采煤沉陷地微地形改造及其应用研究进展

井工采煤导致地表沉陷进而引发水土流失,微地形改造对沉陷地水土流失控制效果明显,但理论研究尚有欠缺,特别是对水土流失的控制机理不明确。为了进一步探索微地形改造的基础理论,研究微地形改造对采煤沉陷地水土流失与植被恢复的影响机理,本文在系统总结国内外相关研究的基础上,综述了采煤沉陷区微地形变化特征及水土流失规律、微地形改造方法、沉陷土地微地形改造应用及其生态环境效应的研究进展。总结发现:(1)采煤沉陷在沉陷区地表带来新的微地形变化;(2)微地形改造方法对土壤水肥特性、土壤侵蚀和植被恢复均有影响,但许多作用机理依然不明确;(3)微地形整地措施在采煤沉陷地有较好的水土保持与植被恢复效果,但许多研究方向不够深入,需进一步加强。针对当前研究的不足,提出了今后采煤沉陷地复垦微地形改造的研究方向,包括研发采煤塌陷地微地形及其改造的信息获取方法、探讨采煤沉陷地微地形的水文过程、加强采煤沉陷地微地形改造的效应机理分析、研究采煤沉陷地微地形设计与改造方法和技术体系等。     

微地形改造的生态环境效应研究进展

干旱缺水和生境不良使世界上许多地区的植被恢复和生态改善面临困难。为了提高植被成活率、遏制土壤侵蚀和土地退化态势,国内外许多重点地区都开展了多种微地形改造与下垫面整地措施,使得地表生境和植被状况得到一定改善。但微地形改造对生态环境影响的基础研究仍严重滞后于实践的客观需求,许多关键效应和科学机理不明。本文系统梳理和总结了国内外学者在不同生态系统类型区和自然地理单元上开展的相关研究。认为微地形改造对土壤属性和微生境、降雨入渗和水蚀过程、植被恢复的效果及其生态服务功能发挥等多个方面都有重要影响,并综述了相关研究进展。同时指出当前微地形改造研究中存在的突出问题。包括科学分类标准有待系统化、实地量化技术相对滞后、微地形改造的水文效应有待强化、影响植被恢复的机理不明等若干重要局限。建议应进一步加强微地形改造的分类体系研发、发展微地形改造方式的定量刻画技术;设立野外定位站,跟踪监测其长期效应,并加强不同微地形改造措施的生态环境效应对比,为科学筛选和优化下垫面改造技术、服务区域生态改善和应对气候变化提供科学依据。     

我国植被水土保持功能研究进展

 我国植被水土保持功能的研究可以概括为以下3个主要方面：1)植被水土保持功能的对比研究： 通过实地对比观测植被覆盖地与对照地（裸地、农耕地等）的径流量、土壤侵蚀量等,研究植被的减水减沙效益。研究表明,天然植被具有强大的水土保持功能,并呈现出林>灌>草的规律;人工植被水土保持功能的发挥则受到多种因素的影响,呈现出较复杂的情况。2)植被保持水土的机理研究：雨滴击溅和径流冲刷是水土流失的动力,通过分析植被削减降雨和径流动能的过程,来揭示植被水土保持功能的内在机理。研究表明,植被外在的水土保持功能是其内部各个垂直层     

间伐强度对人工杉木林地表径流的影响

在湖南会同生态站的人工杉木林集水区,对比研究了不同间伐强度对地表径流影响。结果表明:降雨量大小是形成地表径流的主要原因,即地表径流随降雨量上升而增大。在不出现大暴雨及特大暴雨的情形下,间伐样地产生的地表径流比对照样地小,其中,30%的间伐强度更利于减小地表径流。通过对不同月份的降雨量与地表径流的关系研究,证明了单次降雨量,而非降雨总量,才是导致地表径流形成的主要原因。通过地表径流与林下植被、土壤特性的多元相关分析可知,地表径流与枯落物量、灌木草本层盖度、土壤非毛管孔隙、水稳性土壤团聚体粒径呈显著负相关,与土壤容重呈显著正相关。间伐正是通过改变上述因子而增强了水土保持能力,减小了地表径流的形成。在人工杉木林条件下和间伐强度范围内,30%的间伐强度下的影响更显著,更有助于减小地表径流。     

