基于梯度提升树模型的坡耕地土壤水蚀模拟与分析

[目的] 针对黄土高原坡耕地土壤侵蚀过程复杂、人为干扰强烈且难以量化的特点,利用机器学习定量解析主要影响因素对坡耕地土壤水蚀的作用与贡献,模拟分析坡耕地土壤水蚀特征并探究其机理,为坡耕地土壤侵蚀的预报提供基础支撑。[方法] 基于黄土高原子洲试验站坡耕地小区1959—1969年产流产沙观测数据,精细化表征其影响因子,运用梯度提升树模型对侵蚀量和径流深的变化及其影响因素的贡献进行分析。[结果] 数据集中次降雨侵蚀量(0~122.72 t/km²)、径流深(0.02~17.20 mm)、降雨历时(2~1 410 min)及平均雨强(0.02~4.63 mm)属强变异,变异系数均＞1,且多数变量呈右偏态;在相同训练集和测试集划分情况下,对侵蚀量模型预测精度(R²=0.81)略优于径流深模型(R²=0.80),但侵蚀量模型的层数(8层)大于径流深模型(5层),表明侵蚀机理相较径流机理更为复杂;通过梯度提升树模型与SHAP算法对自变量重要性进行排序发现,影响侵蚀模型与径流模型的自变量重要性不同。[结论] 受特征提取的限制,在侵蚀量与径流深较小时预测结果不理想,未来研究应当通过引入更多自变量组合方式寻找更多相关变量以提高对侵蚀事件的预测。产流和产沙的主要影响因素存在差异,降水本身特征对产流过程起主要作用,侵蚀产沙过程中主要受到降水与地形相关自变量的共同影响。基于数据驱动,为揭示黄土高原坡耕地侵蚀机理提供参考,并为区域坡耕地土壤侵蚀防治提供科学依据。     

生物结皮生长发育对黄绵土抗侵蚀性能的影响

[目的] 黄土高原退耕还林(草)工程驱动的生物结皮发育可显著抑制土壤侵蚀,为探明土壤抗侵蚀性能随生物结皮生长发育的变化特征及其响应机制。[方法] 设置藻结皮、藓结皮和自然演替结皮3个处理,培育176天,系统研究生物结皮不同发育阶段及其类型差异对黄绵土抗侵蚀性能的影响。[结果] (1)生物结皮盖度、厚度、生物量、叶绿素和粗糙度随生长时间均显著增加,培育初期藓结皮较高,培育末期自然演替结皮反而最高。(2)随生物结皮发育,土壤黏结力呈幂函数增强,较初期增加39.8%~60.3%;质量损失率呈指数函数减小,较初期降低45.6%~57.3%;饱和导水率变化趋势较为复杂,但培育末期均最低(0.08~0.12 mm/min)。(3)土壤黏结力随生物结皮盖度、厚度、叶绿素、生物量和表面粗糙度的增加呈幂函数增长,质量损失率随生物结皮盖度、厚度、叶绿素、生物量和表面粗糙度的增加呈指数函数下降。(4)土壤抗侵蚀综合指数(C_ser)可表示为盖度(Cov)、厚度(T)和生物量(B)的幂函数(C_ser=0.279 Cov^0.194 T^0.188 B^0.119, R²=0.73, p＜0.05)。[结论] 黄土高原生物结皮发育可显著提高黄绵土抗侵蚀性能,藓结皮效果最强。     

