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)模拟表征地表微地形变化,以水文连通性和径流路径的空间响应为依据,分析不同典型水土保持措施的侵蚀阻控能力。结果表明: 1) 梯田措施能够有效降低坡面水文连通性并阻控径流路径;不同田坎形态下,水文连通性与径流路径的响应存在明显差异,径流路径的变化将改变坡面侵蚀-沉积空间分布特征,并导致局部侵蚀加剧;2) 植物缓冲带与等高耕作等措施对坡面径流路径的阻控作用有限,植物缓冲带措施的水土保持效益更多体现在对泥沙输移的调控上;3) 保护性耕作措施通过增大地表粗糙度,降低坡面水文连通性,从而改善坡面滞蓄径流的能力。本研究通过量化不同水土保持措施对水文连通性、径流路径及侵蚀-沉积空间分布的影响,可为黑土区水土保持措施优化配置提供理论参考。     

坡度和植被盖度对粉砂质河岸带坡面流侵蚀水动力特征的影响

揭示坡面水流水动力参数特征对于深入了解坡面土壤侵蚀的内在机制具有重要意义.本试验在黄河下游河岸带原生坡面上,采用野外模拟径流冲刷的方法,研究了4个坡度(5°、10°、15°、20°)和3个植被盖度(0%、15%、30%)在特定放水量(15 L·min^-1)条件下坡面薄层水流剥蚀土壤的水动力学过程,分析了径流剪应力(τ)、水流功率(ω)、径流能量(F)等水动力学参数的变化及其对坡度、植被盖度以及二者交互作用的响应差异.结果表明: 在坡度和植被盖度的影响下,τ、ω和F变化规律明显,坡度不变情况下,τ随着植被盖度的增加而增加,ω和F随着植被盖度的增加而减小;植被盖度不变情况下,τ、ω和F均随坡度的增加而增加.坡度小于10°时,坡度和植被盖度的变化对坡面土壤侵蚀的影响不明显;坡度大于10°时,相同坡度条件下植被盖度越大减蚀效果越明显,相同植被盖度下坡面侵蚀量随坡度的增大而增加.τ、ω均与土壤剥蚀率呈显著的线性关系,在土壤侵蚀发生时均存在临界剪应力和临界功率;F与土壤剥蚀率则呈现良好的对数关系.双因素方差分析表明,坡度和植被盖度对τ、ω和F的影响显著,两者的交互作用对ω影响显著,但对τ、F的影响不显著.     

水蚀风蚀交错区退耕坡面植被利用对产流产沙的影响

为有效利用水蚀风蚀交错区退耕封育坡面植被,确定合理的植被利用强度非常必要.本试验选取黄土高原水蚀风蚀交错区典型小流域——六道沟小流域为试验区,在多年退耕封育坡面布设径流小区,通过人工模拟降雨试验,研究植被地上部分在不同利用强度下各坡度(10°、20°和30°)坡面产流、产沙变化特征,以确定合理的利用强度. 结果表明: 次降雨过程中径流速率大体可分为两个阶段:初期迅速增长阶段和中后期增长变缓或趋于准稳定阶段.侵蚀速率的变化趋势因坡度的不同而略有差异.利用强度对产流量有显著影响,产流量随利用强度的加强而增加.坡度对侵蚀量影响显著,侵蚀量表现为20°坡面＞30°坡面＞10°坡面.以植被地上部分未利用小区为对照,相对增水量和相对增沙量均随利用强度加强而增加.结合降雨资料推测,退耕15年左右坡面植被地上部分盖度达到25%时,坡面年土壤侵蚀量基本低于容许土壤流失量.应重视该区20°坡面植被的恢复治理工作.     