黄土高原典型小流域综合治理的水文生态效应

从流域产流规律及水土保持措施改变引起的土壤水分状况和流域蒸散发的变化等方面评价了黄土丘陵沟壑区泉家沟流域水土保持措施变化对流域水分生态环境的影响.结果表明:水土保持与生态建设过程改变了土地利用结构,对小流域水环境变迁具有很大的影响作用,主要表现在:减少地表径流量,径流模数1996～2000年平均较1980～1985年减少了36.1%;不同治理措施土壤水分状况不同,灌木林地、人工草地和乔木林地均存在深度和厚度不等的土壤"干层";不同地貌部位土壤储水差异很大,阴坡的水分环境优于阳坡,沟底优于峁顶,缓坡优于陡坡;林草措施对流域总蒸散量起着决定性作用,1991～1995年流域林草地面积达到最大,总蒸散量也达到最大,与治理初期相比,总蒸散量累计增加了56.3 mm.     

基于SIMWE模型的典型水土保持措施侵蚀阻控路径分析——以通双小流域为例

针对东北黑土区长缓坡地形条件下坡面产汇流集中易加剧土壤侵蚀的问题,本研究基于GIS和SIMWE(SIMulated Water Erosion)模型,引入连通性指数和水深空间分布作为水文连通性与径流路径的衡量指标.通过量化不同典型水土保持措施对土壤入渗速率和地表曼宁糙率的影响,构建梯田数字高程模型(DEM)模拟表征地表...     

广东小良水保站三种生态系统地表侵蚀的研究

在系统地研究了广东小良水保站的混交林,桉树林,裸地等三种生态系统类型的水文效益以后,本文着重探讨了它们的水土保持效益。结果表明裸地的降雨侵蚀率分别是桉树林的５．２倍,是混交林的２２８．１倍;径流侵蚀率裸地是桉树林的１１．３倍,是混交林的３１．９倍。从总体上来看,无论是降雨侵蚀率还是径流侵蚀率都是混交林的最小,而且从侵蚀物的组成来看,混交林地表径流中的悬浮物占较大的比重。侵蚀物与降雨量存在ｘ＝ｆ（ＰＡ）的相关关系,Ａ的大小反映了降雨对侵蚀的影响程度,不同的土壤是不同的,混交林Ａ＜１,桉树林Ａ＝１．４８,裸地Ａ＝１．８５,侵蚀率的年间变化以混交林的最大。用灰色系统的ＧＭ（２,１）模型,本文较为成功地预测了年际间的侵蚀率。     

南方红壤丘陵区杜仲人工林产流产沙与降雨特征关系

杜仲是我国南方红壤丘陵区重要的水土保持经济树种,为了阐明人工杜仲林地表径流和土壤侵蚀的特征及其与降雨特征的关系,2002-2005年在典型的杜仲人工林设置径流小区,进行定位观测,结果表明:1)观测期间,研究区主要以降雨量(R)＜25 mm、降雨强度(I)＜5 mm·h-1的降雨为主;2)降雨量(R)、降雨量与降雨强度的乘积(R·I)、降雨侵蚀力(R30)与土壤侵蚀量和径流均表现出极显著的线性相关关系;在对特定的降雨条件下的坡面侵蚀进行预测的时候,用R30进行预测比用R·I更接近通用土壤流失方程降雨影响因子的内涵;3)对杜仲人工林径流深(Rd)与降雨侵蚀力(R30)的乘积(Rd·R30)与土壤侵蚀量进行拟合,结果表明,二者达到极显著线性相关性(r=0.685,P＜0.01),比单一用径流进行坡面侵蚀预测更符合水蚀产沙过程.     

基于水蚀预报模型的黄土高原水平阶减流阻蚀效应模拟

黄土高原是我国土壤侵蚀最严重的地区,如何合理开展坡改梯工程对防治水土流失具有重要意义。本研究应用WEPP模型模拟坡面尺度降雨—侵蚀过程,模拟分析径流小区(10 m坡长)在不同坡度的水土流失特征和二阶、三阶水平阶在不同台面宽度(1,1.5,2 m)的减流阻蚀效应。结果表明:1)坡面尺度上,径流量和侵蚀量随坡度增加而增加。坡度达到20°时,径流量随坡度增加保持稳定,产沙量增加趋势渐缓;2)与坡面小区对比,二阶和三阶水平阶随台宽增加对地表径流调控率分别从6.5%增加到61.2%,从10.1%增加到69.7%;二阶水平阶在中(1.0 mm/min)、大(1.5 mm/min)雨强下,台面宽度大于1.5 m时产沙量小于坡面,泥沙调控率从1.1%增加到68.8%,三阶水平阶泥沙调控率从1.4%增加到82.3%;3)依据单位台宽减沙量,合理设计水平阶,使其减沙效益最大化。小雨强(0.5 mm/min)时,二阶、三阶水平阶的台面宽度达到1.5 m和1 m时可发挥优良的水土保持效果;中雨强(1.0 mm/min)时,台宽1.5 m的三阶水平阶效果最佳;大雨强(1.5 mm/min)时,则以2 m台宽的三阶水平阶效果更好。应用WEPP模型为定量评价工程措施的水土保持效益提供技术支撑。     