基于动态振荡剪切的砒砂岩浆体流变行为研究

[目的] 随着全球变暖及强降水极端事件频发,砒砂岩区滑塌泥流灾害可能将不断增加。为探明水-土互馈作用如何导致脆弱岩土松动变形进而发展为泥流,系统认识其演化过程的关键科学问题。[方法] 以4种典型砒砂岩为研究对象,采用流变学方法,开展动态振荡剪切下砒砂岩浆体的流变特性研究,探索砒砂岩浆体的液化过程及流变特性。[结果] (1)随着剪切应变增加,4种砒砂岩浆体储能模量和损耗模量减小,表现出应变变稀特点。(2)在含水率较低(w＜50%)的样品中,紫、棕色砒砂岩浆体与红、白色砒砂岩浆体相比,线性黏弹区的应力和应变更大。在含水率较高(w≥50%)的样品中,红、白色砒砂岩浆体与紫、棕色砒砂岩浆体相比,流动点的应力和应变更大。(3)随含水率增加,4种砒砂岩浆体的储能模量和损耗模量降低,线性黏弹区的应力和应变降低。[结论] 细颗粒物质可增加浆体在线性黏弹区的抗剪强度和弹性,但细颗粒浆体受含水率影响较大,水分加入后,浆体结构破坏、抵抗变形的能力立即减弱,同时,更容易发生相态转变。粗颗粒的存在使浆体非线性黏弹区弹性主导的范围增大,阻碍浆体的相态转变。该研究结果为砒砂岩区泥流灾害的认识和防治提供一定的科学基础。     

柔性植被倒伏对地表径流水力特性及侵蚀的影响

[目的] 为探讨柔性植被倒伏后形成的近地表覆盖减少径流和侵蚀量及调节地表径流水力特性的影响。[方法] 以流体力学和水力学基本理论为依据,通过5个覆盖度、5个坡度和3个流量组合的条件下进行室内放水试验,系统研究柔性植被倒伏下的侵蚀规律以及水动力学特征。[结果] (1)侵蚀量分布随坡度增加呈先上升后下降趋势,流量在高坡度下对侵蚀过程的影响更为显著;(2)随着柔性植被覆盖度增加,以50%覆盖度为分界线,侵蚀量基本呈先降低后增加趋势;(3)平均流速v随覆盖度增加而减小,下降趋势随覆盖度增加由急变缓,Fr变化趋势与平均流速相似;阻力系数f与覆盖度呈线性正相关,随坡度升高,阻力系数值逐渐降低;而雷诺数Re对土壤侵蚀的影响比Fr、v和f更敏感。(4)随着植被覆盖度增加,形态剪切力增大(颗粒剪切力减小),形态剪切力在总剪切力的变化中起决定性作用,总剪切力与植被覆盖度呈正相关。[结论] 柔性植被倒伏后形成的近地表覆盖可减少土壤侵蚀,研究可为坡面流植被侵蚀规律奠定一定的理论基础,促进明渠水力学理论在坡面水流方面的扩展。     

东北黑土坡耕地土壤化学计量特征变化对侵蚀的响应

[目的] 探究土壤侵蚀对土壤养分含量及其化学计量比的影响,对于加深认识黑土区坡耕地质量退化过程及防控具有重要意义。[方法] 选择典型黑土区克山县开垦100多年的直形坡和开垦50多年的凸形坡为研究对象,根据¹³⁷Cs示踪技术估算坡耕地土壤侵蚀速率,定量分析土壤侵蚀与土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量及生态化学计量比的关系。[结果] (1)利用¹³⁷Cs示踪法得到坡面整体的年平均侵蚀速率为4 428.56 t/(km²·a),直形坡和凸形坡侵蚀速率平均值分别为3 284.53,5 884.59 t/(km²·a),侵蚀总量分别为3.21×10⁵,2.94×10⁵ t/km²。(2)坡面整体碳氮比(C/N)与SOC呈极显著正相关(p<0.01),碳磷比(C/P)与SOC呈极显著正相关(p＜0.01),氮磷比(N/P)与TP呈极显著负相关(p＜0.01)。直形坡SOC、TN、C/N、C/P和N/P均极显著小于凸形坡养分含量和化学计量比值(p＜0.01),TP含量大于凸形坡TP含量(p＜0.01)。(3)坡面土壤侵蚀空间分布特征与土壤有机碳、全氮及全磷的空间分布具有一致性。坡面土壤侵蚀量与SOC、TN、TP、C/P均呈极显著负相关(p<0.01),与C/N呈显著负相关(p<0.05),与N/P呈负相关但相关性不显著(p>0.05)。[结论] 土壤侵蚀导致坡面土壤SOC、TN和TP在坡面再分布,影响土壤养分化学计量比,造成坡面养分流失严重。     

