为了研究淤地坝对流域径流过程的影响,阐明淤地坝的减蚀机制,以淤地坝系布设完整的黄土高原丘陵沟壑区第一副区典型流域为研究对象。首先,从表观上分析水土保持措施对径流系数、输沙模数和流域滞时的影响,发现韭园沟、王茂沟、想她沟较未治理的裴家峁、李家寨、团园沟径流系数分别减少了29.43%、34.63%、16.78%,输沙模数分别减少了28.09%、67.75%、27.75%;其次,通过构建单位过流量的概念,分析淤地坝淤积对沟道过流能力的影响,淤地坝淤积降低了沟道的过流能力,淤积沟道的单位过流量降为未淤积沟道的40%;最后,借助图论理论,定义沟道汇聚节点、沟道障碍性节点(淤地坝)以及沟道特征变换点3 类沟道节点,并将沟道障碍性节点依据其放水建筑物类别划分为强连通性结点、弱连通性结点、无连通性结点3个子类。对每类节点赋予权重,计算出整个王茂沟流域的权重值(0.21),经过和实测的洪峰流量拟合,发现权重值和洪峰流量之间有较好相关性。研究结果对分析淤地坝等水土保持措施对流域水文过程的影响有一定意义。

地势起伏度的研究对中小尺度流域的滑坡、泥石流等地质灾害的敏感性分析和危险性评价具有重要的理论意义和实际应用价值。以山洪地质灾害频发的望谟河流域为研究区,基于ArcGIS 平台以望谟河流域1颐1万的DEM为基础数据,采用窗口分析法和均值变点分析法,利用Python 模块编程自动提取和计算望谟河流域地势起伏度的最佳统计单元,并对望谟河流域的地势起伏度进行分析。结果表明:望谟河流域地势起伏度最佳统计单元的面积是1.49 km² ,地势起伏度在0~648.23 m 之间;中部河网密集区起伏度大,流域边缘起伏度小;流域地貌属于小起伏山地,以切割高地和切割山地为主,土壤侵蚀较严重。

坡耕地水土流失是土壤侵蚀最为突出的问题。为了研究坡耕地在作物不同生长期内降水土壤水分入渗性能,选取大豆(Glycine max L. )的初花期(R₁ )、末花期(R₂ )、结荚期(R₄)、始粒期(R₅)的坡耕地为研究对象,并以裸坡为对照(CK),通过人工模拟降雨实验方法,分析其入渗过程及特征,并用Horton 和Kostiakov 入渗模型对入渗过程模拟。结果表明:不同降雨强度和坡度条件下,大豆各生长期的坡地与裸坡的初始入渗率、稳定入渗率、累计入渗量和入渗补给系数总体呈现出R5 > R4 > R2 > R1 > CK 的变化趋势;采用的Horton 和Kostiakov 2 个入渗模型拟合效果较好,且能反映大豆坡耕地在不同生长期的降水入渗过程及其特征,二者的拟合优度都比较高,其中Horton 模型的拟合效果优于Kostiakov 模型。

以东洞庭湖湿地为研究对象,研究东洞庭湖湿地各类土壤的发育情况、剖面特征、理化性质以及养分的空间分布随地下水埋深度的增加而变化的规律。结果表明:1)随地下水埋深度的加深,土壤发育加深,表下层厚度增加,潜育层加深,土壤类型分布为草甸土—潮土。2)土壤的土粒密度大,平均值为2.78 g/ cm³ ,土壤密度变化范围为0.71 ~1.41 g/ cm³ 。3)土壤有机质质量分数范围为1.78% ~5.07%,土壤表层有机质质量分数的分布规律随水埋深度的加深而减小,表下层土壤的有机质质量分数基本一致,在垂直方向上有机质质量分数随土壤剖面深度的增加而降低。4)土壤全P 的质量分数随水埋深度的增加而增加,在垂直方向上表层土壤的全P质量分数高于下层土壤;土壤全K 质量分数较高,随着水埋深度的加深而减小,在垂直方向上全K质量分数没有显著变化。5)土壤中Ca、Mg 元素随着水埋深度的变化没有规律性,其中水埋深度最浅的草甸土Ca、Mg 元素质量分数最高,其他样点剖面差异不大。

