植被格局对砒砂岩坡地降雨侵蚀的影响

为进一步研究砒砂岩区不同雨型下植被格局对坡面土壤侵蚀特征的影响,基于野外径流小区原位观测试验与景观生态学相结合的方法,通过对比分析不同坡面的植被斑块格局指数与产流产沙之间的相关关系,阐明植被格局对砒砂岩坡地降雨侵蚀的影响。结果表明:(1)该地区降雨可划分为3类,根据各植被坡面产流产沙能力,得出降雨侵蚀力表现为:雨型II(长历时、大雨量、大雨强) ＞ 雨型III(短历时、小雨量、中雨强) ＞ 雨型I(中历时、中雨量、小雨强)。降雨量和最大30min雨强与产流产沙量呈显著或极显著关系,相关系数0.695以上,是预测该区域水土流失的主要降雨因子。(2)各坡面水土保持能力与降雨类型有关,不同雨型下3种植被坡面减流减沙率分别达0.42%、20.8%以上,不同植被格局坡面减沙效益优于减流效益,3种植被坡面的减流能力为:雨型I ＞ 雨型III ＞ 雨型II。(3)3种植被坡面的径流泥沙模数由小到大依次为:均匀分布 ＜ 聚集分布 ＜ 随机分布,对比区域多年平均径流泥沙模数,3种植被坡面能够减少侵蚀达21.33%以上。(4)景观形状指数和分离度指数是影响坡面产流产沙的主要格局因子,相关系数分别达0.884和0.825以上。产流、产沙量与坡面植被斑块分离度呈显著正相关,与景观形状指数呈显著负相关。坡面产流量(Y₁)与斑块分离度(SPLIT)和景观形状指数(LSI)的关系式为Y₁=8.247SPLIT-6.605LSI+38.928,R²=0.905。以上结果表明植被斑块间的分离度越小,形状越复杂,坡面阻力增大,抗侵蚀能力越强。研究成果可为生态恢复过程中植被斑块格局的优化提供理论依据和数据支撑。     

生物结皮分布格局对坡面流水动力特征的影响

生物结皮的分布格局是影响坡面产流产沙的因素之一,但其格局对侵蚀动力的影响机理尚不明确,妨碍了进一步解析生物结皮影响坡面产流产沙的机制。本研究通过室内模拟降雨试验,采用景观生态学方法,对带状、棋盘和随机3种分布格局下生物结皮坡面景观指数和水力学参数的变化规律与裸土坡面进行对比研究。结果表明: 生物结皮显著影响坡面侵蚀动力,其分布格局是影响坡面侵蚀动力的因素之一。与裸土相比,生物结皮显著降低了坡面流速(54.6%)和弗劳德数(67.0%),显著增加了径流深(86.2%)和阻力系数(10.68倍),但对雷诺数和径流功率的影响较小;除径流深外,3种格局的生物结皮坡面的各水力学参数均存在显著差异,其中,随机格局对坡面侵蚀动力的影响最大。基于因子分析和聚类分析,筛选出斑块占景观面积比例、斑块密度、景观形状指数、斑块连结度和分离度5个指标作为描述生物结皮斑块分布特征的指标。其中,生物结皮斑块间的斑块连结度和分离度是影响坡面侵蚀动力的主要格局因子。随着生物结皮斑块间斑块连结度减小、分离度增大,坡面流速增加,阻力减小,坡面侵蚀加剧。     

模拟降雨条件下生物结皮坡面产流产沙对雨强的响应

生物结皮是黄土丘陵区退耕地广泛存在的地被物.本研究通过人工模拟降雨试验分析了雨强对生物结皮坡面产流产沙的影响.结果表明: 生物结皮坡面产流产沙随降雨历时的延长先增加、10~18 min趋于平稳.相对于裸土坡面,生物结皮显著延长了坡面初始产流时间,抑制了坡面产流产沙,可降低21%~78%的坡面径流量和77%~95%的产沙量.雨强主要通过影响生物结皮坡面径流而影响其产沙.随着雨强的增加,生物结皮坡面产流产沙与雨强的相关性出现了由不显著相关向显著相关的转折,雨强＞1.5 mm·min^-1时,生物结皮坡面的减流减沙作用随着雨强的增加而降低.本研究结果为降雨条件下生物结皮坡面产流产沙过程的模型模拟奠定了基础.     

