土壤侵蚀是影响三峡库区土壤养分流失、河道淤积等一系列生态环境问题的重要原因,本文基于GIS技术,采用通用土壤流失方程,对三峡库区1990、1995、2000、2005和2010年的土壤侵蚀进行计算,并对研究区1990—2010年不同土地利用背景下土壤侵蚀强度的时空变化和分布规律进行定量分析。结果表明:1990—2010年,三峡库区平均土壤侵蚀模数与土壤侵蚀量呈减少的趋势,多年平均土壤侵蚀量为18356.4507万t,属于中度侵蚀;从空间上看,研究区微度、轻度侵蚀等级分布面积最广。在同一年分内,6种不同土地利用下土壤侵蚀模数依次为:旱地>草地>林地>未利用地>水田>建设用地;不同土地利用下的土壤侵蚀差异显著,不同土地利用对土壤侵蚀的贡献率相差很大;各土地利用类型中,微度侵蚀的面积逐渐增加,中度侵蚀及以上侵蚀等级的侵蚀面积,都不同程度的向低等级转移;随着退耕还林还草及大量农村劳动力的外出,库区的土壤侵蚀总体上呈现转好的趋势,但是局部地区的治理工作仍需加强。

土壤水分是黄土高原地区植被恢复与农林产业持续发展的主要限制因子,为明确主要农林用地土壤水分变化特征及其干化现状,利用CNC503B(DR)中子仪,于2014年4—10月,对长武塬区19龄果园、9龄果园、玉米地及小麦地0~600cm的土壤水分进行长期监测,并利用土钻法进行校准。结果表明:1)0~600cm土壤贮水量表现为9龄果园>玉米地>小麦地>19龄果园,均值分别为186.5、183.6、158.6和132.8cm,除9龄果园与玉米地间差异性不显著(P>0.05)外,其他农林用地土壤贮水量两两比较均呈显著性差异(P<0.05);2)4块样地浅层(0~200cm)土壤含水量波动程度为中等变异(10%600cm;4)19龄苹果园土壤干化最严重,0~200cm土壤干化程度呈季节性变化,200~250和250~320cm土层分别为严重干燥化与强烈干燥化,320~600cm呈极度干燥化,形成永久性土壤干层;其次为小麦地,0~100cm产生临时性干层,250~300cm发生强烈干燥化;玉米地与9龄果园干化程度较轻,在水分补给不足情况下,只在土壤浅层产生临时性土壤干层。长武塬区农业结构由大田作物转向苹果经济林建设具有一定理论基础;但是,随着苹果林达到盛果后期,土壤贮水量亏缺,土壤干化严重,苹果经济林的经济价值及生态作用等都将受到限制,需要采取合理用水措施及调整林分密度等科学方式,完成长武塬区经济与生态的可持续发展。

为研究黄土高原丘陵沟壑区降水、地表水和地下水间的转化特征,以绥德县韭园沟流域作为研究对象,通过测定雨水、沟道水和井水的氢氧同位素组成,分析各水体的δD-δ18O特征、氢氧同位素的时间变化和沿程变化,明确各不同水体间的补给关系,估算流域上游沟道水补给井水的过程中因蒸发损失的水量。结果表明:韭园沟流域沟道水和井水的δD和δ¹⁸O之间具有良好的线性关系;井水氢氧同位素相对于沟道水较富集且稳定,降水、气温、风速等气象因子对沟道水氢氧同位素影响强烈,对井水影响较弱;流域沟道水与井水均来源于大气降水,能够有效补给地下水的大气降水氢氧同位素加权平均值为:δ¹⁸O=-11‰,δD=-79.80‰;沟道水向井水的转化以单向排泄补给为主,两者转化过程中由于蒸发作用引起的水量损失占补给源水量的7%。

