Assessment of gully erosion susceptibility using different DEM-derived topographic factors in the black soil region of Northeast China

As a primary sediment source, gully erosion leads to severe land degradation and poses a threat to food and ecological security. Therefore, identification of susceptible areas is critical to the prevention and control of gully erosion. This study aimed to identify areas prone to gully erosion using four machine learning methods with derived topographic attributes. Eight topographic attributes (elevation, slope aspect, slope degree, catchment area, plan curvature, profile curvature, stream power index, and topographic wetness index) were derived as feature variables controlling gully occurrence from digital elevation models with four different pixel sizes (5.0 m, 12.5 m, 20.0 m, and 30.0 m). A gully inventory map of a small agricultural catchment in Heilongjiang, China, was prepared through a combination of field surveys and satellite imagery. Each topographic attribute dataset was randomly divided into two portions of 70% and 30% for calibrating and validating four machine learning methods, namely random forest (RF), support vector machines (SVM), artificial neural network (ANN), and generalized linear models (GLM). Accuracy (ACC), area under the receiver operating characteristic curve (AUC), root mean square error (RMSE), and mean absolute error (MAE) were calculated to assess the performance of the four machine learning methods in predicting spatial distribution of gully erosion susceptibility (GES). The results suggested that the selected topographic attributes were capable of predicting GES in the study catchment area. A pixel size of 20.0 m was optimal for all four machine learning methods. The RF method described the spatial relationship between the feature variables and gully occurrence with the greatest accuracy, as it returned the highest values of ACC (0.917) and AUC (0.905) at a 20.0 m resolution. The RF was also the least sensitive to resolutions, followed by SVM (ACC = 0.781–0.891, AUC = 0.724–0.861) and ANN (ACC = 0.744–0.808, AUC = 0.649–0.847). GLM performed poorly in this study (ACC = 0.693–0.757, AUC = 0.608–0.703). Based on the spatial distribution of GES determined using the optimal method (RF + pixel size of 20.0 m), 16% of the study area has very high level susceptibility classes, whereas areas with high, moderate, and low levels of susceptibility make up approximately 24%, 30%, and 31% of the study area, respectively. Our results demonstrate that GES assessment with machine learning methods can successfully identify areas prone to gully erosion, providing reference information for future soil conservation plans and land management. In addition, pixel size (resolution) is the key consideration when preparing suitable datasets of feature variables for GES assessment.     

漫川漫岗黑土区水土流失综合治理范式

漫川漫岗黑土区是我国东北商品粮主产区和黑土坡耕地最集中的地方,也是坡耕地水土流失最严重的地区。根据漫川漫岗黑土区水土流失规律和特点,在已有水土流失治理模式的基础上,通过总结该区水土流失综合调控机制,凝练基于粮食安全的黑土区长坡缓坡水土流失综合治理范式,并对形成的水土流失综合治理范式体系的结构进行解析,对其推广应用效益进行分析,以补充和完善黑土区水土流失综合调控理论。结果表明:1)漫川漫岗黑土区水土流失治理应以坡耕地水土流失控制为主,水土流失综合治理调控主要由地表径流调控、沟道侵蚀调控和土地生产力调控3部分构成;2)基于粮食安全的黑土区长坡缓坡水土流失综合治理范式,以生态安全保障和粮食安全保障2大体系为支撑,系统结构主要包括水土流失立体防护体系结构和生态农业技术体系结构及二者之间的耦合;3)该范式可为促进东北漫川漫岗黑土区生态、社会和经济更协调发展提供科学参考和实践样板。     

地形对漫川漫岗黑土区大豆产量的影响

为研究黑土区田块尺度地形对大豆产量造成的影响,在海伦东兴合作社具有明显地形起伏的地块,采集大豆田间试验数据,考虑温度、太阳辐射、坡度、土壤养分等因素,运用作物生长模型DSSAT(Decision Support Systemfor Agrotechnology Transfer)模型对各样点进行参数率定及验证,得出以下结论:1)DSSAT模型的模拟产量与实际产量的相对均方根误差为7.9%,模拟结果表现为优,表明运用作物模型模拟不同地形上的产量变异具有可行性;2)地形通过影响作物生长环境因子的时空差异决定产量差异,田块尺度温度、水分和坡度是影响产量差异的主要因素;3)坡顶和坡底的产量相对较高,且产量变异性较小,阳坡虽然接收到更多的光照,却由于水分胁迫造成减产,坡底和平缓坡顶水肥保持较好,易获得高产。研究成果为田间精细管理与田块尺度耕地高效利用提供科学依据。     