基于黄土高原关键带类型的土地利用与年径流产沙关系空间分异研究

区域植被恢复改变了土地利用类型,从而有效控制了水土流失,但土地利用与水土流失关系的空间分异尚未明晰。整合了黄土高原坡面径流小区试验观测研究文献59篇和1121条年径流产沙记录,以8大关键带类型作为空间分层依据,采用地理探测器分析了土地利用与年径流产沙关系的空间分异。结果显示：撂荒地的年均径流量和产沙量最高分别为35.99 mm和4208.82 g/m²,撂荒地、裸地和耕地的产流产沙能力显著高于人工草地、林地、自然草地和灌丛,灌丛和林地的年均产沙量显著低于人工和自然草地（P<0.05）;除了撂荒地的年均产沙量在山地森林关键带最高（16240.40 g/m²）外,在丘陵沟壑农林草交错关键带的撂荒地年均径流产沙显著高于丘陵农业-草地关键带,丘陵沟壑农林草交错关键带和丘陵农业-草地关键带裸地、耕地的产流产沙能力较高,人工草地和灌丛年均产沙量显著高于其他关键带类型（P<0.05）;在山地森林关键带的林地年均径流量、径流系数和产沙量最低,分别为1.56 mm、0.41%和307.36 g/m²,而自然草地在各关键带类型都有较高的年均产流量和较低的年均产沙量;坡面径流小区的局地特征（如土地利用、面积、坡度、坡长）是影响年径流产沙关键带分异的首要因素,且存在多因子互作、非线性增强的关系。这些结果表明植被恢复能有效地保持水土,但是区域植被恢复时需要选择合适的类型,黄土丘陵沟壑区应首选自然草地、灌丛和林地。研究可为黄土高原区域植被恢复的优化配置提供科学依据。     

植被格局对土壤入渗和水沙过程影响的模拟试验研究

合理的植被格局能够提高土壤入渗性能和抗冲性,有效阻蚀减沙,平衡土壤保持与土壤水分保蓄二者关系,进而促进生态环境的改善。基于径流小区人工模拟降雨,研究了多种植被格局生物量密度（0、50%、100%）和分布方式（坡上分布、坡下分布、均匀分布）的土壤入渗、产流、产沙特征以及土壤储水量变化。结果表明：使用Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型模拟坡面入渗过程,Horton模型的拟合结果最优。不同植被格局产流率的变化趋势基本一致,大体可分为两个阶段：初期阶段迅速增长,中后期阶段增长变缓并逐渐趋于稳定状态。产沙率的变化趋势随植被格局的不同而略有差异。相较于产流过程,产沙过程变化剧烈、规律性差。总体而言,降低生物量密度能够增加降雨期间的径流量（从19.21 mm到25.44-38.09 mm再到51.79 mm）和侵蚀量（从118.97 g/m²到237.57-597.90 g/m²再到1400.29 g/m²）,土壤水分得到更好的保蓄。从植被分布方式的角度来看,均匀分布的植被格局有利于更好地控制土壤侵蚀和径流,却促进了土壤水分的消耗。坡下分布的植被格局,例如植被过滤带的形式,能够最好地同时控制水土流失和土壤耗水。权衡考虑水土流失防治与土壤水分消耗,建议采用适宜密度（本研究为110 g/m²）且集中分布在出口附近的植被格局。     

黄土丘陵区生物结皮空间分布的代表性景观指数

景观指数可量化表征生物结皮的分布特征,但景观指数存在数量众多、冗余度较高的问题。本研究以位于典型黄土丘陵区的陕西省吴起县合沟小流域不同分布格局的58个样方的生物结皮为对象,计算其15个常用景观格局指数,基于相关分析、因子分析和敏感性分析,筛选出可描述生物结皮景观格局、具有特定生态学意义的代表性景观指数,并以陕西省定边县杨井镇鹰窝山涧小流域退耕地不同盖度的生物结皮为例,检验所选景观格局指数的可靠性和合理性。结果表明: 15个景观指数中,10个指数之间具有显著相关关系,而边缘长度(TE)和边缘密度(ED)分别与斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、丛生度(CLUMPY)和散布与并列指数(IJI)无显著相关性。斑块占景观比例(PLAND)、ED、斑块连结度(COHESION)和分离度(SPLIT),分别从盖度、长度、连通度和破碎度方面描述了生物结皮空间分布特征,其代表的3个公因子在刻画生物结皮空间分布格局时累计贡献率达91.6%。本研究确定了可量化生物结皮空间分布复杂性的代表性景观指数,为研究生物结皮格局变化及其与生态过程的关系提供了理论依据。     