基于2009-2018年径流小区观测数据的武汉市土壤侵蚀因子定量评价

武汉市位于桐柏山大别山国家级水土流失预防区与幕阜山省级水土流失治理区之间,其土壤侵蚀问题对长江中游生态安全具有重要影响。基于2009-2018年武汉市蔡店、磨盘山、西湖流域、燕子山等4个水土保持监测站35个径流小区的观测数据（139组）,定量分析了坡度、侵蚀性降水量、土地利用和水土保持措施对土壤侵蚀的影响,并借鉴USLE模型识别土壤侵蚀主导因子。结果表明,裸地小区的平均土壤侵蚀模数最高（2597.57 t km^-2 a^-1）,其次是经济林、草地和耕地小区且三者的侵蚀模数相差不大,土壤侵蚀模数与侵蚀性降雨量、坡度之间呈显著二元线性或幂函数关系;与天然植被小区相比,植物篱（草带、茶树、紫穗槐）及石坎梯田措施均显著降低了土壤侵蚀模数,其中植物篱措施的效果更优,且草带植物篱小区的侵蚀模数最低（46.13 t km^-2 a^-1）;3个坡度等级（0-10°、10-20°、20-25°）小区平均侵蚀模数分别为892.07、911.15、2087.60 t km^-2 a^-1,表明坡度超过20°后土壤侵蚀严重加剧;武汉市土壤侵蚀的主导因子为水土保持措施、植被覆盖与管理因子。研究结果可为武汉市水土保持措施合理布设及侵蚀预报模型的完善提供依据,基于径流小区长期观测数据的土壤侵蚀定量研究值得进一步深入。     

低效柏木纯林不同改造措施对水土保持功能的影响

川中丘陵区是四川乃至长江上游水土流失最为严重的区域之一.为水分涵养和遏制土壤流失,20世纪60年代开始,该区域内营建了大量以桤柏混交为主的人工林.随着桤木的消退,桤柏混交林林快速发展为柏木纯林;林分树种单一、结构不合理,天然更新不良、稳定性差,水源涵养、水土保持等生态服务功能降低等问题突显;严重威胁着长江下游生态安全,亟需进行林分改造.为了寻求有效的林分改造措施,从2005年开始,课题组在川中丘陵区开展了以不同带宽强度的带状采伐和采伐带补阔的林分改造试验.以2005年改造林分为对象,研究不同改造措施对林分水土保持功能的影响,为下一步大面积林分改造提供依据.研究结果表明:(1)林分改造总体降低了林分的林冠截留,截留量大小表现为:对照＞10m带宽改造林分＞8m带宽改造林分＞6m带宽改造林分＞4m带宽改造林分.(2)林下灌草生物量鲜重和截留量8m改造林分最大,其次6m改造林分＞10m改造林分＞4m改造林分＞对照林分.(3)枯落物量和持水均以对照高于改造林分,但总体数值较小;各改造林分间无显著性差异.(4)改造林分土壤孔隙度与贮水量均显著性高于对照林分;并以8m和10m改造强度林分数值最大.(5)照林分地表总径流深极显著性低于各带宽改造强度林分;总产沙量则对照(产沙总量达1262.52kg/hm2)极显著性高于改造林分(499.25-484.95kg/hm2),不同改造强度林分间的产沙量没有显著性差异.从改造林分水土保持综合功能看,8m改造林分最好.     

