郑江坤
, 魏天兴
ZHENG Jiang-kun, WEI Tian-xing
中图分类号: F157.1
文献标识码: A
文章编号: 1000-0690(2015)07-0905-07
收稿日期: 2014-02-17
修回日期: 2014-06-12
网络出版日期: 2015-07-20
版权声明: 2015 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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作者简介:
作者简介：郑江坤（1982-）,男,河北邢台人,副教授,主要从事土壤侵蚀和水文模型方面的研究。E-mail:jiangkunzheng@126.com
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摘要
应用数量分类(TWINSPAN)和排序(DCCA)方法对陕北吴起县典型坡面侵蚀产沙过程进行了环境解释。结果表明：环境因子对土样侵蚀产沙量的解释量达83%,其中DCCA排序轴前4轴的解释量占总排序轴解释量的69%,且分别与坡位、土壤质量、海拔、干根重显著相关。坡面径流侵蚀产沙量随冲刷时间呈波浪式变化,环境因子对侵蚀产沙过程影响甚微。坡面径流侵蚀产沙量按地形部位表现为梁峁顶<梁峁坡<沟坡<沟底,按地类则表现为灌木林<针阔混交林<针叶纯林<阔叶纯林。
关键词：
Abstract
Loess Plateau is the world's most serious soil erosion region. Slope runoff erosion, as the main type of soil erosion, has been priorities and hotspots of soil and water conservation disciplinary about its relation with environmental factors. 23 soil samples under slope runoff erosion during 12 periods were collected as the objects around Wuqi County in the northern Shaanxi, China. The methods of TWINSPAN and DCCA were applied to interpret the relation between environmental factors and slope runoff-erosion-sediment. Results indicated that soil samples in same topography positions and vegetation factors gathered. Eigenvalues of all sorts axis is 0.313, accounting for 83% of environmental interpretation. The cumulative explaining amount of the first 4 axis is 57.5% for runoff erosion and 56.9% for the relationship between runoff erosion and environmental factors. Meanwhile, interpretation of the first two axis accounted for 65% of all sorts axis which indicates the first two axis reflecting the most information of runoff erosion-environment relationship. First axis reflected the influence of soil pH and slope position on runoff erosion, and second axis manifested influence of soil bulk density on runoff erosion. The third and fourth axis reflected, respectively, influences of altitude and dry root weight. Among environmental factors, correlation coefficients of slope position were -0.46, 0.61 and 0.64 to soil pH, elevation, capillary porosity respectively. The correlation coefficients were -0.63 and -0.81 between slope and soil bulk density, plant cover, and the correlation coefficients were -0.37 and -0.57 between soil bulk density and soil organic matter, root dry weight. Sediment content of runoff erosion presented as hilly top <hilly slope <gully slope <gully bottom according to the topography positions. And also presented as shrub forest<mixed wood<pure needless forest<pure broadleaf forest according to forest types, which is