气候变化和人类活动加剧了水资源时空分布的变化,使流域暴雨洪水规律更为复杂,因此开展变化环境下的次暴雨计算产流输沙规律研究十分必要。本文以黄土丘陵沟壑区6个典型流域为研究对象,采用径流侵蚀功率、Mann-Kendall 趋势检验和Pettitt 突变点检验法分析6个典型流域1984—2014 年的次暴雨资料的变化特征。结果表明:6个典型流域次洪流量和输沙量总体呈减少趋势;洪峰、沙峰、洪量以及输沙量突变年份集中在1998 和2003年;径流侵蚀功率和输沙模数之间满足幂函数分布,幂指数参数b 能够表征降雨和下垫面因素对流域产沙和输沙的影响,参数b受气候变化和人类活动影响较大。突变前后径流侵蚀功率和输沙模数关系显示:突变前参数b倾向于0.60,突变后参数b 倾向于0.85;因此次暴雨输沙模型中参数b可以作为水土保持防治以及改善水土流失区域生态环境的参考指标。

地表径流是土壤侵蚀和泥沙搬运的主要原动力。径流过程及其特征值是侵蚀模型,特别是侵蚀过程模型中水文模块的重要输入资料,但相对于降雨过程和径流总量资料,径流过程数据十分匮乏。为了对径流过程进行有效模拟,本文利用黄河流域子洲径流试验站团山沟3个小区107场降雨径流过程观测数据,在小区尺度上对比验证3 个仅含有1个参数的简易入渗模型:玉入渗能力恒定法,即假设入渗能力为1个常值,产流仅发生在降雨强度大于此值的情况;域径流系数法,即假设实际入渗率与降雨强度呈正比关系,比例系数为1 与径流系数的差值;芋入渗能力空间变异法,即假设入渗能力存在空间差异,实际入渗率表现为最大入渗率和降雨强度的指数形式。同时,为考查模型在不同时间尺度上的表现,文章分别选取1、6 和15 min 对数据进行重采样。结果显示:以洪峰流量和有效流量的预测精度作为模型有效性评价指标,相较于径流系数法和入渗能力空间变异法,入渗能力恒定法对黄土高原区径流过程的模拟效果最好,即入渗能力恒定更符合于黄土区实际产流入渗特点;随着过程资料采样时间间隔的增加,模型的模拟精度显著提高,即模型并不依赖于高密度的采样数据。研究结果可为缺乏径流过程资料的地区提供径流过程的计算方法,且有助于定量描述水文过程、土壤侵蚀和泥沙搬运过程。

土壤分离能力是土壤侵蚀机理模型的重要参数。受土壤性质、植被根系等因素影响,土壤分离能力呈现显著的季节变化。为研究草地土壤分离能力季节变化特征及其影响机制,以建植一年的柳枝稷、无芒雀麦草地及对照裸地为研究对象,以20 d 为周期,测定土壤密度、黏结力和根系密度,并采集原状土样进行水槽实验(=6.5-23.4Pa),测量土壤分离能力,并运用相关分析、回归分析等方法,研究土壤性质及植被根系对土壤分离能力季节变化的影响。结果显示:柳枝稷和无芒雀麦草地具有类似的季节变化特征,而裸地与二者差异明显。4月中旬至6月下旬,草地土壤分离能力较大,此后土壤分离能力迅速下降;7月中旬直至10月上旬,草地土壤分离能力较低;10月下旬,土壤分离能力小幅回升;裸地土壤分离能力7、8 月份较低,其余时间较高。裸地土壤分离能力试验期均值为柳枝稷草地的10.6倍,无芒雀麦草地的23.7倍。草地土壤分离能力的季节变化受根系密度和土壤黏结力的影响,随着根系密度与土壤黏结力增大,土壤分离能力呈指数形式降低,而土壤密度对土壤分离能力季节变化的影响并不显著。试验区内草地土壤分离能力可用水流剪切力、根系密度、根径和土壤黏结力等参数进行模拟(R² =0.636)。研究结果可为土壤侵蚀机理模型的推广应用,以及小流域水土保持措施配置等工作提供科学依据。

