坡面土壤侵蚀空间分异特征的磁性示踪法和侵蚀针法对比研究

利用磁性示踪法和侵蚀针法相结合的方法,在自然降雨条件下对比研究了不同坡度坡面土壤侵蚀的空间分异特征。结果表明:磁性示踪法和侵蚀针法均能够有效的指示出在降雨过程中坡面土壤发生剥蚀和沉积的空间分布规律。两种方法的试验结果一致表明,在距坡顶0-200cm的范围内为净侵蚀区,坡面坡度越大受到的侵蚀越严重。坡面中下部(距坡顶200-500cm)侵蚀沉积分布受坡度影响较大,随着坡度的增大,坡面中下部的沉积分布下移,并且净沉积量减少,净剥蚀量增加。5°坡面中下部以泥沙的沉积为主,且在中部沉积量达到最大值;10°和15°坡面的中部和坡脚处以侵蚀为主,沉积主要发生在距坡顶300-400cm的范围内。     

侵蚀黑土容重空间分异与地形和土地利用的关系

以黑土侵蚀和重点治理的典型流域——黑龙江省拜泉县通双小流域为案例，通过田间取样和测定、数字高程模型（DEM）导出、遥感影像（Landsat-7ETM＋）解译分别获得容重、地形因子和土地类型数据。运用经典统计和地统计学方法，结合地理信息系统（GIS），探讨侵蚀黑土表层土壤容重空间分异与地形和土地利用的关系。结果表明：小流域尺度上，黑土土壤容重变异（14％）和空间自相关性（块金值／基台值。Co／Co＋C=41．18％，变程2402m）均属于中等强度。坡位和土地利用是影响容重变异的最突出因素。地形是控制空间白相关性的主要结构因素。土地垦殖、耕作方式和管理措施等随机因素强烈地影响了土壤容重的空间自相关性，有48．3％的农田耕层土壤容重过大，结构不良。目前黑土小流域的侵蚀治理方式是适合的，也是很成功的。但在保证土壤不再移位的前提下．如何提高土壤的质量和生产力．即培肥土壤是又一严峻的挑战。     

宁夏生产建设项目侵蚀强度分异规律研究

随着生产建设项目水土保持“强监管”的提出，宁夏需要根据区域水土流失特点，建立科学适用的生产建设项目监管体系。选取宁夏水土保持动态监测管理系统中已有数据和近5 a已验收项目数据，根据生产建设项目类型进行分类，分析不同水土保持分区中生产建设项目土壤侵蚀特点。结果表明：(1)现有数量最多的生产建设项目为其他类型项目，需要针对该类型项目进行细化管理，其次为加工制造类项目和公路工程，这三类占比分别为26%、12%和9%,生产建设项目主要分布在丘陵台地干旱草原风水蚀交错区和银川平原潜在风蚀区，占比分别达到65%和19%;(2)近5 a已验收项目类型最多的为其他类型项目，其次为公路工程和其他电力工程，占比分别为26%、17%和12%;(3)风力侵蚀区的项目较水力侵蚀区少，但风蚀区各类项目均易发生强烈及以上侵蚀，水蚀区露天非金属矿较易发生强烈及以上侵蚀。     

辽宁省侵蚀沟发育特性及地形分异特征

在不同层面对研究区数字高程模型(DEM)重分级,探讨地形因素对侵蚀沟发育的影响。以第一次全国水利普查侵蚀沟普查成果(2010年)与辽宁省第五次土壤侵蚀普查侵蚀沟普查成果(2015年)获取侵蚀沟分布数据,基于1∶50 000DEM获取侵蚀沟高程、坡度、坡向、坡长和空间分异特征。在地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术的支持下,分析辽宁省侵蚀沟发育特性与地形分异特征。结果表明:5年间研究区侵蚀沟密度增加0.02km/km~2,侵蚀沟高发区主要集中在辽西;70%以上区域密度变化值50m/km~2,大部分处于微度增加区;高程在325~350m时密度变化值最大;坡向上南坡、西南坡为密度变化高值区;坡度在1.5°~15°时密度变化曲线呈抛物线形,1.5°和15°时无明显变化;坡长在600~800m时密度变化值最大,坡长1 000m时密度变化值无明显差异。     

