晋西黄土区典型林分水源涵养能力评价

目的评价晋西黄土区典型林分的水源涵养能力,为筛选水源涵养林、水土保持林构建与管护提供依据。方法以山西吉县蔡家川小流域的山杨辽东栎次生混交林、油松人工林、侧柏人工林、刺槐人工林4种典型林分类型为研究对象,对植被层、枯落物层和土壤层的持水能力进行测定,采用熵权法（EWM）对各林分类型的水源涵养能力进行综合分析。结果（1）4种林分类型植被层的持水能力依次为:油松人工林（17.79 t/hm2） > 侧柏人工林（13.55 t/hm2） > 刺槐人工林（12.81 t/hm2） > 山杨辽东栎次生混交林（6.71 t/hm2）。油松人工林、侧柏人工林的主要持水层为乔木层;刺槐人工林中乔灌草的持水量相近;山杨辽东栎次生混交林中主要持水层为草本层。（2）4种林分类型中枯落物有效拦蓄量分别为:山杨辽东栎次生混交林（23.02 t/hm2） > 侧柏人工林（13.00 t/hm2） > 刺槐人工林（10.36 t/hm2） > 油松人工林（2.81 t/hm2）。（3）4种林地土壤最大蓄水能力分别为:山杨辽东栎次生混交林地（3 182.43 t/hm2） > 油松人工林地（3 176.67 t/hm2） > 侧柏人工林地（2 995.3 t/hm2） > 刺槐人工林地（2 803.5 t/hm2）。其中除山杨辽东栎次生混交林地与油松人工林地持水能力差异不显著外,其余各林地持水能力之间均存在显著差异。（4）4种典型林分类型水源涵养能力的综合排序为:山杨辽东栎次生混交林 > 侧柏人工林 > 油松人工林 > 刺槐人工林,影响水源涵养能力的主要因素为林下草本层与枯落物。结论从涵养水源的角度出发,晋西黄土区应采用仿拟自然植被技术、封山育林等加强次生植被的建设与管护,营造林下草本层和枯枝落叶层丰富的植物群落,以达到保持水土、涵养水源、改善生态环境的多重作用。      

晋西黄土区降雨过程对小流域产流的影响

目的探究降雨过程（雨型）对小流域产流过程的影响,为小流域尺度上产汇流分析提供依据。方法以山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站的蔡家川小流域为研究对象,利用蔡家川小流域2007—2017年场降雨径流数据,根据雨量在降雨过程中集中的位置进行雨型划分,并采用LSD多重比较法分析不同雨型的特征,在不同土地利用类型的小流域尺度上探究雨型特征与产流的响应关系。结果（1）蔡家川流域的降雨可划分为前期型降雨（I型）、中期型降雨（Ⅱ型）、后期型降雨（Ⅲ型）和均匀型降雨（Ⅳ型）。Ⅰ型降雨为短历时强降雨,是主要降雨雨型,占总降雨频次的44.6%,平均雨量为24.6 mm,降雨侵蚀力最强,集中分布在6—8月;Ⅳ型降雨为长历时小雨强降雨,平均历时716 min,平均雨量为17.84 mm,降雨侵蚀力最弱,多出现在雨季的前期（5月份）和后期（9月份）;Ⅱ型和Ⅲ型降雨的特征介于Ⅰ型和Ⅳ型降雨之间,多发生在6—8月,降雨量和频次相对均衡。（2）不同雨型条件下小流域的径流深、洪峰流量排序为:Ⅰ型降雨 > Ⅲ型降雨 > Ⅱ型降雨 > Ⅳ型降雨,洪峰滞后时间排序为:Ⅳ型降雨 > Ⅱ型降雨 > Ⅲ型降雨 > Ⅰ型降雨。（3）Ⅰ型、Ⅲ型降雨条件下农地小流域的径流深和洪峰流量高于封禁小流域,Ⅱ型和Ⅳ型降雨条件下封禁小流域的径流深和洪峰流量略高于农地小流域,封禁小流域的洪峰出现时间均滞后于农地小流域。（4）降雨量和历时对农地小流域产流的影响更大,雨强分布对封禁小流域产流的影响更大。结论不同雨型的降雨特征差异性显著,Ⅰ型降雨是引起小流域产流的主要雨型,大雨量强降雨更易造成流域的水土流失;封禁小流域削减径流、延长洪峰出现时间的作用显著,尤其对大雨量强降雨的调节作用更明显;在晋西黄土区降雨量、降雨历时和降雨过程中的雨强分布是影响小流域产流过程的重要因素。      

