中国水土保持科学
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中国水土保持科学
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2023年 21卷 5期
刊出日期 2023-10-30
1
李红, 鲍玉海, 贺秀斌
水体浊度不同测量原理的对比分析
浊度是河流、湖泊、水库等水体水质检测的重要指标之一。浊度计作为浊度测量的常用仪器，测量原理多种，为在当前水质评价工作中获取水体的真实浊度。通过梳理浊度计测量水体浊度的原理，分析不同测量原理的优劣势。表明浊度计的测量原理分为透射式，散射式，透射散射式，其中散射式的具有多种入射角度。研究发现：1）就浊度计的光源而言，红外LED的稳定性和光学系统更稳定。2）透射式适用于>2 000 NTU的水体。90°散射式、后向散射式、表面散射式分别适用于浊度<2 000 NTU、10~4 000 NTU、0~1 000 NTU范围内的水体。透射散射式灵敏度高，但测量范围有一定的局限性。3）不同适用场景下，实验室式精度较高。现场在线式可连续监测，其测量精度仅次于实验室台式。便携式便于移动测量，但精度和量程也较小。通过总结不同测量原理浊度计的适用性，确定适用于不同水体浊度监测的方法与仪器，可为水质监测与评价提供参考。
2023 Vol. 21 (5): 1-8 [
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郭兴月, 王添, 程圣东, 李占斌, 张皎, 李鹏
基于分形理论的土地利用时空格局变化——以嘉陵江流域为例
土地利用影响流域水土流失状况，从分形理论的角度探讨土地利用的时空变化格局，为流域水土保持规划提供科学参考。基于分形理论，计算各土地利用类型分形维数和稳定性指数，分析面积转化情况和空间格局稳定性，阐明土地利用结构变化和演变转换规律。结果表明：1990—2020年间，耕地、草地面积减少，林地、水域、建设用地、未利用地面积增加；整体土地利用类型斑块数减少，平均斑块面积呈现上升趋势；耕地、林地、草地、水域和建设用地分形维数逐年增加，未利用地的分形维数为先减少后增加状态。在此期间，土地利用整体分形维数逐步上升，流域内部自相似性减弱，斑块形状向着不规则状态发展，多边形斑块嵌套结构复杂化，空间结构稳定性减少。
2023 Vol. 21 (5): 9-18 [
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19
侯文宁, 王海燕, 宁一泓, 邹佳何, 赵晗
三峡库区不同土地利用方式的土壤持水性能
为探究不同土地利用方式下的土壤持水性能及其影响因素，以重庆江津市笋溪河流域为对象，采用方差分析、相关分析和逐步回归分析研究园地、林地和耕地3种典型土地利用方式的土壤水分特征。结果表明：1）在20~40 cm土层中，土地利用方式对土壤密度、总孔隙度和非毛管孔隙度有显著影响（
P
<0.05），耕地的土壤密度显著高于林地，表现为耕地>园地>林地，总孔隙度、非毛管孔隙度则相反；2）0~40 cm土层中林地土壤饱和含水量、毛管持水量和田间持水量均值最大，土壤持水性能强弱表现为林地>园地>耕地；3）同一土地利用方式下，河流下段持水性能显著高于上段（
P
<0.05），表现为下段>中段>上段；4）在0~40 cm土层中，土壤持水性能与土壤密度呈显著负相关，与孔隙度和土壤通气度呈显著正相关（
P
<0.05），而与土壤容积含水量、有机质含量的相关性未达到显著水平（
P
>0.05）。研究结果对江津市土地利用规划具有一定意义，可为水土流失控制提供数据支撑。
2023 Vol. 21 (5): 19-28 [
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29
罗澜, 席源, 华仲臣, 姚林林, 姜桂英, 申凤敏, 刘芳, 刘世亮
