喀斯特地区县域土壤侵蚀估算及其对土地利用变化的响应

喀斯特地区土层浅薄,不合理的土地利用导致严重的水土流失,加剧石漠化程度.为定量分析生态工程实施前后土壤侵蚀状况及其对土地利用变化的响应,基于GIS技术和RMMF模型,对环江县1991、2000和2010年土壤侵蚀进行模拟,并采用邻近水文站和径流小区泥沙监测数据进行验证.结果表明:1991、2000和2010年研究区土壤侵蚀模数分别为76.36、76.46和49.60t/(km2·a),与相关监测数据比较一致;土壤侵蚀总量分别为34.76万、34.80万和22.58万t,主要来源于非喀斯特区(均约占全县侵蚀总量的94％).研究区微度侵蚀面积占90％以上,轻度及以上等级所占比例较小.对比不同土地利用类型的土壤侵蚀模数,旱地远大于其他类型,其次是中覆盖度草地和其他林地.相同降雨条件下,由于旱地面积减少,2010年土壤侵蚀量较1991年减少4.21万t;2010年喀斯特区、非喀斯特区土壤侵蚀量较2000年分别减少了4.21％和8.76％.这预示生态工程实施后,环江县耕地减少、林地增加,土壤侵蚀减少.本研究为评估喀斯特地区土壤侵蚀现状以及退耕还林的水土保持效应提供参考依据.     

桂北喀斯特峰丛洼地橘园土壤入渗特征

广西(桂)是我国柑橘果园面积和喀斯特峰丛洼地分布最广的省份。目前,对广泛分布的喀斯特峰丛洼地橘园土壤的入渗特征还缺乏了解。为了更好的支撑喀斯特峰丛洼地柑橘产业与生态可持续发展,本文以桂林地区典型白云岩峰丛洼地小流域为研究对象。采用改进的表置式环式入渗仪结合染色(亮蓝)示踪方法开展土壤入渗试验,定量刻画了洼地和梯田橘园土壤基质入渗与优先流入渗特征。结果表明:(1)基质入渗是该地区橘园水分入渗的主要方式;(2)基质稳定入渗速率差异显著且表现为洼地橘园(91.60~145.75 mm/h)大于梯田橘园(35.02~44.78 mm/h),优先流稳定入渗速率差异同样显著且表现为洼地橘园(79.78~118.30 mm/h)大于梯田橘园(12.63~23.18 mm/h);(3)优先流入渗在空间上具有很强的变异性,土壤染色面积并不是随土层的深入而递减;(4)梯田染色深度(17.4 cm)显著小于洼地(25.5 cm),梯田染色区域主要集中在表层土壤,0~5 cm范围内的染色面积占总染色面积的61.23%,洼地相同范围内染色面积仅占38.95%;(5)梯田与洼地相比,优先流路径更少,优先流发育程度更低,潜在的增加了橘树对土壤水分的可利用量。本研究结果有助于了解喀斯特峰丛洼地橘园的水文过程,并为峰丛洼地橘园的土壤水分管理提供借鉴。     

秸秆覆盖对西南喀斯特坡地幼龄橘园产流产沙的影响

喀斯特坡地幼龄橘园人为扰动剧烈,容易发生土壤侵蚀。秸秆覆盖是坡地常用的水土保持措施,但其在喀斯特坡地橘园的水土保持效益还不清楚。通过人工土槽模拟降雨试验,研究了水稻秸秆覆盖对喀斯特坡地幼龄橘园产流产沙的影响,试验设置了2个雨强(60 mm/h和120 mm/h)和4种水稻秸秆覆盖度(0,20%,50%和80%)。结果表明:(1)秸秆覆盖减小地表径流的效果受降雨强度控制。在中雨强(60 mm/h)条件下,秸秆覆盖可以有效降低地表径流系数。在大雨强(120 mm/h)下,只有20%覆盖度可以减少地表径流系数;(2)在中雨强(60 mm/h)条件下,20%和50%的秸秆覆盖显著增加壤中流和地下径流量; 在大雨强(120 mm/h)条件下,20%的秸秆覆盖显著增加了壤中流量,50%和80%秸秆覆盖度对壤中流量影响不显著;(3)秸秆覆盖可以有效减少地表土壤侵蚀总量,地表土壤侵蚀总量与秸秆覆盖度呈负相关。(4)秸秆覆盖减弱了地表径流的携沙能力,在50%和80%秸秆覆盖度时地表径流的携沙能力得到显著减弱。结果可为喀斯特坡地幼龄橘园合理布设秸秆覆盖措施提供科学依据。     