极端降雨下黄土高原草被沟坡浅层滑坡特征及其对产流产沙的影响

植被恢复作为黄土高原防治水土流失的重要措施,但极端降雨诱发的浅层滑坡在植被恢复的沟坡上频繁发生,影响流域的产流产沙过程。基于野外原位模拟降雨试验,在60 mm/h降雨强度下,研究草被沟坡浅层滑坡发生特征及其发生前后的产流产沙差异。结果表明：（1）极端降雨所诱发的草被沟坡上的浅层滑坡深度为14-36 cm,与自然强降雨所导致的浅层滑坡深度相贴合,均是低于50 cm。（2）植被根系与土壤容重、孔隙度等土壤性质显著相关（P<0.05）,致使滑坡面上、下层土壤物理性质差异显著（P<0.05）。由于土壤性质的差异,在极端降雨下滑坡面上层土壤水分更快达到饱和（饱和度>90%）,导致浅层滑坡的发生。（3）草被坡面浅层滑坡后的径流与产沙均显著增大（P<0.05）。三个小区的平均径流率在滑坡后增大了4.0-13.1倍,其平均含沙量和产沙率在滑坡后分别增大了9.9-54.9倍和70-841倍。研究结果有助于加深了解植被沟坡的侵蚀产沙机理,并为浅层滑坡防治提供科学依据。     

隧道工程对喀斯特槽谷区坡面产流及土壤侵蚀的影响

隧道工程导致地下水系统被破坏,但由此可能带来的土壤侵蚀却很少被涉猎。在重庆观音峡背斜隧道密集影响区和非隧道影响区的两个相邻小流域建立径流小区,基于高分辨率水文数据结合δD-H₂O、δ¹⁸O-H₂O同位素,对比两径流小区坡面、壤中产流规律和地表侵蚀产沙特征。结果表明,观测年内隧道影响区坡面产流对降雨响应更快,地表径流系数0.027,侵蚀模数16.68 t km^-2 a^-1;非隧道影响区地表径流系数0.013,侵蚀模数7.73 t km^-2 a^-1。相反,隧道影响区产生的壤中流产流系数仅为非隧道影响区的31%。对一场强降雨监测发现,两径流小区坡面流中δD-H₂O、δ¹⁸O-H₂O相似,但壤中流中却差异较大。用氢氧同位素混合模型分析得出隧道影响区坡面流、壤中流中降雨贡献率均大于非隧道影响区,侵蚀能力更强。这与土壤含水率减小和土壤结构的差异有关：隧道影响区土壤中粘粒的含量高于非隧道影响区,且出现上粘下松的异常土壤结构,使土壤下渗能力降低,地表径流增加。较小的土壤含水率与土壤粒径也有利于土壤搬运。研究为隧道工程导致的喀斯特区水土流失研究提供了基础数据,为喀斯特区水土流失防治和石漠化治理研究提供了新视角。     

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.     

黄土高原蓝藻和藓类生物结皮对草本植物多样性及生物量的影响

生物结皮在干旱和半干旱气候区占据了广阔的生态位,深刻影响草本植物的空间格局,但其影响程度和作用途径目前仍存有争议。分别以黄土高原风沙土和黄绵土上的蓝藻结皮和藓结皮为对象,以无结皮为对照,通过样方法调查并测定了生物结皮与无结皮样地中草本植物的多样性和生物量,继而结合灰色关联分析和结构方程模型,对比分析了两类生物结皮对草本植物多样性和生物量的影响程度及作用途径。结果表明：（1）风沙土上,无结皮样地的优势科为禾本科和菊科,蓝藻结皮样地的优势科为藜科,藓结皮样地的优势科为禾本科,而黄绵土上无结皮样地的优势科为菊科、禾本科和豆科,蓝藻结皮样地的优势科与无结皮相似,藓结皮样地的优势科为禾本科和菊科;（2）与无结皮相比,风沙土上蓝藻结皮和藓结皮样地中多年生草本的株数分别增加了30%和16%,而黄绵土上两类生物结皮样地中多年生草本株数则分别增加了44%和减少了46%;（3）与无结皮相比,风沙土上蓝藻结皮和藓结皮样地中草本植物的Patrick和Shannon指数分别降低了1.0、0.2和3.4、0.5;而黄绵土上蓝藻结皮和藓结皮样地中两种多样性指数分别降低了4.8、0.2和4.2、0.4;（4）风沙土上蓝藻结皮和藓结皮样地的草本植物生物量比无结皮减少了111.5 g/m²和145.0 g/m²,而在黄绵土上则分别减少了127.8 g/m²和172.2 g/m²;（5）灰色关联分析显示,土壤穿透阻力对草本植物的多样性影响最大（关联系数分别为0.960和0.996）,而NH₄⁺-N和NO₃^--N含量对草本植物的生物量影响最大（两种土壤上关联系数分别为0.727和0.752）。综上,黄土高原生物结皮显著降低了草本植物的多样性和生物量,其途径为通过增加土壤穿透阻力以降低草本植物的种子萌发几率并限制幼苗根系伸展,同时通过土壤氮竞争限制了草本植物生长。     