崩岗是我国南方特殊的一种土壤侵蚀现象,其形成主要是由于岩土稳定性降低所致;土壤抗剪强度是表征崩岗岩土稳定性的重要指标,而土壤含水量是影响抗剪强度的关键因子。以通城县2 处崩岗为研究对象,采集淋溶层(A)、淀积层(B)、过渡层(BC)和母质层(C)原状土样,通过室内直剪试验,研究崩岗岩土不同层次抗剪强度与含水量的关系及变化规律。结果表明:A 层抗剪强度随含水量增加呈现先增大后下降趋势,其余各土层抗剪强度整体上随含水量增加呈现而下降,B层抗剪强度较大,C层抗剪强度最小,且B 层抗剪强度受含水量影响最大;土壤黏聚力变化幅度较大,A 层随含水量增加先增大后减小,其余各层均随含水量增加而减小,B层黏聚力在4个层次中最大,同时其衰减幅度也较大,C层因黏粒质量分数低、缺少胶结物质而黏聚力极低;土壤内摩擦角4 个土壤层次均随含水量增加而减小。研究结果可为崩岗侵蚀机理研究以及进一步防治崩岗侵蚀提供理论依据。

针对矿区传统的土地复垦适宜性评价方法,运用模糊数学的隶属函数法,对决策树的ID3 算法加以改进,建立基于改进决策树的矿区土地复垦适宜性评价方法。以平禹二矿为研究区,将改进的评价模型运用到塌陷区土地复垦适宜性评价中,选取7个评价指标作为测试属性,提取100个已确定复垦方向的评价单元作为样本,运用改进的ID3 算法,构建研究区土地复垦适宜性评价决策树,然后运用生成的决策树分类规则,对各评价单元按其属性进行分类,最终确定各评价单元的复垦方向,并将分类结果与模糊综合评价方法得到的评价结果进行对比分析。结果表明:基于改进决策树模型的矿区土地复垦适宜性评价方法,不依赖于经验知识,依靠样本的自主学习,制定分类规则,得到的分类结果较为客观合理,而且决策树分类规则确定后,可以直接应用于同一地区的其他待评价区,且分类过程简单明了,便于操作,避免传统评价方法中较为繁琐和复杂的计算过程,提高矿区土地复垦适宜性评价的效率,为矿区土地复垦适宜性评价工作提供一种新的思路。

不同等级降水与侵蚀性降水对水土保持有重要意义,为了更好地建设黄土高原生态屏障,亟须对马莲河流域降水特征进行详细分析。收集到马莲河流域1961—2010 年西峰国家基准站、环县国家基本站和华池、庆城、合水、宁县、正宁5个国家一般站的日降水观测数据,使用PMF 方法,对数据进行均一化检验,确保数据质量。采用基本气象水文统计方法,研究流域降水统计特征。运用气候倾向率、Mann-Kendall 检验、滑动T检验、累积距平和Morlet 小波变换等方法,分析流域降水趋势、突变点和周期等特征,同时分析侵蚀性降水、不同等级降水日数和降水强度的变化特征。结果表明: 1)马莲河流域多年平均降水482 mm,四季降水分别占年降水量的18%、53%、27%和2%, 侵蚀性降水占年降水57%,降水变异系数为0.19,流域降水> 400 mm 的保证率为72%, > 500 mm 的保证率为 38%; 2)1961—2010 年马莲河流域降水与侵蚀性降水均呈减少趋势,春、秋季降水呈减少趋势,冬季降水呈增加趋势; 3)降水的突变点不明显,1992 年之后,降水呈减少的趋势,年和四季降水有19、11、4 和2a左右的主周期; 4)中雨和小雨是马莲河流域主要降水形式,1961—2010 年,降水减少是中雨和小雨显著减少引起的,降水强度与侵蚀性降水强度呈增强趋势,降水日数的减少对降水强度的增加有重要影响。马莲河流域侵蚀强度并未随雨量的减少而减弱,降水侵蚀风险没有减小,水土保持工作需要持续深入,水土保持与荒漠化治理刻不容缓。