东北典型黑土区侵蚀沟形态及分布特征

东北黑土区是中国最重要的粮食生产基地之一,同时也是中国四大水蚀区之一,其中沟道侵蚀是水蚀发生的主要形式,掌握东北黑土区沟道侵蚀的基本情况,剖析其形态及分布特征,对于分析东北黑土区沟道侵蚀的成因及水土流失治理至关重要。该研究以典型黑土区嫩江县为研究区域,利用航空遥感影像及1∶5万DEM对区域内侵蚀沟进行普查统计,并分析侵蚀沟的沟宽、沟长、纵比降等形态特征,以及海拔、坡度、坡向等地形因素对侵蚀沟分布的影响,为黑土区侵蚀沟的治理提供理论依据。研究结果表明:1)沟道侵蚀主要分布在丘陵区,沟道类型以切沟为主,冲沟影响面积仅次于切沟,研究区以小于500m的侵蚀沟为主,数量及面积分别占总数的96.67%、61.99%;2)侵蚀沟的沟宽与沟长为正相关,纵比降与沟宽、沟长为负相关;3)坡向对各类型侵蚀沟的分布影响较小,坡度对侵蚀沟的分布有一定影响,细沟和浅沟主要分布在2～6°和6～15°的坡面上,而切沟和冲沟则主要分布在0～2°、2～6°的坡面上,90%以上的细沟和浅沟、80%以上的切沟、冲沟发生在耕地上;4)嫩江县冲沟地形阈值模型拟合表明嫩江县冲沟发生的临界坡度较小,较小的坡度就能对坡面形成冲刷,出现...     

东北黑土团聚体水稳定性研究进展

阐述了东北黑土团聚体水稳定性与有机质养分状况以及经营利用方式的关系研究进展,并指出今后研究的发展趋向。     

东北3 个典型黑土区土壤无机硫的形态分布

采用田间取样、室内分步浸提的方法, 系统研究了我国东北3 个典型黑土地区土壤无机硫的含量分布和形态特征。结果表明: 耕层(0~20 cm)黑土中无机硫含量占全硫的百分比为22%, 其中水溶性硫占6%, 吸附性硫占3%, 盐酸可溶性硫占13%。水溶性硫和吸附性硫含量表现为海伦>北安>公主岭, 盐酸可溶性硫含量为公主岭>海伦>北安。水溶性硫、吸附性硫含量随剖面的加深变化不大, 盐酸可溶性硫在115 cm 深度以下有一个积累的过程。土壤水溶性硫、吸附性硫与土壤有机质含量、阳离子交换量和<0.002 mm 黏粒含量呈显著或极显著正相关, 与pH 呈显著和极显著负相关; 盐酸可溶性硫含量和土壤电导率之间呈显著正相关。海伦地区黑土无机硫总量和盐酸可溶性硫含量随开垦年限增加明显下降, 呈显著负相关。     

Effects of soil erosion on long-term soil productivity in the black soil region of northeastern China

China's northeastern Black Soil Region, one of the country's most important crop production areas, has been seriously affected by soil erosion. This study evaluated the effects of soil erosion on the long-term productivity of this region. We used a modified productivity index (MPI) model (MPI is a number between 0 and 1, with 1 indicating highest productivity) to assess the current effects of soil erosion on soil productivity, as well as to predict long-term change in productivity. Samples from 21 black soil profiles yielded varying MPI values, although most MPI values were indicative of moderate productivity. Organic matter content and available water capacity impact MPI values in the region, whereas soil clay content and pH were less important. Overall, organic matter content and available water capacity of soil profiles decreased consistently as depth of erosion increased. Modeling indicated that MPI in the region will decrease by 0.0052 for each centimeter of topsoil eroded; this rate represents 1% of the current average MPI for the study area. The model predicts a 9.6% productivity reduction over 100 years and a 48.3% reduction over 500 years.     