黑土区水蚀坡耕地土壤穿透阻力时空变异特征及传递函数

[目的] 为探明侵蚀坡耕地黑土硬度的时空特征及关键驱动因素。[方法] 基于典型水蚀坡耕地110个样点土壤穿透阻力动态监测及其相关因素的测定,在阐明土壤穿透阻力时空特征的基础上,利用多元线性回归(MLR)和随机森林(RFR)模型分析土壤穿透阻力的影响因素,并进一步构建其传递函数。[结果] 土壤穿透阻力时空变异性受土层深度、水分条件及农事活动等因素的综合影响,耕作层土壤穿透阻力空间上的异质性显著低于亚表层,变异系数分别为17.4%和26.3%。随土壤由湿变干和距离翻耕的时间增加,空间异质性呈增强趋势。土壤侵蚀影响土壤穿透阻力,强烈侵蚀区土壤穿透阻力高于沉积区,特别是在湿润条件下,差异更为显著(p<0.05)。与自然林地相比,所研究坡耕地73%样点的土壤穿透阻力增加,尤其在强侵蚀区。土壤含水量、容重和有机碳(SOC)是土壤穿透阻力的主要影响因素,Pearson系数分别为-0.69,0.58,-0.54,三者共同解释土壤穿透阻力88%的变异。RFR模型在土壤穿透阻力预测中表现优于MLR模型,在生长季均值的预测中,R²可达0.91,RMSE仅为91.2 kPa。[结论] 研究结果加深对侵蚀背景下黑土硬度空间分异特征的理解,为黑土压实管控提供理论依据。     

龙川江流域近20年土壤侵蚀时空变化及驱动因素分析

[目的] 探究龙川江流域土壤侵蚀时空变化及其主控因子并掌握当地水土保持情况,有利于筑牢长江上游生态屏障。[方法] 采用通用土壤流失方程RUSLE,结合GIS和RS技术,研究龙川江流域2000—2020年的土壤侵蚀时空变化特征,同时利用最优参数地理探测器(OPGD)模型,量化驱动因子对龙川江流域土壤侵蚀时空动态变化的影响力和相互作用。[结果] (1)龙川江流域土壤侵蚀主要以微度和中度侵蚀为主,面积占比分别为2000年49.17%,2010年50.29%,2020年59.29%。2000—2010年土壤侵蚀变化较小,2010—2020年,共有9.01%的中度及以上侵蚀区域转为微度和轻度侵蚀。(2)最优参数地理探测器结果显示,在选取的影响因子中土地利用类型对研究区土壤侵蚀时空动态变化解释力最强,q值为0.18。土地利用类型与坡度的交互作用对龙川江流域土壤侵蚀解释力最强,q值达到0.45。[结论] 龙川江流域的土壤侵蚀主要以微度和轻度侵蚀为主,整体呈好转趋势,但元谋盆地土壤侵蚀仍较剧烈。土地利用类型对流域内土壤侵蚀的影响最强,而研究区最主要的土地利用类型为植被,占总面积的67.02%,因此未来需重点关注植被覆盖区域变化,继续推进生态保护政策,警惕地形复杂区域水土流失加剧风险。     