采用空间代替时间的方法,利用CI-110 冠层分析仪研究退化喀斯特森林不同恢复演替阶段(灌木林阶段、灌乔林阶段、乔木林阶段和顶极群落阶段)的森林群落冠层结构特征及其动态变化。结果表明:1)在不同恢复演替阶段的森林群落冠层结构变化中,叶面积指数变化范围为1.56 ~2.92,其值的变化规律是从灌木阶段到顶极群落阶段,先减小后增大,但只有乔木林阶段与其他几个阶段达到差异极显著水平; 2)在不同恢复演替阶段的平均叶倾角变化差异均不显著; 3)冠层空隙度的变化中,灌木林阶段、灌乔林阶段和顶极群落阶段的变化差异均不显著,乔木林阶段的值最大,与其他几个阶段的变化差异达到极显著水平; 4)对几个冠层结构指标进行相关性分析,叶面积指数与冠层空隙度之间存在着极显著的负相关关系。

将土壤呼吸分为土壤微生物呼吸、纯根呼吸和根际微生物呼吸的研究对定量评价陆地生态系统地下碳平衡具有重要的意义。理论上,自然¹³C丰度法是区分林木根源呼吸组分的最佳方法,但目前却难以将其应用于野外实践。本研究以黄河小浪底刺槐人工林为研究对象,利用自然¹³C丰度法对该人工林纯根呼吸和根际微生物呼吸进行区分,分析不同月份纯根呼吸和根际微生物呼吸在土壤呼吸中所占比例的变化,讨论环境因子对区分纯根呼吸和根际微生物呼吸研究的影响。结果表明:7、8 和9 月植物旺盛生长季,纯根呼吸占根源呼吸的比例分别为43%、52%和27%;根际微生物呼吸占根源呼吸的比例分别为57%、48% 和73%;土壤温度和电导率对纯根呼吸和根际微生物呼吸占土壤呼吸比例及其标准偏差(SD)有一定影响。

在水土流失地区,通过水土流失综合治理可以明显提高土地生产力和增加农民的收入,从而提高小流域环境人口容量。长江上游水土流失重点防治工程是我国开展的最大规模的长江流域水土流失综合治理工程,对提高当地生态环境和人口容量有显著的作用。以已竣工的“长治“四期工程为例,利用系统聚类方法将研究区的72个小流域划分为6 种类型;分别以价值消费和粮食消费作为人口容量的计算标准,得出了四川省72 个小流域治理前后的环境人口容量变化;同时分析了单位面积的治理投资规模与单位面积环境人口容量变化的关系。结果表明:研究区治理后的72 个小流域环境人口容量均有显著增加;同一治理投资水平下,人口密度高、单位面积粮食产量高的小流域,其单位面积环境人口容量增加量最为显著。以第3 类小流域进行投资分析表明:“长治"四期工程的环境人口容量增加的最佳治理投资规模为11 万~12 万元/ km2 左右,按2013 年投资水平计算,“一期冶与“四期冶工程的最佳治理投资规模相近,均为31.5 万元/ km2 左右。

以我国北方土石山区的淮河流域为研究对象,采用水土流失主导因子空间分析和水土保持主导生态功能评价的方法,提出淮河流域水土保持监测分区。结果表明: 1)将淮河流域水土保持监测分区划分为7个一级监测区(水土流失类型监测区)和15个二级监测区(水土保持功能监测区),阐明淮河流域水土保持监测的主要生态功能及空间分布格局; 2)淮河流域水土保持监测的主导生态功能包括水源涵养、土壤保持、农田防护、防风固沙4方面,不同功能监测区面积表现为农田防护区(占流域面积的61.0%) > 土壤保持区(占26.4%) > 水源涵养区(占7.3%) > 防风固沙区(占5.3%)。