黄土丘陵区坡面植被盖度及其配置格局的水蚀效应模拟

黄土高原因土壤侵蚀严重被视为生态脆弱地带,探讨植被盖度及其所处坡位对土壤侵蚀的响应,对坡面侵蚀产沙的预测和调控具有重要意义。基于WEPP模型情景模拟,分析了分布广泛、耐旱性强的长芒草和典型恢复灌木植被柠条在不同雨强(0.5、1.0、1.5 mm/min)、不同植被盖度(20%、40%、60%、80%)和不同坡位(坡上、坡中、坡下)条件下的土壤侵蚀变化情况,运用双因素方差分析和相关贡献指数阐明坡面侵蚀产沙特征对坡位和植被盖度交互作用的响应,并提出植被配置的优化模式。结果表明:(1)提高植被有效覆盖度是减小土壤侵蚀的重要举措,且当植被分布在下坡位时坡面土壤侵蚀最少;(2)植被盖度可以有效减少产沙量。小雨强时,柠条和长芒草随盖度增加对泥沙的拦截率分别从38%增加到90%,64%增加到96%;中、大雨强时,植被盖度小于20%或者大于80%时,长芒草坡面产沙量大于柠条坡面。盖度为40%—60%时,长芒草坡面产沙量小于柠条坡面;(3)双因素方差分析表明:坡位和植被盖度对坡面侵蚀产沙量有极显著的影响(P0.001);当植被是长芒草时,坡位和植被盖度交互作用对坡面侵蚀产沙有显著影响(P0.01),植被是柠条时,坡位和植被盖度交互作用对坡面侵蚀产沙作用不显著;(4)通过模拟柠条和长芒草不同配置情景得出:长芒草分布在坡面下部产沙量较小,且当柠条和长芒草配比为1∶2时产沙量最小。     

灌木斑块格局对产流及产沙过程的影响

研究景观斑块盖度和连通方式影响下坡面径流、输沙及其水动力学参量的变化规律,对于揭示坡面土壤侵蚀过程的水动力机制和水文连通性具有重要意义。本研究采用野外人工模拟降雨试验,分析灌木样地不同覆盖度水平(0%、20%、40%、60%、90%)和不同连通方式(竖路径、横路径、S路径、随机斑块路径)下坡面径流、输沙及其水动力学参量的变化。结果表明: 随灌木覆盖度增加,产流量和产沙量均呈指数递减趋势;覆盖度增加到60%以上时,灌木减水减沙能力趋于稳定。随灌木覆盖度增加,流速、径流深、雷诺数、弗劳德数、径流功率和径流剪切力显著降低,曼宁糙率系数和Darcy-Weisbach阻力系数显著增大;但当灌木覆盖度增加到60%以上时,水力学参数特征值变化无显著差异。4种连通方式的产流率大小依次为竖路径>S路径>横路径>随机斑块;产沙率表现为竖路径最大,S路径次之,横路径与随机斑块无显著差异。连通性差的路径(横路径、随机斑块路径)与连通性好的路径(竖路径、S路径)相比,表现出较强的水力传输阻力和较差的水力挟沙能力。研究灌木斑块不同覆盖度和不同组合方式对坡面产流产沙量和水动力参量的作用,阐明植被减水减沙的临界盖度和合理配置方式,可为黄土高原水土流失治理和黄河流域高质量发展提供重要的理论依据。     

黄河中下游典型河岸缓冲带植被格局时空动态

河岸缓冲带的植被结构特征是维持其多种生态服务发挥的重要因素。本研究以黄河中下游由丘陵向平原过渡区域的典型河岸缓冲带为研究对象,基于2003、2009和2015年Google Earth高分辨率遥感影像,通过景观格局分析、缓冲分析和回归分析,探讨研究区植被景观格局的时空动态及其驱动因子。结果表明,农田为黄河中下游典型河岸缓冲带景观基质,林地和草地呈逐年增加趋势,受黄河游荡和农业开垦种植与弃耕影响,水体和河漫滩相互转化频繁,农田与其他景观类型转化频率较高,林地的主要转化方向为草地、居民区和农田,草地的主要转化方向为农田和林地,不同时段植被变化的空间分布差异明显。研究区植被景观连通性较高,景观破碎化程度呈逐年增加趋势,景观斑块形状整体趋于复杂化,但不同植被类型存在差异,其中林地斑块的几何形状逐渐复杂,而草地斑块的几何形状逐渐规则,林地的空间连通性高于草地。草地和林地斑块沿居民区、河岸、沟渠、坑塘和道路缓冲具有明显的梯度分布特征,两者在2003—2015年的变化率受河岸和道路缓冲驱动较小,受居民区缓冲驱动显著,而对沟渠和坑塘的响应则存在差异,其中草地变化受沟渠驱动显著,林地变化受坑塘驱动显著。     