土壤大孔隙形态对喀斯特区水土漏失过程的影响

在岩溶作用下,喀斯特土壤—表层岩溶带耦合发育,上覆土壤中大孔隙与下伏表层岩溶带中裂隙、管道存在密切的水力联系,然而土壤大孔隙影响土壤—表层岩溶带系统中水土漏失的过程机理尚不清楚。通过人工模拟降雨试验,采用试验微区模拟不同土壤大孔隙形态（出露型、浅埋型、深埋型）,并以全土微区为对照,探讨了土壤大孔隙对喀斯特地区水土漏失过程的影响。结果表明：与全土微区相比,土壤大孔隙的存在明显加速了水分的垂直渗漏,其对水分渗漏量的影响表现在峰值不同（出露型 > 浅埋型 > 深埋型 > 全土）。土壤大孔隙也给土壤漏失带来风险性,不同形态土壤大孔隙间土壤漏失存在显著差异,表现为出露型 > 浅埋型 > 深埋型 > 全土。本研究中土壤漏失量总体较少（<10 g）,土壤强烈漏失现象只在极端状况下发生（雨强为120 mm/h的出露型土壤大孔隙微区）。漏失泥沙主要以粒径<2 mm的小颗粒为主, > 5 mm的大颗粒仅出现在出露型土壤大孔隙微区。土壤漏失因子（土壤漏失量、漏失土壤细颗粒含量）与水分渗漏因子（水分垂直渗漏出流时间、水分渗漏量）存在显著相关关系,说明土壤漏失主要受到水文过程的驱动。土壤大孔隙形态和降雨强度控制了水分渗漏过程,进而影响到土壤漏失过程。研究结果可为该区石漠化治理和地下水污染防控提供科技支撑。     

岩土覆被格局对西南喀斯特坡地产流产沙的影响

为研究不同岩土格局对喀斯特坡地水土流失/漏失的影响,利用人工模拟降雨试验,以裸坡为对照组,研究镶嵌格局、横坡格局、顺坡格局3种岩土覆被格局下的坡面产流产沙特征。结果表明：(1)顺坡格局的地表产流量最多,分别较镶嵌格局、横坡格局与裸坡的地表产流量增加88.6%,67.1%,576.1%,同时顺坡格局的地下产流量最少,分别较镶嵌格局、横坡格局与裸坡减少37.5%,36.1%,39.2%。(2)地表产沙量顺坡格局>镶嵌格局>横坡格局>裸坡,地下产沙量镶嵌格局>横坡格局>顺坡格局>裸坡。3种岩土格局的地表产沙量较裸坡均有明显增加,但地下产沙量相对增加较少。(3)岩土格局可改变地表径流泥沙关系,地表累积径流量与地表累积产沙量呈幂函数关系,镶嵌格局明显改变地表径流泥沙关系,使坡面地表侵蚀量显著提升。研究结果可进一步深化对喀斯特坡地降雨侵蚀规律的认识,为喀斯特地区的石漠化治理提供参考依据。     

喀斯特峰丛洼地坡地橘园与梯田橘园土壤水分变化特征

为探明喀斯特坡地改为梯田后土壤水分的变化特征,以典型喀斯特坡地橘园和梯田橘园为研究对象,对不同深度土层(0—70 cm)土壤含水量进行1年 (376天)的连续监测。结果表明:(1)梯田橘园平均土壤含水量(32.64%)与坡地橘园(33.05%)差异很小,梯田橘园表层(0—10 cm)土壤含水量(43.35%)显著高于坡地橘园(34.24%),两者土壤水分均呈现旱季变化相对平缓、雨季波动较为剧烈的变化规律,梯田橘园表层土壤含水量与下层有明显差异,而坡地橘园各土层土壤含水量差异较小。(2)不同雨量的降雨事件中,梯田橘园各土层含水量总体增长幅度较坡地橘园大;停雨后24 h内,梯田橘园表层土壤含水量的衰退速度较坡地橘园慢,但停雨后1周内,梯田橘园各土层含水量衰退速度总体较坡地橘园快。(3)梯田橘园与坡地橘园的平均相对可利用水分分别为0.37与0.38,与非喀斯特地区相比,梯田在喀斯特峰丛洼地的保水效果相对不明显。研究结果可为定量评价喀斯特地区坡改梯措施的保水效益提供一定的科学依据。     