河南省典型土壤类型及土地利用方式对土壤活性有机质及碳库管理指数的影响
基于河南省典型土壤类型和不同土地利用方式，研究其对土壤活性有机质和碳库管理指数变化影响特征，为河南省土壤的开发利用及可持续发展提供理论依据。结果表明：1）在褐土和潮土中，果园土壤有机质质量分数最高，分别比荒地高70.12%和29.04%。在砂姜黑土中，农田土壤有机质质量分数显著高于其他土地利用方式，为23.61 g/kg。2）在褐土中，果园利用方式有利于提高土壤低活性有机质（LLOM）和高活性有机质（HLOM）质量分数，但荒地土壤的总活性有机质占总有机质的比例高达67.79%；在砂姜黑土和潮土中，农田利用方式显著提高土壤各活性有机质的质量分数，其总活性有机质的比例分别为48.66%和41.08%。3）不同土壤类型下，农田土壤的碳库指数（CPI）数值均>1。在褐土中，菜地利用方式有利于LLOM和中活性有机质（MLOM）的土壤碳库管理指数（CPMI）的提高，分别为95、137。在砂姜黑土和潮土中，农田利用方式有助于土壤各活性有机质的CPMI的增高，值的范围分别为183~202和154~171。土地利用方式和土壤类型×土地利用方式互作均对土壤各活性有机质和碳库管理指数的影响达到极显著水平。综上，在褐土中，果园利用方式提高土壤LLOM和HLOM含量效果最佳；在砂姜黑土和潮土中，农田利用方式有助于提高土壤各活性有机质质量分数。土地利用方式及土壤类型×土地利用方式互作对土壤总有机质、各活性有机质和碳库管理指数均产生极显著的影响。
2023 Vol. 21 (5): 29-37 [
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38
郭玉超, 任鸿瑞
青藏高原干旱荒漠地区叶面积指数时空变化及影响因素
探索青藏高原干旱荒漠地区植被生长状况及其影响因素，以期为该地区生态环境治理、可持续发展及环境保护提供参考。基于GLASS LAI数据，辅助气候、地形、社会等因子，采用最大值合成法、趋势分析法、变异系数法与偏相关分析法，分析1981—2018年青藏高原干旱荒漠地区植被叶面积指数（LAI）时空变化格局。结果表明：1）植被LAI在这38 a间呈显著增加趋势（
P
<0.05），有64.85%的区域趋于增长，35.15%的区域趋于退化；2）不同海拔区间植被LAI变化特征有所差异，海拔≤2 000 m呈不显著降低趋势（
P
>0.05），海拔>2 000 m均呈显著增加趋势（
P
<0.05），其波动程度在海拔>6 000 m及海拔≤2 000 m区间更高；3）植被LAI与气温、降水呈正相关区域所占比例分别为63.93%和52.72%，其中通过显著性检验区域比例分别为11.56%和4.45%，气温与降水相比对植被LAI变化影响更为显著。1981—2018年间，研究区气候逐渐向暖湿化方向转变，对植被生长产生积极影响。经济发展、人口数量上升给该区植被覆盖带来一定负面影响，体现在土地利用变化上主要显示为草地退化、未利用土地扩张的特征。
2023 Vol. 21 (5): 38-50 [
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张亚丽, 田义超, 王栋华
基于机器学习算法的喀斯特峰丛洼地石漠化程度评估
喀斯特石漠化区域水土流失严重，生态环境脆弱。准确定量评估喀斯特区域石漠化程度，对水土流失防治和生态环境治理具有重要的意义。基于遥感数据、气象数据和野外调查等数据，结合特征选择方法和优化算法对支持向量机参数优化，采用最佳模型评估桂西南峰丛洼地流域的石漠化程度。结果表明：Boruta构建的特征集具有最佳的降维效果和最高的拟合精度，裸岩率和植被覆盖度在石漠化程度评估中贡献率较高，其次是坡度；优化算法可以有效辅助支持向量机的超参数调优，混合评估模型的总体精度均达到93%，Kappa系数均达到0.90。其中，萤火虫优化算法、粒子群和万有引力搜索优化的支持向量机模型具有较高的评估精度和运行效率，适合应用于大区域的石漠化程度评估；研究初期（2001—2010年）重度石漠化、极重度石漠化呈现出大面积连片分布，后期（2010—2020年）由于国家石漠化治理效果显著，极重度石漠化呈局部零星分布，该流域内石漠化呈改善的趋势。本研究有效地提高了石漠化程度分类准确性，为大范围的石漠化程度监测提供新的思路和方法。