近40 a黑土典型区坡沟侵蚀动态变化

研究黑土区坡面侵蚀与沟谷侵蚀的动态变化对于正确认识黑土侵蚀的发生发展过程、制定合理的侵蚀防治对策具有重要理论与实际意义。该文以克拜东部黑土区为例,从1965年美国侦查卫星Corona影像和2005年法国Spot-5高分辨率遥感影像上提取侵蚀沟、植被、土地利用等信息,结合地形、降雨及土壤资料,以通用土壤流失方程为基本框架建立坡面侵蚀定量估算模型,在此基础上,对近40 a坡面侵蚀和沟谷侵蚀的动态变化进行深入分析。结果表明：研究区坡面侵蚀以轻度侵蚀为主,中度和强度侵蚀面积比例很小;40 a来坡面侵蚀总面积变化不大,但侵蚀强度的变化存在一定的地区差异;研究区1965年有侵蚀沟1 682条,2005年增加到2 561条,侵蚀沟平均每年侵吞耕地5.23 hm2;40 a来研究区坡沟侵蚀产沙比约为3.5︰1,总体上以坡面土壤流失为主。研究结果可为黑土区水土流失综合治理提供科学依据。     

东北黑土区冻融作用与土壤水分的关系

地球上受冻融作用的面积约占全球陆地总面积的70％,在我国,受冻融作用的面积约占国土陆地总面积的98％。冻融作用对土壤水分、密度、有机质和土壤的机械组成等因素都有不同程度的影响。在东北典型黑土区,通过野外观测和室内试验,研究冻融作用与土壤水分的关系。结果表明：冻融作用使土壤水分由土水势高的下部向土水势低的上部迁移,增加了土壤冻结层的含水量;土壤水分迁移使得下部未冻结层的土壤含水量降低,其降低程度受下部土壤含水量和浅层地下水埋深的影响;冻结过程中土壤水分迁移导致土壤膨胀变形,而土壤的膨胀变形是发生土壤冻融侵蚀的主要因素。研究结果可为东北黑土区冻融侵蚀防治和农业可持续发展提供理论依据。     

东北黑土漫岗区土壤侵蚀垂直分带性研究

东北黑土漫岗区由于其独特的自然地理与人文环境特征表现出独特的侵蚀产沙特性。通过对典型黑土漫岗区土壤侵蚀宏观遥感调查、微地貌采样调查及对该区域的实地考察,总结出该区土壤侵蚀随宏观地貌及微地貌垂直分带变化的一般特点。从黑土漫岗区土壤面蚀与沟蚀发展的一般过程出发,提出了该区土壤面蚀、沟蚀发展的一般模式。研究结果将有助于对黑土侵蚀过程的认识,进而为该区侵蚀泥沙来源与沉积位置的确定、坡沟治理的方针以及水保措施配置等重大理论与治理决策问题提供理论基础。     

20年来东北典型黑土地区土壤肥力质量变化

通过大量样品分析和数据收集,研究了最近20年来东北典型黑土地区土壤肥力质量主要指标——pH、有机质、速效磷、速效钾和黏粒的变化情况,并在地理信息系统和地统计分析的辅助下,研究了该5项肥力指标以及综合肥力指数的时空变异规律。结果表明:20年中该地区土壤pH、有机质和速效钾平均含量明显降低,速效磷平均含量有较大增加;速效磷的变异系数变化最大,pH变化最小;20世纪80年代该地区土壤肥力综合指数以一、二级为主(80%以上),但21世纪初土壤肥力质量几乎被二、三级地所占据(98%以上)。该地区土壤肥力质量明显降低可能与长期以来重种轻养有关。     

Characteristics and factors controlling the development of ephemeral gullies in cultivated catchments of black soil region, Northeast China

Ephemeral gully erosion is an important process in the black soil region, Northeast China and can be responsible for severe damage to agricultural lands. However, little research on gully formation in this area has been published. The study described in this paper attempted to quantify soil losses, the spatial distribution and morphology of the gullies, and the factors that control their development. Ephemeral gullies were measured in spring and summer of 2005 in two small catchments. The critical periods for ephemeral gully formation were late spring and summer in the study area. Mean soil losses due to ephemeral gully erosion were 0.40 and 0.43 kg m⁻² year⁻¹ for only croplands despite low slope gradients, and this loss is above the tolerable erosion rates of 0.20 kg m⁻² year⁻¹. The erosion rates were greater in spring because the topsoil thawed before deeper layers, reducing infiltration into the soil, and the bare vegetation cover provided no barriers to surface flow. In contrast, summer erosion occurred primarily in response to intense rain events. Development of the gullies was promoted by freeze-thaw cycles in spring and was affected by the type of agricultural operations and crops in summer. A linear regression model for the prediction of ephemeral gully length at the catchment level was established using field data, and although it did not successfully predict the length of individual gullies, it explained 55% of the variation in ephemeral gully length.     