漓江是著名的旅游胜地同时也是泄洪重要河流。为了保护漓江行洪安全并维护自然景观,漓江两岸布设了多种护岸措施。本文结合实地踏查和影像资料,对漓江桂林—阳朔段沿线的护岸措施进行详查,并在汇总各项措施的基础上,对现有护岸型式进行类型划分;然后,选择工程措施浆砌、工程措施石笼、植物措施和综合措施作为4种典型护岸措施,并采用定性与定量评价相结合的层次评价法,构建护岸措施功能评价体系;最后,运用护岸措施功能评价体系结合综合评价指数法对4 种典型措施的综合功能进行评价。结果表明,植物措施的护岸效果最佳,其次是综合措施,工程措施效果最差,而工程措施中生态型护岸形式石笼明显优于传统护岸形式浆砌。根据评价结果,针对区段不同的安全要求提出了最佳的护岸措施及方案,并建议适当提高植物措施和综合措施在漓江护岸工程中的比例,既保证岸坡稳定,又改善岸坡生态环境。

合理的河流自然性评价对于开发利用水土资源,做好水土保持工作有积极作用。通过构建包含定性、定量共23个评价指标的北京山区河流自然性评价体系,用层次分析法(AHP)确定各指标的权重,将北京山区河流分为“自然状态冶“近自然状态冶“退化状态冶“严重退化状态冶和“人工化状态冶5 个标准等级。为了提高评价效率,实现评价过程的程序化,为河流管理者分析问题、制订相应的生态修复措施等决策提供依据,以五元联系数为评价模型,用Java 语言开发出北京山区河流自然性评价系统。基于构建的评价体系,以北京山区安达木河上游2008、2011年的数据为例,采用所开发的系统对安达木河进行自然性评价。结果表明,安达木河评价等级整体呈下降趋势,16个河样带中有9 个评价等级不同程度下降,这些河段靠近村庄,受人为活动影响较大。

为反映土壤侵蚀模型在县域尺度的应用效果,采用中国土壤流失方程(CSLE 模型)、抽样调查、遥感解译与统计分析相结合的方法,对沂蒙山国家级重点治理区典型县(沂水县)的土地利用、生态环境、水土流失进行监测和定量评价,并采用转移矩阵分析2009—2013 年水土流失变化情况。结果表明:除坡度、林草覆盖、土地利用3因子外,CSLE 模型还考虑了降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡长及水土保持措施等侵蚀因子,由此计算的土壤侵蚀模数和强度比水利部颁布的标准具有更高的可信度;抽样调查在土地利用、林草覆盖、水土保持措施、土壤特性等方面获得的信息大于遥感方法。基于高分辨率遥感影像可定量评价沂水县地形地貌,土地利用,林草覆盖和水土流失面积、强度与分布;生成的水土流失分布图弥补了全国普查没有分布图的不足,为进一步划分水土保持重点预防区和重点治理区、编制水土保持规划提供基础图件。监测成果可为流域国家级重点治理区水土保持生态环境建设提供基础数据和决策支持。

采用分布式测算方法,建立山西太岳山不同密度调整强度油松人工林的生态效益评估指标体系,并参照相关价格参数,评估不同密度调整强度下油松人工林涵养水源、保育土壤、固碳释氧和林木积累营养物质等4种生态效益。结果表明:1)对照林分(CK)、轻度调整(LT)、中度调整(MT) 和重度调整(HT)4 种林分生态效益分别为5 822.98、6 188.82、6 731.21 和5 515.38 元/ (hm²·a),其中LT、MT较CK分别提高了6.28% 和1560%,HT 较CK降低了5.28%; 2)生态效益主要以固碳释氧效益为主,其次为林木积累营养物质效益,涵养水源和保育土壤效益所占比例较小。评估结果对山西太岳山地区林业生产经营活动具有一定的借鉴意义和实际应用价值,可以为华北山地森林的可持续经营管理提供科学可靠的理论基础和切实可行的技术指导