模拟降雨下植被盖度对坡面流水动力学特性的影响

通过模拟降雨实验的方法,分析研究了坡度10°和20°,降雨强度30mm/h和60mm/h条件下不同盖度黑麦草对坡面产流产沙的调控过程,并从雷诺数、弗劳德数和阻力系数三个方面对水流运动过程和黑麦草调控坡面流的水力学特性进行了剖析。研究结果表明:雷诺数随坡度增加而相对增大,随降雨强度增大有明显增大趋势。黑麦草覆盖能够明显减小坡面径流雷诺数,在各降雨强度和坡度条件下,雷诺数随黑麦草盖度增加而减小,雷诺数大小一般呈现:裸坡20%40%60%80%。黑麦草盖度对坡面流弗劳德数有显著影响,随着黑麦草盖度增加弗劳德数减小,并且弗劳德数随盖度变化为:裸地20%40%60%80%,坡面阻力系数与坡面产沙率有良好的拟合关系,随坡面阻力系数的增大,坡面产沙率呈对数减小,并且阻力系数在0—1时减小速率很大,阻力系数大于1以后减小曲线较为平缓。     

次降雨条件下坡度对坡面产流产沙的影响

以野外径流小区的次降雨产流产沙数据为基础,对不同次降雨条件下坡面产流产沙随坡度的变化规律进行研究.结果表明:降雨性质的差异对坡面产流随坡度而变化的影响较小,在研究区的6场次降雨中,坡面产流量随坡度的变化规律基本一致,坡面径流量均随坡度增大而增大,但坡面径流量随坡度增加而增加的趋势较弱,这主要由降雨量与入渗量之间的转化程度所决定;次降雨性质对不同坡度的坡面产沙规律有重要影响,一般情况下存在临界侵蚀坡度,但临界坡度不是唯一值,而是随着降雨特性的不同而不同,临界侵蚀坡度随径流量的增大而增大,临界坡度较大时,坡面产沙量随坡度变化而变化的趋势也往往较大.     

迁安三里河滨水缓冲带雨水径流及污染物消减效果与设计优化

滨水缓冲带在入河雨水径流消减及水质净化方面起着关键作用。以迁安三里河滨水缓冲带为研究对象,利用SCS-CN模型、地表径流人工模拟以及水体样品实地采集等方法,揭示了缓冲带的雨水径流消减及水质净化效果,并分析了地表特征对其的影响。研究结果:(1)对雨水径流的消减率可超过80%。前期土壤含水量越低、坡长越长、坡度越小,消减量越大。灌木比草坪、花卉、铺装的消减量大。(2)植被带对TP、TN、NH_3-N、COD和SS的消减率可分别达到85.35%、13.41%、68.32%、87.76%和98.5%。径流时长为60 min比30 min的水质净化效果好。草坪、花卉、高草、灌木对污染物的消减率高,砾石的消减率低。坡度从10°降低到5°,消减率可提升50%以上。坡长的增加对净化作用增加不显著。     