黑土区农田氮磷淋溶消减措施

黑土是我国重要的土壤资源,承载了全国50%以上的玉米产量。但过量的化肥施入和不合理的农业管理造成黑土土壤氮磷大量残留,氮磷淋溶风险增强。相关研究表明,尽管黑土区旱地农田氮磷淋溶损失相对较低,肥料残留效应仍致使其潜在淋溶风险增强。因此,本研究综合分析了环境因子和农业管理措施对黑土区农田氮磷淋溶特征的影响规律,明确了黑土氮磷淋溶消减措施,并针对玉米农田和蔬菜地提出消减策略。具体结果如下:施肥和降水是影响黑土农田氮磷淋溶的重要因素,灌溉是影响蔬菜地氮磷淋溶的关键农田管理措施;按需施肥、有机无机配施、避免雨热同期追肥、节水灌溉、免耕秸秆覆盖、不同作物轮作和添加生物炭等均是适合于当地气候和土壤条件的氮磷淋溶阻控措施。建议玉米农田采用一次性基肥施入,有机肥占比50%～70%,采用免耕秸秆覆盖技术;蔬菜地在常规施肥和灌溉频次下分别降低20%的施肥量和灌溉量,推荐蔬菜秋季收获后秸秆粉碎深埋等管理措施。本研究明确了黑土区农田氮磷淋溶消减策略,有助于实现黑土区农业绿色可持续发展和绿色生态环境的构建。     

东北典型黑土区农耕土壤团聚体流失特征

通过野外原位模拟降雨试验,研究了东北典型黑土区3种降雨强度(30、60和90 mm h-1)下农耕地坡面侵蚀过程的土壤团聚体流失特征,分析了流失团聚体特征指标(平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、分形维数(D)、平均重量比表面积(MWSSA)、≥1 mm粒级团聚体比例(PA1)、≥2 mm粒级团聚体比例(PA2)、≥0.25 mm粒级团聚体比例(PA0.25))的变化规律。结果表明:降雨强度对典型黑土区农耕地坡面侵蚀有显著影响;次降雨初期侵蚀量占整个降雨过程总侵蚀量的比例随着降雨强度的增加而增大。在30 mm h-1降雨强度下,团聚体流失以0.25 mm粒级团聚体为主,其占团聚体流失总量的90.0%;在60 mm h-1降雨强度下,团聚体流失以0.25和0.5~1 mm粒级团聚体为主,二者占团聚体流失总量的63.7%;而90 mm h-1降雨强度下,团聚体流失以0.25和2~5 mm粒级团聚体为主,二者分别占团聚体流失总量的31.7%和31.2%。PA0.25、PA1、PA2、MWD和GMD与降雨强度和含沙量之间均呈现极显著正相关关系;MWSSA和D与降雨强度和含沙量之间呈现极显著负相关关系。研究结果还表明,PA1、MWD和GMD皆能较好地表征典型黑土区农耕土壤的团聚体流失特征。     

东北黑土区沟蚀现状及其与景观格局的关系

调整土地利用结构改善景观要素的数量比重,以及优化景观斑块的空间配置是控制土壤侵蚀的有效措施之一,该文选择典型黑土区内的克东县为研究区,以SPOT5影像为基础数据源,获取了研究区的沟蚀现状及景观格局分布现状.运用ArcGIS的水文分析模块提取研究区55个子流域作为基本分析单元,运用GIS空间分析能力和FRAGSTAT软件...     

典型黑土区村级尺度侵蚀沟演变

侵蚀沟的演变是东北水土流失过程的重要方面.利用1968和2009年亚米级遥感影像,获取典型黑土区村级尺度的侵蚀沟分布、耕地垄向和土地利用数据,基于1∶1万地形图获取等高线、坡度、坡长和垄向坡度数据,在地理信息系统和遥感技术的支持下,分析典型黑土区41 a村级尺度侵蚀沟的动态变化及其影响因素.结果表明:1)41 a间,典型黑土区侵蚀沟密度有明显增加的趋势,基于分辨率为亚米级遥感影像解译的侵蚀沟密度较以往研究结果大幅增加;2)自然坡度0.25°～1.5°范围内为该区域侵蚀沟密度变化最大的区域,8°以上区域由于实施退耕还林措施,侵蚀沟密度降低;3)300～500 m坡长区域侵蚀沟密度出现极值;4)由于实施改垄措施,41 a后垄向坡度在0～0.25°范围内耕地面积增加,大于0.25°范围内耕地面积均减少.     

