降雨强度和坡度对细沟形态特征的综合影响

细沟的形态特征研究可揭示坡面侵蚀发生机理,且细沟形态对坡面径流和侵蚀有重要影响;而现有研究仅用细沟密度和细沟宽深比等指标来表征细沟形态,不能全面准确地反映细沟的形态特征。为此基于模拟降雨试验,研究降雨强度和坡度对黄土坡面细沟侵蚀和细沟形态特征的综合影响。试验处理包括3种黄土高原有代表性的侵蚀性降雨(50、75、100 mm/h)和3个细沟侵蚀发生最常见的坡度(10°、15°、20°)。试验结果表明,坡面侵蚀速率和细沟侵蚀速率均随着降雨强度和坡度的增加呈幂函数增加。试验条件下,细沟倾斜度介于16°~20°之间,随着降雨强度的增加而增大,随着坡度的增加而减小;细沟密度、细沟割裂度和细沟复杂度分别为0.74~1.95 m/m2、0.08~0.17和1.09~1.38,三者皆随降雨强度和坡度的增加而增大;细沟宽深比为1.93~2.35,随着降雨强度和坡度的增加而减小。通过相关分析发现,细沟割裂度是评价细沟侵蚀和细沟形态的最优指标;研究降雨强度对细沟形态的影响时,建议优先选用细沟割裂度、细沟复杂度和细沟倾斜度指标;分析坡度对细沟形态的影响时,除选取细沟割裂度外,建议优先选用细沟密度和细沟宽深比指标。细沟横断面主要呈"V形",随着降雨强度和坡度的增加,径流紊动性增强,细沟横断面变化趋于不规则,说明细沟横断面变化可以反映径流的变化特征,从而揭示细沟侵蚀发生机理。     

基于高光谱与在线序列极限学习机确证大米产地方法

为满足快速无损的大米产地确证需求，采集吉林省梅河口市水稻主产区及松原、大安、辉南等其他水稻产区共990个大米样本的高光谱图像（400~1 000 nm）作为研究对象，利用多元散射校正（MSC）处理方法对光谱进行预处理。采用多层感知机（MLP）、极限学习机(ELM)与在线序列极限学习机(OS-ELM)算法，分别基于全波段高光谱数据以及经多维尺度分析（MDS）方法降维后的数据建立产地确证模型。结果表明，基于全波段高光谱数据的OS-ELM模型分类性能最好，准确率达到98.3%。经MDS处理后，输入的数据变量减少了96.6%，MDS-OS-ELM模型准确率稳定在97.4%。对三种模型的训练时间进行对比分析，OS-ELM训练时间明显优于MLP，在分批次获取数据时训练时间优于ELM。为大米产地确证提供了一种高效、准确、稳定的方法。     

黑土坡面不同粒级泥沙流失特征分析

不同粒级泥沙流失特征研究可揭示坡面侵蚀机理,表征土壤养分流失状况;而现有研究缺少对不同粒级泥沙流失速率及流失比例的过程性研究。为此,该研究基于连续汇流冲刷试验,研究汇流冲刷次数和坡度对黑土坡面不同粒级泥沙流失特征的影响。试验处理包括6次连续汇流冲刷（1 L/min,每次历时60 min）和2个黑土区典型坡度（5°和10°）。结果表明,汇流冲刷次数对不同粒级泥沙流失速率及比例的影响较坡度的影响明显。试验条件下,<0.25 mm泥沙流失比例最大,其次为1～2、2～5、0.5～1、0.25～0.5、>5 mm泥沙流失比例。随着汇流冲刷次数的增加,<0.25 mm泥沙的平均流失速率由1 965.7～6 698.4 g/(m2·h)显著减小为59.5～80.0 g/(m2·h),该粒级泥沙流失比例亦总体呈现减小的趋势,而1～2 mm泥沙流失比例总体呈现增加的趋势,二者作为侵蚀泥沙的主体,其变化具有明显规律性。因此,<0.25 mm和1～2 mm泥沙流失特征应作为黑土区土壤侵蚀研究的重要部分,进而指导防治措施的布设;同时,建议采用适宜的覆盖措施防治黑土坡面细小颗粒泥沙的流失。     