干旱半干旱区坡面覆被格局的水土流失效应研究进展

植被恢复与建设是控制水土流失的重要措施.在干旱半干旱地区,植被在空间上的分布呈现离散特征,在坡面上形成的裸地-植被镶嵌和植被条带分布等覆被格局对水土流失过程具有重要影响.覆被格局与水土流失关系研究是景观生态学格局与过程研究的重要内容.从植被斑块、坡面覆被格局对水土流失的影响与耦合覆被格局与水土流失的手段和方法三个方面对国内外相关研究进行总结分析.从中发现,植被类型、层次结构和形态特征是植被斑块尺度上影响径流泥沙的关键因素;不同覆被类型的产流产沙特征与覆被格局的准确描述是研究覆被格局水土流失效应的重要基础;坡面覆被格局对水土流失的影响关键在于其改变了径流泥沙运移和汇集的连续性,应重点关注径流泥沙源汇区的连通性和空间分布在水土流失中的作用;以坡面的精确覆被制图为基础,建立基于水土流失过程的覆被格局指数和耦合格局信息的径流与侵蚀模型是定量研究覆被格局影响的有效手段.今后应加强以下研究:以动态系统的观点研究覆被格局的变化对水土流失的影响,系统理解覆被格局与水土流失之间的相互联系与反馈机制,探讨两者间动态关系随尺度变化的规律性并发展尺度上推方法;构建过程意义明确且简单实用的格局指数,将覆被格局与水土流失过程有机联系起来;发展覆被格局的动态信息与产流产沙过程相结合的水文模型,加强对格局与径流泥沙反馈系统的耦合,建立真正意义上的覆被格局-水土流失过程耦合模型.     

河岸带生态系统植被与土壤对水文变化的响应研究进展

河岸带的植被与土壤是生态系统重要组成部分,对于维持河岸带的生态健康、生态系统服务与可持续性具有至关重要的作用。水文变化是河岸带生态系统的首要干扰因子,系统总结了水文变化对河岸带植被的特征以及植被形态、群落分布、繁殖、生存策略的影响,并阐述了河岸带水文和植被对土壤氮磷迁移转化的影响机制。根系作为土壤与植物地上部分之间物质、能量流动与信号传导的关键纽带,目前对根系的研究还较欠缺,需要加强水文变化对河岸带湿地植物根系形态、结构、功能特征的影响机理研究,以及湿地植物对水文变化的适应机制和耐受阈值方面的探究。在微观方面,应加强水文变化与植被等多因素耦合对土壤氮磷迁移转化过程的机理研究。河流形态和土壤的多样性决定着河岸带水文作用特征的复杂性,今后需注重河岸带个性特征与水文响应的关系研究。河岸带是横向的水陆生态过渡带和河流上下游的纵向生态廊道,亟需综合考虑和模拟流域土壤、植被与水文、人类活动之间的耦合关系,预测未来气候与社会经济情境下的河岸带生态系统演变规律,为河岸带生态系统的生态调节、生物多样性保护与生态恢复等提供理论依据与技术支撑。     

河岸带对陆地水体氮素输入的截流转化作用

氮素是陆地水体的重要污染物之一,相邻高地土壤中的氮素经非点源途径通过河岸带进入水体.河岸带是高地和水体之间的过渡带,健康的河岸带系统能够通过物理的、生物的和生物化学的过程,实现对氮素的截留转化.本文系统地介绍了氮素进入陆地水体的主要途径和河岸带对陆地水体氮素污染物截留转化的机制,并从河岸带水文过程、土壤特征、植被状况、人为活动等方面,论述了影响河岸带氮素截留转化作用的因素;在此基础上,对目前河岸带研究中存在的问题进行了讨论,并对我国开展河岸带的研究提出了建议.     

丹江口水库水滨带植物群落空间分布及环境解释

探讨了环境因素对丹江口水库(南水北调中线水源地)水滨带植物群落空间分布的影响。通过对水滨带植物群落和环境因素的实地调查,用双向指示种分析(TWINSPAN)对201个水滨带植物群落进行分类;结合地形、土壤和水文因素用除趋势典范对应分析法(DCCA)分析环境因素对水滨带植物群落的影响;并对环境因素的解释能力进行定量分离。结果表明:(1)水滨带植物群落包括7种类型,分别是萹蓄群落、苘麻群落、细叶水芹+狗牙根群落、狗牙根群落、响叶杨-狗牙根群落、杜梨-白刺花-狗牙根群落和侧柏-牡荆-三穗苔草群落;(2)海拔和水淹影响对水滨带植物群落空间分布具有主导作用。海拔升高,水淹影响减弱,植物群落呈现由草本植物群落向木本植物群落变化的格局;(3)土壤因素的解释能力大于地形因素,水文因素的解释能力最小。各类环境因素之间存在交互作用,地形、水文和土壤因素三者间的交互作用最大,地形和土壤因素之间的交互作用最小。环境因素共解释水滨带植物群落空间分布的21.99%,未解释部分为78.01%。结果证明环境对植被的解释能力是由植被的复杂程度决定的,植被越复杂,环境的解释能力越低。     

