中国水土保持科学
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2021年 19卷 4期
刊出日期 2021-08-30
1
高飞, 史海静, 税军峰, 张艳, 郭明航, 温仲明
基于UAV高分影像的陕北人工林结构参数提取
定期的森林结构参数提取是监测评价造林质量的重要方式，对林业规划有着重要的指导意义。基于大疆四旋翼无人机搭载RGB高清相机获取了陕北人工杨树林的高分影像，通过多尺度分割和面向对象提取、点云分类、以及Leica Cyclone中的点云数据图模块处理，实现了陕北黄土高原地区人工杨树林森林结构参数（冠幅、树高）、冠层高度的提取。其中冠幅盖度影像总体分类精度为96%，Kappa系数为0.74。结合实测数据进行验证，东西和南北2个方向冠幅径长的均值回归拟合后的
R
2
达到了0.95，提取的单木树高值与实测值之间具有明显的线性关系，
R
2
=0.80。发现基于RGB相机产生的点云数据可直接获取林地冠层高度模型，但其精度和分辨率较为粗糙，不适合进一步的单木树高提取。研究结果表明，基于无人机高分遥感影像的森林结构参数提取方法高效可靠，适用陕北地区人工林以及林分结构较为单一地区。
2021 Vol. 19 (4): 1-12 [
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13
杜军, 周刊社, 袁雷
1971—2018年西藏羌塘国家级自然保护区地表湿润指数的变化趋势
研究地表湿润指数
H
i
的时空变化特征，是认识区域水文过程及其对气候变化响应的重要途径，可为生态环境变化监测提供依据。根据1971-2018年西藏羌塘国家级自然保护区5个气象站逐日地面观测资料，应用Penman-Monteith模型计算潜在蒸散量和湿润指数，采用线性倾向估计、Mann-Kendall方法分析
H
i
的年际与年代际变化、突变特征，基于数据处理系统，利用主成分回归方法讨论影响
H
i
的主导因子。结果表明：1）1971-2018年自然保护区年平均气温以0.046 ℃/a的速度显著升高，年降水量每年增加1.18 mm，暖湿化气候特征明显，但年
H
i
却没有表现出明显的增大趋势，仅为0.001/a，不过夏季
H
i
增幅明显；20世纪70-90年代保护区表现出以低湿为主的年际变化特征，进入21世纪代后气温持续升高，
H
i
明显增加，表现出暖湿型的气候特征。2）年
H
i
在1996年出现由偏干转偏湿的突变，1996-2018年
H
i
比1971-1995年增加了19.1%。3）主成分回归分析显示，降水量是影响年
H
i
变化的主导因子（正贡献），日照时间也起着次要作用（负贡献）；在季节上影响
H
i
变化的主导因子都是降水量（正贡献），次要因子有所不同：春、秋2季是日照时间（负贡献）、夏季是气温日较差（负贡献）、冬季是平均气温（负贡献）。1996年转折前后影响年
H
i
的主导因子都是降水量，不过次要因子存在差异，突变前后分别是气温日较差（负贡献）和日照时间（负贡献）。
2021 Vol. 19 (4): 13-23 [
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24
潘名好, 朱庆征, 巩闪闪, 张志华, 雷浪, 孔玉华
华北石质山区不同土地利用方式对土壤生物理化性质的影响
为揭示不同土地利用方式对土壤微生物量碳、氮含量及酶活性的影响，以华北石质山区农田（NT）、撂荒地（LHD）以及刺槐（CH）、栓皮栎（SPL）和侧柏（CB）3种人工林为研究对象，采集0~10、10~20和20~30 cm土层土壤样品，对比分析土壤微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）含量及4种酶活性（过氧化氢酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶和蛋白酶）。结果表明：在0~30 cm土层，NT和CB土壤MBC和MBN含量显著高于LHD、CH和SPL（
P
<0.05）；其中NT土壤的MBC分别比LHD、CH和SPL高752%、927%和537%，MBN含量高332%、227%和79%（
P