喀斯特地区是我国主要生态脆弱地区之一,黄壤是该地区主要土壤类型,本文基于贵州省毕节市与陕西安塞径流小区观测资料,对比分析降雨与坡面径流深、产沙模数等关系,研究次降雨坡面侵蚀规律。结果表明:黄壤坡面产流产沙主要来源于大雨及暴雨,受降雨量影响最大,数量上小于黄土坡面;黄壤坡面产流与降雨量相关性大于与其与时段降雨强度相关性,黄土坡面反之;随降雨级别增大,黄壤坡面产流与降雨特征关系由无规律变为线性; 时段降雨强度与黄壤坡面产沙呈指数关系,与黄土坡面呈幂函数关系;缺乏过程资料时,可采用M =0.54e ^0.11p 预测黄壤坡面次降雨侵蚀量;降雨侵蚀力与产流产沙呈线性关系,单位降雨侵蚀力引起的产流产沙量黄壤坡面均小于黄土坡面;坡面产流与产沙均呈良好线性关系,产流量相近时,黄壤坡面产沙量略小于黄土坡面。研究结果表明黄壤坡面侵蚀量小于黄土坡面,但由于其土层薄,侵蚀程度仍十分严重,区域水土流失防治工作仍需加强。

河川径流及泥沙在保障水资源、塑造河道形态、维持区域环境及生态系统等方面起着重要作用。为探讨三江源区河流输沙及水沙关系,基于三江源区9 个水文站径流泥沙观测资料,采用Mann-Kendall 趋势检验、Mann-Ken- dall 突变检验方法分析输沙量、含沙量的变化趋势及突变特征,利用评级曲线法,分析水沙关系。结果表明:1)从输沙量来看,仅长江源区的新寨输沙量呈显著减少趋势,并在1998 年发生突变;2)长江源区新寨含沙量显著减少,黄河源区的黄河沿、同仁及唐乃亥含沙量显著增加,其他水文站含沙量没有显著变化趋势,新寨和同仁含沙量分别在 1999 和1989 年存在突变特征;3)直门达以上的长江源区及澜沧江源区水沙关系未发生明显变化,长江源区的新寨水文站控制区及黄河源区水沙关系发生变化;4)水流挟沙能力的变化表现出了明显的空间差异性,主要分为减弱、增强及稳定3 种类型。河流输沙及水沙关系发生的变化,可能与气候变化和人类活动等有关,研究成果可为三江源区流域规划和生态保护,以及下游水库泥沙淤积研究等提供参考。

为探究半干旱区湿地干草原生态交错带的边界及影响其植被空间分布格局的主要环境因子,以宁夏哈巴湖荒漠湿地自然保护区内的四儿滩湿地为例,采用样线调查法获得植被与环境数据:首先利用游动分割窗技术对研究区进行交错带定量判定,将其分为旱生带、交错带、湿生带并计算沿不同生境梯度茁多样性变化趋势;然后,采用典范对应分析法对研究区植被数据矩阵和环境数据矩阵进行排序,同时进行排序轴与土壤环境因子间的秩相关分析。结果表明:采用游动分割窗技术判定四儿滩湿地干草原交错带最适窗口宽度为6 ~ 8个样方;不同生境带茁多样性指数存在明显梯度变化;典范对应分析结果显示,植被在CCA 排序图上的分布与游动分割窗技术的划分结果相吻合,含盐量(质量分数)、含水量是影响四儿滩植被空间分布的主要环境因子,对含盐量和含水量有较高适应值的物种集中分布于土壤盐渍化严重的湿生带。研究结果将为四儿滩湿地的恢复和保护提供参考。

为了解共和地区典型固沙植物的根系分布特征,为该地区人工植被恢复的物种选择提供依据,本文选取当地典型荒漠化防治植物种中间锦鸡儿、柠条锦鸡儿、沙柳、小叶杨、小穗柳和乌柳6种植物,进行根系分布特性研究。采用整株挖掘法获取植物根系样本,使用WinRHIZO Pro 2500a 根系分析系统,计算根系生物量密度、根长密度、比根长、根系消弱系数。所研究的6种植物根系主要集中在0 ~40 cm 深度范围内,根系生物量密度与根长密度沿土层深度波动下降。小穗柳细根比根长显著大于其他植物种,说明其细根根系活性最强,对环境的适应性最好。沙柳与中间锦鸡儿的根系生物量消弱系数显著大于其他植物种,沙柳的根长密度显著大于其他植物有助于增加土壤抗性,具有较强的固土能力。柠条锦鸡儿的生物量密度显著大于其他植物种,获取能量的能力较强。在共和盆地人工植被恢复宜选用适应性较强的小穗柳,或固土能力较强的沙柳与中间锦鸡儿。

