基于PhotoScan的径流小区三维重建参数优化

提高径流小区数字地面模型精度是应用三维重建技术研究面蚀细沟间与细沟侵蚀过程的关键。以位于黑龙江省海伦市的中国科学院海伦水土保持监测研究站的裸地小区为研究对象,以验证点与控制点误差比和数字高程模型（Digital elevation model,DEM）误差为指标,优化Agisoft PhotoScan三维重建径流小区的处理参数,降低DEM误差。PhotoScan的精度参数和相机模型设置对DEM误差有较大影响。优化后的验证点与控制点误差比降低35%,改善了径流小区DEM对地面控制点的过度拟合。优化后的相机模型包含焦距、像主点、径向畸变、切向畸变等。基于单点和点云的验证结果表明,优化过程误差降低约40%。相对于默认参数设置下的验证点误差（20.0mm）,优化后的验证点误差为11.0mm,与细沟侵蚀深度标准相当（沟深大于等于10mm）,因此优化后的径流小区三维重建过程更适宜于细沟侵蚀过程的三维表达。     

生物炭对黑土区土壤水分扩散与溶质弥散持续效应研究

为探究施用生物炭对黑土区坡耕地土壤水分扩散和溶质弥散的持续效应,于2016—2019年在1.5°、3°、5°的径流小区开展了生物炭持续效应试验,分析了单次施加生物炭对土壤容重、孔隙度、有机质含量、Boltzmann变换参数ξ、非饱和土壤水分扩散率D(θ)、非饱和土壤水动力弥散系数Dsh(θ)的持续作用。结果表明：土壤中单次添加生物炭后的4年内均可显著降低土壤容重、提高土壤孔隙度、增加土壤中有机质含量,且各指标变化率均随坡度增大、施炭年限延长而减小;坡度、年份、是否施用生物炭3个因素中,对土壤容重、孔隙度、有机质含量影响程度最大的均为是否施用生物炭;施用生物炭增大了ξ,且ξ随坡度增加、施炭后年限延长逐年减小。2016—2019年D(θ)与Dsh(θ)均随土壤含水率的增加而迅速增加。当土壤含水率小于等于042cm3/cm3时,生物炭抑制土壤水分扩散;当土壤含水率大于0.42cm3/cm3时,生物炭促进土壤水分扩散。当土壤含水率小于等于0.36cm3/cm3时,生物炭抑制土壤中NaCl溶液的弥散;当土壤含水率大于0.36cm3/cm3时,生物炭可以促进土壤中NaCl溶液的弥散。试验区θ处于0.20~0.35cm3/cm3,故施用生物炭对水分扩散、NaCl溶液弥散均具有抑制效果,且生物炭对水分扩散和溶液弥散抑制效果均随坡度增加、施炭后年限延长而减弱。     

生物炭对东北草甸黑土水分运动参数的影响

为探明添加生物炭对东北草甸黑土水力学特性的影响,研究了以5种生物炭体积比(0、2%、4%、6%、8%)施入土壤后的土壤水分运动参数。采用土壤的VAN GENUCHTEN模型和MUALEM理论,推导出添加生物炭土壤的水分特征曲线、相对导水率和水分扩散率方程,并用试验校验理论推导结果。理论和试验结果表明,添加生物炭土壤的饱和度随基质吸力的变化接近无添加的土壤;当基质吸力低于2 000 cm时,添加生物炭能够大大提高土壤的含水率,当基质吸力高于8 000 cm时,土壤的含水率不一定增加;水平土柱吸渗试验表明,生物炭能够抑制土壤水分的水平扩散;数值模拟降雨后的土壤含水率与田间实测数值相比误差小于13.3%。研究可为东北黑土区农业水土保护和利用提供理论依据。     

生物炭对不同坡度坡耕地土壤水动力学参数的影响

在3种地形坡度条件下,开展了施加生物炭后连续两年的土壤水动力学效应试验研究,探究不同坡度坡耕地施加生物炭当年和次年对土壤水分常数、土壤水分特征曲线、比水容量、非饱和导水率K(h)和非饱和扩散率D(θ)的影响。结果表明:施用生物炭当年和次年均使土壤田间持水率和饱和含水率增大,且随坡度增加其增率变大,生物炭因子两年内对土壤水分常数的影响显著(P <0. 015),而坡度因子影响不显著(P> 0. 05),即生物炭因子作用更明显;施用生物炭两年内,在各个土壤吸力条件下土壤含水率均增大,土壤持水性增强,且同地形坡度呈正相关关系、同年限呈负相关关系;生物炭在两年内均增大土壤比水容量,使其供水能力加强,最大增量1. 830 207×10^-3cm^3/cm^4;地形坡度对K(h)无明显影响,但施加生物炭可使K(h)增大,土壤导水性增强,2016、2017年K(h)最高分别增加239. 61%、164. 04%;施加生物炭可降低D(θ),抑制土壤水分的水平运动,随地形坡度增加抑制效果增强。生物炭施用当年对各土壤水动力学参数的影响大于施用次年。研究结果可为东北黑土区坡耕地农业水土保护和利用提供理论依据。     