黄河三角洲刺槐群落土壤优先流及养分分布特征

黄河三角洲湿地面临严重的水资源短缺、湿地退化、土壤盐碱化等问题,湿地土壤干旱缺水,土壤收缩产生裂隙等优先流路径,在小尺度上改变湿地内部以及湿地板块之间水文连通性,小尺度水文效应往往制约大尺度水文连通性,基于当前社会对湿地修复的迫切需求,从小尺度对水文连通研究有必要加以重视。然而,目前的研究多集中在大尺度水文连通的阐述,为进一步明确黄河三角洲湿地小尺度水文连通和养分随优先流路径运移分布情况,以此区域典型刺槐群落为研究对象,基于室外染色示踪实验和室内图像处理技术,分析土壤优先流形态和分布特征,并探究优先流和土壤养分含量之间的关系。结果表明：（1）刺槐群落染色面积比随土壤深度变化主要包括2个阶段,第一阶段：优先流和基质流相互影响作用显著,第二阶段：优先流和基质流相互作用不显著,优先流强度逐渐增强,明显存在指流现象,极少部分管流现象。（2）刺槐群落染色面积比、基质流深度和百分之五十染色深度的数值较大,优先流区染色面积比较小,基质流深度发生在土壤深10-15 cm区间,该类型植被群落水流均匀入渗深度较大,优先流和基质流相互作用程度大,水文连通性较高。（3）优先流区土壤有机碳、有机质、全氮、全磷和有效磷含量值均高于基质流区;（4）土壤优先流区染色面积比与5种养分指标均呈负相关关系,有机碳、有机质和有效磷含量受优先流路径影响显著。（5）土壤中有机碳、有机质和有效磷含量在一定程度上可以衡量土壤优先流发育水平。研究结果可为黄河三角洲湿地生态系统保护和管理提供参考。     

鄱阳湖不同水文连通性子湖水生植被覆盖度对年际水位变化的响应

水位变化是影响水生植被生长的主控环境因子,研究其对不同水文管控模式子湖的水生植被覆盖度的影响具有重要的现实意义。本研究基于谷歌地球引擎(GEE)遥感云计算平台,以鄱阳湖自由连通子湖蚌湖、局部控制子湖大湖池为研究对象,采用像元二分法估算2000—2019年间水生植被生长期的植被覆盖度并分析其时空分异特征,运用Sen+M-K相结合的方法对其变化趋势进行模拟分析,构建水位波动参数集,分析研究期间水位变化特征,探讨不同水文连通性子湖各水文参数与水生植被覆盖面积的关系。结果表明: 蚌湖的水生植被覆盖度更易受水位变化的影响,大湖池更稳定。在植被覆盖度较低的年份,水生植被呈斑状零星分布,较高的年份则呈环带状分布,且植被覆盖度由湖心至湖岸逐渐升高。蚌湖的水生植被覆盖度更易受水位波动率的影响,而大湖池的水生植被覆盖度更易受17 m特征水位水淹时长的影响。19 m特征水位水淹时长与蚌湖和大湖池的水生植被覆盖度均有很强的负相关性。蚌湖的水生植被变化趋势以稳定不变或轻微改善为主,而大湖池的水生植被变化趋势以稳定不变或显著退化为主。本研究有助于进一步了解不同水文连通性湖泊的水文生态系统动力学的变化及其对生态系统结构和功能的影响,可为湖泊的管理和保护提供参考。     