<0.05）。NT、LHD和CB的4种土壤酶活性均表现出较高水平，而SPL土壤过氧化氢酶、蛋白酶和β-葡萄糖苷酶活性均最低（
P
<0.05）。LHD、NT、CB和SPL土壤脲酶活性在0~30 cm土层的均值分别比CH高562%、536%、514%和302%（
P
<0.05）。随土层深度的增加，4种酶活性均呈显著降低的趋势（
P
<0.05）。土壤MBC和MBN含量和4种酶活性与各土壤养分因子均具有显著相关性，并也受土壤密度显著影响（
P
<0.05）。土地利用方式对土壤MBC、MBN、MBC/MBN、溶解性有机碳（DOC）、溶解性氮（DN）含量以及4种酶活性均有显著影响（
P
<0.05）；除土壤MBC和DOC外，土层深度对其他土壤因子亦有显著影响（
P
<0.05）。综上，农田耕作和侧柏人工林的种植可以改善华北石质山区土壤理化及生物学性质，提升土壤肥力。
2021 Vol. 19 (4): 24-33 [
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34
丁智强, 王平, 李玉辉, 庞云海
双河—磨南德水源林自然保护区地貌特征
探究双河-磨南德水源林自然保护区地貌结构和演化特征，为该保护区防治水土流失、优化土地利用结构、规划生态环境等提供地貌学依据，为滇中其他类似保护区及水源地开展地貌特征研究提供方法参考。在ArcGIS平台上基于ALOS DEM数据对海拔、起伏度、坡度、坡向、面积-高程积分值、地形剖面等地貌参数进行分析。保护区海拔1 930~2 552 m，平均2 105 m；地形起伏度0~622 m，平均212 m；坡度0°~61.5°，平均15.4°；阳坡、半阳坡、半阴坡、阴坡的占比分别为26.45%、24.67%、24.81%、23.06%；面积-高程积分值0.220~0.538，平均0.374；层状地貌发育，有三级剥蚀面和一级堆积地貌面，海拔分别为2 520、2 350、2 200和1 930 m。保护区以小起伏亚高山（50.21%）、中海拔和亚高海拔丘陵（46.88%）为主；山地、丘陵与盆地相间分布；以缓坡（38.87%）和斜坡（32.73%）为主，各类坡向占比较均匀，在23%~26%之间；地貌演化处于壮年晚期阶段，地表动力过程和土壤侵蚀较强烈。
2021 Vol. 19 (4): 34-43 [
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44
郭建军, 王佳欢, 胡静霞, 杨新兵
2022年冬奥会崇礼赛区针叶林枯落物及土壤水文效应
河北张家口崇礼区作为2022年冬奥会举办地，滑道的修建会对林区地表植被造成影响，准确评估林地枯落物层及土壤层水文效应，可为冬奥会场地建设对森林水文功能影响提供数据支撑。以崇礼区和平林场为研究地，选取当地主要的华北落叶松、油松和樟子松3种人工针叶纯林为研究对象，采用浸泡法和环刀法分别测定枯落物水文和土壤层水文效应。结果表明：1）枯落物总蓄积量最大为华北落叶松林（23.98 t/hm
2
）；华北落叶松林和油松林半分解层的蓄积量大于未分解层，樟子松林则相反。2）枯落物最大持水量、有效拦蓄量和最大持水率均为华北落叶松林最大，分别为2.15 t/hm
2
、1.72 t/hm
2
、632.95%；枯落物持水量与持水时间呈对数关系，枯落物吸水速率与持水时间呈幂函数关系。3）土壤密度樟子松林最大（1.23 g/cm
3
），华北落叶松林最小（1.01 g/cm
3
）；土壤总孔隙度华北落叶松林最大（62.22%），油松林最小（43.47%）。4）土壤入渗速率与时间呈明显的幂函数关系。5）林地总持水能力排序为：华北落叶松林（923.93 t/hm
2
） > 樟子松林（744.38 t/hm
2
） > 油松林（655.19 t/hm
2
），土壤层的持水能力占99%以上。综合研究发现华北落叶松林涵养水源能力最优，油松林林涵养水源能力最差，土壤层在持水能力方面占据主导地位，研究结果可为评估冬奥会场地建设对针叶林林地水文功能影响提供参数估计和数据支持。
2021 Vol. 19 (4): 44-50 [
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51
罗宇, 尹殿胜, 穆兴民, 高鹏, 赵广举