similar as the result of clustering analyses. Human activities including site preparation and road construction have great impact on runoff-erosion-sediment. The erosion was stronger in level-terrace than that in scale pit. And the erosion near paths was weaker than others. Sediment concentration followed by form of wave with periods and be divided into 5 periods which were from 0 minutes to 8 minutes, from 8 minutes to 13 minutes, from 13 minutes to 19 minutes, from 19 minutes to 26 minutes and from 26 minutes to 34 minutes. Although environmental factors played a minor role on Runoff-erosion-sediment process according to DCCA analysis, periods of sediment yield can be reasonably divided by DCCA which illustrate sorting method of DCCA also played an important role describing runoff erosion process.
Keywords：
黄土高原丘陵沟壑区是世界上土壤侵蚀最严重的区域之一[1]。做为土壤侵蚀的一种类型,坡面径流侵蚀是指坡面地表径流沿坡面流动过程中,引起的土粒分散、剥离、泥沙输移和沉积,形成携带泥沙水流的过程 [2,3]。径流的含沙量随时间不断发生变化,变化规律与坡面形态、土壤性质、根系特征、冲刷强度等关系密切。
实地观测、人工模拟和数学模型是研究坡面侵蚀的重要方法。实地观测能够反映侵蚀产沙的真实状况,依据野外径流观测数据可探讨地面覆盖、土地利用方式、径流量和坡度等环境因子对径流侵蚀产沙的影响[4,5];但由于实验条件和土壤性质等差异,结论难于推广。人工模拟能够根据研究需要调整环境条件, 是研究土壤侵蚀的有效手段[6]。数学模型以大量实验数据、水力学和土力学的力学方法、统计模型和分布式模型为基础,运用空间分析软件从较大尺度上反映土壤侵蚀状况,因而得到广泛运用[7,8],但所需参数较多,构建较复杂。数量生态学通过排序轴能揭示植被-环境间关系,在生态学领域得到广泛运用 [9]。索安宁等[10,11]利用典范主成分排序技术对黄土高原水土流失进行了环境解释并取得较好效果。彭月等[12] 和李斌等[13]分别采用双向指示种分析法(TWINSPAN)和除趋势典范对应分析法(DCCA)探讨了景观破碎化指数和植被分区对土壤侵蚀的影响。综上表明,数量生态学能够用于评价水土流失和环境间关系。
本研究结合黄土丘陵沟壑区原状土冲刷过程中的含沙量和环境因素（植被、地形、土壤理化性质）,运用TWINSPAN 和DCCA数量分析方法对黄土高原丘陵沟壑区坡面径流侵蚀产沙过程进行了环境解释,以期为该区坡面土壤侵蚀防治提供理论依据。
研究区位于延安市西北部的吴起县县城周边,吴起县地处毛乌素沙地南缘农牧过渡地带, 地貌属黄土高原梁状丘陵沟壑区。气候干燥,昼夜温差大,属温带大陆性季风气候;多年平均降水量478.0 mm,且64％以上集中在7~9月份,其它季节多为无效降水,平均气温7.8℃。自然植被属于暖温带森林草原。土壤以地带性黑垆土剥蚀后广泛发育在黄土母质上的黄绵土为主,质地为轻壤。全县面积3 791.5 km2,水土流失面积3 693.0 km2。占全县总面积的97.4%,属极强度水土流失区[14]。
2008年7月25日至8月12日在吴起县城附近的合家沟、柴沟、胜利山、政府沟共取原状土样23块（表1）。
表1 径流侵蚀产沙实验取样点基本情况
Table 1 Basic situation of soil samples in runoff-erosion-sediment experiment
| 土样 编号 | 取样 地点 | 海拔（m） | 坡度 （°） | 地貌 部位 | 植被类型 | 林龄或退耕年限（a） | 整地 方法 | 总含沙量 （g/L） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| s1 | 合家沟 | 1366 | 3 | 梁顶 | 针茅-毛莲蒿群落 | 11 | 自 然* | 0.049 |
| s2 | 合家沟 | 1352 | 30 | 梁坡 | 毛莲蒿-华北米蒿群落 | 11 | 自 然 | 0.070 |
| s3 | 合家沟 | 1341 | 35 | 沟坡 | 针茅-星毛委陵菜群落 | 11 | 自 然 | 0.201 |
| s4 | 合家沟 | 1333 | 1 | 沟底 | 赖草-苦马豆群落 | 11 | 自 然 | 2.381 |
| s5 | 合家沟 | 1347 | 30 | 沟坡 | 毛莲蒿-华北米蒿群落 | 11 | 自 然 | 0.154 |
| s6 | 合家沟 | 1444 | 21 | 梁坡 | 达呼里胡枝子-针茅群落 | 11 | 自 然 | 0.060 |
| s7 | 柴沟 | 1529 | 6 | 峁顶 | 毛莲蒿-芦苇群落 | 8 | 自 然 | 0.048 |
| s8 | 柴沟 | 1328 | 3 | 沟底 | 旱柳小叶杨混交林 | 20 | 坑 穴 | 1.250 |
| s9 | 柴沟 | 1332 | 34 | 沟坡 | 甘草-针茅群落 | 8 | 自 然 | 1.333 |