神府矿区束鸡沟流域的侵蚀类型和强度研究

束鸡沟流域属于典型的风蚀交错地区，风蚀分布普遍，水蚀主要分布在沟谷,风蚀，水蚀，重力侵蚀在空间上相互重叠，具有多种侵蚀营力复合侵蚀的特点，流域具有较大的潜在侵蚀能力，流域输沙量主要来自谷坡泻沙和沟蚀，占输沙总量的70％以上，控制侵蚀产沙的难度大，其关键是沟谷治理（包括坡面沟蚀）。     

黄土坡面细沟侵蚀强度的空间分布及形态分异特征

为探索细沟侵蚀的空间分异特性,通过人工模拟降雨试验的方法,分析不同降雨强度和坡度下的坡面细沟侵蚀过程,探讨细沟侵蚀强度及形态在坡面尺度的沿程变化特征.结果 表明:随着坡度和雨强增加,细沟侵蚀量不断增大;在特定处理下,细沟侵蚀强度沿坡长方向均呈现出先增后减的规律;沟宽、沟深和细沟割裂度等细沟形态参数也表现为先增加后减小,...     

侵蚀—沉积连续地形中土壤碳库的空间分异

侵蚀和再沉积过程可导致土壤碳库在空间上重新分布,但至今对这一过程中不同碳库的迁移和再分布特点还了解不多.在浙江省亚热带地区选择了由严重侵蚀区-轻微侵蚀区-坡脚堆积区-坡底堆积区组成的侵蚀-沉积系列连续地形,分别采集了4个代表性土壤剖面,研究了不同地形部位土壤碳库的分异特征,探讨了侵蚀-再沉积过程中各种碳库的转归.结果表明,土壤有机总碳及各组分碳均是:严重侵蚀区<轻微侵蚀区<坡脚堆积区<坡底堆积区.侵蚀区土壤总有机碳自上而下明显下降,而堆积区土壤有机碳库分布较深,垂直变化相对平缓.黑碳极易随地表径流发生迁移,呈由高处逐渐向低处明显富集的趋势.堆积区为连续地形中的碳汇.     

利用ArcMap空间分析功能进行面蚀侵蚀强度分级

土壤侵蚀强度与坡长、坡度、植被、土壤特性等诸多因子均有着密切的联系.利用传统方法对流域内各斑块的土壤侵蚀分级进行判定,效率低,精度差,误差大.结合有关土壤侵蚀强度分级标准,介绍了如何利用GIS空间分析功能,对矢量图形数据及小斑的属性数据进行分析和统计,从而得出流域面蚀土壤侵蚀分级图形,量化了土壤侵蚀强度分级过程,使此项工作更加科学化,现代化和合理化.     

坡地雨水资源潜力分析及径流侵蚀的动态变化

通过人工模拟降雨,对宁南山区坡地改造后不同坡度的自然坡面进行试验研究。结果表明:相同降雨量下,降雨强度与土壤贮水量补充呈反比,入渗深度随坡度增大减小。比较人工降雨和双环法对稳渗速率的影响,人工降雨测定的土壤稳渗速率小于双环法测定的稳渗速率,双环法所测定的土壤稳渗速率与人工降雨法测定的土壤稳渗速率之间呈线性函数关系。对水平沟水分补充随坡度和雨强增大而增大,大雨对水平沟水分补充有重要意义。产沙动态分析,雨强较大时,随时间推移,单位体积泥沙含量递减,在较小雨强下,随时间推移,单位体积泥沙含量呈递增趋势。雨强和土壤侵蚀模数的关系符合幂函数方程:Q=0.017I2.5442     