叶面积指数能反映出植被水平覆盖状况和垂直结构,以及枯枝落叶层厚薄和地下生物量多少,这正是植被影响土壤侵蚀的主要方面。及时、准确、有效地获取区域尺度植被LAI,对研究土壤侵蚀与植被的关系至关重要。本文作者以Landsat 8 OLI 多光谱遥感影像和叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)实测数据为基础,构建了神经网络隐含层层数分别为1层和2层的神经网络模型,经对比分析,BP 神经网络模型反演叶面积指数具有较高的反演精度,尤其是隐含层为2 层时,平均相对误差(MAPE)是0.201 3、均方根误差(RMSE)是0.52、相关系数R是0.77,均优于非线性回归模型。基于隐含层为2层的BP神经网络模型反演生成了南京市LAI分布图,经分析,LAI分布情况与植被实际分布情况相符,模型的空间可靠性较高。

由于TRMM 数据的时间分辨率较低,导致用TRMM 数据计算某一区域指定时间段内的降雨侵蚀力存在较大的系统误差。为解决该问题提出通过统计研究区气象站实际降雨过程的数据,或者通过模拟研究区典型降雨过程,确定不同降雨过程中不同时间分辨率下降雨侵蚀力的差异程度,并以此对每一场降雨的降雨侵蚀力进行修正,进而校正指定时间段的降雨侵蚀力。为验证该方法的有效性,以蓟运河上游地区为研究区,在Matlab 2010b 中对当地典型降雨过程进行模拟,计算当地不同时间分辨率下降雨侵蚀力差异程度,并利用典型降雨年份2008 年的TRMM 3B42 数据(0.25°×0.25°空间分辨率及3 h 时间分辨率)通过ENVI -IDL 语言程序进行校正计算。结果表明,经过校正后,研究区年降雨侵蚀力分布约为900 ~2 900 MJ·mm/ (hm²·h)该结果与这一地区多年平均降雨侵蚀力的量级及分布一致,说明该校正方法是一种切实可行的、能有效提高TRMM 数据应用精度的方法;但是受TRMM 数据空间分辨率的限制,该方法只适用于研究大中尺度区域降雨侵蚀力。

土壤可蚀性反映土壤对侵蚀的敏感程度,是评价土壤侵蚀程度和预报土壤流失量的重要指标。方便可行且可信的土壤可蚀性测定与估算方法在土壤可蚀性的研究中具有重要意义。采用微型小区对黑土、褐土、黄土、紫色土和红壤5 种土壤可蚀性K 值进行估算,并基于标准小区天然降雨的径流泥沙观测资料,判断微型小区能否代替标准小区进行土壤可蚀性的估算。结果表明:微型小区估算的土壤可蚀性K 值比标准小区估算K 值小,但具有很好的规律性,可以进行校正。黑土、紫色土、褐土和红壤在天然降雨条件下微型小区计算的K 值与标准小区间存在良好的线性关系,可对微型小区条件下的K 值进行修订以达到标准小区的要求;容易产生细沟的黄土不宜采用微型小区进行K 值的估算。

传统水土保持监测技术手段无法很好满足生产建设项目水土保持监测准确性、及时性和完整性的要求。以新建重庆至万州铁路为例,引入无人机低空遥感技术对重点区段进行监测。对比传统监测技术,该技术具备高精度、实时性、全面性等优点,同时具有垂直精度不足、水土保持信息提取工作量大、天气依赖性强、投入费用大等缺点。

受传统水土保持监测项目管理习惯以及监测单位管理能力等因素影响,生产建设项目水土保持监测管理存在管理粗放、制度不完善、技术手段偏低等问题。以新建重庆—万州铁路(简称“渝万铁路冶)水土保持监测项目为例,总结出在生产建设项目水土保持监测管理过程中必须要做到前期工作到位、办公场所到位、监测人员到位、仪器设备到位、管理制度到位、档案资料到位、沟通协调到位、监测频次到位、技术手段到位、监测成果到位等10个到位,以期为开展类似大型线状生产建设项目水土保持监测提供参考。

智慧地球战略已经得到了各国的普遍认可,并被广泛应用于水利、林业、交通、电力、环境保护、旅游等不同行业。为了促进水土保持科学与技术发展,亟需开展智慧水土保持体系研究。本文在提出智慧水土保持的概念和总体构架的基础上,比较分析智慧水土保持与数字水土保持的异同,论述智慧水土保持体系建设的关键技术和我国智慧水土保持体系建设的基础,阐明智慧水土保持体系的建设目标、原则和建设内容。智慧水土保持的目标是建立动态反馈、智能决策的水土保持发展新模式。建设内容主要有水土流失监测终端物联网、高速互联网、数据库、水土流失综合防治决策系统、一体化管理系统、数据安全应急系统和对外公众服务平台等7方面。