基于高光谱与在线序列极限学习机确证大米产地方法

为满足快速无损的大米产地确证需求，采集吉林省梅河口市水稻主产区及松原、大安、辉南等其他水稻产区共990个大米样本的高光谱图像（400~1 000 nm）作为研究对象，利用多元散射校正（MSC）处理方法对光谱进行预处理。采用多层感知机（MLP）、极限学习机(ELM)与在线序列极限学习机(OS-ELM)算法，分别基于全波段高光谱数据以及经多维尺度分析（MDS）方法降维后的数据建立产地确证模型。结果表明，基于全波段高光谱数据的OS-ELM模型分类性能最好，准确率达到98.3%。经MDS处理后，输入的数据变量减少了96.6%，MDS-OS-ELM模型准确率稳定在97.4%。对三种模型的训练时间进行对比分析，OS-ELM训练时间明显优于MLP，在分批次获取数据时训练时间优于ELM。为大米产地确证提供了一种高效、准确、稳定的方法。     

不同坡度下掺沙对黑土坡面径流侵蚀特征的影响

黑土区野外考察发现,当地农民通过土壤掺沙的方法改良土壤质地,以提高作物产量。鉴于此,基于人工模拟降雨试验,探究东北典型坡度(3°,5°和7°)条件下掺沙比例(0,10%,20%和30%)对黑土坡面径流侵蚀特征的影响,以期为东北农业生产和土壤侵蚀防治提供科学依据。结果表明:掺沙比例对坡面径流特征的影响较坡度更加明显;随着坡度的增加,掺沙比例对径流特征的影响增大。随着掺沙比例的增加,平均径流流速从5.2～5.3 cm/s减小到2.7～3.4 cm/s,产流率和径流量逐渐减小,掺沙30%时达到最小值。产沙率随掺沙比例和坡度的增大呈先增加再减小的变化。侵蚀量随掺沙比例增大变化显著,呈先增加后减小的变化,在掺沙10%和20%时较大。可见,土壤掺沙(20%)在减小坡面径流量的同时,亦能增加坡面土壤侵蚀量。从水土保持角度分析,掺沙处理不利于防治黑土坡面土壤流失,但是综合考虑其生态经济效益,适度掺沙能够作为一种黑土区坡耕地农业技术措施。     

黑土区坡耕地田间道路的水力侵蚀特征

选取土质平坦路面、土质车辙路面、砂石平坦路面3种黑土区常见农用道路类型,采用人工模拟降雨试验方法,对黑土区不同农用道路侵蚀特征进行分析。结果表明:3种常见农用道路径流系数为0. 87～0. 90,产流过程相似,可分为迅速增长与相对稳定2个阶段。3种路面产沙过程有明显区别,侵蚀量表现为土质车辙路面土质平坦路面砂石平坦路面。3种路面细沟发育情况均不相同,土质车辙路面细沟发育较快,土质平坦路面产生细沟多于土质车辙路面且细沟发育结束较早,砂石平坦路面产生细沟较少且发育缓慢。可见,砂石平坦路面抗侵蚀效果较好,适合在东北黑土区农用道路建设中推广应用。     

玉米秸秆缓冲带防治黄土坡面细沟侵蚀的效果

采用室内人工模拟降雨试验,设计降雨强度100 mm/h,坡度20°,在2个玉米秸秆缓冲带布设坡位(斜坡长4.5~5.5 m和6.5~7.5 m)与2个降雨历时(单次降雨30 min和2次连续降雨30 min+30 min)的试验处理组合,研究在黄土坡面不同坡位布设玉米缓冲带对防治细沟侵蚀的影响。结果表明:1)玉米秸秆缓冲带可减少坡面侵蚀量和细沟侵蚀量,其中,坡面侵蚀量减少7.3%~14.2%,细沟侵蚀量减少11.0%~30.6%,细沟侵蚀量对坡面侵蚀的贡献率减少3.4%~15.0%,径流含沙量降低5.5%~12.8%;2)单次降雨情况下在斜坡长4.5~5.5 m处布设玉米秸秆缓冲带防治侵蚀的效果最佳,坡面侵蚀量、细沟侵蚀量和径流含沙量分别减少14.2%、30.6%和11.6%,细沟平面密度和细沟平均深度分别减少12.9%和21.9%;3)2次连续降雨情况下在斜坡长6.5~7.5 m处布设玉米秸秆缓冲带防治侵蚀的效果较好,坡面侵蚀量、细沟侵蚀量和径流含沙量分别减少13.5%、25.0%和5.5%,细沟平面密度和细沟平均深度分别减少15.5%和16.3%。     