黑龙江省冻融侵蚀强度分级评价及空间分布特征

黑龙江省肩负维护国家生态安全、保障国家粮食安全的重任,近年来因冻融侵蚀影响,自然环境和黑土资源受到严重威胁。为了定量揭示黑龙江省冻融侵蚀强度的空间异质性及其影响因素,该研究选取10个冻融侵蚀强度评价指标,并确定其权重。通过构建多元回归模型得到冻融侵蚀下限,将权重和赋值结果代入综合评价指数模型,利用自然断点法对冻融侵蚀强度进行分级。研究结果表明：1）黑龙江省冻融侵蚀总面积为1.917×10⁵ km2,占全省面积的40.53%,其中强烈和极强烈侵蚀分别占冻融侵蚀总面积的20.66% 和10.54%。2）黑龙江省中度冻融侵蚀以上的区域呈现三区一带的特征。三区分别为大兴安岭地区、小兴安岭地区和张广才岭地区;一带为西北—东南走向的“三岭一平原”廊道。3）黑龙江省冻融侵蚀强度在空间上表现出明显的正相关和集聚性特征,强度相近的冻融侵蚀区在空间上积聚,高强度和低强度的冻融侵蚀区在空间上分异,产生了多个高强度和低强度的冻融侵蚀区。4）植被覆盖度的增加可以降低冻融侵蚀强度,在植被覆盖度小于20%的地方,冻融侵蚀尤为剧烈;冻融侵蚀主要发生在土壤含水量为0.2～0.3m³/m³的区域,而极少发生在土壤水分含量小于0.2m³/m³的区域。研究结果通过对比验证显示出较高的可靠性,可为该地区冻融侵蚀的防护和管理提供依据,并为类似区域提供借鉴方法和技术参考。     

黄河内蒙古支流"十大孔兑"区风蚀强度时空变化特征

十大孔兑的风蚀作用过程为河道输沙提供了重要的泥沙来源。为揭示十大孔兑风蚀作用规律,选取3种典型下垫面建立风蚀监测小区,利用侵蚀针法对研究区风蚀量及地表形态进行了为期1 a的实地监测。在此基础上,综合当地气象资料,分析研究区风蚀强度及地表形态变化规律,结果表明：1）研究区风蚀强度与平均极大风速呈指数关系,10－11月和4－5月风蚀强度大于全年其他时间,4－5月风蚀强度最大,是全年平均风蚀强度的2～3倍;2）土壤可蚀性颗粒含量大小分别为库布齐沙漠区（94.95%）>黄土丘陵沟壑区（62.18%）>黄河南岸冲积平原区（44.51%）。库布齐沙漠区属于中度风蚀,黄土丘陵沟壑区和黄河南岸冲积平原区属于轻度风蚀,十大孔兑3种地形年累积风蚀量估算结果分别为8.74、5.95和5.16 Mt,风沙入黄所占总量比例分别为44.03%、29.97%和26.00%;3）研究区风蚀发生的方向主要为东南方向,监测小区的风蚀过程主要为堆积-吹蚀-推移-再堆积,地表起伏度随风蚀强度增加呈线性增加趋势（R2=0.78,P<0.05）。研究结果可为防治十大孔兑泥沙淤积与合理配置水土保持措施提供科学依据。     

毛乌素沙地表土粒度特征及其空间变异

沙漠化土地表土粒度条件研究对于区域土地利用与恢复以及防控土壤风蚀沙化具有十分重要的意义。通过对毛乌素沙地表土粒度测定,采用矩法计算粒度参数,研究毛乌素沙地的表土粒度特征。结果表明：沙地内部各种土地类型的表土粒度主要集中于砂粒段（1000～50μm）,含量为41．22％～97．63％,粉砂粒（50～2μm）含量为0—51．61％,黏粒（〈2μm）含量为2．71％～10．38％;半固定沙丘和移动沙丘的平均粒径值分别为145．491和157．563μm,较为接近,处于各种土地类型的较低状态;固定沙丘与耕地的平均粒径值分别为128．782和118．175μm,居于中间状态;草地和林地的平均粒径值分别为94．667和108．819μm,颗粒级配较为细小;土地类型中以移动沙丘的粒度组成最为粗化。移动沙丘和半固定沙丘分选较好,表现出极强的正偏和较尖的峰值;耕地、林地、草地也表现出正偏,但其偏移值较小,峰值也较为平缓。毛乌素沙地不同土地类型间粒度特征值存在明显差异,充分表明不同土地类型受风蚀作用的差异性和风蚀作用的阶段性。从不同土地类型表土粒度的空间变异来看,毛乌素沙地表层土壤平均粒径存在比较明显的由东北向西南逐渐变细的空间变异规律。     