黄河中下游典型河岸带土壤性质空间变异及其对环境的响应

土壤和植被作为河岸带生态系统服务维持的根基,其空间分布与变异对河岸带生态功能的发挥起着决定性作用.本研究以黄河中下游典型河段河岸带为研究对象,采用野外调查、实验分析与冗余分析(RDA)相结合的方法,研究了河岸带土壤理化性质空间分异特征及其对环境的响应.结果表明: 研究区土壤物理性质的横向梯度效应较为明显,随缓冲距离增大,土壤容重呈现先增后减的趋势,而土壤含水量呈相反趋势;不同缓冲区土壤的全磷(TP)、有效磷(AP)、全碳(TC)、有机碳(TOC)、全氮(TN)、铵态氮(NH₄⁺-N)和硝态氮(NO₃^--N)含量差异均不显著;不同植被类型(杨树人工林和柳树人工林)的土壤化学性质差异均不显著.相关性分析表明,研究区土壤TOC与TN、NO₃^--N含量均呈极显著正相关、与NH₄⁺-N含量显著正相关,土壤TC和TOC含量均与砂粒呈极显著负相关,与粘粒极显著正相关.RDA结果显示,土壤TOC和NH₄⁺-N含量随乔木层高度和盖度的增加而增加,土壤TP与NO₃^--N随乔木层树木胸径和草本层植物盖度的增加而增加,而NH₄⁺-N含量随海拔升高呈递增的趋势,说明黄河中下游河岸带土壤性质受群落结构和海拔梯度的影响显著.     

Riparian zone as a main determinant of the structure of lizard assemblages in upland Amazonian forests

The use of lizards as model organisms in ecological studies is based on their success in occupying a great diversity of habitats, and some species are closely tied to the environment, which is disadvantaged by the legislation of several countries concerning land use. Our aim was to relate lizard species distribution patterns in rainforest environments to variation in environmental gradients, and provide ecologically based metrics for establishing buffer zones around streams. Lizards were sampled three times in 41 standardised transects near Manaus, Brazil, only in dry season, with Time Limited Visual Search associated with raking through leaf litter. We recorded 20 species from 10 families and used non‐metric multidimensional scaling to reduce the dimensionality of quantitative and qualitative compositions of species. Multiple linear regression models indicated that the environmental gradients distance to nearest stream, extent of canopy openness, vegetation density and slope did not significantly influence assemblage species distribution, with an indication of effect of litter depth. By means of piecewise linear regression, the use of riparian zone was estimated at ~190 m from quantitative species composition and ~211 m from qualitative species composition. Five species occurred only in the riparian zone. Our results suggest that conservation of the entire riparian lizard assemblage in Amazonian rainforest is likely to require protection of at least a 211 m buffer on either side of streams.     

暴雨和缓冲带特征对城市滨水缓冲带雨洪消减与水质净化效果的影响机制

通过设置多组实验,模拟不同暴雨径流及缓冲带条件,对城市滨水缓冲带在不同暴雨雨型、历时、重现期、缓冲带坡度、植被覆盖度、初期冲刷等条件下的径流削减和水质净化作用进行研究。得出在不同实验条件下,滨水缓冲带的雨量动态径流系数结果在0.29—0.55之间。分析实验结果发现缓冲带对峰型靠前、历时较短、重现期短的暴雨径流削减效果更好,同时更平缓与植被覆盖度更高的缓冲带对径流的削减效果更佳。模拟实验显示,径流中不同污染物去除率范围分别为:SS为66.41%—90.29%、TN为44.48%—64.90%、NH_3-N为32.72%—63.68%、TP为89.83%—95.04%、COD为34.32%—66.23%。缓冲带的径流水质净化效果在应对不同暴雨雨型时未显示明显规律,而缓冲带对中高浓度径流污染物削减率更高能够应对较强的初期冲刷效应。同时更平缓与植被覆盖度更高缓冲带,即表流流速更缓慢时,显示出更好的径流净化效果。