降雨强度和坡度对黑土区土质道路路面侵蚀特征的影响

选取3种东北黑土区有代表性的侵蚀性降雨(60,90,120mm/h)和3个典型坡度(3°,5°和7°),采用模拟降雨试验方法,研究不同降雨强度和坡度下黑土区土质道路路面径流量、侵蚀量以及产流产沙过程的变化特征。结果表明:不同降雨强度和坡度试验处理的径流量主要变化于56.3~61.8mm;而路面侵蚀速率随降雨强度和坡度的增加分别增大1.8~11.0倍和1.2~10.0倍,且二者相互促进,共同影响土质道路路面土壤侵蚀。此外,降雨强度对黑土区土质道路路面产流率变化过程的影响明显,而坡度的影响较小。随着降雨强度和坡度的增加,含沙量均明显增大,且波动幅度逐渐增强。可见,降雨强度和坡度对黑土区土质道路路面侵蚀影响显著,可以通过消减雨滴动能以及改变路面性质防治道路水土流失。     

干扰对固沙樟子松林凋落物特征及持水性的影响

为明确干扰对樟子松Pinus sylvestris var.mongolica固沙林凋落物水文生态功能的影响,采用野外调查与室内持水法,选择章古台林龄为37和46 a樟子松为对象,以邻近立地条件一致的围封林地为对照,研究干扰对不同类型凋落物的蓄积量、持水量、持水率和吸水速率等特征的影响。结果表明:①樟子松林下凋落物盖度、厚度与蓄积量在干扰条件下分别为60%~85%,0.4~1.4 cm和1.8~2.8 t·hm-2,均极显著小于封闭条件（P < 0.001）。②不同类型凋落物的最大持水量为（0.24±0.04）~（15.02±3.56）t·hm-2,总体表现为在干扰条件下均显著小于封闭条件（P < 0.05）;在干扰条件下,不同凋落物的最大持水率从大至小依次为草本类、松针类、其他类,而在封闭条件下表现为草本类、其他类、松针类;不同凋落物的持水过程总体表现为初期大幅增加,其后趋缓,但是其快速持水的早晚各异,且草本类凋落物持水快速期在干扰条件下有所提前。③草本类凋落物的前期吸水速率明显高于松针类和其他类;草本类凋落物吸水速率在干扰条件下高于在封闭条件下;在干扰条件下,松针类凋落物的吸水速率较其他类的低,而在封闭条件下较高。总之,长期的松针收集与放牧干扰,通过影响樟子松林凋落物蓄积量、组成结构及其持水性,限制樟子松人工林的水文功能,亟需制定相应的经营与管理措施。     

黑土区坡耕地不同秸秆还田方式的水土保持效果分析

为了揭示黑土区坡耕地不同秸秆还田方式的水土保持效果，基于野外原位坡耕地人工模拟降雨试验，以传统顺坡垄作处理为对照，分析50，100 mm/h降雨强度下3种具有代表性的秸秆还田方式（秸秆深还、秸秆碎混和免耕+残茬覆盖）对坡耕地产流产沙过程、径流量、侵蚀量及其减流减沙效益的影响。结果表明：（1）不同秸秆还田方式的产流率皆随降雨量的增加而增大，产流率和产沙率大小均表现为顺坡垄作 > 秸秆深还 > 秸秆碎混 > 免耕+残茬覆盖。（2）与顺坡垄作相比，50，100 mm/h降雨强度下，秸秆还田处理分别延缓产流时间14.0，4.8 min，产流时间的滞后可以体现秸秆还田措施的水土保持效果。（3）秸秆深还、秸秆碎混、免耕+残茬覆盖处理的平均减流效益分别为36.8%，53.9%，65.8%，平均减沙效益分别为84.9%，90.3%，96.8%。可见，免耕+残茬覆盖方式的水土保持效果最好，其次为秸秆碎混和秸秆深还。