晋西黄土区不同植被格局坡面产流产沙特征

  目的   研究不同植被格局对坡面产流产沙特征的影响,为黄土高原水资源匮乏地区坡面水土保持植被格局的优化配置提供依据。   方法   采用野外模拟降雨试验,测定5种植被格局（2种块状镶嵌格局、横条带状格局、顺坡带状格局和裸地格局）的产流产沙特征及土壤入渗特征,探讨坡面不同植被格局和破碎度对产流、产沙、入渗的影响。   结果   （1）植被具有良好的蓄水减沙效益,植被的减沙效益为47.44% ~ 91.67%,蓄水效益为25.67% ~ 62.94%,植被的减沙能力强于蓄水能力。（2）植被格局对坡面的产流产沙量均有显著性影响（P < 0.05）,试验所设置的几种格局的蓄水减沙效益依次为:块状镶嵌格局 > 横条带状格局 > 顺坡带状格局。块状镶嵌格局水土保持效果最佳。（3）不同植被格局的产流过程均呈现“快速上升—相对稳定”的趋势,植被格局有助于延迟坡面径流峰值的出现时间。（4）植被斑块的破碎化指数与侵蚀产沙呈反比,植被斑块破碎化程度越高,侵蚀产沙量越低,蓄水减沙效益越好。（5）不同植被格局的入渗系数为:块状镶嵌格局 > 横条带状格局 > 顺坡带状格局 > 裸地,Horton模型对不同植被格局土壤入渗的拟合效果较好。   结论   通过以上研究发现,块状镶嵌格局的蓄水减沙效益明显优于裸地和顺坡带状格局,因此在水资源有限的黄土区,可以采取植被与裸地交替分布的方式种植植被,以达到蓄水、减沙效益最大化。      

模拟降雨下坡面草带分布对产流产沙过程的影响

为深入探讨坡面植被分布对产流产沙过程的影响,定量分析植被分布与坡面产流产沙的关系,通过人工降雨试验,在15°坡面条件下,对不同植被覆盖度（40%,60%）、不同降雨强度（30,60,90 mm/h）和不同植被分布位置（相对距离为0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0）条件下的坡面产流产沙进行观测,分析不同植被分布条件下的水土保持作用,提出了不同覆盖度下控制水土流失的植被优化配置。结果表明：（1）在一定坡度和降雨强度条件下,不同植被分布条件下坡面产流率和产沙率均表现为先迅速增加后趋于稳定的变化趋势;（2）坡面平均产流率和产沙率随着相对距离的增加表现出先减小后增大的趋势,植被相对距离为0.2的坡面的平均产流率在不同实验条件下均为最小;（3）通过随机森林算法发现,降雨强度和植被覆盖度对产流具有重要影响,降雨强度和植被相对距离对产沙具有重要影响;（4）当植被覆盖度为40%时,以减少径流和泥沙为主要目标的最优化植被相对位置分别为0~0.36,0~0.31;当植被覆盖度为60%时,以减少径流和泥沙为主要目标的最优化植被相对位置分别为0~0.43,0~0.22。表明坡面植被分布对产流产沙有重要的影响,在相同植被覆盖度条件下,草带的相对距离越小,对减少径流和泥沙的作用较好。研究成果可为生态恢复过程中植被的优化配置提供理论依据和数据支撑。     