| s10 | 柴沟 | 1391 | 20 | 梁坡 | 河北杨林 | 12 | 坑 穴 | 0.769 |
| s11 | 柴沟 | 1433 | 4 | 梁顶 | 沙棘林 | 12 | 坑 穴 | 0.042 |
| s12 | 胜利山 | 1450 | 26 | 峁坡 | 油松林 | 8 | 鱼鳞坑** | 0.775 |
| s13 | 胜利山 | 1470 | 15 | 峁坡 | 沙棘林 | 10 | 坑 穴 | 0.219 |
| s14 | 胜利山 | 1470 | 35 | 沟坡 | 针茅-百里香群落 | 10 | 自然 | 0.359 |
| s15 | 胜利山 | 1481 | 19 | 峁坡 | 委陵菜-赖草群落 | 10 | 自然 | 0.218 |
| s16 | 胜利山 | 1491 | 7 | 峁顶 | 油松山杏混交林 | 15 | 反坡梯田 | 0.278 |
| s17 | 胜利山 | 1470 | 27 | 峁坡 | 油松小叶杨山杏混交林 | 15 | 水平阶 | 0.053 |
| s18 | 胜利山 | 1444 | 34 | 沟坡 | 油松小叶杨山杏混交林 | 15 | 鱼鳞坑 | 0.637 |
| s19 | 政府沟 | 1416 | 27 | 梁坡 | 油松林 | 8 | 水平阶阶坎 | 0.435 |
| s20 | 政府沟 | 1416 | 27 | 梁坡 | 油松林 | 8 | 水平阶阶面 | 0.704 |
| s21 | 政府沟 | 1456 | 5 | 梁顶 | 达呼里胡枝子-披针叶黄骅群落 | 13 | 自然* | 0.084 |
| s22 | 政府沟 | 1418 | 27 | 峁坡 | 沙棘林 | 11 | 坑穴 | 0.115 |
| s23 | 政府沟 | 1408 | 26 | 峁坡 | 小叶杨山杏混交林 | 9 | 水平阶 | 0.094 |
本实验在室外采集原状土,装入室内可调节坡度的冲刷槽中,利用放水冲刷试验研究地表径流的侵蚀产沙特性。水槽尺寸：长（180 cm）×宽（10 cm）×高（10 cm）,取样器尺寸：长（20 cm）×宽（10 cm）×高（10 cm）。选择不同的地形部位和植被类型在相应地形图和植被分布图进行标注并确定采样点,结合GPS定位野外选定要采样的样地,在人为干扰小且较典型的地段选择采样器点,首先用枝剪去掉采样点植物地上部分,尽量不扰动土壤,然后把采样器放在采样点,压采样器和地面重合,再从四周用土铲把采样器取回,用盖子把采集的土样封好带回实验室,把土样浸泡2 h以消除前期含水量的影响,最后把采样器装入冲刷槽的土样室中,使土样表面和槽面齐平。调整槽的坡度为取样点所在地的实际坡度,通过恒压水箱调整供水流量,为比较方便,流量均设计为1.8 L/min,在水流稳定后,放水冲刷34 min。在冲刷前10 min时段内,每2 min量取1次冲刷水样,10~22 min时段内每 3 min量取1次,22~34 min时段内每4 min量取1次,共量取12次。用水桶收集每个时间段内试验产生的浑水,充分搅动后取样、烘干、称重。含沙量以单位取样体积浑水中泥沙的干重表示,单位g/L,由此得到23×12的原始数据矩阵。总含沙量指放水冲刷34 min流失泥沙总干重和全部水流体积的比值。
环境指标选取包括地形因子（坡度、坡向、坡位、海拔）、土壤内在因子（土壤质量、毛管孔隙度、土壤pH值、土壤有机质）和植被因子（植被盖度、干根重）,共计10个因子,其中坡向、坡位为定性变量,其它因子为定量变量。
表土层土壤质量、毛管孔隙度分别用环刀法、环刀渗透法来测定,土壤pH值和有机质含量分别用电位法、重铬酸钾容量法测定[15],各值均为取样点附近表层土3个值的平均。
在每个取样点附近, 用地质罗盘仪和海拔仪分别记下坡度、坡向、海拔, 根据取样的位置记下坡位, 坡位按照沟底、沟坡、梁峁坡、梁峁顶分别赋值1、2、3、4。坡向以正北为起点（即0°或360°）顺时针表示, 数据处理时采取每45°为一个区间共划分8等级, 数字1~8分别表示北向（337°30′~22°30′）、东北向（22°30′~67°30′）、西北向（292.5~337°30′）、东向（67°30′~112°30′）、西向（247.5~292°30′）、东南向（112°30′~157°30′）、西南向（202.5~247°30′）、南向（157°30′~202°30′）,数字越大,表示越向阳,越干热[16];量取土样所在点附近的优势层的覆盖度作为植被盖度,林龄通过生长锥测量,退耕年限通过询问当地居民得到;把土壤取样器中的土烘干过筛称重获得干根重;共选取以上10个环境指标,组成23×10的环境因子数据矩阵。
DCCA是目前最先进的植被环境关系多元分析技术之一,它结合物种构成和环境因子并直观地把环境因子、物种、样方同时表达在排序轴的坐标平面上,已成为20世纪90年代以来植被梯度分析与环境解释的趋势性方法[17]。本文以23块土样做为样方,12个时段的产沙量做为物种,选取10个环境因子进行DCCA分析。数量分类采用VESPAN软件包中Hill设计的TWINSPAN;排序采用Braak编制的CANOCO 软件包实现,具体计算见文献[9]。
利用TWINSPAN对23个土样冲刷的12个时段进行聚类分析（图1）所示, 土样s3、s5和s14,s1,s7和s21, s2,s15和s23分别聚在一起,这3组的地形部位分别是沟坡、梁峁顶、梁峁坡;土样s17和s18, s13和s22分别聚在一起,这两组的地类分别为针阔混交林、灌木林地,分析得同一地貌部位同一植被类型的土样聚在一起。通过对各实验土样径流过程总含沙量的比较（表1）,坡面径流侵蚀整体上表现为：梁峁顶<梁峁坡<沟坡<沟底,灌木林<针阔混交林<针叶林<阔叶林<草地,而徐佳等[18]基于径流小区观测数据提出延安燕沟流域的减流减沙效益表现为：坡耕地<草地<灌木地<林地,这可能和观测尺度有关系。地貌部位、植被类型以及生长状况通过影响坡度、坡长、地被物、土壤根系等,进而影响土壤的理化性质,从而对坡面径流侵蚀产生影响。
图1 实验土样径流挟沙过程聚类
图中符号代表土样编号