樟子松是我国北方荒漠化地区生态环境建设的重要树种,近年来樟子松人工林出现不同程度的衰退问题,自然更新障碍则是限制樟子松人工林发展演替的关键因子。为探究樟子松人工林自然更新的限制因子,通过不同沙埋深度及不同种子处理方法等室内发芽试验,对樟子松种子萌发出苗的影响进行研究。结果表明:1) 在沙埋深度为0 ~3.00 cm 范围内,无沙埋时樟子松种子萌发出苗能力最强,随着沙埋深度的增加,种子萌发出苗能力不断降低,沙埋深度显著影响种子的萌发和出苗;2) 4 益低温冷藏保存的种子比常温保存和-18 ℃低温冷冻保存的种子, 在萌发出苗上更具优势;3)种子经25 ~30 ℃温水浸种24 h 处理后,在出苗率和出苗时间等方面优于55 ~ 60 ℃热水浸种和不浸种处理,表现为樟子松种子较为适宜的处理方式。其研究可为解决樟子松人工林自然更新障碍问题提供参考和借鉴,并为樟子松人工育苗提供技术支撑。

为促进北京工程边坡喷播常用的灌木种子发芽,提高灌木种子相对草本的竞争力,尝试采用植物生长促进剂浸种、热水浸种等生产上常用的浸种方法,确定最佳浸种时长、最佳热水浸种初始温度及最优植物生长促进剂种类和浓度等,促进灌木种子发芽成活。结果表明:1)在植物生长促进剂浸种的情况下,最佳浸种时长为12 h; 2)对3 种灌木种子发芽均有促进作用的低浓度促进剂为赤霉素100 mg/ L 和萘乙酸10 -8 mg/ L,发芽势综合约在30%;3 ) 适宜紫穗槐、胡枝子发芽的热水浸种初始温度,分别在60 ~70 和60 ~ 80 ℃, 热水浸泡对荆条发芽有抑制作用。综合3 个试验,发现针对具有硬实性质的种子,可先用初始温度为60 ~70 ℃的热水浸种2 h,后用赤霉素100 mg/ L 或萘乙酸10 -8 mg/ L 溶液浸种10 h 的方法,促进灌木种子发芽;对非硬实性质的种子,直接用赤霉素100 mg/ L 或萘乙酸10 -8 mg/ L 溶液浸种12 h。综合试验结果可用于生产,具有一定的创新性和可行性。

我国地域广阔、自然和经济社会条件复杂,水土流失分布广、面积大、类型多样,区域水土流失预防和治理的需求存在差异,需要紧密结合国家、区域发展总体战略和布局要求,兼顾水土流失的分布及强度类型和水土流失防治的区域需求差异,科学合理制定可操作的全国水土保持区划方案。文章综合分析我国的自然、经济社会条件,明确全国水土保持区划总体思路,建立区划体系和指标体系,采用资料统计分析、实地调查等方法,将“自上而下冶与 “自下而上冶相结合,提出区划成果,全国(不包括港澳台地区),共划分8 个一级区、40 个二级区、115 个三级区,成果具有区划界线清晰、分区命名规则、区划手段先进等特点。主要应用于全国水土保持规划分区布局和项目布局, 并对下级区划(分区)、区域水土保持功能和技术体系确定具有指导意义,将长期用于指导我国水土保持工作。

为分析福建省极端气温和降水事件的时空特征及变化趋势,基于区域内23 个气象站点,1960—2014 年逐日降水、最高气温、最低气温和平均气温资料,采用线性倾向估计、最小二乘和Mann-Kendall 非参数检验等方法进行研究。结果表明:1) 在区域尺度下,冷气温指数呈降低趋势,其中冷持续指数和冷夜指数下降趋势较显著;而暖气温指数(作物生长期、暖夜天数和暖昼天数)均呈显著增加趋势;2) 过去55 年中,除最大持续降水时间(CWD)外, 总降水量和其余极端降水指数均呈增加趋势;3) 空间特征上,极端气温指数的上升或下降趋势在全省区域内基本一致,而极端降水指数区域差异明显,上升倾向率较高的站点主要分布在沿海地区。极端冷指数呈下降趋势,极端暖指数呈上升趋势;降水量和极端降水增加而CWD 减少,表明强降水在时间上更集中,该区域洪涝和局部干旱的风险加大。研究结果可为区域水资源适应性管理、水土保持及农业管理提供参考依据。