为研究近10年来太湖流域片土壤侵蚀情况,借助2次水利部土壤侵蚀调查数据,统计分析太湖流域片土壤侵蚀现状及其面积在空间上的分布,得出2002—2011年间土壤侵蚀的变化趋势,并利用土壤侵蚀综合指数EI,对流域片的土壤侵蚀情况进行定量评价。结果表明:2011年太湖流域片土壤侵蚀总面积为2.3万km²。其中太湖流域侵蚀面积0.1万km²,东南诸河地区侵蚀面积2.2万km²,侵蚀等级均以轻度侵蚀为主;但太湖流域的轻度侵蚀面积所占比例更大,而东南诸河中度侵蚀及其以上的侵蚀等级面积所占比例更大。2002—2011年间,太湖流域片土壤侵蚀面积整体上呈逐步减小的趋势,共减少1.08万km²,年均减少1201.24km²;其中,轻度、中度和强烈侵蚀面积减小,而极强烈侵蚀和剧烈侵蚀面积增加。太湖流域地区EI值远小于东南诸河地区EI值(1.65),表明东南诸河土壤侵蚀总体情况更严重。2002—2011年太湖流域片EI值减小,但少数区域EI值增加明显。建议将其列为重点治理区,进行有针对性的治理。

为研究地表根系结构特征及其对土壤渗透性的影响,通过对丹江口库区针阔混交林、灌木林、针叶林和阔叶林35块样地进行地表土壤(0~10和10~20cm土层)和根系采集和室内实验,分析4种植被类型根系结构特征、土壤渗透特性及其相互作用关系,并建立回归方程。结果表明:4种植被类型土壤0~10土层的土壤初渗率和稳渗率均高于10~20cm土层;土壤0~10和10~20cm土层土壤初渗率和稳渗率在不同植被类型间均表现相同趋势,即阔叶林>针阔混交林>灌木林>针叶林;不同植被类型土壤初渗率、稳渗率等指标均与根长密度和根表面积密度存在显著的线性相关性(P<0.05);根系直径在0.5~5mm范围内的根系结构特征参数与土壤入渗特征指标之间存在显著的线性相关性(P<0.05);在Kostiakov入渗模型中,直径介于0.5~5mm不同径级的根长密度和根表面积密度与b值正相关,与a值负相关。丹江口库区阔叶林和针阔混交林土壤渗透性能优于灌木林和针叶林,4种不同的植被类型土壤入渗特征值均随根系结构参数值增大而增大,且直径在0.5~5mm径级范围内的根系对土壤渗透能力的增强作用最明显。

我国是土壤侵蚀最严重的国家之一,黄土高原地区的水土流失造成严重的生态环境恶化问题。为探求黄土细沟流的水动力学特性,从水力学及河流运动力学的角度出发,系统研究6种坡度(2°、4°、6°、8°、10°、12°),5种流量(8、16、24、32和40L/min)组合水槽冲刷试验条件下细沟水流水动力学特征。结果表明:细沟流平均流速与径流流量呈幂函数关系,坡度对其影响较小,其原因同水流强度与床面形态的相互制约有关;黏性底层厚度与坡度、流量均呈现负相关关系;阻力系数与雷诺数无关,说明水流强度增加的同时,床面形态发育愈显著,即水流耗散能量增加愈显著,其值在0.16~1.45之间变化。研究结果对细沟水流水动力学的探究具有一定的理论价值,进而对黄土坡面水土流失治理及生态修复均具有一定的指导意义。

坡面流是土壤侵蚀的主要动力因素之一,也是侵蚀泥沙搬运、农业面源污染的重要载体,为探讨坡面流水力学特征变化规律,本文通过径流小区放水冲刷试验,研究不同坡面覆盖和放水条件下坡面流水动力学特征。结果表明:坡面流雷诺数和弗劳德数受植被覆盖情况和坡面坡度的影响较小,受放水流量影响较显著。其中,坡面流入流断面雷诺数和弗劳德数随时间基本保持不变;出流断面雷诺数动态变化呈增加趋势,弗劳德数呈缓慢下降趋势,其动态变化幅度随植株密度增加而趋于平缓,植株布设方式对雷诺数和弗劳德数的动态变化影响较小。流量和植株密度增加会引起阻力系数增长,阻力系数随冲刷历时呈增长趋势,坡度和植株密度可以控制这种增长趋势。