近30年皖西大别山土壤侵蚀时空变化及其对景观格局的响应

[目的] 为明确安徽省内长江流域和淮河流域重要的生态过渡区皖西大别山区的景观格局与土壤侵蚀及其关系,为该区域的景观格局调控和水土流失治理提供参考。[方法] 借助RULSE模型计算皖西大别山区近30年土壤侵蚀模数,借助景观指数对其景观格局的变化进行描述,并使用偏最小二乘回归(PLSR)探究该区域景观指数对土壤侵蚀的影响关系。[结果] 近30年,土壤侵蚀模数呈先减少后增加趋势;土壤侵蚀较严重地区主要集中在中西部和南部山区;大部分地区土壤侵蚀强度主要为微度和轻度,且各类土地利用类型的侵蚀强度有明显差别,表现为草地＞耕地＞林地;土地利用类型及景观格局总体较稳定,景观格局变化主要表现为景观破碎化的降低、景观异质性和连接性的提高;香农多样性指数(SHDI)、边界密度指数(ED)、相似邻近百分比(PLADJ)、景观形状指数(LSI)对皖西大别山区具有显著解释意义,且表现为SHDI、ED、LSI对土壤侵蚀起显著正向作用,PLADJ对土壤侵蚀起显著负向作用。[结论] 在皖西大别山区,景观破碎化的提高和景观连通度的降低显著促进土壤侵蚀。     

典型喀斯特小流域不同降雨等级水化学最优采样频率初探

[目的] 当前研究主要关注非喀斯特地区长时间尺度频率研究,对喀斯特不同降雨等级下的水化学采样频率研究不足,喀斯特小流域不同降雨等级水化学的最优采样频率尚不明确。[方法] 利用黔中高原典型喀斯特小流域在2022年6月至2023年7月不同降雨等级(大暴雨、大雨、中雨)间隔1 h的高频电导率(EC)数据,重采样为2~15 h的低频数据后,结合多种评价指标和突变点理论,确定喀斯特小流域不同降雨等级下水化学的最优采样频率。[结果] (1)喀斯特小流域受地质背景影响,水化学响应降雨呈现暴涨暴落特征,低频采样误差损失量大;(2)I₆₀(最大60 min降雨强度)、前期无雨天数和降雨量通过影响水文过程,进而改变水化学变化特征,最终影响采样频率;(3)大暴雨等级下建议选择4 h频率为宜,大雨等级下建议5 h频率,中雨等级下当I₆₀>10 mm/h时建议5 h采样频率,I₆₀较小时(I₆₀<10 mm/h)最优采样频率为6 h。[结论] 研究结果为喀斯特小流域水化学监测提供参考。     

黄土高原近40年梯田建设的土壤固碳效益初步估算

[目的] 为揭示黄土高原梯田土壤有机碳含量的时空规律和梯田土壤固碳时空分布特征。[方法] 基于META分析的方法,研究梯田土壤有机碳含量随土层深度和梯田修建年限的变化特征,分析黄土高原各区域梯田土壤固碳的时空分布特征。[结果] (1)SOC含量和固碳效益随土壤深度的增加而减少,80—100 cm土层的SOC含量为0-20 cm土层的60.74%,0—20 cm土层的固碳效益为23.1%,80—100 cm土层为5.7%。(2)梯田固碳效益随修建年限呈非线性增加,梯田0—20 cm土层固碳效益由修建第1年的-8.29%逐步增加,在第24年时达到最大值34%,此后保持稳定。(3)1979-2023年黄土高原梯田总固碳约为38.29 Mt C,平均固碳38.49 t C/(km²·a)。泾河上中游流域平均固碳速率最高,为50.14 t C/(km²·a),河龙区间平均固碳速率最低,为29.04 t C/(km²·a)。[结论] 在黄土高原兴修梯田可以提高SOC含量,并且梯田的固碳是一个相对漫长的过程,需要科学的设计及管护才能更好地发挥其固碳效益。在黄土高原开展梯田建设加之合理规划、设计、科学的管护是提高区域土壤固碳效益的有效措施。研究结果可为黄土高原地区水土保持固碳效益核算提供理论与方法支持。     

