漠地区灌丛生物量的重要方法之一.以库布其沙漠北缘8种荒漠灌丛为对象,以实地收获地上生物量和根系全挖法获得地下生物量数据为基础,依据株高(H)和冠幅(C)两个形态因子的复合因子CH作为自变量,以灌丛生物量(W)为因变量构建回归分析模型.通过对判别系数R2和估计值标准误差SEE分析认为花棒、羊柴、沙柳和沙拐枣灌丛生物量最优模型为W=a+bCH,而梭梭和柠条灌丛生物量最优模型为W=a(CH)b,柽柳和水柏枝灌丛生物量最优模型为W =a+ bCH+ c(CH)2.经验证模型的预测值与实测值拟合率在77.89％～ 92.38％,其预测效果较好.利用W～CH生物量模型估算库布其沙漠8种荒漠灌丛生物量,操作简便易行,对今后库布其沙漠地区区域尺度生物量估算和碳汇计量工作具有十分重要的意义.     

生物基可降解聚乳酸沙障的蚀积特征

[目的]分析不同铺设规格生物基可降解聚乳酸(PLA)沙障障格内风蚀稳定凹曲面形态特征、断面轮廓及蚀积效应等指标,为聚乳酸沙袋沙障规格优选提供理论依据。[方法]以内蒙古自治区吉兰泰盐湖周边流动沙垄铺设的0.5 m×0.5 m,1 m×1 m,1.5 m×1.5 m和2 m×2 m规格的聚乳酸沙袋沙障为研究对象,待风季后测量障格内稳定凹曲面蚀积形态,绘制凹曲面形态图并计算蚀积参数等。[结果] 4种规格沙障障格内均能形成稳定的凹曲面,且呈四周高中间低的整体格局。0.5 m×0.5 m,1 m×1 m,1.5 m×1.5 m和2 m×2 m障格内的净堆积强度分别为17.29,7.09,0.61,-8.2 g/cm~2。[结论]障格内稳定的凹曲面形成前,0.5 m×0.5 m和1 m×1 m障格内以堆积为主;1.5 m×1.5 m障格内风蚀堆积近乎平衡;2 m×2 m障格内部在布设初期呈风蚀状态,但稳定凹曲面形成后,仍可控制地表风蚀。