林地是水源林涵养水源、防治水土流失的功能主体。以冀北地区丰宁县,4种不同类型水源林地为研究对象,从土壤层与枯落物层两方面,研究当地水源林地的水源涵养能力。研究发现:水源林地枯落物持水能力阔叶林地明显优于针叶林地,4种水源林地枯落物持水能力依次为杨树林地>落叶松*山杏林地>油松*山杏林地>油松林地;其中,杨树林地枯落物最大持水量为29.79t/hm²,有效持水量为4.01t/hm²。在土壤总孔隙度方面,水源林地土壤持水能力依次为杨树林地>草地>耕地>落叶松*山杏林地>油松*山杏林地>油松林地,水源林地总孔隙度在43.49%~34.96%;在土壤密度方面,草地>油松林>耕地>杨树林地>油松*山杏林地>落叶松*山杏林地;在土壤水分常数方面,在0~30cm的土层内,落叶松*山杏林地、油松*山杏林地、油松林地3种山地立地类型水源林地均是10~20cm土层土壤水分常数最大,杨树林地20~30cm土层的水分常数最大,草地和耕地内,0~10cm土层的水分常数最大。综合比较不同样地类型内,样地土壤和枯落物持水能力,杨树林地的水源涵养能力最强,最大持水量和有效持水量分别为1334.49和1167.41t/hm2,总体涵养水源能力为杨树林地>落叶松*山杏林地>油松*山杏林地>油松林地。

为揭示土壤侵蚀最为剧烈的水蚀风蚀交错区下垫面景观格局变化对流域降雨产流、侵蚀产沙的影响程度,以水蚀风蚀交错区典型流域西柳沟为研究对象,根据LandsatTM影像数据和流域长系列水沙实测数据资料,借助GIS和Fragstats平台,分析流域景观格局和水沙变化特征,探讨景观指数与径流输沙的关系。结果表明:1)流域优势景观类型为草地,从斑块数量和面积变化率来分析,1985—2010年间耕地、林地和建设用地稳定性最高,其次为未利用土地。未利用土地、草地和耕地的转化最为剧烈,受人类活动影响最大。2)流域年径流量和年输沙量的年际差异显著;同年输沙量相比,径流量的减小趋势变化更为明显;径流泥沙相关关系显著,相关系数为0.67。3)景观指数与径流量、泥沙量呈显著线性相关,其中径流量与最大斑块指数、斑块结合度、聚集度指标和蔓延度指数均呈负相关,而与景观形态指数、景观分割度呈正相关;而泥沙仅与蔓延度指数、聚集度指标和斑块结合度成负相关,与其他景观指数呈正相关。研究结果表明,随着景观最大斑块指数、斑块结合度以及聚集度指数的提高,流域降雨入渗量明显增加,土壤侵蚀量明显减少;因此,提高流域景观最大斑块指数、斑块结合度以及聚集度指数可以增强水蚀风蚀交错区内流域的蓄水保土功能及生态优化作用,研究结果可为流域生态环境建设和水土资源综合利用提供理论支撑。

为了解沙区人居环境状况,衡量区域人居环境荷载水平,依据人居环境科学导论,以盐池县北部风沙区的聚落为研究对象,以“人冶为核心,从聚落的生产空间、生态空间、生活空间3方面对其人居环境荷载进行评价。结果表明:1)研究区聚落人居环境的生产空间、生态空间均以中等荷载为主,生活空间以低等荷载为主;2)聚落的人居环境荷载可划分为低、中、高3个等级,其分别占区域面积的32.1%,39.7%,28.2%。该研究在一定程度上探明了沙区人居环境荷载能力,研究区高等聚落人居环境荷载面积较少,整体人居环境荷载能力较低,需加强人居环境管理,整体提高聚落人居环境荷载水平,以保障沙区人居环境安全,同时也为当地资源合理配置、沙化治理、水土保持及聚落格局优化提供借鉴意义。