牧草覆盖对坡面土壤矿质氮素流失的影响

利用室内模拟降雨试验,探讨了降雨、地表径流以及土壤矿质氮素有效作用深度（effective depth of interaction, EDI）的确定方法,研究了牧草覆盖对土壤矿质氮素EDI和地表流失的影响.结果表明,牧草覆盖增加了地表径流与表层土壤的相互作用,导致水土混合体深度增加,较深土层的土壤矿质氮通过溶解和解吸作用、对流 扩散作用等方式进入到地表径流中,矿质氮EDI增加.覆盖度越大,EDI值越大.与裸地相比,60％、80％和100％覆盖度处理中径流矿质氮平均浓度分别增加了34.52％、32.67％和6.00％,地表径流量分别减少了4.72％、9.84％和12.89％,侵蚀泥沙量分别减少了83.55％、87.11％和89.01％.60％和100％覆盖度处理的矿质氮地表流失总量分别为裸地处理的95.73％和84.05％,而80％覆盖度处理则为裸地处理的109.04％.草地植被对矿质氮素地表流失有“双重效应”：加剧了矿质氮向地表径流中的释放,使径流养分浓度高于裸地浓度;不同程度地减少了地表径流量和泥沙量及其养分含量.两种效应共同决定了土壤矿质氮素的地表流失量.     

不同经营措施笋用麻竹人工林的地表径流研究

通过测定南靖国有林场山地麻竹笋用林 3种经营措施的地表径流和泥沙含量 ,结果表明在一定降雨量范围之内 ,呈现出随着降雨量级别的上升 ,地表径流量先增长较慢 ,后增加较快的趋势 ;降雨量在 1 0 mm以下均不出现地表径流 ,60 mm以上的降雨占全年降雨量的 5 9.5 0 % ,产生的地表径流总量却占年地表径流量的 79.5 8%。从泥沙含量月动态来看 ,采用扩穴经营的林地泥沙含量最大的月份出现在 2 0 0 0年 8月 ,与地表径流出现的最大月份吻合 ,而经过全翻和带翻的林地的径流泥沙含量在 2 0 0 0年 6月达到最大。地表径流和泥沙含量都以实行全翻的竹林为最大 ,每年流失分别达 30 .37mm和 2 34.45 kg· hm- 2 ,其次是带翻 ,最小的是扩穴 ;并经方差分析显示全翻与扩穴之间的差异显著 ,带翻却不显著。地表径流及其泥沙含量均具有明显的季节性 ,雨季大于旱季 ;地表径流量与一次性降雨量呈显著的指数函数相关。通过对笋用麻竹人工林不同经营措施的对比研究 ,发现麻竹人工林具有较强的水源涵养能力和泥沙固着能力 ,适合在我国热带和南亚热带地区作为特殊用途的水土保持林。     

牧草覆盖对坡面土壤矿质氮素流失的影响

利用室内模拟降雨试验,探讨了降雨、地表径流以及土壤矿质氮素有效作用深度（effective depth of interaction,EDI）的确定方法,研究了牧草覆盖对土壤矿质氮素EDI和地表流失的影响．结果表明,牧草覆盖增加了地表径流与表层土壤的相互作用,导致水土混合体深度增加,较深土层的土壤矿质氮通过溶解和解吸作用、对流-扩散作用等方式进入到地表径流中,矿质氮EDI增加．覆盖度越大,EDI值越大．与裸地相比,60％、80％和100％覆盖度处理中径流矿质氮平均浓度分别增加了34．52％、32．67％和6．00％,地表径流量分别减少了4．72％、9．84％和12．89％,侵蚀泥沙量分别减少了83．55％、87．11％和89．01％．60％和100％覆盖度处理的矿质氮地表流失总量分别为裸地处理的95．73％和84．05％,而80％覆盖度处理则为裸地处理的109．04％．草地植被对矿质氮素地表流失有“双重效应”：加剧了矿质氮向地表径流中的释放,使径流养分浓度高于裸地浓度;不同程度地减少了地表径流量和泥沙量及其养分含量．两种效应共同决定了土壤矿质氮素的地表流失量．     

火干扰对森林土壤斥水性的影响研究进展

土壤斥水性是指水分不能或很难湿润土壤颗粒表面的现象,很多植被类型及气候带森林存在土壤斥水性。土壤斥水性受水分、温度、干湿交替、土壤质地、植被类型等生物和非生物因子的影响。而火干扰是森林生态系统土壤斥水性的重要影响因子,使森林土壤斥水性增强,渗透率降低,地表截留体减少,从而增加地表径流和土壤侵蚀。就火干扰对土壤斥水性的发生机理及其对水文过程的影响进行了较为全面的总结和讨论,并指出目前存在的问题和未来的研究重点。森林火灾后火烧迹地地表径流和土壤侵蚀显著增加,定量预测火灾后土壤斥水性对径流与侵蚀的影响比较困难,因此,基于不同尺度和自然降雨的火灾后斥水性对地表径流和土壤侵蚀的实验及长期定位观测是今后的研究方向与重点。     