2023 Vol. 21 (5): 51-61 [
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刘佳琪, 闫烨琛, 杨建英, 王美琪
大清河流域山丘区大兰小流域立地分类与评价
为推进"十四五"规划对于白洋淀大清河流域综合治理的实施，以大清河流域上游的大兰小流域为研究对象，通过野外调查和室内试验，选取地形、土壤等8个立地因子，采用相关性分析、主成分分析和ArcGIS叠置分析等方法，筛选出影响立地类型划分的主导因子，划分并制作立地类型图；利用均方差与层次分析法相结合确定指标权重，利用克里金插值将单指标样点数据由点及面，经模糊隶属度对栅格数据标准化后，指标权重叠加形成立地质量等级图。结果表明： 1）海拔、坡度、坡向和土壤类型为主导立地因子； 2）大兰小流域共划分26种立地类型，以丘陵缓阳坡褐土立地类型为主，占16.37%； 3）小流域内无"优"等级立地类型，"良"等级占50.47%，"中"等级占48.48%；"差"等级占1.05%。在"适地适树"原则下营造水源涵养林时，应重视立地类型划分和质量评价，针对不同类型和质量的立地选取适宜的造林树种及空间配置方案，提高林地生产力。
2023 Vol. 21 (5): 62-70 [
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亢晨波, 郭汉清, 张垚, 刘洋
复垦区不同土地利用类型土壤入渗特征及其影响因素
为揭示复垦区不同土地利用类型土壤入渗特征差异及其影响因素，采用环刀法测定不同土地利用类型土壤水分入渗过程，并分析土壤孔隙状况、机械组成、水稳性团聚体和有机质含量等与入渗性能的相关性。结果表明：1）初渗速率和稳渗速率均表现为杨树林>紫穗槐林>复垦耕地>草地，且同一土地利用类型下土壤入渗速率均随土层厚度增加而降低；2）对土壤入渗过程的拟合得出通用经验方程是描述该区域土壤入渗过程的最佳模型，决定系数在0.961~0.996之间；Pearson相关分析法表明土壤初渗速率和稳渗速率均与土壤密度呈极显著负相关（
P
<0.01），入渗速率与总孔隙度和有机质含量均呈显著正相关关系（
P
<0.05）；3）主成分分析表明土壤水稳性团聚体、孔隙度、机械组成和有机质含量是影响该复垦区土壤渗透性的4个主要因子，四者累积贡献率为87.760%。
2023 Vol. 21 (5): 71-80 [
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81
阳祥, 金强, 李先德, 刘旭阳, 尹晓雷, 王维奇, 张永勋
茶园管理模式对土壤团聚体稳定性与碳氮含量的影响
为了分析不同茶园管理模式对土壤团聚体稳定性及碳、氮含量的影响，选取福建安溪铁观音茶园土壤为研究对象，设置常规管理模式茶园（M1）、间作套种模式茶园（M2）和常规管理配套现代技术模式茶园（M3）3种处理，采集3种茶园管理模式下0~30 cm土样，利用湿筛法获得4种粒级的土壤团聚体，通过平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和分形维数（
D
）来表示团聚体的稳定性，并对土壤碳、氮含量进行测定。结果表明：1）M1、M2和M3模式均以>0.25 mm粒级土壤团聚体为主；2）土壤团聚体稳定性综合表现为M1>M2>M3；3）分形维数
D
与MWD、GMD之间呈显著负相关（
P
<0.01），而土壤pH值与土壤团聚体稳定性参数MWD、GMD呈显著正相关，与
D
呈显著负相关（
P