崩岗是南方红壤区侵蚀沟在水力和重力交互作用下沟头遭受坍塌、陷蚀作用而形成的围椅状地貌,是该区域土壤侵蚀及生态系统退化的最高表现形式之一。为揭示崩岗侵蚀对土壤理化特性及可蚀性的影响,以福建省长汀县濯田镇黄泥坑崩岗群内植被盖度分别为2%,20%,95%的3个典型崩岗为研究对象,分别对崩岗系统内的集水坡面、崩壁、崩积体和沟口进行采样和理化特性的测定,并运用EPIC模型测算土壤可蚀性(K)。结果表明:1)从集水坡面到崩壁、崩积体至沟口,3个崩岗的土壤砂粒质量分数、pH值和土壤密度呈升高趋势,粉粒、砂粒的质量分数和含水量呈下降趋势。2)1号和2号崩岗,集水坡面的土壤有机质质量分数最高,在崩壁最低;3号崩岗土壤有机质质量分数在崩壁处急剧下降,在崩积体中又明显上升。3)各崩岗中集水坡面、崩壁和崩积体的土壤颗粒组成、土壤密度和含水量差异较小,各土壤理化特性指标在沟口与集水坡面、崩壁和崩积体之间存在显著差异。4)崩岗系统内的集水坡面、崩壁、崩积体和沟口4个子系统的K值差异显著,1、2号崩岗呈现崩壁>崩积体>沟口>集水坡面的变化规律,而3号崩岗则表现为沟口>崩积体>崩壁>集水坡面的趋势。5)崩岗系统内的黏粒质量分数、pH值和有机质质量分数与土壤可蚀性关系密切,可以作为表征崩岗土壤可蚀性的有效指标。崩岗侵蚀造成土壤理化特性不断恶化,砂化严重,研究崩岗系统的土壤理化特性与可蚀性空间变化规律,对指导崩岗的恢复与重建具有重要意义。

为筛选和评估褐煤基材料对镉污染的修复效果,降低通过垂直入渗进入地下水或通过地面径流污染更大面积水土的镉通量,通过将3%各种材料均匀混入污染土壤并培养120d,提取其胶散分组复合体并测定镉化学形态变化。结果表明:1)各改良剂处理的离子交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态镉质量分数在复合体中分布均为G0>G1>G2,而弱有机态、强有机态质量分数分布的顺序相反。残渣态镉质量分数具有G0组复合体低于G1组和G2组复合体内镉质量分数的趋势,除钙化处理,其他处理3组复合体中残渣态之间均无显著差异。2)施用褐煤基材料普遍提高土壤中弱有机结合态镉质量分数,主要提高水稳性复合体中弱有机态镉,G0、G1和G2中施用材料的比对照分别提高5.27%、20.74%和17.82%。褐煤、硝化褐煤、腐植酸显著提高水稳性复合体强有机态镉质量分数,平均分别提高27.26%、23.90%和40.05%,显著降低交换态镉质量分数和水稳性复合体碳酸盐态镉质量分数,平均降低幅度分别为14.63%~22.79%和14.31%~34.56%。硝化褐煤和腐植酸显著降低G1和G2中铁锰氧化物结合态镉的质量分数。3)褐煤改性后多数提高了交换态镉和碳酸盐态镉质量分数,以碱化、钙化、去矿化和活性炭在改性后提高交换态镉质量分数的幅度较大,较褐煤提高幅度最大值分别是29.41%、34.03%、33.82%和43.32%。改性后所有材料普遍降低土壤弱有机结合态镉的质量分数,除腐植酸外,强有机态镉质量分数均比改性前降低。残渣态镉质量分数有向易利用态转化的趋势。总之,非水稳性复合体主要由离子交换态和碳酸盐结合态等易效性镉赋存,水稳性复合体中主要由有机态和残渣态等难效性镉赋存。褐煤、硝化、腐植酸处理显著降低污染土复合体中离子交换态、碳酸盐态、铁锰氧化物态镉质量分数,显著提高水稳性G1和G2复合体强有机态镉质量分数,腐植酸还提高残渣态镉质量分数,起到对镉的钝化作用,但改性后多数是削弱了钝化效果。

同一坡面上不同坡位土壤贮水量差异的研究,有助于了解坡面土壤水分分布特征,指导坡面植被恢复和坡面治理。对祁连山排露沟小流域阴坡上不同坡位土壤水分差异,分析表明:1)生长季平均土壤贮水量自坡上到坡下呈“单峰冶变化:坡中和坡中下最高,分别为201和198mm;坡中上和坡下次之,分别为177和175mm;而坡上最少,为159mm。2)6月、7月和9月,坡中、坡中下土壤贮水量显著高于其他坡位。5月和8月,不同坡位土壤贮水量差异较小,但坡中、坡中下土壤贮水量仍略高于其他坡位。3)在任何天气条件下,不同土层土壤贮水量沿坡面的变化规律均表现为自坡上到坡下呈“单峰冶变化。0~30cm土层土壤贮水量,在持续无雨、小雨或连阴雨的天气条件下,均表现为坡上最低,坡中最高。30~80cm土层的贮水量,在不同天气条件下,坡中和坡中下的土壤贮水量总量最高;在持续无雨或小雨的天气下,坡中上最低;连阴雨的天气条件下,坡上最低。因此,中坡位由于接收坡上来水,水分条件最好。这说明在坡面尺度上进行林业管理时,考虑不同坡位的水分条件,合理管控不同坡位林分密度,有利于实现林水可持续发展。