开发建设项目水保监测中土壤侵蚀模数监测方法探讨--以"东深供水改造工程水土保持监测"项目为例

以“东深供水改造工程水土保持监测”为例,探讨了土壤侵蚀模数的监测方法。针对项目施工期动土量大,地形、地貌变化迅速、剧烈,扰动地表类型多样的特点,因地制宜地采用了标桩法、径流小区法、侵蚀沟量测法、人工模拟降雨法四种监测方法进行了各种不同地表扰动类型的土壤侵蚀模数监测。结果表明,四种方法基本可以囊括工程所有地表扰动类型的土壤侵蚀模数的监测,数据的准确性和可靠性较高,监测效果较为理想。可为类似项目的土壤侵蚀模数监测提供借鉴和参考。     

试论我国水土保持监测的类型与方法

依据监测工作性质，可将我国水土保持监测划分为研究性监测、实验性监测、生产性监测和预警预报性监测4种类型。各类型相互嵌套，相互依存；因此，实践中，要正视发展现状，辩证分析水土保持监测各类型间的关系，准确定位，把握正确方向，在加强监测理论和实验研究的同时，加强生产实践，并健全制度，规范管理，加强人才队伍和学科建设，进一步推动水土保持监测科学、全面、可持续发展。     

论生态文明建设中的水土保持监测与公共服务

在生态文明建设的新时代,水土保持监测与公共服务是国家生态环境监测的重要内容,生态环境监测是生态文明建设的重要基础支撑.按照国家印发《关于加快推进生态文明建设的意见》和《生态环境监测网络建设方案》等文件,提出的国家生态环境监测网络建设的指导思想、建设原则和目标任务,结合国务院批复的《全国水土保持规划》,对照国家生态环境监测相关要求,分析水土保持监测的目标,在监测与管理、决策、监督和目标考核等联动机制的基础上,提出在国家生态环境监测网络建设宏观要求下,水土保持监测与公共服务建设思路:加快建设天地一体、上下协同和信息共享的监测网络,按公益事业落实监测机构体制和监测点运行机制,明确各级监测机构职责和事权.建立定期调查与动态监测制度,实施监测与监管、监测与考核联动.完善技术标准,统一监测方法,推进高新技术装备应用,提升自动化水平,加快监测信息化建设,实现互联共享.及时、准确地为生态文明建设、目标责任制考核和责任追究提供依据和支撑,更好地服务于社会及公众.     

Temporal and spatial variation in carabid assemblages from the United Kingdom Environmental Change Network

This paper presents analyses of the data from the first 7 years of the UK Environmental Change Network (ECN) carabid monitoring programme. The 10 ECN terrestrial sites for which results are available represent a wide range of habitats, from lowland arable farmland to upland moorland, and correspondence analysis reveals the strong association between habitat and species composition. At all sites carabid assemblages are dominated by a small proportion of the species found at the site. There are strong year-to-year fluctuations in the proportions of individual species and a large percentage of species are observed only sporadically. This has major implications for the conservation and monitoring of carabids. Simple summary statistics, such as species richness or diversity do not adequately reflect variation in species composition and are unlikely to respond quickly to environmental change. The considerable annual variation makes the detection of relationships with sources of environmental change a difficult task, particularly for the rarer species of primary conservation interest. Analysis should therefore include measures based on the dominant species to provide an early warning system for environmental change.     

The science and application of ecological monitoring

We provide a broad overview of the underlying philosophy of ecological monitoring. We argue that the major characteristics of effective monitoring programs typically include: (1) Good questions. (2) A conceptual model of an ecosystem or population. (3) Strong partnerships between scientists, policy-makers and managers. (4) Frequent use of data collected.We classify monitoring programs into three categories - (1) Passive monitoring, which is devoid of specified questions or underlying study design and has limited rationale other than curiosity. (2) Mandated monitoring where environmental data are gathered as a stipulated requirement of government legislation or a political directive. The focus is usually to identify trends. (3) Question-driven monitoring, which is guided by a conceptual model and by a rigorous design that will typically result in a priori predictions that can be tested.There are advantages and disadvantages of mandated monitoring programs, which are typically large-scaled, and generally smaller-scaled, question-driven monitoring programs. For example, while question-driven monitoring programs can provide insights into the ecological processes giving rise to emergent environmental patterns, spatial generalization from them is difficult because results may not extrapolate well to other regions, states or to a national level. Conversely, while mandated monitoring can be useful for producing coarse level summaries of temporal changes in a target population or resource condition they may not identify the mechanism influencing a change in an ecosystem or an entity. A key remaining challenge is to develop much improved mandated monitoring programs through more widespread adoption of the features of successful question-driven monitoring programs in efforts to enhance biodiversity conservation and environmental management.     