<0.01）；4）冗余分析表明，不同茶园管理模式下土壤团聚体稳定性主要受土壤pH值的影响。综上，不同管理模式下茶园土壤团聚体稳定性特征存在显著差异。管理模式通过改变茶园土壤的理化性质进一步调节着土壤团聚体分布及其稳定性。
2023 Vol. 21 (5): 81-89 [
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90
黄辉, 郑昌玲, 张劲松, 孟平
太行山南麓蒸发皿蒸发量的变化特征及影响因子——以济源站为例
蒸发皿蒸发量（PE）是估算陆地蒸发量及农业水资源管理的重要参数之一。太行山南麓是我国黄河重点生态区的重要组分，研究该区域蒸发皿蒸发量的变化特征及影响因子对我国林业生态工程建设及维护我国黄河流域生态安全具有重要意义。依托河南黄河小浪底地球关键带国家野外科学观测研究站、黄河小浪底森林生态系统定位研究站，以太行山南麓济源市为研究区，基于近34 a逐日气象资料，分析该地区气象要素及蒸发皿蒸发量的变化特征，通过多元回归分析蒸发皿蒸发量的影响因子。结果表明：济源市气候变化趋势整体为趋于暖湿化，升温变化率为-1.966 mm/a春夏季增温幅度高于秋冬季。该地区蒸发皿蒸发量存在明显的"蒸发悖论"现象，整体变化呈下降趋势，变化率为0.041℃/a。春季PE为增加趋势，其余季节为下降趋势，并且秋冬季PE下降趋势比夏季显著。PE在2002—2003年左右发生显著性的突变，发生突变年份前后2个时段PE均表现为在冬季略有下降，从全年尺度来看突变前后2个时段PE均表现为增加趋势，且发生突变后增加速率高于发生突变前。气温日较差减小是近34 a济源PE下降的主要原因。蒸发的能量供给（温度条件）是济源蒸发主要的限制性因素，在冬春季节水汽输送条件（饱和差、风速、日照时间等）也对蒸发有协同影响。
2023 Vol. 21 (5): 90-98 [
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许庭毓, 牛香, 王兵, 宋庆丰, 王南, 孙建军, 刘儒
不同土壤水分条件下杉木种源树干液流特征对气象因子的响应
为研究不同种源杉木（
Cuninghamia lanceolata
）树干液流变化对不同土壤水分条件及气象因子的响应差异。在2021年3月初—7月末，运用Granier热扩散边材树干液流探针对杉木进行树干液流观测，通过AZS-100TDR土壤水分仪测量土壤水分的动态，并同步监测总辐射、空气温度、空气相对湿度、降雨量等气象因子，采用饱和指数曲线分别对液流密度、总辐射和空气水汽压亏缺进行拟合，分析大岗山不同种源杉木树干液流特征对气象因子及土壤水分动态的响应。结果表明：不同杉木种源树干液流日变化随总辐射和空气水汽压亏缺呈现明显的昼高夜低的变化规律，且差异显著（
P
<0.01），其中来自江西铜鼓的种源树干液流密度最高。土壤含水量相对充足时期（RSP）树干液流密度峰值高于土壤含水量相对亏缺时期（RDP），来自江西修水的种源在2种水分条件下液流密度变化幅度最小且液流密度最低，适合在水分条件差的区域种植。不同种源树干液流密度在2个时期对气象因子的拟合方程表明，在RSP液流密度上升的速率高于RDP，RSP影响树干液流的主要因子是饱和水汽压差，RDP饱和水汽压差影响树干液流的因子是总辐射。该研究揭示不同种源的抗旱特性及对干旱的响应机制，可为我国南方不同地区杉木人工林的可持续经营和林地水资源的有效管理提供科学参考。
2023 Vol. 21 (5): 99-105 [
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106
罗志东
水土保持信息系统管理机制模式构建