丘陵红壤蔗区土壤有机质的时空变异特征

采用地统计学和GIS相结合的方法，研究了甘蔗连作19年(1980～1999年)的低丘陵红壤蔗区土壤有机质含量的时空变异特征。研究结果表明：由于土壤侵蚀和土地利用格局的影响，1980年的土壤有机质与地形坡度为极显著负相关。在长期甘蔗连作下，地形坡度对1999年的土壤有机质空间分布已没有影响，而有机肥施用的侧重方向使得土壤有机质与经纬度、海拔高度都有相关性。土壤有机质的时空变异与蔗区耕作管理的精细化程度有关，精细化程度高的高产蔗区的土壤有机质平均降幅为11％，而精细化程度低的低产蔗区土壤有机质则平均增幅为50％。大量施用源自甘蔗的有机肥已造成蔗区土壤养分的不平衡。     

降雨强度和坡度对东北黑土区顺坡垄体溅蚀特征的影响

坡耕地溅蚀特征研究可揭示和反映溅蚀的发生和发展机理,而以往研究大多在无垄作坡面进行,较少涉及顺坡垄体。为此,该研究基于野外人工模拟降雨试验,设计3个降雨强度（30、60和90 mm/h）和2个坡度（3°、5°）,研究降雨强度和坡度对典型黑土（Mollisol）农田顺坡垄体溅蚀量、溅蚀过程和溅蚀分选特征的影响。研究结果表明：当降雨强度由30 mm/h增加到90 mm/h时,总溅蚀量增加2.5～17.9倍。当坡度由3°增大到5°时,总溅蚀量增加30.52%～74.08%。当降雨强度为30和60 mm/h时,总溅蚀率随降雨历时呈迅速减小-缓慢减小-波动稳定的趋势。当降雨强度为90 mm/h时,总溅蚀率随降雨历时呈迅速增加-迅速减小-波动稳定的趋势。整体而言,总溅蚀量随降雨强度和坡度的增加呈幂函数关系。各试验处理下,溅蚀分选水稳性团聚体中均以<1 mm粒级的团聚体为主,平均占总量的79.01%,以0.5～1 mm粒级最多,2～5 mm粒级最少,分别占总量的32.94%和3.36%。30和60 mm/h降雨强度下,分别为<0.25和<2 mm的各粒级团聚体在降雨后期达到波动稳定,其中<0.25 mm的团聚体均呈迅速降低-缓慢降低-波动稳定的变化趋势。90 mm/h降雨强度下,1～5和<0.25 mm各粒级团聚体均呈线性平稳变化,其中<0.25 mm的团聚体呈线性减少趋势。研究可为东北黑土区水蚀防治提供科学依据。     

东北黑土区耕地系统变化机理

耕地系统变化直接影响耕地生产能力和国家粮食安全.该研究以东北黑土区典型地域克山县为研究区,重构耕地系统的科学内涵,运用GIS、RS手段和Matlab计算机编程,采用地理探测器模型,识别研究区1986年、2010年和2018年耕地系统变化关键影响因子,测算关键影响因子、各因子间交互作用对耕地系统变化的作用关系,揭示研究区...     

东北黑土区水土保持措施减沙效益监测

 为给大面积开展黑土地水土流失治理提供科学的理论依据,在东北黑土区水土流失综合防治试点工程中选择4条重点小流域设置28个径流小区,进行水土流失监测及措施保土效益对比分析。通过对2年监测成果的分析,认为:“试点工程”中所采取的几种主要坡面治理措施,其保土减沙效益十分显著———水平梯田措施最好,减少土壤流失量高达99.5%;其次是地梗植物带和水平坑措施,减少土壤流失量为95.2%;荒山荒坡灌木埂措施为80.2%;改垄措施为64.6%;生态自然恢复稍低些,为49.9%。