晋西黄土区长期封禁小流域植被群落动态变化

【目的】探索晋西黄土高原封山育林小流域植被群落多样性及种间关联性的动态变化规律,为黄土高原地区仿拟自然植被的恢复与构建提供理论依据和技术支撑。【方法】2016年7、8月,以山西吉县蔡家川流域内实施封山育林35年的柳沟小流域为调查对象,采用样线与样方相结合的方法,对阳坡、半阳坡、阴坡、半阴坡、梁峁顶和沟底6种不同生境的植被状况进行调查,并与1996年(封禁15年)、2007年(封禁26年)、2016年(封禁35年)在柳沟小流域相同生境调查的数据进行对比,将1996—2007年划分为第1时段,2007—2016年划分为第2时段,研究封山育林小流域群落生物多样性及种间关联性的动态变化规律。【结果】在时间尺度上,表示相似性程度的Jaccard指数在第2时段各生境均较第1时段同生境明显增加,半阳坡、阳坡、半阴坡、阴坡、梁峁顶和沟底的增长率分别为69.6%、27.3%、18.1%、48.5%、5.2%和1.0%;表示物种更替程度的Cody指数在第2时段除梁峁顶与第1时段相同外,其余生境均有所减小,半阳坡、阳坡、半阴坡、阴坡和沟底的减小率分别为41.2%、29.4%、28.6%、50.0%和22.7%;2016年生境梯度Jaccard指数表现为阴坡-半阴坡﹥阳坡-半阳坡﹥沟底-阴坡,生境梯度Cody指数表现为阴坡-半阴坡=阳坡-半阳坡﹤梁峁顶-阳坡;2007年半阳坡与1996年同生境群落的种间关联性不显著(P﹥0.05),阳坡、沟底也存在相同情况,其余同生境不同时段的群落种间关联性呈显著正关联(0.01﹤P﹤0.05);2016与2007年沟底群落种间关联性为显著正关联(0.01﹤P﹤0.05),其余生境群落种间关联性均为极显著正关联(P﹤0.01);表示群落间联结强度的联结系数(AC)除梁峁顶第2时段较第1时段下降外,其余生境的联结系数均较之前增加。【结论】在晋西黄土高原封山育林小流域,植被多度指标的改善速率在封山育林后2007—2016年阶段慢于封山育林后1996—2007年的前期阶段;阴坡与半阴坡、阳坡与半阳坡群落的相似度提高,物种更替速率减慢;随时间延长,同一生境其群落间具有一定的相关性,群落结构渐趋稳定,仍处于进展演替阶段。     

晋西黄土区退耕年限对土壤孔隙度等物理性质的影响

目的通过分析不同退耕年限林地土壤物理性质的变化，探讨退耕还林工程对土壤物理性质的改良作用。方法以晋西黄土区不同退耕年限的荒草地、纯林地、混交林地为研究对象、以农地为对照，通过野外调查，研究了退耕年限对土壤密度、孔隙度、毛管孔隙度等土壤物理性质的影响。结果退耕地土壤密度随土层深度的加深显著增加，0 ~ 60 cm土层平均密度分别为:农地（1.38 g/cm3） > 荒草地（1.27 g/cm3） > 纯林地（1.20 g/cm3） > 混交林地（1.18 g/cm3），退耕还林后纯林地、混交林地与农地、草地的土壤密度差异显著（P < 0.05）；土壤密度随退耕年限的增加逐渐减小，退耕23年后基本稳定在1.16 g/cm3，退耕还林对表层土壤密度的改良效果最好，且随着土层深度的增加，这种改良效果逐渐减弱。土壤总孔隙度随退耕年限的增加呈波动性增加，并逐渐趋于稳定。表层（0 ~ 20 cm）孔隙度最大（50.8% ~ 57.6%），且在退耕5 ~ 10年内孔隙度变化最大，退耕25年后孔隙度基本稳定在55.61%左右。0 ~ 60 cm土层的孔隙度为混交林地（53.67%） > 林地（52.87%） > 农地（47.82%） > 荒草地（45.97%）。退耕后形成的纯林地、混交林地与农地、草地的孔隙度差异显著（P < 0.05），纯林地与混交林地孔隙度差异不显著（P ＞ 0.05）。土壤毛管孔隙度随退耕年限的增加呈显著增加趋势。混交林地、纯林地毛管孔隙度分别为51.21%和50.37%，与农地的毛管孔隙度(45.62%)显著差异。结论退耕还林工程能明显改善土壤物理性质，且混交林对土壤改良效果好于纯林。      

基于KINEROS2模型的降雨和坡长因子对土壤侵蚀过程影响的研究

以不同坡长(1,5,10,15,20m)径流小区在不同降雨强度(25,50,75mm/h)下人工模拟降雨试验为基础,通过KINEROS2模型对坡面侵蚀过程及侵蚀量进行模拟,对比分析不同坡长、降雨强度及其交互作用对坡面土壤侵蚀过程及侵蚀量的影响,并评价KINEROS2模型的模拟效果及适用性。结果表明:坡长与总径流量呈一元线性关系(R20.990),与总侵蚀量呈幂函数关系(R20.900);降雨强度与总径流量、总侵蚀量之间呈倍数关系增加,且总侵蚀量的增率是总径流量增率的2~3倍;坡长与降雨强度之间存在交互作用,坡长、降雨强度和降雨强度-坡长交互作用与径流量、侵蚀量呈显著相关关系,并在坡面径流和侵蚀过程中表现为正效应。坡面径流量主要受坡长、降雨强度和降雨强度-坡长交互作用三者综合影响。坡面侵蚀量主要受坡长和降雨强度-坡长交互作用的影响极显著,受降雨强度的影响较显著。KINEROS2模型对径流过程的模拟优于侵蚀过程,对总侵蚀量的模拟优于总径流量,说明KINEROS2模型更适于对径流过程及总侵蚀量的模拟。从总体来看,KINEROS2模型对径流小区坡面土壤侵蚀过程及侵蚀量模拟效果较好,说明KINEROS2模型在中国西北干旱半干旱地区小区尺度上有较好的适用性。     