信息系统管理机制是保障系统建设与应用的关键举措，涉及到信息系统全生命周期。针对当前水土保持信息系统管理机制模式研究较少、不能有效指导系统建设应用和效益持续发挥的问题，围绕水土保持信息系统需求、建设、应用和运维的全生命周期，按照行业管理部门的管理措施与技术部门的技术手段2个方向，划分"主导"和"参与"2种功能定位，研究信息系统管理机制构建的"四环节+两融合"整体框架体系，并针对4个相应管理环节，提出管理主导、双向交互、变更决策、确认移交、责任管理、约束激励、经费保障、用户反馈、服务体验等9方面的具体管理机制模式措施，以期为水土保持行业管理部门以及相关技术支撑部门开展信息系统开发建设与应用提供借鉴参考。
2023 Vol. 21 (5): 106-110 [
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刘金鹏, 陈豫津
矿山项目补充开展水土保持监测的技术分析
许多矿山项目由于生产周期长、建设过程复杂，补充开展水土保持监测工作尤其困难。其中，合理进行水土保持监测历史数据补充工作是提高矿山水土保持监测工作质量的关键问题。以有30多年开采历史的甘肃省某铅锌矿为研究对象，通过查阅建设资料、现状测量、咨询矿山老职工、补充1990—2019年期间的历史遥感影像数据，采用SL 773—2018《生产建设项目土壤流失测算导则》中的计算方法，完成矿山水土保持监测工作。结果表明：1）矿山尾矿库占地在逐年增大，其他区域占地面积的变化主要与建设进度相关，并在2006年实现井下开采后趋于稳定；2）矿山总挖土石方2 473.03万m
3
，总填土石方205.03万m
3
，弃土石方2 258.0万m
3
；3）建设期内重点土壤流失区域为运输公路区，土壤流失量为2 197 t，占总流失量的42.76%；运行期重点土壤流失区域为露天采坑区，土壤流失量为6万418 t，占总流失量的85.74%；4）生产建设期内各分区平均侵蚀模数由3 494 t/（km
2
·a）逐渐降低为193 t/（km
2
·a），水土保持措施效果显著。研究认为补充监测工作首要环节是准确调查矿山建设生产过程中的重要时间节点，重点是分析各建设时段内扰动土地面积的变化，难点是土壤流失测算。研究提出基本的水土保持监测费用基价制度、补充监测报告应按年度或者具有显著变化特征的时段进行、结合实际情况灵活运用测算方法等建议。
2023 Vol. 21 (5): 111-119 [
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赵莹, 王光辉, 任建锋, 杜文贞, 邱浩
基于无人机可见光及多光谱数据的林草覆盖率提取方法研究
为了高效、准确地监测生产建设项目林草覆盖率指标，在山东省东营市建立典型样区，采用无人机搭载相同光谱分辨率的可见光和多光谱相机分别获取可见光、多光谱影像，建立16种植被指数（多光谱8种、可见光8种）。采用阈值法、支持向量机法计算林草覆盖率，并用混淆矩阵对结果精度进行对比，筛选出最优植被指数和分类方法。研究表明：1）8种多光谱植被指数和3种可见光植被指数识别精度>90%，Kappa系数>0.90，以上11种植被指数可满足实际水土保持监测需求。2）多光谱植被指数提取植被信息分类方法中，GRVI、SAVI、GNDVI、NDRE可用支持向量机法，RENDVI、EVI2、NDVI、OSAVI可用阈值法，可见光植被指数R、G、EXG可用阈值法。3）在正常状况下，多光谱和可见光植被指数获得较好的植被信息识别效果，但在有阴影存在情况下，单波段可见光R、G有错分现象。4）多光谱植被指数相比于可见光植被指数，具有更好的适用性和稳定性。
2023 Vol. 21 (5): 120-128 [
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129
潘天森, 赵明全, 郭天雷, 黄幼, 邓羽松, 黄钰涵
短轮伐期桉树人工林土壤入渗过程模拟与变化特征