随着科学技术的进步,我们已经进入了大数据时代。各行业领域拥有或采集获取的海量数据,都可称为大数据。大数据具有海量、多样、快速和应用价值高等特点。水土保持监测是一项重要的基础性工作,发展和应用大数据,有助于探索和发现水土流失发生发展的规律,实现科学预测,为生态决策从经验决策、量化决策向大数据决策转变提供支撑。在发展大数据的问题上,要认清其尚处于初级阶段,存在一定的困难和挑战,要在全面推进监测工作的基础上,适时制订大数据研究和发展计划,有计划、有步骤的开展探索与研究,找到适合的大数据解决方案,真正实现大数据的分析应用。

水土保持作为与自然资源环境管理关联紧密的行业领域,应按照学科理论基础和管理实践,建立一套符合自有特色的基础管理单元,以满足水土流失长期治理、监测与监督管理的需要。结合我国土壤侵蚀监测评价、水土流失综合治理以及监督执法等实际需求,提出“水保斑冶的基础管理单元概念,即水土保持基础斑块,给出其定义含义、表现特征、划分方法以及应用与作用,并进一步提出开展“水保斑冶建设的技术、组织实施建议,以期建立一套符合中国实际的、规范统一的水土保持管理活动单元,进而实现土壤侵蚀监测评价—水土流失综合治理—监督执法等基础数据单元的一体化应用与管理,深入推进水土保持动态监测、水土流失综合治理以及人为水土流失活动的动态监管,不断提升水土保持精细化和现代化管理水平。

资料整编是目前我国水土保持监测工作的薄弱环节之一。合理划分整编工作阶段,明确各阶段主要工作内容,提出质量控制要求,可改进监测资料整编工作。依据工作流程,可将水土保持监测资料整编划分为整编、审查、复审和汇编4个工作阶段,不同阶段主要工作内容和质量控制重点不同。当前,水土保持监测资料整编工作的对策是建立健全监测资料整编制度和技术标准、规范整编行为、加强过程质量控制和技术人员培训、提高参编人员业务水平和质量意识、提高水土保持监测成果质量。

基于退耕还林区农户的利益,提出区域空间生态补偿额分配方法,以期为决策者提供有益的参考。在分配的定性分析过程中,要充分考虑经济和操作可行性,以一系列定性因素作为约束条件。在定量分析过程中,对影响生态补偿的重要因素———各县的机会成本和生态服务价值进行归一化处理,以此为权重,通过GIS 技术构建的分配模型,对生态补偿资金分配结果进行区域运算和空间表达,并以聚类分析法把研究区域分为5个层次。以张家口地区各县区退耕补偿额总量3 亿212 万元为目标,以张家口地区各县区为分配主体,进行分配模型的测算。结果表明: 1)退耕补偿总量最高的县是涿鹿县,补偿总量最低的县是张家口市; 2)单位面积退耕补偿量最高的县是下花园,最低的是沽源县;3)以各区县农户的机会成本和生态服务价值作权重能从空间分配的角度解决生态补偿“一刀切冶的难题,是一种比较合理可行的补偿方法。

我国水土保持监测的空间尺度体系、内容和指标体系、数据采集、传输和管理等技术与方法体系已基本形成,监测设施与设备正向装备化快速发展。在全面分析我国水土保持监测设施设备研究、开发与应用现状的基础上,提出了推进监测新技术和新方法研发应用的建议。现代空间技术、光电技术和信息技术已深刻、全面地融入到水土保持监测中,促进了配备成套监测装备的研发与应用并极大地提高了监测的技术手段、数据采集效率和信息精准程度。为加速推进监测新设施、新设备的研发与应用,须集中人才、资金和物力等资源进行进一步调查研究,确定研发重点,做好联合攻关,建立试验示范基地,并引导和鼓励全国水土保持监测网络的监测点升级改造,全面推进监测技术现代化。