西南喀斯特小流域关键带含水介质分布特征

地球关键带（Earth`s Critical Zone）含水层结构的评估和量化对水文水循环和水资源管理有重要意义。然而,表征小流域尺度复杂关键带含水层结构仍存在巨大挑战。以桂西北喀斯特白云岩峰丛-洼地小流域（1.20 km2）为研究对象,共设置21条、总长度为12605 m的高密度电法测线,并结合水文地质钻井,解析小流域尺度含水介质的分布特征及其影响因素。结果发现,构造运动和动力变质作用导致小流域发育多条断层带,为岩溶含水介质（包括土壤、表层岩溶带和表层岩溶泉）的空间分布提供了物质和动力基础。断层带集中发育在洼地,具备良好的水动力和溶蚀环境,导致洼地土壤和表层岩溶带厚度高于坡地且与海拔呈显著（P < 0.05）负线性相关关系。同时,土壤和表层岩溶带厚度空间耦合度高,呈显著正线性关系（R2 = 0.63,P < 0.01）,与坡面侵蚀和汇流以及土壤-表层岩溶带系统特殊的水-CO2-岩石作用有关。岩溶泉出流于洼地或坡脚,其水文特征与土壤-表层岩溶带系统的分布及储水特性有关。该研究可为流域尺度岩溶含水层的表征及未来陆面模型的构建提供数据与技术支撑。     

基于GEP和地理位置信息的湘鄂地区月参考作物腾发量模拟计算

参考作物腾发量(ET0)是计算植被蒸散发的关键因子,准确估算ET0对水资源管理、灌溉制度设计等具有重要意义。本研究利用湘鄂地区46个气象站点1955—2005年的逐月气象数据,包括月最高气温、最低气温、平均风速、日照时数以及相对湿度,用FAO-56 Penman-Monteith法计算各站的逐月ET0值。然后结合基因表达式编程(GEP)算法挖掘公式的能力,以各站点的地理位置信息(纬度、经度、海拔)及月序数为输入,以多年逐月平均ET0值为输出,建立基于地理位置信息的月ET0模型,并与传统ET0模型的计算结果进行比较。结果表明,所建立的模型具有足够的精度,校正、检验阶段的决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)分别为0.934、0.951和10.050 mm、8.628 mm;与Hargreaves和Priestley-Taylor法相比,基于地理位置信息建立的GEP模型的结果均方根误差最小,变化范围为8.628~9.967 mm。本研究所建立的月ET0模型具有明确的表达式,简单易用,在湘鄂地区仅利用地理位置信息计算逐月ET0是可行的,可以利用该模型进行月尺度的灌溉制度设计和植被蒸散发的估算。     

喀斯特区两种岩性发育土壤入渗特征及其影响因素

为探究土壤理化性质和植物根系结构对喀斯特区白云岩和砂页岩发育土壤入渗特征的影响,本文以环江县典型喀斯特峰丛洼地小流域为研究对象,采用圆盘入渗仪（DJ-WS）进行4个压力水头（0、-3、-6和-9 cm）的土壤入渗实验,同时利用数字扫描仪测定根系结构指标,分析两种岩性不同土地利用发育的土壤入渗性能的差异以及影响土壤入渗的主控因素。结果表明：1）土壤稳定入渗率均随着压力水头的增大而增大,且白云岩大孔隙导水能力均强于砂页岩;2）砂页岩土壤根系结构指标均明显高于白云岩;3）白云岩土壤导水率均与有机质含量、总孔隙度、根系根长密度和根系体积密度呈现显著或极显著正相关;砂页岩土壤导水率均与有机质含量和总孔隙度呈现显著或极显著正相关,与大孔隙导水能力和根系结构指标存在显著正相关,与容重呈现显著负相关;逐步回归表明,白云岩发育土壤入渗受控于根系根长密度和根系体积密度,砂页岩发育土壤入渗受控于根系体积密度。综上,根系根长密度和根系体积密度是影响喀斯特区白云岩和砂页岩发育土壤入渗的主控因素。研究结果以期为深入认识喀斯特区水分入渗以及地下漏失提供新的研究思路与科学理论支撑。     

基于随机森林算法的参考作物蒸发蒸腾量模拟计算

选取西南喀斯特地区4个气象站点(都安、河池、百色和融安)5 a(2008—2012年)的逐日气象数据,包括日最高气温Tmax、日最低气温T_(min)、相对湿度R_H、日照时数n和风速u2这5个气象因子的不同组合作为输入,并以FAO 56 Penman-Monteith法(FAO P-M)的计算结果作为标准值,建立基于随机森林(Random forest,RF)算法和基因表达式编程(Gene expression programming,GEP)算法的ET0模型,并将模拟结果与传统Hargreaves模型的计算结果进行比较。结果表明,不同气象因子组合下建立的RF模型均能较好地反映气象因子与ET0之间的非线性关系。随着气象因子的增加,RF模型模拟的精度随之提高。在仅有气温数据时,RF模型仍具有足够的精度(R~2为0.875,RMSE为0.546 mm/d),与传统Hargreaves模型相比R2平均增加了1.98%,RMSE平均减小了22.88%,因此在仅有气温数据时可用RF模型代替Hargreaves模型。RF算法对气象因子的重要性评估表明,在该区域对ET_0最重要的气象因子依次为T_(max)、n、T_(min)、R_a、R_H和u_2。相同气象因子输入下,RF模型精度高于GEP模型。