延河流域实际蒸散发时空特征及影响因素分析
研究气候和植被恢复综合影响下流域实际蒸散发（
E
a
）的变化规律，可为水资源管理和规划提供科学参考。基于延河流域气象数据、径流资料和植被覆盖数据（NDVI），采用率定后的平流-干旱模型计算
E
a
，通过Mann-Kendall检验法和反距离加权法分析
E
a
时空分布特征，并利用Pearson相关分析对
E
a
成因进行探究。结果表明：AA模型最优参数
α
为0.85，率定期和验证期相对误差均<5%，验证期纳什系数为0.998，模型满足精度要求。延河流域多年月平均
E
a
为单峰分布，高值月份出现于6-8月；多年平均
E
a
为472.92 mm且呈现以0.23 mm/a的趋势增加；空间上，
E
a
整体呈东南高、西北低的分布特征，高值区域随着时间逐渐向南偏移。
E
a
与降水量、相对湿度、气压、2 m风速和NDVI呈现负相关，与日照时间、日最高温度、日最低温度、平均温度呈正相关。
E
a
增加受温度和日照时间的上升、气压的下降综合影响；植被覆盖度空间异质性决定着实际蒸散发的空间差异，在水分补给影响下，植被覆盖度对
E
a
作用差异显著。
2021 Vol. 19 (4): 51-59 [
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60
李依璇, 朱清科, 石若莹, 苟清平
2000—2018年黄土高原植被覆盖时空变化及影响因素
自退耕还林等林业生态工程开展以来，黄土高原植被覆被状况明显改善，监测该区植被覆盖时空变化并探究其影响因素，对科学评价生态建设成效具有重要意义。基于MODIS-NDVI数据，采用像元二分法、趋势分析法、偏相关分析法及残差分析法研究黄土高原2000-2018年植被覆盖度时空变化特征及影响因素。结果表明：1）2000-2018年黄土高原生长季植被覆盖度呈波动性上升趋势，在空间上表现为由东南向西北递减；2）研究时段内，黄土高原植被覆盖度呈增加趋势的面积为75.64%，中部增长趋势明显；3）整体上黄土高原植被覆盖度与年降水量呈显著正相关趋势（
P
<0.05），但与年平均气温的偏相关系数较低；4）在退耕还林工程试验示范县陕西省吴起县及所在的延安市，植被恢复优于黄土高原整体，增长率分别为0.011 12/a和0.009 80/a。总体上，人类活动对黄土高原植被覆盖度增加产生积极影响，延安北部及其周边地区尤为显著，生态工程建设在该区植被恢复中成效显著。
2021 Vol. 19 (4): 60-68 [
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律可心, 王子晔, 姜群鸥, 高峰, 乔智
妫水河流域植被覆盖变化对土壤侵蚀控制效率的影响
妫水河流域是北京市重要水源涵养区和生态屏障地，也是2022年冬奥会举办地之一，开展妫水河流域植被覆盖变化对土壤侵蚀影响的研究，对有效控制水土流失、改善生态环境与保障冬奥会顺利筹办具有重要现实意义。基于RUSLE模型估算妫水河流域2000-2018年土壤侵蚀强度和土壤侵蚀控制指数，揭示妫水河流域植被覆盖变化对土壤侵蚀控制效率的影响规律。结果显示：1）妫水河流域土壤侵蚀控制效率较高，土壤侵蚀控制指数均值均>0.92，2000-2013年呈现上升趋势，2018年下降，其中，流域西北部山区与中部平原地区控制效率较高，其他地区控制效率较低；2）植被覆盖度对土壤侵蚀控制效率影响显著，二者除在少数耕林、耕草转化区为负相关，其余大部分区域均呈现显著正相关关系；当林地覆盖度在30%~70%，草地覆盖度在20%~50%，耕地和园地覆盖度在25%~50%时，二次函数能够较好的拟合二者关系，控制效率随植被盖度的增加而升高。
2021 Vol. 19 (4): 69-77 [
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78
王玉红, 高儒学, 戴全厚, 甘艺贤, 姚一文
喀斯特区石漠化坡耕地产流产沙模拟试验