道路建设对西南地区景观格局的影响

为揭示西南地区道路建设对景观格局的影响,基于2015年土地覆被和道路数据,计算了研究区道路核密度与景观指数,在此基础上分析了道路建设的直接、间接和综合影响,探讨了影响的空间异质性和对不同土地覆被影响的特点,指出了各景观指数的适用性。结果表明：(1)道路建设使斑块密度增加,斑块离散化加剧,发生明显的破碎化趋势,同时道路核密度与PD、SHDI、SPLIT变化百分比呈显著正相关,与COHESION、CONTAG、PAFRAC呈显著负相关;(2)道路建设对景观指数的影响程度由大到小依次表现在：破碎化、斑块空间分布形态、聚集连通性,其中PD能很好的表征道路建设对景观破碎化的作用程度,SPLIT在识别破碎化程度高的区域更具优势;(3)不同景观指数具有不同适用性,PAFRAC适用于道路不发达区域,CONTAG适用于道路分布异质性较高的区域,DIVISION适用于人类活动强度不大的区域,COHESION、SPLIT适用于探究道路及伴随的人类活动共同作用的区域,PD、SHDI在探究道路的直接作用时适用性广泛;(4)探究不同土地覆被类型受道路建设的影响,林地优先选取PD、DIVISION;草地优先选取DI...     

三峡库区典型流域“源”“汇”景观格局时空变化对侵蚀产沙的影响

以三峡库区王家桥流域为研究对象,基于五期遥感影像(1995、2000、2005、2010和2015)提取流域景观格局,采用马尔科夫模型研究"源""汇"景观格局时空变化,并结合野外多年实测数据建立景观格局指数与产沙量之间的关系,分析景观格局对流域侵蚀产沙的影响。结果表明:1995—2015年,王家桥流域景观格局时空变化明显,呈破碎化发展趋势。"源"景观面积持续下降,"汇"景观面积持续增长。在降雨量时序曲线相似的条件下,斑块类型尺度的景观指数对侵蚀产沙量的解释能力高于景观尺度。斑块类型尺度,"源""汇"景观指数与径流输沙量的复相关系数分别为0.946和0.903,均显著相关。对于"源"景观而言,相似邻近百分比(PLADJ)与斑块结合度(COHESION)是影响流域侵蚀产沙的重要指标。径流输沙量与PLADJ和COHESION指数呈正相关关系,输沙量随指数的增大而增大。对于"汇"景观而言,斑块密度(PD)、边界密度(ED)、景观形状指数(LSI)是影响流域侵蚀产沙的重要指标,径流输沙量与PD和LSI呈负相关关系,输沙量随着指数的增大而减小。斑块类型尺度上,流域景观格局时空变化对泥沙输出影响显著。研究结果可为建立其他流域景观格局变化与土壤侵蚀响应关系提供参考。     

基于土地利用/覆被变化的流域景观格局与水沙响应关系研究

以黄河流域的2个典型流域为研究对象,借助GIS和Fragstats平台与长系列水沙数据,分析流域景观格局和水沙变化特征,并探讨景观指数与径流输沙的关系。结果表明:(1)两个流域优势景观类型为草地,1985—2010年间变化最大的景观类型分别为未利用土地(25a变幅为453.94 km~2)和耕地(25a变幅为52.85 km~2);(2)秃尾河流域景观均向规则、高连通和高度聚集的方向发展。孤山川控制流域内景观多样性和聚集度逐渐增加,整体向好。秃尾河流域景观稳定性指数高于孤山川流域,两流域草地和未利用土地地稳定性均呈增加趋势,而城乡工矿用地则相反。(3)流域年径流量和泥沙量均呈现逐年同步减小的趋势。秃尾河年径流量明显高于孤山川,但孤山川流域泥沙量与秃尾河流域相近。两流域径流泥沙相关关系显著,秃尾河流域相关系数(0.48)明显低于孤山川流域(0.85)。(4)景观指数与径流量、泥沙量呈显著线性相关,其中景观多样性相关的指数SHDI、SIDI、SHEI和SIEI均与径流呈极显著正相关,而泥沙仅与CONTAG、COHESION呈显著负相关。     