Fig.1 Dendrogram of sediment carrying process among experimental soil samples
DCCA排序结果给出排序轴的特征值、坡面径流侵蚀产沙解释量、土样-环境关系解释量。 所有排序轴的特征值和为0.313,占环境解释的83%,前四轴累计对径流侵蚀的解释量为57.5%,对径流侵蚀-环境因子关系的累积解释量为56.9%,而前两轴特征值占所有排序轴的65%,表明前2个轴集中全部排序轴所反映的径流侵蚀-环境关系信息的大部分（表2）。通过蒙特卡罗置换检验,第一排序轴和所有排序轴的显著性P值均为0.002,达到非常显著性水平,说明样本间差异由抽样误差所致的概率较小,与其环境因子间的关系较为密切。
由表3可知,第一排序轴反映了土壤pH值和坡位对坡面径流侵蚀的影响,第二排序轴则表现为土壤质量对径流侵蚀的作用,第三、四排序轴则分别和海拔、干根重关系密切。环境因子间,土壤pH值、海拔、毛管孔隙度和坡位的相关系数最大,分别为：-0.46、0.61、0.64;土壤质量、覆盖度和坡度之间的相关系数最大,分别为-0.63、-0.81,土壤有机质、干根重和土壤质量之间的相关系数也较大,分别为-0.37、-0.57。地形因子通过改变土壤形成条件进而影响土壤的理化性质,同时地形因子本身对径流形成和流速等也有较大影响,故而间接影响到坡面的侵蚀产沙特征。
表2 DCCA排序的特征值及累积解释量
Table 2 Eigenvalues and cumulative percentage variance of DCCA ordination
| 排序轴 | 第一轴 | 第二轴 | 第三轴 | 第四轴 |
|---|---|---|---|---|
| 特征值 | 0.170 | 0.033 | 0.010 | 0.004 |
| 坡面径流侵蚀-环境因子的相关性 | 0.966 | 0.911 | 0.903 | 0.914 |
| 坡面径流侵蚀累计解释量（%） | 43.1 | 53.8 | 56.5 | 57.5 |
| 坡面径流侵蚀-环境因子关系累计解释量（%） | 45.4 | 56.9 | - | - |
| 蒙特卡罗置换检验显著性P值 | 0.002 | - | - | - |
| 排序轴特征值和为0.313,P值为0.002;特征值总和为0.377,占环境解释的83%。 | ||||
表3 环境因子与排序轴之间的关系
Table 3 Correlation and explain amount of environmental factors to the axes of DCCA ordination
| 简称 | 第一轴 | 第二轴 | 第三轴 | 第四轴 | bd | cp | ph | om | sl | sp | as | al | ac |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| bd | 0.12 | -0.42* | -0.19 | -0.55 | 1 | ||||||||
| cp | -0.30 | -0.20 | 0.24 | 0.29 | -0.53 | 1 | |||||||
| ph | 0.73** | -0.23 | 0.02 | -0.68 | 0.03 | -0.15 | 1 | ||||||
| om | 0.11 | 0.04 | 0.07 | 0.28 | -0.37 | 0.09 | -0.24 | 1 | |||||
| sl | -0.09 | -0.13 | -0.01 | 0.00 | -0.63* | 0.50 | 0.26 | 0.18 | 1 | ||||
| sp | -0.53* | 0.15 | 0.23 | 0.61 | -0.43 | 0.64* | -0.46* | 0.05 | 0.27 | 1 | |||
| as | -0.07 | 0.02 | -0.19 | 0.08 | -0.20 | 0.18 | 0.04 | -0.03 | 0.64* | 0.41 | 1 | ||
| al | -0.33 | 0.08 | 0.46* | -0.11 | -0.07 | 0.32 | 0.10 | -0.34 | 0.19 | 0.61* | 0.29 | 1 | |
| ac | 0.10 | -0.13 | -0.11 | -0.04 | 0.62 | -0.54 | -0.30 | 0.13 | -0.81** | -0.36 | -0.53 | -0.32 | 1 |
| rw | -0.20 | 0.22 | -0.30 | 0.40* | -0.57 | 0.49 | -0.03 | 0.11 | 0.29 | 0.02 | -0.25 | -0.29 | -0.39 |
图2显示了10个环境因子在DCCA排序的第1、2轴平面上的格局。各环境因子对排序轴的贡献反映为箭头的长度,彼此间的关系则反映为箭头的方向和夹角。可看出,10个环境因子可以分为4组：DCCA1轴分别与土壤pH值、有机质、覆盖度呈正相关;而与海拔、坡位、干根重、毛管孔隙度呈负相关;DCCA2轴与土壤质量和坡度呈负相关;坡向与两轴之间的相关性都不大。海拔、坡位值和土壤pH值对第一排序轴的贡献最大,且呈明显负相关关系,这可能由降水的淋溶作用导致土壤中易溶性盐基离子从高坡位值处淋失,到低坡位值处淀积所致;因此,坡位是决定坡面径流侵蚀沿第一轴分布的关键因子;土壤质量是影响第二轴的关键因素,土壤有机质含量和干根重与土壤质量呈负相关,也就是说,有机质和干根重含量越多,土壤质量越小,土壤颗粒中粘粒所占比例越大,土壤粘结能力越强,再加上根系的缠绕固结作用,使得土壤颗粒不容易被径流带走。另外,坡度和盖度表现出强烈的负相关,说明在黄土丘陵沟壑区,随着坡度的增大,水分和养分越容易被冲刷掉,植被生长越差,故植被盖度变小。
图2 实验土样环境因子的DCCA排序
Fig.2 DCCA ordination on environmental factors among experimental soil samples