为制订科学合理的青藏工程走廊沿线植被恢复策略,掌握沿线土壤的理化特征及其与植被分布的相关关系,本文研究沿线不同植被类型带的土壤典型理化特征,共设置样带27条,测定指标包括有机质、全氮、全磷、全钾、pH值、阳离子交换量和碳酸钙质量分数。结果表明,沿线土壤有机质和全氮质量分数,由北至南均表现出逐渐增高的趋势,并与植被类型密切相关,土壤有机质质量分数多在10.0~40.0g/kg之间,全氮则多介于0.4~2.0g/kg之间。线性模型拟合结果表明:有机质和全氮呈明显的线性相关;全磷质量分数多在0.3~0.8g/kg之间,由北至南呈“两端高,中间低冶变化趋势;全钾质量分数多介于13.0~30.0g/kg,由北至南增高趋势明显;土壤pH值则表现为“北高南低冶;沿线阳离子交换量多在6.0~24.0cmol(+)/kg之间;碳酸钙质量分数呈现“南北迥异冶的变化规律,北部样带多在8.0%~15.0%之间,南部样带则多只有1.0%~3.0%,这与土壤钙积作用密切相关。综上所述,沿线土壤各理化指标表现出不同的变化规律,部分指标与植被类型存在一定的相关性。

土壤的渗透性是评价土壤涵养水源功能的重要指标之一,为明确天然气开采不同工程类型扰动后对土壤层的不同年限水文生态效应及其水源涵养功能的影响,以天然气开采为例,分析其建设活动对3类地貌类型、4种工程类型、4段年限内的研究区样地土壤渗透系数的影响情况。采用相关性分析及回归分析方法,分析天然气开采对土壤渗透系数的影响。结果表明:1)天然气开采对土壤渗透系数有一定的影响,但是这种影响随着建成年限的增长而逐渐减弱,到第5年基本得以恢复;2)通过对不同地貌、不同工程类型的土壤渗透系数随年限变化情况进行拟合,表明采用3次多项式拟合效果最好,R²均大于0.95,与实测数据有极显著的相关性,可用来预测渗透系数未来的变化趋势;3)渗透系数与土壤的化学性质相关性方面全氮最为显著,与土壤的重金属含量相关性方面铅最为显著。

我国北方土石山区的地形特点是土层薄、坡长坡陡、波状起伏、以坡耕地水土流失为主。该区水土流失严重,侵蚀沟道密集,对当地和下游造成严重的水土流失问题。为解决波状坡耕地水土流失的治理问题,针对波状坡耕地形态特征和水土流失特点,设计波状坡耕地拦挡淀排技术,并将其布设于野外径流小区进行观测。结果表明:1)拦挡淀排技术对波状坡耕地削流和减蚀作用均有较好的效果,2年平均的削流率和减蚀率分别为53.72%和87.21%,该技术对于各种类型的降雨均有较好的坡面削流效果,该措施的排水系统表现出可靠性和稳定性。2)通过对不同类型的降雨造成的径流量分析,拦挡淀排技术对波状坡耕地的径流调控率在降雨强度较大的情况下能发挥出较好的效果。通过趋势线分析,对照小区的产沙量与降雨量间的直线斜率大于措施小区(趋势线接近水平),说明拦挡淀排措施下不同降雨量产生的泥沙量都很小,拦挡淀排技术减沙效果显著。3)通过对次降雨资料分析表明,措施小区泥沙侵蚀量均远小于对照小区。波状坡耕地的年泥沙侵蚀量主要是由几场大暴雨引起的,拦挡淀排技术在大暴雨情况下也有显著的减蚀效果。通过添加趋势线分析发现措施小区泥沙侵蚀量与降雨量,降雨强度和I30之间均没有良好的线性关系,措施小区泥沙侵蚀量受降雨量,降雨强度和I30的共同影响。在雨季,措施小区泥沙侵蚀量受地表粗糙度的影响较大。4)从农作物产量来看,相同施肥条件下,拦挡淀排技术在干旱年比平水年份对作物增产的作用更明显。因此,拦挡淀排技术能够有效防治波状坡耕地水土流失,可作为一项新型坡耕地水土流失防治技术。