线状工程建设项目的水土保持监测—以西气东输项目为例

以西气东输项目为例,在分析项目区及不同工程部位水土流失特点的基础上,以水土保持措施布局分区为依据,对大型跨区域线形建设项目水土保持监测类型区进行了划分.采用监测类型区与监测工程区正交布点的方式确定监测点位,具有较强的代表性.监测时段分为施工前期、施工建设期和运营初期,给出了各时段的确定方法.分时段提出了不同工程类型区的监测内容和监测方法.     

基于电导率酒精发酵过程在线监测的研究

本试验对酒精发酵过程中电导率与还原糖、酒精度、pH的变化规律以及氯化钙和硫酸铵等盐类对电导率的影响进行了研究,进而探讨电导率在线监测酒精发酵过程的适用性。结果表明：电导率与还原糖和酒精度之间存在着一定的逻辑关系,利用电导率的变化能间接地反映还原糖和酒精度的变化;pH值与电导率之间存在着一定的线性关系(发酵60 h前变化规律相同);氯化钙和硫酸铵两种盐类在一定范围内对电导率的变化不产生影响。电导率达到最低点时,还原糖和酒精度均符合酒精发酵终点的参数指标,因此,该研究结果可用于发酵过程的在线监测和发酵终点的判定。     

开发建设项目水土保持监测点布局

开发建设项目水土流失是一种典型的人为加速侵蚀现象,其发生发展的机理较为复杂,水土保持监测工作的开展也具有一定的难度。监测点布局是水土保持监测的基础性工作,其合理性直接影响水土流失动态变化状况、水土保持措施实施及效果监测的科学性与客观性。目前尚缺乏统一的监测点布局规范,给监测设计工作带来了不确定性。综合考虑了自然条件和项目工程特性,采用分层抽样的基本思想,提出利用水土流失类型、地形地貌类型、土地利用类型和工程功能单元类型进行4级分区控制的开发建设项目水土保持监测点布局方法,构建了项目区-监测分区-监测点逐层细化的监测点布局方法,提出了不同项目水土保持监测的重点地段,旨在解决因自然条件、工程特性的差异而导致监测点布局困难的问题。     

沟蚀监测研究现状及发展展望

介绍了国内外常用的沟蚀监测方法中传统皮尺侵蚀针监测法、遥感监测法、GPS监测法、树木断代法、塘库淤地坝回溯法、三维激光扫描监测法的研究与应用成果,讨论了各种方法的优缺点及适用范围,指出提高监测精度、降低监测工作难度是沟蚀监测方法发展的趋势,认为监测精度高的三维激光扫描、无人机遥感等新兴技术在沟蚀监测领域的应用是今后一段时间的研究热点。     

PM2.5特征及森林植被对其调控研究进展

随着工业化进程的加快,人类活动对自然环境的影响越来越大,大气中PM2.5对人类健康的威胁逐步加剧,如何减轻PM2.5对人类的危害已经成为一个迫切需要解决的问题。通过分析国内外学者对PM2.5的研究成果,总结PM2.5的时空分布特征、组成特性、来源分类,以及世界主要国家、地区对PM2.5的监测标准,并基于森林植被对PM2.5的调控作用,指出通过合理建设森林植被达到有效调控PM2.5、降低PM2.5对人类的危害的目的。