中国南亚热带地区桉树种植面积广且轮伐期短，研究短轮伐期内土壤入渗能力的变化对探究水文循环与水土保持效益具有重要意义。以广西东门国有林场桉树人工林为研究对象，据轮伐期选择4个不同林龄（1、2、3和5 a）的尾巨桉第一代植苗林，测量3个土层（0~20、20~40和40~60 cm）的土壤理化性质和入渗过程。结果表明：1）随林龄的增大，在0~20、20~40 cm土层，入渗能力呈"降低—升高—降低"的规律变化；而在40~60 cm土层呈"升高—降低—升高"的规律变化。2）初始入渗率、稳定入渗率以及累积入渗量均与土层深度、土壤密度呈极显著负相关（
P
<0.01），与孔隙度和有机质呈极显著正相关（
P
<0.01）。3）Horton模型和通用经验模型对桉树人工林的土壤入渗过程拟合较好。综上，短轮伐期内尾巨桉人工林土壤孔隙度、密度和有机质含量变化导致浅层土壤（0~20 cm）的入渗能力整体降低，深层土壤（20~40、40~60 cm）的入渗能力整体升高。
2023 Vol. 21 (5): 129-137 [
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138
刘元生, 陈祖拥, 刘方, 卜通达, 杨丽
白云岩砂改良煤矸石基质对黑麦草生长及重金属淋溶影响
煤矸石是煤炭生产过程中产生的固体废弃物。植被恢复是减少煤矸石堆场重金属淋溶迁移的主要途径，而露天煤矸石基质改良是植被恢复的基础。通过盆栽和野外堆场小区黑麦草种植试验以及淋溶试验，探究白云岩砂改良煤矸石基质对黑麦草生长和重金属淋溶的调控效应。结果表明：在添加10%~30%白云岩砂的煤矸石基质上黑麦草的地上部生物量和叶绿素含量均出现显著的增加，黑麦草植株对氮和磷的吸收量也明显的增加。同时，添加10%~30%白云岩砂的煤矸石基质中有效态Mn、Cd和Zn质量分数均出现显著性降低，且煤矸石基质渗透水中Fe、Mn、Cd和Zn质量分数也出现显著性的下降；特别是煤矸石中添加20%~30%白云岩砂时，煤矸石基质中有效态Fe和Mn质量分数及其渗透水Fe和Mn质量浓度均出现明显的降低。在煤矸石中添加适量白云岩砂有利于降低煤矸石基质中重金属的生物有效性和水溶态重金属的质量浓度，从而明显减少煤矸石基质中Fe、Mn淋溶迁移对水环境质量的影响。
2023 Vol. 21 (5): 138-145 [
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史明昌, 赵永军
新时代水土保持监测技术体系
近年来我国水土保持事业取得长足发展，重要原因就是监测成果在政府决策、经济社会发展和社会公众服务方面发挥了日益重要的作用，为水土保持规划、设计、实施和效益评价提供了重要支撑。随着我国经济社会的发展，水土流失的形式、危害程度、治理难度、社会需求以及水土保持的工作重点发生了新的变化，水土保持监测也应随着社会变化逐步深入和拓展。围绕水土保持支撑美丽中国和生态文明建设的重大需求，剖析经济社会不断发展带来的水土保持工作新要求，分析水土保持监测现状和问题，提出新时代水土保持监测的目标和任务：1）以往高强度水土流失治理模式难以为继，应结合关键节点和路径形成精准化、定量化、全过程的监测，通过流域治理措施的科学布局为区域功能和产业发展提供支撑；2）水土流失监测应重点解决水土保持功能靶向治理、监测数据为经济社会高质量发展提供保障、针对不同生产建设项目制订相应标准等；3）建议从水土保持监测大数据云服务平台组成体系及业务逻辑、依据全国土壤侵蚀类型布局建设监测站网、从地表侵蚀过程机理出发构建侵蚀综合模型和水土流失地理影响因子大数据智能化标准化获取方法修正与改进4个焦点技术构建未来水土保持监测框架体系；4）从设立水土流失动态监测大数据平台、依据监测成果为生态文明建设提供服务支撑和新时代水土保持监测人才培养和成果推广3方面，提高监测管理与应用服务质量。此文明确现阶段水土流失治理工作的局限性，提出未来水土保持监测工作的路径，推动实现"从治理现象转向治理根源"。
2023 Vol. 21 (5): 146-154 [
摘要
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