为进一步了解掌握喀斯特区石漠化坡耕地土壤侵蚀规律，采用人工模拟降雨的方法，研究不同降雨强度及地下孔（裂）隙度下的坡耕产流产沙特征。结果表明：小降雨强度（30 mm/h）时，喀斯特区石漠化坡耕地无坡面产流、产沙，主要以地下漏失为主；降雨强度对坡耕地地表产流、产沙影响呈极显著正相关；地下孔（裂）隙度对坡耕地地下产流、产沙影响呈显著正相关；地表产流情况下，地下产流所占比例在35.87%~80.32%之间；地下产沙所占比例在18.47%~72.08%之间，所占比例均较大。产流量随降雨时长的变化趋势整体表现为先增加后趋于稳定，而产沙量则因降雨强度与地下孔（裂）隙度不同而异。研究结果补充完善了喀斯特区石漠化坡耕地土壤侵蚀机理，可为喀斯特石漠化治理和生态修复提供理论参考依据。
2021 Vol. 19 (4): 78-86 [
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87
刘帆, 郭建斌, 刘泽彬, 王彦辉, 于松平, 王蕾, 于澎涛
华北落叶松林土壤物理性质空间变异与取样量
准确刻画森林土壤水文物理性质空间异质性对于深入理解林地的水文、生态过程具有重要意义，而量化其合理取样量有助于提高森林土壤调查的精度。采用经典统计学和地统计学的方法，研究宁夏六盘山华北落叶松林土壤水文物理性质的空间异质性，并利用Monte Carlo模拟重抽样的方法，量化90%和95%置信水平下各指标的合理取样量。结果表明：1）土壤水文物理性质存在空间异质性，土壤含水量、土壤密度和饱和导水率的变异系数分别为0.23、0.11和0.47，块基比分别为0.043、0.119和0.075。2）在90%或95%的置信区间下，将测定误差控制在10%以内，在30 m×30 m的样地内至少需布设土壤含水量、土壤密度和饱和导水率采样点分别为13或18个、4或5个、34或45个；将测定误差控制在5%以内，则至少需布设采样点分别为35或45个、13或15个、70或75个。目前森林土壤水文物理特性取样数量偏少，今后研究中应加大其取样数量，提高估计的精度，在进行森林土壤水文物理特性取样时，充分考虑其空间异质性带来取样数量的变化。
2021 Vol. 19 (4): 87-95 [
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96
杨金康, 杨秋云, 朱利楠, 任帅帅, 张静静, 化党领
不同改良剂在石灰性潮土上对土壤-小麦体系镉的吸收转运的影响
为筛选出适宜石灰性潮土重金属Cd污染退化土壤生态修复的钝化材料，在某石灰性潮土Cd污染农田进行大田和盆栽小麦试验，研究硅钙镁肥、羟基磷灰石和鸡粪单施及复配处理在小麦成熟期时对土壤pH、土壤Cd的生物有效性以及小麦植株各器官Cd吸收转运富集的影响。结果表明：不同钝化剂处理均可降低土壤中DTPA-Cd和小麦各器官中Cd含量，土壤DTPA-Cd和小麦籽粒Cd含量较对照下降幅度分别为0.60%~73.66%、8.03%~90.88%；各钝化处理可改变土壤Cd的赋存形态，降低Cd的活性；硅钙镁肥和羟基磷灰石可显著提高土壤pH，有利于降低土壤中Cd的活性和迁移；鸡粪降低土壤pH值，不利于土壤Cd的钝化作用；各处理间土壤DTPA-Cd含量与土壤pH值呈极显著负相关，但与小麦植株各器官Cd含量为正相关，且均达到极显著水平。大田与盆栽试验结果均表明硅钙镁肥对土壤Cd修复治理效果较好，但考虑其成本、修复效果和对农田生态的影响，微碱性土壤施用硅钙镁肥还需进一步定量。
2021 Vol. 19 (4): 96-102 [
摘要
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103
王悦, 陈立欣, 范海燕, 杨胜利, 张志强
节水减氮对北京地区夏玉米水氮利用的影响
针对农业生产中水资源短缺和农业氮肥施用过量问题，探索灌水和施氮与玉米产量、水氮利用和硝态氮积累的关系问题，可为玉米栽培的田间水肥管理提供技术参考。于2019年6-10月在北京开展田间实验和室内分析，设置4个灌水水平（W
0
：0，W
1
：60 mm，W
2
：120 mm和W
3
：180 mm）和4个施氮水平（N
0
：0，N
1
：150 kg/hm
2
，N
2
：275 kg/hm
2
和N
3
：400 kg/hm
2
），采用多元回归和空间分析方法，分析降水条件下灌水施氮对玉米田间耗水、产量、水氮利用效率、硝态氮积累的影响。结果表明：1）随灌水量增加，土壤贮水消耗量占田间耗水量比例减小，W