MIKE-SHE与MUSLE耦合模拟小流域侵蚀产沙空间分布特征

为有效认识流域侵蚀产沙来源,并探讨MIKE-SHE在中国黄土高原区域侵蚀产沙模拟的适用性,该研究采用分布式流域水文模型MIKE-SHE与修正的土壤侵蚀模型MUSLE耦合,对黄土高原典型小流域侵蚀产沙进行了空间分布模拟与评价。研究结果表明：流域侵蚀产沙主要来自于坡耕地和村庄、厂矿及居民用地,二者对于流域次降雨侵蚀产沙贡献平均为44%和34%。对于不同地貌单元,沟坡是流域侵蚀产沙的重要来源,其侵蚀产沙贡献高达68%。总体来看,73%的流域面积无明显侵蚀特征,而约17%为强度、极强度以及剧烈侵蚀区,剧烈侵蚀区多分布于沟坡和部分斜梁坡,这与现实流域植被覆被特征及侵蚀特征基本相符。沟道重力侵蚀是影响MIKE-SHE与MUSLE耦合模拟流域出口侵蚀产沙总量精度的重要因素之一。     

细沟侵蚀动态过程模拟室内试验和模型验证研究

进行了一系列室内试验，以验证模拟细沟演变动态过程的数学模型。该模型模拟了细沟水流的动态过程、水力学特性参数的空间变化、细沟中土壤的剥离、运输及沉积过程；模拟了细沟在侵蚀过程中的形态演变，其中包括沟宽、沟深、局部坡度在空间上的差异及其随时间的变化；模拟了细沟侵蚀/泥沙沉积后局部细沟形态的变化对细沟水流反馈效应。试验土壤为砂壤土，采用的坡度为：3%，5%，7%；3个流量：7.6，11.4，15.2 L/min。在同一试验条件不同工况下对模型进行了验证，同时对细沟中沿程水流速度和细沟末端的侵蚀产沙量进行了模拟值和试验实测值的对比。结果表明，模型预测值和实测细沟形态演变值具有很好的一致性，模型中提出的侵蚀、沟床形态变化和水力学特性参数间的互反馈环效应可以反映细沟侵蚀的动态演变过程和发展趋势。     

细沟侵蚀动态过程模拟数学模型和有限元计算方法

建立了集中水流作用下均质土壤坡面上细沟侵蚀动态模拟数学模型。模型包括根据质量守恒原理推导而得到的变沟宽水流连续性方程和泥沙运移方程；根据动量守恒方程推得到的水流动力学方程；由紊流冲击分布概率来确定的土壤剥离方程；过量泥沙采用沉积的一阶沉积方程。模型还考虑了沟床形态、水流动力、土壤侵蚀与泥沙沉积形成相互依赖的反馈环，具有表达细沟的空间变化和时间演变的能力。给出了利用有限元方法对水动力学方程及泥沙运移连续方程进行顺序求解的数值计算公式以及模型数值求解的具体步骤。     

东北黑土区侵蚀农田土壤质量指数构建及其空间分异

侵蚀的空间异质性会改变土壤性质,导致土壤质量在空间分布上的差异。为明确中国东北侵蚀农田黑土土壤性质在不同空间位置上的分布规律,该研究基于纬度变化,从寒温带到中温带跨区选择了4个丘陵区（从北到南依次为九三、克山、海伦、宾县）的农田黑土坡面作为试验对象,划分了坡面位置（坡顶、坡上、坡中、坡下和坡底）和土壤深度（0～20 cm和>20～40 cm）,分析了不同空间位置对侵蚀农田黑土土壤物理、化学和生物特征对不同空间位置的响应规律,并基于最小数据集（minimum data set,TDS）构建土壤质量指数（soil quality index,SQI-TDS）,对侵蚀农田黑土土壤质量进行综合比较。研究表明,4个丘陵区黑土土壤性质在不同区域、坡位和土壤深度下的存在明显的空间变异（P<0.05）。全氮和有机碳含量随维度升高而增加,且随坡位降低而逐渐减小,在坡底处增加。平均重量直径在九三最高,克山次之,海伦和宾县较小。土壤细颗粒在坡底沉积促进了新的团聚体形成,以致团聚体稳定性在坡面位置上表现为随坡位的降低呈先减小后增加的“V”型变化。SQI-MDS从北至南整体呈降低趋势,其中宾县的土壤质量指数最低,较其他3个地区显著降低22.66%～26.52%。在不同坡位上,SQI-MDS表现为以坡底、坡顶、坡上、坡中和坡下次序降低。该研究量化了东北侵蚀农田黑土土壤综合质量,结果可为侵蚀农田黑土修复和可持续发展提供科学依据。     