由以上分析可知,在各个环境因子的交互作用下,坡面径流侵蚀产沙量从图的右下方向左上方逐渐变小。在自然封育10余年的合家沟流域,植被类型单一,均为草本植被,各土样的坡面径流侵蚀产沙量从排序图的右下方到左上方依次为s4（2.381 g/L）、s5（0.154 g/L）、s2（0.070 g/L）、s3（0.201 g/L）、s6（0.060 g/L）、s1（0.049 g/L）,基本表现为从沟底到梁峁顶逐渐减小。对林地流域来说,梁峁坡的各个乔灌植被土样按排序图上表现为：s8> s19/20>s17/18>s11/13/22,即阔叶林>针叶林>针阔混交林>灌木林;这和WinTWINS2.3软件聚类分析的结果基本吻合。另外,整地方式和人为活动对坡面径流侵蚀也有很大影响,通过比较得：s17> s18,s19/20>s12,说明水平阶整地的坡面径流侵蚀要大于鱼鳞坑整地,这可能和鱼鳞坑整地对地表的破坏较小有关;s1和s21位于峁顶,均有道路穿过,表现为坡面径流侵蚀非常小,由于人畜车辆的压踏,使得该地类的土壤变得紧实,抗冲刷能力增强。DCCA排序轴表现出的径流侵蚀特征和样点实际侵蚀含沙量的吻合较好,且和聚类分析的结果也较对应,说明DCCA方法在该区坡面径流产沙侵蚀分析中较适用。
DCCA排序能较合理解释坡面径流侵蚀产沙量和环境因子之间关系,但对坡面径流侵蚀产沙过程的解释作用甚微（图3）。通过图3的象限内土样编号的分布可知,径流侵蚀产沙过程集群分布现象显著,可分为集群1（0~8 min）、集群2（8~13 min）、集群3（13~19 min）、集群4（19~26 min）;集群5（26~34 min）。这种集群分布特征和径流侵蚀产沙过程数据所表现的规律较一致, 所有土样坡面径流侵蚀产沙量随时段呈多峰多谷分布,大体上呈“W”状,这和于国强等[19]在黄土高原得出的结论一致。在前8 min径流含沙量呈逐渐减少的趋势, 随后含沙量开始上升,在上升的过程中,间或有突变点的存在,到19 min时,含沙量又呈现逐渐减少的趋势,而在26~34 min时间段内,含沙量大都呈增加趋势并逐渐趋于稳定,个别土样呈减少趋势[20]。这主要因为在开始阶段,由于表层土壤较松散,在径流的冲刷下很容易被搬移,从而导致径流含沙量大,随后逐渐变小;土壤在抗冲过程出现突变点, 说明在径流挟沙过程中,随着水流对土样的不断的浸泡和冲刷,一些根系对土壤的固持能力逐渐变弱,等水流能量积聚到一定程度,某些根系的盘结固持系统瞬间瓦解,导致大量泥沙被冲出槽中,径流含沙量骤增,而剩余的土样在土壤和根系的相互作用下,变得相对稳定,径流含沙量逐渐变小[21]。尽管环境因子和侵蚀产沙过程间的关系较小,但通过DCCA可以对侵蚀产沙时段进行合理划分,且与时段内表现出来的变化趋势吻合较好,说明DCCA排序方法在坡面径流侵蚀产沙过程的研究中也发挥着一定的作用。
图3 实验土样径流挟沙过程的DCCA排序
注：图中数字代表土样的冲刷时间（min）
Fig.3 DCCA ordination on sediment carrying process of surface runoff among experimental soil samples
尽管黄土高原沟谷侵蚀是塑造地表形态的重要侵蚀方式,但坡面侵蚀做为沟道侵蚀前奏,因其影响范围广引起了广泛关注[22]。影响研究区坡面径流侵蚀产沙的因素较多,坡位和土壤质量成为控制该区侵蚀产沙量的主导性环境因子。相同地形部位同一地类的坡面径流侵蚀产沙量相差不大,聚类在一起。各土样所在坡面的侵蚀产沙量在DCCA的排序图上表现为从图的右下方向左上方逐渐递减。坡面径流侵蚀产沙量在地貌部位和地类间大体表现为：沟底>沟坡>梁峁坡>梁峁顶,草地>阔叶林>针叶林>针阔混交林>灌木林,另外人为活动对之也有较大影响。利用DCCA排序把侵蚀过程的时间段分成5个集群,集群内表现出相同的变化趋势,整个侵蚀产沙过程出现多个突变点并呈多峰多谷特点;环境因子对坡面径流侵蚀产沙过程的影响甚微。
本文尝试用植被-环境多元数量分析方法DCCA来分析坡面径流侵蚀产沙过程与环境因子之间的关系。DCCA排序技术可以综合利用复杂的土壤、地形、植被等信息对径流侵蚀产沙特征进行定量解释与评价,体现出一定的优越性。但存在以下不足：用室内原状土冲刷法来研究坡面径流侵蚀虽多有报道,但仅用一种供试土壤,要得到更为一般性的研究结论,尚需开展一系列相关试验研究,并需要实地试验进行验证。虽然在采取原状土时会尽可能的不扰动土壤, 使其保持原有特性,但原状土在采集、搬运、安装过程中不免产生扰动,从而破坏了土体原有结构,尤其是采取林地的土壤时,由于植物根系的存在,原状土的采集几乎是不可能的。同时在采集原状土时切断了根系间的相互连接,降低了林木根系对土壤的网络作用,使试验结果与实际结果有较大出入。由于该实验采取同一流量来进行比较分析,对坡长、坡形的影响欠考虑,另外微地形、人为活动等干扰也较大,故该研究仍待完善。
The authors have declared that no competing interests exist.
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黄土丘陵沟壑区不同土地利用类型土壤抗侵蚀性研究 [J].
对黄土丘陵沟壑区安塞县不同土地利用类型的土壤抗冲性和崩解速率特征进行了测试。结果表明,抗冲性指标和崩解速率在数值上均随着土层深度的增加而增大,表明其抵抗侵蚀能力减弱。不同利用类型0—10cm表层土壤抗冲性和崩解速率强弱关系均为:灌木林>草地>乔木林>果园>农地,而在20—30cm土层及40—50cm土层有所变化。不同土地利用类型下,土壤崩解速率和土壤抗冲性之间存在着明显的直线递增关系,灌木林地土壤崩解性能随抗冲性变化速率较快,直线斜率达到0.352,而农地的崩解性能随抗冲性变化起伏最小,直线斜率为0.0145,草地、乔木林地和果园位于两者之间。其中,乔木林地与草地二者直线斜率差异不大,在相同取样深度上具有相同的变化特征。
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坡面径流侵蚀产沙机理试验研究 [J].