1
水平下，N
1
处理土壤贮水消耗量占比较N
0
处理提高16.99%，施氮有利于提高玉米对土壤水的利用能力；2）产量随灌水量和施氮量增加呈先增后减的趋势，W
1
处理产量较W
0
处理提高18.89%，N
1
处理产量较N
0
处理提高29.54%，W
1
N
1
处理在获得高产的同时提高水氮利用效率；3）灌水和施氮会促进土壤硝态氮积累和垂向运移，增加硝态氮淋失风险；4）灌水81~102 mm、施氮143~161 kg/hm
2
时，玉米产量和水氮利用效率达到最优值的95%以上，且硝态氮积累量较低。本研究发现，在枯水年降水条件下，研究区灌水81~102 mm、施氮143~161 kg/hm
2
可满足玉米生长，实现保障产量、提高水氮利用效率和降低环境污染风险的优化目标。
2021 Vol. 19 (4): 103-113 [
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114
郑明国, 廖义善, 张立生, 黄斌, 张婉璐, 袁再健, 李定强
发展崩岗经济变崩岗治理为崩岗资源化利用
崩岗为我国南方危害最为严重的侵蚀类型。目前的崩岗治理模式基本忽略了崩岗土地自身的资源禀赋，或以生态修复为主，较少考虑经济效益；或者采用"梯化/推平"模式，彻底改观崩岗区域的景观。作者认为，崩岗土地具有自身独特的资源禀赋，例如，其雄奇壮丽景观可用于发展旅游业，崩岗砂可替代河沙作为建筑材料，沙地和高温差环境也利于培育特色农产品等。基于此，提出崩岗经济的概念，在崩岗经济的理念下，1）崩岗土地的开发利用应最大程度减小地表扰动，以尽量利用其自身的资源禀赋；2）崩岗治理应以沟道拦砂措施为主，同时允许农民开采崩岗砂，使得农民自觉进行清淤和相关维护工作；3）联合发展第一、第二和第三产业，实现崩岗土地资源利用效率的最大化。崩岗经济是实现乡村振兴的重要途径，政府应推动建设崩岗经济试验基地。
2021 Vol. 19 (4): 114-120 [
摘要
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375
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121
王玥璞, 秦伟, 杨文涛, 王玉杰, 王云琦, 蒋涛
基于气象和覆被条件考量的无人机地形勘察适宜期——以东北黑土区为例
基于无人机平台的SfM技术是获取高精度地形的重要手段，如何在开展外业测量之前确定地形勘察的最佳日期对水土保持项目的规划和实施至关重要。以东北黑土区不同气候带为例，结合当地的气候和植被动态变化特征探讨该区适宜无人机地形勘察的最佳时间窗口，以期为其他地区的地形勘察期选取提供借鉴，为水土保持领域的地形侵蚀监测研究服务。选择的试验区东北黑土区跨寒温带、中温带和暖温带3个温度带，分析不同温度带典型站点1988-2017年的气候数据以及2020年全年的植被覆盖度、雪盖变化；以常见的大疆无人机运行参数作为气候数据的筛选条件，初步按照中覆盖（FVC<0.6）条件为植被覆盖度的筛选依据，确定无人机地形勘察的适宜期。结果表明：东北黑土区3个温度带进行无人机地形勘察的最适时间范围分别是：寒温带的适宜时间为4月中旬至5月初、中温带为4月中旬至5月中旬、暖温带为3月中旬至4月底和9月底至11月初。
2021 Vol. 19 (4): 121-128 [
摘要
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357
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129
刘凯, 李文彬, 赵玥, 韩巧玲, 张鹏翀, 邹松言, 谭键彪
基于微根管图像的根系形态特征快速提取技术
林木根系的形态和分布特征能够反映林木生长状态和土壤水养资源响应及利用机制，对于提升人工林培育质量，发挥人工林水土保持作用具有重要意义。利用微根管技术并对毛白杨根系图像进行剪裁、标注和滤波处理，运用大津法、K均值聚类算法、模糊C均值聚类法（FCM法）3种图像处理方法分割根系结构，并以14 d为试验采集周期，获得林木根系分布特征。结果表明，FCM法的正确率达到90%，对于根系的分割性能最优。通过根系形态特征参数提取，以"根总长"为例，分析不同滴灌处理下根系的生长周转情况，表现出良好的规律性，该技术的开发为根系生态学的研究提供了一种无损且高效的研究方法。