小流域水土保持效益评价系统的研建与应用——以北京市房山区蒲洼小流域为例

小流域综合治理的水土保持效益评价不仅对推动小流域的综合治理具有指导意义,更是对推动我国生态文明建设中绿色GDP考核具有重要参考价值。为了提高对小流域水土保持效益进行全面评价的效率,实现评价的程序化,本研究以小流域地形图、土地利用分布图、土壤质地图及野外调查数据为基础,利用关系数据库技术、空间数据库技术和Arc GIS Engine二次开发技术,结合分布式水文模型和修正通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)开发了小流域水土保持效益评价系统。系统包括数据管理、水文效应评价、保持土壤功能评价、生态服务功能评价、主沟道评价和经济效益评价6个功能,本研究将对保持土壤功能评价和主沟道评价2个主要功能进行阐述。基于构建的系统,对北京市房山区最早开展生态清洁小流域建设的蒲洼小流域进行评价,结果表明:小流域治理前后相比,土壤侵蚀强度大幅度减小,土地利用变化以及植被恢复是土壤侵蚀保护的主要影响因素;主沟道水文地貌等级总体情况较好,评价较差的沟道主要分布在中下游人类活动频繁地区,人类活动是影响沟道环境的主要因素。     

晋西黄土区蔡家川小流域切沟的空间分布及形态特征

为了掌握切沟的空间分布及发育特点,实现小流域综合治理中切沟治理措施的精准对位配置,该研究以晋西黄土区吉县蔡家川小流域为对象,利用Quickbird影像和数字高程模型（DEM）对流域内370条切沟的形态特征和空间分布进行了提取和解译,并对其中40条切沟进行实地调查验证,采用核密度指标探讨切沟在小流域内的空间分布特征,分析坡度、坡向、高程等地形因子对切沟空间分异特征的影响。结果表明：1）蔡家川小流域内农地、果园的主要分布区（东北部和东南部）是切沟的高聚集区,而在人工林为主的中上游区属于中密集区;2）切沟数量、密度、频度和规模均随坡度增加呈现先增大后减小的趋势,坡度阈值为25°。 5°～25°的坡面切沟广泛发育,数量占研究区的71.5%,密度、频度也远高于其他坡度的坡面;3）切沟密度和频度的坡向分异与流域走向有关。切沟密度北坡最大（3.03 km/km2）,东坡最小（0.86 km/km2）,切沟频度西北坡最大（12.7条/km2）,东坡最小（6.1条/ km2）。南北向的切沟规模明显大于东西向;4）切沟数量、密度、频度随海拔增加呈现先增大后减小的趋势,在海拔为1 000～1 200 m的坡面上切沟数量占77%,海拔为1 100～1 200 m的坡面上切沟密度最大（2.17 km/km2）,海拔为1 000～1 100 m的坡面上切沟频度最高（15.5条/ km2）。随海拔升高切沟逐渐向大型化发展,沟道越发平缓,下切侵蚀逐渐减弱。研究结果可揭示流域切沟发育的重点地形以及在地形上的共性特点,为黄土区小流域切沟治理提供依据,可为科学认知切沟空间分布提供参考。     

晋西黄土区极陡坡植物群落特征及自然恢复困难度分析

为了解黄土沟壑区极陡坡承载的植被类型及植被自然恢复状况,以晋西黄土区蔡家川流域内的极陡坡为研究对象,采用时空互代的方法研究了群落物种组成及多样性的时空变化,并对演替进程中植被恢复的困难程度进行评价。结果表明:晋西黄土沟壑区内极陡坡的主要植被类型为灌木和草本,随着演替阶段由稀疏灌木及草坡群落向乔灌草群落的递进,群落物种丰富度提高,物种组成更为均衡,多样性水平随演替进程先增加后略减,有利于群落朝着更为稳定的方向发展。方差分析结果表明,35°~55°极陡坡之间植被多样性整体差异不显著(P0.05),均一性较高,55°以上的地形植被分异明显。运用因子分析综合评价的方法,可将植被自然恢复困难程度划分为容易恢复、一般、较难、极困难恢复4个等级,一般和容易恢复的样地可采取自然修复的方式恢复植被,而对于较难和极困难恢复的样地,则应采取相关人工促进恢复措施,才有可能取得植被恢复的成效。