为探讨CSLE模型应用中,不同抽样密度和推算方法对估算县域尺度土壤侵蚀的影响,确定县域尺度既能保证精度,又能减轻外业工作量的适宜抽样密度和土壤侵蚀推算方法。以沂蒙山区蒙阴县为对象,通过对比在1%和4%2种野外调查单元的抽样密度下,分别采用单元直接外推法、单元插值外推法和栅格计算法估算土壤侵蚀状况,分析其差异性。结果表明:(1)单元直接外推法、单元插值外推法受抽样密度影响较大,在1%和4%抽样密度下,土壤侵蚀面积比相差8.82%和7.96%,相对差异达19.05%和17.43%;而栅格计算法,受抽样密度的影响较小,土壤侵蚀面积比相差3.13%,相对差异9.27%。(2)同一抽样密度下,单元直接外推法和单元插值外推法的估算结果相近,但与栅格计算法的结果差异较大,土壤侵蚀面积比相差11.77%~18.12%,相对差异34.72%~48.93%。因此,在应用CSLE模型开展沂蒙山区县域尺度土壤侵蚀调查工作时,综合考虑精度和工作量,若以高分卫片为基础,宜采用1%抽样密度和栅格计算法;否则,建议采用4%抽样密度基础上的单元插值外推法。

随着农业产业结构调整,滇西南地区新植果园不断增多,水土流失及土壤退化成为该区域内普遍存在的重要生态环境问题。为提供切实可行的耕作技术指导,保护生态环境安全,本研究以滇西南边境地区坡耕地幼龄果园为对象,通过测定3种不同耕作措施(传统耕作、秸秆覆盖和生物覆盖)下的土壤养分状况、地表径流量和土壤流失量,研究不同保护性耕作模式的水土保持效果及作用机理。结果表明:秸秆覆盖和生物覆盖均能改善土壤养分状况,减少水土流失。相比于传统耕作,其他2种保护性耕作模式的土壤有机质、全氮和全钾质量分数增加了14%以上,径流量减少20%左右,土壤流失量减少10%~30%,总养分流失减少20%~30%。其中,生物覆盖模式水土保持效果更为显著,而且,随着试验时间推进,秸秆覆盖和生物覆盖模式的水土保持效果有明显增加的趋势。

随着我国工程建设项目的飞速发展,边坡的土壤流失现象越来越严重,这促进各种护土固坡技术的产生。植物纤维毯防护技术是一种新型的生态防护技术,具有施工快、保水固土、生态降解无污染等特点,可以在植被成型前起到良好的护坡作用;因此,逐渐受到人们的关注。本文介绍近年来国内外在植物纤维毯控制侵蚀方面的研究进展,比较不同类型植物纤维毯在生态护坡方面的特点以及在水土保持、土壤改良和促进植物生长等方面的功能,分析目前研究存在的不足和未来发展的前景。研究发现:植物纤维毯可以有效控制水土流失,相比裸地减少产沙量56%~98.9%,减少径流26%~81%。植物纤维毯对产流的影响与径流大小及植物纤维毯本身性质等有关;植物纤维毯的改土功能主要为:增加地表粗糙度,延长径流滞留时间,增加径流入渗,同时避免阳光直射土壤,缓和地表温度波动幅度,保持土壤水分;且植物纤维毯可自身降解以改善土壤理化性质,增加土壤肥力;植物纤维毯促进植被恢复的功能主要表现为增加植物成活率,同时促进植被生长,增加植株密度和植物生物量。从实际应用角度来看,植物纤维毯在生态护坡方面具有多重优势,在工程建设中作为生态防护的重要技术,应用前景非常广阔。从科学研究角度来看,开展野外试验,深入研究生态防护效益,仍是近期研究的主要趋势;根据不同应用环境和条件,开发不同材质纤维毯,挖掘其在改良土壤、隔水、隔热等方面应用也将会成为新的研究热点。