不同空间尺度下的土壤侵蚀元胞自动机建模评述

土壤侵蚀系统是一个典型的非线性动力系统,系统内部的侵蚀发育演化过程十分复杂,为了对该过程进行精确的模拟和预测,需要发展有效的技术和方法.元胞自动机( cellular automata,CA)是一种具有时空特征的离散动力学模型,采用“自下而上”的构模方式,对于模拟和分析具有空间特征的土壤侵蚀系统具有先天优势.由于空间尺度变化所引起的土壤侵蚀因子对侵蚀产沙过程的影响不同,CA模型在坡面尺度下主要针对细沟侵蚀和土壤颗粒的变化,在小流域尺度下涉及到更多的元胞状态和更加完整的侵蚀过程,在大区域尺度下重点研究气候和地貌之间的相互作用.不同空间尺度建立的CA模型没有确定的转换规则,模型通用性较低,今后需要在三维可视化、智能化等方面深入研究CA模型在土壤侵蚀领域的应用.     

Modeling spatial variation in productivity due to tillage and water erosion

The advent of precision farming practices has heightened interest in managing field variability to optimize profitability. The large variation in yields across many producer fields demonstrated by yield–monitor–equipped combines has generated concern about management-induced causes of spatial variation in soil productivity. Soil translocation from erosion processes may result in variation in soil properties across field landscape positions that produce long-term changes in soil productivity. The objective of this study was to examine the relationships between soil redistribution caused by tillage and water erosion and the resulting spatial variability of soil productivity in a soil catena in eastern South Dakota. An empirical model developed to estimate tillage erosion was used to evaluate changes expected in the soil profile over a 50-year period on a typical toposequence found in eastern South Dakota and western Minnesota. Changes in the soil profile due to water erosion over a 50-year period were evaluated using the WEPP hillslope model. The tillage erosion model and the WEPP hillslope model were run concurrently for a 50-year period to evaluate the combined effect of the two processes. The resulting changes in soil properties of the root zone were evaluated for changes in productivity using a productivity index model. Tillage erosion resulted in soil loss in the shoulder position, while soil loss from water erosion occurred primarily in the mid to lower backslope position. The decline in soil productivity was greater when both processes were combined compared to either process acting alone. Water erosion contributed to nearly all the decline in soil productivity in the backslope position when both tillage and water erosion processes were combined. The net effect of soil translocation from the combined effects of tillage and water erosion is an increase in spatial variability of crop yields and a likely decline in overall soil productivity.     

小流域林地空间分布对土壤侵蚀的影响——以陕北吴起县为例

为分析陕北黄土区小流域林地空间格局特征对土壤侵蚀的影响,以陕北吴起县为例,按照1%的均匀抽样比例,选取39个小流域,根据林地面积比例、林地斑块密度指数、林地斑块形状指数、林地植被覆盖度、林地坡位指数等表征林地空间分布特征的指标,运用系统聚类分析法对流域进行分类,分析林地的空间分布特征和土壤侵蚀模数的关系。结果表明:1)39个小流域可以分为4类,第1类林地面积比例较大,分布在中下坡位,第2类林地面积比例较小,分布在中中坡位,第3类林地面积比例很小,分布在中上坡位,第4类林地面积比例很大,分布在中中坡位;2)第1和4类,土壤侵蚀模数和林地植被覆盖度在0.05显著水平上表现出负相关关系,土壤侵蚀模数和林地空间分布特征指数多元线性回归方程的复相关系数为0.577(P<0.05),表明林地植被覆盖度增加是土壤侵蚀的主要抑制因素,同时,林地面积比例、林地斑块密度、林地形状指数的增加也会抑制土壤侵蚀,在一定范围内,林地靠近坡顶不利于防治土壤侵蚀。