滦河流域景观格局变化对水沙过程的影响

以滦河流域为研究区域,基于SWAT模型模拟1976—2012年滦河流域的水沙过程,分析2000年京津风沙源治理项目实施前后流域产水产沙时空格局变化;研究1980—2010年流域景观格局变化特征,揭示景观格局变化的水沙响应;应用Spearman相关分析法分析流域景观格局变化对水沙过程的影响。结果表明:与20世纪80年代相比,2010年流域林地和建设用地增加,其他用地类型减小;流域景观集中程度提高、连通性变优、优势斑块显著、形状趋于规则、多样性减少、破碎化程度降低、景观类型向非均衡方向发展;流域年均地表径流减少9mm,产水量增加5.44mm,产沙减小1.59t/hm~2;地表径流减少区域占全流域89.32%,产水量增加区域占76.71%,产沙量减少区域占93.89%;地表径流、产水、产沙与林地面积呈负相关,产水与草地面积呈正相关,地表径流、产沙与农业用地面积呈正相关;地表径流、产水、产沙与景观形状、Shannon′s均匀度、景观分离度呈正相关,与蔓延度、最大斑块指数呈负相关;产水、产沙与斑块密度和Shannon′s多样性指数呈正相关;工程治理后,流域年均径流量与产沙量显著下降,产水产沙高值区显著缩小,产沙关键区域仍需治理。     

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...     

黄土区草本植被根系与土壤垂直侵蚀产沙关系研究

为了系统揭示植被根系对径流侵蚀产沙的影响,采用土钻法对草地植被根系分布特征进行系统调查,采用分层冲刷的方法对黄土高原草地土壤不同坡度、不同流量条件下的侵蚀产沙特征进行了研究。结果表明不同立地上的植被根系都表现出了随着土层深度增加而减少的趋势。分层冲刷的试验结果表明在土壤表层,植被根系对侵蚀产沙的影响是占主导地位的;而当土层超过一定深度后,根系的分布数量减少,不同流量和坡度下的深层土壤侵蚀产沙量明显增加,根系提高土壤抵抗径流侵蚀产沙的能力受到了限制。同时随着土层深度的不断加大,坡面上径流侵蚀的形态也在发生变化,逐渐从面蚀向细沟侵蚀发展。结合对草地植被根系生物量垂直分布特征的研究,证明土壤侵蚀产沙的这种变化是与草本植被根系的分布特征密切相关的。通过进一步分析植被根系分布特征和土壤垂直侵蚀产沙之间的联系,建立了草地植被根系生物量与土壤垂直侵蚀产沙特征之间的定量关系。     

模拟降雨条件下砾石含量对塿土工程堆积体坡面产流产沙的影响

为探究砾石含量对塿土堆积体坡面产流产沙的影响,采用室内人工模拟降雨试验,以土质坡面为对照,研究5种砾石含量(10%、20%、30%、40%、50%)堆积体坡面在不同降雨强度(1.0、1.5、2.0、2.5 mm·min^-1)下的产流产沙特征。结果表明:不同试验条件下的平均径流率在2.18～13.07 L·min^-1,不同雨强条件下平均径流率均在砾石含量10%(或20%)和50%时分别达到最大值与最小值;平均流速在0.06～0.22 m·s^-1,流速变化复杂,砾石含量越小,流速变幅越大,变异系数也越大,砾石含量10%时平均流速最大。砾石的存在可有效抑制产沙,最大减沙效益可达84.2%,雨强相较于砾石含量对平均产沙率的影响更大。偏相关分析表明,平均径流率、流速、产沙率均与砾石含量呈极显著负相关;平均产沙率与平均径流率、平均流速以及二者交互项均呈极显著线性函数关系,其中,与平均径流率的相关性最强。本研究可为塿土区工程堆积体水土流失治理和侵蚀模型的建立提供参考。