崩岗崩积体坡面糙度及其与侵蚀方式的耦合影响研究

崩岗崩积体是崩岗的主要沙源地。基于人工模拟降雨试验及三维激光扫描技术,研究崩岗崩积体坡面侵蚀过程。研究表明:利用三维激光扫描的点云数据能定量分析降雨前后坡面水蚀特征。全坡面及各坡位均为片蚀总量大于细沟侵蚀总量,但各坡位的侵蚀强度有所差异,其细沟侵蚀强度由大到小表现为下坡、中坡、上坡,片蚀强度由大到小表现为上坡、中坡、下坡。坡面空间糙度由大到小大致呈现下坡位、中坡位、上坡位,坡面侵蚀方式可影响坡面糙度值及变化趋势,而坡面糙度亦能影响各侵蚀方式的侵蚀强度。整个降雨时段内全坡面侵蚀量最大、产沙量次之,沉积量最小,受坡面糙度变化影响,全坡面侵蚀、产沙量均呈现递减趋势。而上坡位的侵蚀、产沙量无明显变化,中、下坡位的侵蚀、产沙量呈对数减小趋势。此外,除上、下坡位沉积量间存在显著差异外,各坡位间侵蚀量、产沙量均无显著差异。     

陕西省延安市燕沟流域水系分形与地貌侵蚀发育研究

为验证分形维数法与传统地貌法判断地貌侵蚀发育阶段是否一致,基于DEM数据提取陕西省延安市燕沟流域水系结构图,利用网格法计算燕沟流域水系分形维数,利用高程面积曲线法刻画了该流域的地貌侵蚀发育阶段。结果显示:燕沟流域水系长度为61.6 km,水系密度为1.29 km/km²,水系数量为109条,燕沟流域水系的分形维值为0.98,高程曲线下面积为0.497。由此可以得出,燕沟流域地貌处于侵蚀发育的壮年期,需要加强该地区水土流失治理;分形维数阈值判断方法忽略了面蚀在地貌侵蚀过程中的作用,它将低估该地区地貌发育程度,因此利用水系分维值推断地貌侵蚀发育阶段的阈值需要更改。     

不同灌水方式对砂姜黑土小麦中后期生长及产量的影响

在人工防雨篷下研究了前期不同灌水处理对砂姜黑土小麦中后期生长、光合生理及产量的影响,以期为该区小麦增产和水分高效利用提供科学依据和理论帮助。结果表明,灌1水条件下小麦叶片长宽和单茎干物重随灌水日期的推迟呈先增加后下降的趋势,并以生育前期水分充足处理CK最高,W5100d(出苗后100 d灌水)处理次之,且总灌水量一致下小麦生育前期灌1水和灌2水效果间的差异不显著。生育前期适当推迟灌水日期有利于增加小麦生育中后期的叶面积指数和叶绿素含量,且灌浆中期W5100d处理的叶面积指数和叶绿素含量高于CK。小麦生育前期适当推迟灌水日期亦有利于降低植株蒸腾速率改善小麦光合特性,其中W5100d处理的光合速率比对照CK增加了11.4%。W5100d与CK处理的产量差异不显著,分别为6 955.40,7 102.67 kg/hm2,但两者产量明显高于其他灌水处理。相关分析表明,小麦叶片叶绿素含量、光合速率与单茎干物重和产量间皆呈直线显著正相关关系。研究得出,小麦生育前期适当延长灌水日期有利于改善小麦中后期生长发育、光合特性及产量,且总灌水量一致下灌水次数效果间的差异不显著。     

黑土区调亏灌溉条件下大豆耗水规律试验研究

针对黑土区存在的降雨量时空分布不均,水资源短缺,作物水分利用效率较低的实际问题。2013年在黑龙江省北安农垦分局红星农场进行了盆栽试验,研究了调亏灌溉条件下的大豆耗水规律。结果表明大豆各生育阶段耗水量按结荚-鼓粒、开花-结荚、鼓粒-成熟、分枝-开花、出苗-分枝、播种-出苗阶段依次递减;产量、水分利用效率与耗水量之间均呈二次抛物线关系。耗水量为62.5kg/盆时,水分利用效率先出现最大值,耗水量达84.76kg/盆时,产量(52.9g/盆)最高,最高值出现时间较水分利用效率偏后。在试验的基础上,建立了基于Jensen模型的黑土区大豆水分生产函数。研究结果可为黑土区大豆节水灌溉管理提供一定的理论依据。     

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。     

秸秆覆盖对不同初始含水率土壤产沙过程的影响

秸秆覆盖是防治水土流失最有效的措施之一。该文通过模拟降雨（降雨强度为60 mm/h,降雨历时1 h）研究坡耕地在不同土壤初始含水率状态下秸秆覆盖变化对产沙过程的影响。试验地位于中国科学院红壤生态实验站,土壤类型为耕作铝质湿润淋溶土,试验小区为12 m×3 m,坡度为9%。处理分为5个水平的覆盖度（0、15%、30%、60%和90%）和2种土壤初始含水率（干态和湿态）。结果表明,在0、15%、30%、60%和90%覆盖度下,干态土壤平均产沙速率依次为24.5、15.8、10.4、11.2和1.0 g/(m2·h),同一覆盖度下产沙速率在模拟降雨时段内略微增大。湿态土壤条件下平均产沙速率依次为115.6、70.0、49.6、34.8和31.9 g/(m2·h),同一覆盖度下产沙速率在模拟降雨时段内下降明显。0、15%、30%、60%和90%覆盖度下平衡时产沙速率依次为52.5、30.5、22.8、19.8和15.4 g/(m2·h)。另外,5个水平的覆盖度中,30%的花生秸秆覆盖降低不同前期含水率下土壤产沙速率50%以上。因此,不同前期含水率情况下土壤产沙速率对秸秆覆盖度变化的响应非常明显,30%秸秆覆盖具有较为经济的水土保持效果。