2021 Vol. 19 (4): 129-136 [
摘要
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364
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319
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137
郭珂歆, 艾刚, 马兴祥, 何鑫
北方土石山区土壤侵蚀对典型地形因子的响应——以北京市房山区为例
为了定量评估土壤侵蚀分布格局与动态特征，分析北京市房山区土壤侵蚀对地形因子的响应，并为土壤侵蚀防治的重点布局决策提供参考，基于通用土壤流失方程USLE，将遥感反演与GIS空间叠加分析技术结合，对2013-2018年北京市房山区土壤水力侵蚀进行模拟和计算，分析研究区域不同高程带、不同坡度的土壤侵蚀量以及土壤侵蚀状况特征和变化趋势。结果表明：1）研究区土壤侵蚀量随年际变化整体呈现减小的趋势；2）研究区土壤侵蚀主要为微度侵蚀和轻度侵蚀；3）[400，800） m高程带的土壤侵蚀模数为各高程带中最高，且土壤侵蚀量最大；4）[15°，25°）的坡度对应的土壤侵蚀模数为各坡度等级最高，但土壤侵蚀量主要产生在[0°，5°）的微坡等级。因此，房山区总体土壤侵蚀程度较轻，今后土壤侵蚀防治的重点为[400，800） m高程带及[15°，25°）坡度带的区域。
2021 Vol. 19 (4): 137-142 [
摘要
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451
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143
巩国丽, 刘鑫, 要玲, 任丽霞, 王敏
RWEQ模型中风因子的改进及应用
风是产生土壤风蚀的前提，实地观测的风速是时刻变化的，模型中需要不少于500个的风速值来支撑，而较高时间分辨率的风速数据难以获取，为此很多文章研究风速降尺度拟合的方法，改进修正方程中风因子估算。本文利用二参数韦伯分布函数、日均风速和日最大风速法分别拟合风速，并与实测结果进行对比研究。此外根据修正后的风速值代入RWEQ模型中得到我国北方的风因子空间分布。结果表明：二参数韦伯分布函数拟合风速所求的风蚀力与实测的风速所求的风蚀力存在误差，相对误差值从0.19到0.95，平均相对误差值达到0.52；利用二参数韦伯分布函数拟合所得风蚀力被低估；日均风速和日最大风速法也未能很好地拟合风速，但用该方法拟合风速计算结果风蚀力与实测风速计算结果风蚀力存在相关性，可利用此相关性反推出实测风蚀力；从利用2000-2010年3月份的实测风速拟合所得风因子值来看，我国内蒙古高原上各大沙地的风因子值较高，东北及青藏高原高山地带等地区的风因子值也较高。
2021 Vol. 19 (4): 143-148 [
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朱冰冰, 霍云霈, 周正朝
黄土高原坡沟系统植被格局对土壤侵蚀影响研究进展
黄土高原坡沟系统是流域泥沙的主要来源地，又是控制水土流失、恢复与重建生态环境的基本单元。深入揭示坡沟系统侵蚀规律，可为黄土高原水土保持措施优化配置提供科学依据。以Web of Science数据库核心合集和中国知网（CNKI）数据库为数据源，以"坡沟系统"或"坡沟关系"为关键词，对检索到的60余篇经典文献进行分析。发现：坡面不同植被分布格局影响了坡沟系统水力学参数，改变了沟坡的来水来沙量和坡沟系统侵蚀形态以及产流产沙，但坡面植被格局改变坡沟系统土壤侵蚀过程的机制还不甚明了；因此，重视植被格局与水土流失过程的相互影响和制约作用，寻求适宜的植被格局参数，建立耦合植被覆盖和坡沟系统土壤侵蚀过程的定量预测模型，将是深化坡沟系统土壤侵蚀研究的重要方向。
2021 Vol. 19 (4): 149-156 [
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