如何在有限的水土保持投资下,将不同类型的水土保持措施合理地空间配置,以期充分发挥生态、经济和社会等综合效益,使水土保持措施的空间优化配置涉及多目标优化,选择合理可行的求解多目标优化问题的方法,已成为研究重点。本文以福建省红壤区土壤侵蚀严重的长汀县为研究区,以2012 年水土流失区作为水土保持措施适宜性的评价对象,在封禁措施适宜性评价的基础上,将研究区划分为生态自然修复区和人工辅助治理区。以投入成本最小化、生态效益最大化以及适宜度最大化为目标函数,在人工辅助治理区内,构建水土保持措施空间优化配置模型,采用带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-II),进行模型的求解,最终得到水土保持措施空间优化配置方案,并结合2013—2015 年水土流失实际治理情况,进行分析验证。从优化结果显示,在政府投入资金一定的情况下,水土保持措施空间布局会朝着产生的生态效益最大化和空间分布适宜度最大化的方向发展。优化配置结果与实际治理情况在大部分区域内,水土保持措施空间分布较一致,吻合度为73.62%。研究结果表明,随着进化代数的增加,基于NSGA-II 算法的水土保持措施优化配置的优化效果明显,优化配置方案可行有效,可为政府实施水土保持措施空间配置提供决策依据。

降雨模拟器是进行室内或野外土壤侵蚀规律研究、降雨产流及入渗过程研究等的有效手段,目前野外降雨模拟器存在喷头安装高度大、有效降雨区域较小、与天然降雨有一定差别等问题,本文针对以上问题研制出一种可广泛使用的摇臂上喷式降雨模拟器。通过率定降雨面积、降雨强度与均匀系数、雨滴中数直径、终点速度与雨滴动能六大降雨特性,探讨该降雨装置的适用性。结果表明:该装置的降雨面积可达到100 m2 ,降雨均匀系数为41%;当降雨面积为50 m² ,供水压力为0.32 kg/ cm² 时,平均最大降雨强度为116.25 mm/ h,最小降雨强度为61.01 mm/ h,降雨均匀系数最大值为82%,最小值为46%,平均雨滴中数直径D50 为1.67 mm,平均雨滴终点速度为3.656 m/ s,平均雨滴动能为299.4 J/ (m²·cm)。该装置具有能耗小、重量轻、操作简单、便于移动等优点,符合天然降雨规律,可满足一般田间和野外试验的要求。

在生态文明建设的新时代,水土保持监测与公共服务是国家生态环境监测的重要内容,生态环境监测是生态文明建设的重要基础支撑。按照国家印发《关于加快推进生态文明建设的意见》和《生态环境监测网络建设方案》等文件,提出的国家生态环境监测网络建设的指导思想、建设原则和目标任务,结合国务院批复的《全国水土保持规划》,对照国家生态环境监测相关要求,分析水土保持监测的目标,在监测与管理、决策、监督和目标考核等联动机制的基础上,提出在国家生态环境监测网络建设宏观要求下,水土保持监测与公共服务建设思路:加快建设天地一体、上下协同和信息共享的监测网络,按公益事业落实监测机构体制和监测点运行机制,明确各级监测机构职责和事权。建立定期调查与动态监测制度,实施监测与监管、监测与考核联动。完善技术标准,统一监测方法,推进高新技术装备应用,提升自动化水平,加快监测信息化建设,实现互联共享。及时、准确地为生态文明建设、目标责任制考核和责任追究提供依据和支撑,更好地服务于社会及公众。

监测是水土保持工作的基础,也是水土保持的一项重要工作。生态文明建设和经济社会的新发展,对水土保持监测工作提出了新的任务和要求。随着社会发展,做好新时期水土保持监测工作,为水土保持和生态文明建设夯实基础、提供支撑,迫在眉睫,责任重大。文章对如何做好与社会发展和需求相匹配的水土保持监测工作,加强供给侧改革,提供高水平的监测成果和服务,进行了分析和思考,提出了政策建议和保障措施。