黄土区大型露天煤矿剧烈扰动土地生态重建研究

采用调查、类比、室内模拟和野外试验示范相结合的方法,１９９１～１９９５年对平朔安太堡露天煤矿土地扰动特征和生态重建适用技术进行了研究．结果表明,原有地层被１００～１５０ｍ的岩土混乱排弃层所代替,形成了典型的人工松散堆积地貌———排土场;原有地面形态被平盘与边坡相间的梯状地形所代替,５～１０年间非均匀沉降剧烈,边坡不稳;原有地表土壤被黄土类母质和石砾状物质所代替,土体容重＞１．６ｇ·ｃｍ－３,根系穿透阻力３０～６０ｋｇ·ｃｍ－３,有机质含量＜４．０ｇ·ｋｇ－１;原有植被破坏后不易恢复,土壤侵蚀模数＞１５０００ｔ·ｋｍ－２·ａ－１,比原地貌大３３％．生态重建适用技术体系包括５项工程复垦技术和３项生物复垦技术．     

黄土高原林草水土保持有效盖度分析

根据黄土高原缓德,延安、安寨和离石等地林、草地径流小区降雨侵蚀资料,对不同降雨和坡度下林、草地水土保持有效盖度进行了分析,建立了林地、草地水保持临界有效盖度与降雨坡度的关系式,在土壤和植被类型相对稳定的条件下,林、草地的有效盖度随着降雨和坡度的增大而增大,当临界有效盖度达到一定程度时,降雨和坡度的影响减弱;在其它条件相同时,同一水土保持作用所需求的有效盖度草地比林地大。并结合降雨频率分析,得出了林     

辽西半干旱区典型人工林生态系统的水土保持功能

从森林生态系统地表径流和土壤侵蚀角度对辽西半干旱区5种人工林生态系统的水土保持功能进行了定量研究．结果表明：不同类型人工林生态系统可以有效地减少地表径流及土壤侵蚀．油松纯林、油松-沙棘混交林、沙棘林、小叶杨纯林和小叶杨-沙棘混交林6—9月的月平均地表径流系数分别为荒山（对照）的10．1％、6．5％、2．3％、8．6％和5．3％,土壤侵蚀量分别为荒山的2．65％、0．96％、0．15％、2．32％和0．69％．5种人工林生态系统中,沙棘林的地表径流量和土壤侵蚀量最小,水土保持功能最佳．     

基于地形分析的黄土侵蚀沟综合治理模式

黄土侵蚀沟水土流失严重,采取何种综合治理模式直接影响黄土侵蚀沟的可持续发展。本文基于复杂开放系统观点,采用地形分析的制图方法,以山西省寿阳县三眼井小流域的两条典型黄土侵蚀沟为例,探索风化层雨洪调蓄规律,依此提出黄土侵蚀沟生态治理模式。实验表明,黄土侵蚀沟的蓄水场所主要是在风化层,治理黄土侵蚀沟的核心是将生境层和风化层有机结合;采用高分辨率影像叠加大比例尺地形图进行地形分析的方法,可以准确识别由不同尺度的蓄水盆地-岬组成的最小生态单元;依此风化层蓄水规律,通过合理配置植物材料,可以有效改善地表生境,从根本上治理黄土侵蚀沟。这一途径符合自然生态规律,从而实现生态健康的黄土侵蚀沟复合生态系统。     

生物滞留系统径流与水质调控效应研究进展

生物滞留系统作为应用最广泛的现代雨洪管理措施之一,能够有效减少地表径流量和峰值流量、延迟产流时间并改善径流水质。本文从生物滞留系统结构与分类、径流调控与水质净化机理和效益、径流调控与水质净化模拟模型、径流调控与水质净化效益影响因素等多个方面综述了国内外研究进展,并从生物滞留系统设计参数优化、基质和植物配置优化、植物和微生物作用机理、气候变化响应、流域/区域尺度径流与水质调控效应、特定和新型污染物净化机理、清理维护方法、全生命周期评价等方面提出了未来研究趋势和重点,以期为生物滞留系统径流与水质调控效应研究及生物滞留系统设计、建设和维护等提供理论和方法参考。