利用野外模拟降雨试验,分析不同植被条件覆盖下坡面降雨入渗产流和侵蚀产沙过程特征及其互作关系,阐明不同植被类型对坡面降雨侵蚀产沙过程的调控机理及其差异。结果表明：荒地、草地和坡耕地坡面产流产沙过程线均较林地的强烈,呈现出多峰多谷的特点,产沙过程较产流过程波动更为剧烈;坡面累计产沙量随累计径流量增加呈幂函数显著递增趋势,坡面侵蚀产沙过程表现为发育期、活跃期和稳定期3个阶段。在水沙调控方式上,林地主要通过植被根系削减侵蚀动力、增加入渗、削减径流及减缓流速等途径实现水沙调控,具有蓄水减沙的水土保持功效;草地植被主要通过地表植被冠层拦截实现水沙调控,具有直接拦沙的水土保持功效;植被空间结构对水沙调控作用有明显差异,其中植被根系的存在对发挥植被水土保持作用至关重要。
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次降雨条件下坡度对坡面产流产沙的影响 [J].
以野外径流小区的次降雨产流产沙数据为基础，对不同次降雨条件下坡面产流产沙随坡度的变化规律进行研究.结果表明：降雨性质的差异对坡面产流随坡度而变化的影响较小，在研究区的6场次降雨中，坡面产流量随坡度的变化规律基本一致，坡面径流量均随坡度增大而增大，但坡面径流量随坡度增加而增加的趋势较弱，这主要由降雨量与入渗量之间的转化程度所决定；次降雨性质对不同坡度的坡面产沙规律有重要影响，一般情况下存在临界侵蚀坡度，但临界坡度不是唯一值，而是随着降雨特性的不同而不同，临界侵蚀坡度随径流量的增大而增大，临界坡度较大时，坡面产沙量随坡度变化而变化的趋势也往往较大.
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1960~1990年间渭河下游河段滩槽冲淤动态与机理研究 [J].
<p>利用河道断面测量数据计算了1960~1990 年渭河下游河槽和滩地冲淤量及其分布的时空变化,分析了变化发生的原因。结果表明:1960~1990 年间共淤积泥沙8.88×10<sup>8</sup>m<sup>3</sup>,且泥沙主要分布在渭淤11 断面(WY11)以下河段。滩地淤积量是河槽的1.83 倍,滩地冲淤过程以1968 年和1982 年为转折点分为3 个阶段,依次经历了快速淤积、缓慢淤积和侵蚀3 个过程。其中淤积以滩面垂向加积为主,侵蚀主要表现为河岸侵蚀后退或坍塌。河槽以1969 年为转折点分为快速淤积和轻微淤积(冲刷淤积交替)两个阶段。年内滩地和河槽在汛期整体上淤积,非汛期滩地侵蚀(主要以河道侧向侵蚀形式),而河槽表现为微淤,滩地在汛期堆积和非汛期侵蚀的倾向较河槽明显。三门峡水库在蓄水拦沙(1960 年9 月~1962 年3 月)和滞洪排沙(1962 年3 月~1973 年10 月)阶段,泥沙淤积上延到渭淤17(WY17)和渭淤27 断面(WY27)间河段;实行蓄清排浑(1973 年11 月~1990 年)后溯源淤积大为减弱,淤积未再上延,河道冲淤趋向于平衡。潼关高程是影响河槽和滩地泥沙淤积和释放的主要原因之一。此外,滩地的冲淤量与当年汛期来沙量相关性最高,而河槽冲淤量与当年汛期径流量相关性最高。</p>
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黄土坡面侵蚀产沙沿程变化的模拟试验研究 [J].https://doi.org/10.3321/j.issn:0468-155X.2003.01.005 URL [本文引用: 1] 摘要
坡面侵蚀产沙的沿程分布规律研 究是认识土壤侵蚀规律、进行有效水土保持的理论基础。为了揭示坡面侵蚀产沙的沿程分布规律以及不同坡长下细沟的发育规律 ,我们进行了不同坡长 (2 5、5、7 5、10m)和不同雨强 (0 72、1 16、1 4、2 0、2 4mm min)的室内模拟降雨实验。结果表明 ,在实验条件下 ,黄土坡面侵蚀产沙从坡顶向下依次增大。但在不同雨强条件下变化趋势有所差异。当雨强小于 2mm min时 ,坡面侵蚀在 5～ 7 5m坡段急剧增加 ;雨强大于 2mm min时 ,发生急剧变化的坡段上移至 2 5～ 5m。上方来水是影响坡面侵蚀产沙的重要原因 ,短坡条件下 ,坡面侵蚀量与上方来水量成直线关系。细沟密度是描述细沟发育程度较好的指标 ,其大小随雨强以及坡长呈线性增加
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坡面水蚀过程水动力学研究进展 [J].https://doi.org/10.3321/j.issn:1001-6791.2001.03.020 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
径流分离土壤是侵蚀泥沙的主要来源,也是建立土壤侵蚀物理模型的控制参数之一.对国内外坡面径流分离土壤过程的研究方法、流速测定、控制方程、分离能力、挟沙力及存在的问题进行了系统深入的论述,旨在综合已有研究经验和成果,促进相关研究的发展.
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基于斜坡单元的区域斜坡稳定性评价方法 [J].
为对大范围区域斜坡的稳定性进行有效、定量的评价，提出一个耦合二维力学分析模型的区域斜坡稳定性评价方法。选择宝鸡市金台区的一段黄土沟谷作为研究区，对文章提出的方法进行验证。首先，利用GIS实现斜坡单元的划分；然后，利用钻探及调查得到的地层数据形成区域的多层Grid模型；在此基础上，开发程序，完成计算剖面生成、滑面搜索、稳定性评价等工作；最后，根据各单元的稳定性系数，生成区域斜坡稳定性分区图。这种方法以二维极限平衡方法为基础，即可得到研究区域的二维安全系数分布图，又可求得最危险滑动面的位置和规模。
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DCCA在黄土高原流域径流环境解释中的应用 [J].https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-0690.2006.02.013 URL [本文引用: 1] 摘要
以黄土高原腹地泾河流域12个水文特征指标为"物种",选取对流 域径流有影响的9个环境因子,采用DCCA排序方法定量分析河流径流特征沿环境因子梯度的演变规律.结果表明:(1)DCCA排序的前3轴分别与退化草地 比率、降水量、降水强度、植被指数、平均坡度显著相关;(2)河流径流特征沿环境梯度可明显分为输沙量极大的北部黄土丘陵区;平均含沙量极高的中北部黄土 沟壑区;径流量大、输沙量小的山地-沟壑过渡区;侵蚀模数极高、径流年内变化极大的中部黄土残塬区;产流量大、年含沙量极低的南部山地区.
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采用DCCA排序法对黄土高原 腹地泾河流域12个子流域的景观格局与流域水土流失关系进行了定量分析.结果表明,DCCA排序的前4轴分别与农业用地比率、景观多样性指数、森林比率显 著相关.各子流域的水土流失特征具有明显的梯度变异.在森林比率占65%的三水河子流域,景观相对简单、多样性低,流域年径流量大、输沙小、含沙量低,径 流相对稳定;随着森林比率减小,农业用地比率增大,景观多样性升高,产流系数增高,径流深度、输沙量和含沙量增大;在森林比率很低、农业用地53.41% 的洪河子流域,景观格局复杂、多样性较高,河流含沙量高、输沙率大,月输沙和径流变异极大;在农业用地比率减小,其他景观类型比率增大,景观相对简单
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重庆市岩溶区县土地利用景观破碎化及土壤侵蚀影响评价 [J].https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-4810.2008.03.009 URL [本文引用: 1] 摘要
根据重庆岩溶区县土地利用景观破碎情况,采用双向指示种分析法和 除趋势典范对应分析法对研究区县及各土地利用类型进行分类和排序,揭示其空间分布的景观生态学意义及土壤侵蚀对土地利用景观破碎化的影响.根据分析结果, 可将研究区22种土地利用类型分为未利用地、平原耕地、山地耕地和灌草地4大类;可将研究区25个区县样方可分为低脆弱剧烈破碎区;低脆弱极强破碎区;低 脆弱强破碎区,中脆弱中强破碎区,重脆弱中破碎区;重脆弱轻破碎区;中脆弱微破碎区7个样方群,空间上它们分属于渝东部、渝中部和渝西部3个区域,其土壤 侵蚀性从东往西逐渐减弱.除趋势典范对应分析结果表明,较强的土壤侵蚀会加剧土地利用景观的破碎化,加剧破碎化的强度同土壤侵蚀等级呈现出相反的趋势.
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基于GIS 的黄土高原不同植被区土壤侵蚀研究 [J].
在对黄土高原植被进行分区的基础上,利用地理信息系统技术和景观 生态学方法对黄土高原植被区空间数据和土壤侵蚀空间数据进行了空间叠加分析.结果表明,黄土高原被划分为森林植被区、森林草原植被区、温性草原植被区和荒 漠半荒漠植被区.在森林植被区,黄土高原土壤侵蚀主要以水蚀为主,轻度以卜的侵蚀百分比为41.92%,水蚀土壤侵蚀指数比温性草原植被区和荒漠半荒漠植 被区的水蚀土壤侵蚀指数大,为346.90.在森林草原植被区,黄土高原土壤侵蚀主要以水蚀为主,轻度以上的侵蚀百分比为70.45%,水蚀土壤侵蚀指数 均比其他植被区的水蚀土壤侵蚀指数大,为449.40,水蚀最为严重.在温性草原植被区,黄土高原土壤侵蚀主要以水-风混合侵蚀为主,风蚀微度-水蚀剧烈 的百分比最大,为33.01%,水-风混合侵蚀土壤侵蚀指数均比其他植被区的水-风混合侵蚀土壤侵蚀指数大,为633.45,水-风混合侵蚀最为严重.在 荒漠半荒漠植被区,黄土高原土壤侵蚀主要以风蚀为主,轻度以上的侵蚀百分比为99.65%,风蚀土壤侵蚀指数均比其他植被区的风蚀土壤侵蚀指数大,为 589.78,风蚀最为严重.黄土高原的土壤侵蚀表现出明显的地带性分异规律.
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吴旗县退耕还林生态效益价值评估 [J].https://doi.org/10.3321/j.issn:1009-2242.2006.03.021 URL [本文引用: 1] 摘要
生态效益的评价和核算对评价林业生态工程的建设效果至关重要。综合运用专家咨询、理论分析法和频度分析3种方法。建立了吴旗县退耕还林生态效益评价指标体系，使用市场价值法、影子工程法、机会成本法和替代法等方法，对该县退耕还林6年来的生态效益进行了价值核算。结果表明：吴旗县退耕还林工程具有巨大的生态效益,核算后的总生态价值约为24．8亿元，其中拦蓄保护水资源价值为6．4亿元，保护土地资源退化价值为6亿元，净化空气价值为5．3亿元，改善小气候价值0．3亿元，保护农田价值为0．02亿元．增加生物多样性价值为6．7亿元。研究结果可为黄土区退耕还林工程建设效益评价提供参考。
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历山自然保护区猪尾沟森林群落植被格局及环境解释 [J].https://doi.org/10.3321/j.issn:1000-0933.2003.03.003 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
应用 TWINSPAN、DCA和 DCCA,从植物种、植物群落与环境的生态关系方面 ,研究历山自然保护区猪尾沟森林群落的植被分布格局 ,并给予合理的环境解释。结果如下 :( 1 )采用 TWINSPAN数量分类方法 ,将植被划分为 9个群落类型。 ( 2 )对于特定的研究区域猪尾沟 ,制约森林群落类型、植物种分布格局的主要因素是海拔梯度 ,即水、热两个环境因子。 ( 3) DCCA排序图明显反映出排序轴的生态意义 ,第一轴基本上突出反映了各植物群落所在环境的海拔梯度 ,即热量因素 ,沿第一轴从左到右 ,海拔逐渐升高 ,植物群落或植物种对热量要求降低 ;第二轴主要表现了各植物群落或植物种所在环境的坡度、坡向 ,即水分和光照因素 ,沿第二轴从下到上 ,坡度渐缓、坡向渐向阳。
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三峡大老龄地区森林植被的空间格局分析及其地形解释 [J]. |
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黄土坡面不同植被恢复阶段的减流减沙效益研究 [J].
在延安燕沟流域退耕黄土坡面,根据植被状况建立不同植被恢复阶段(耕地、草地、灌木地、林地)径流小区,分析在退耕还林(草)工程实施以后,不同植被恢复阶段的减流减沙效益。结果表明,与坡耕地相比,各小区的减流减沙效益为:林地>灌木地>草地,草地和灌木地的减沙效益大于减流效益。对比草地和灌木地刈割前后的产流产沙量,可以看出,草地和灌木的减流效益有80%以上是由于地表枯落物及根系拦蓄径流造成,刈割后产沙量有明显增加,表明处于植被演替初级阶段的近地表层生态功能仍然比较脆弱,仍需进行封育保护。
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不同植被类型下坡面径流侵蚀产沙差异性 [J].
利用野外模拟降雨试验分析不同植被类型不同雨强下坡面降雨入渗产流和侵蚀产沙过程特征及径流侵蚀产沙差异性,阐明了不同植被类型对坡面降雨侵蚀产沙过程的 调控机理及其差异。结果表明：荒地、草地和坡耕地坡面产流产沙过程线均较林地强烈,呈现出多峰多谷的特点;植被类型和雨强及二者的交互效应均对产沙有显著 影响,植被类型的作用大于雨强,交互效应相对较弱;植被类型和雨强对径流有显著影响,植被类型的作用大于雨强,此时交互效应的影响并不显著。各种类型的产 沙量均存在显著差异,除荒地和草地两者径流量无明显差别外,其他两者之间存在显著差异。林地具有蓄水减沙的水土保持功效,草地具有直接拦沙的水土保持功 效,植被对有效控制水土流失至关重要。该项研究有助于更好地理解植被、降雨和侵蚀之间的相互关系。
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陕北不同地貌部位土壤抗冲性特征研究 [J].
以陕北吴起县为例,采用原状土冲刷法,对各地貌部位不同植被类型 问的土壤抗冲过程进行测试研究,结果表明:(1)在抗冲过程初期土壤抗冲值均较小,且随时间逐渐增大,随后抗冲值随时间呈波浪式变化,呈现单峰、双峰和多 峰变化,除农地外所有土样在整个抗冲过程均有突变值的存在;(2)在梁(峁)顶、梁(峁)坡、沟坡和沟底,抗冲性最强的植被类型分别为沙棘林(草地)、油 松小叶杨山杏混交林、柠条林和旱柳小叶杨混交林,农地的抗冲性能最差;(3)草地和灌木林在各地貌部位问的抗冲刷系数都表现为:梁峁顶>梁峁 坡>沟坡>沟底,乔木林总体上表现为:梁峁坡>梁峁顶>沟坡>沟底,林分类型间的抗冲性表现为:针阔混交林>阔叶混 交林>针叶纯林>阔叶纯林;(4)不同整地方法下的土壤抗冲性也表现出很大的差异,以油松林为例,表现出水平阶整地的抗冲性能优于鱼鳞坑,另 外水平阶阶坎上的土壤抗冲刷系数要高于水平阶阶面,其他整地方法的抗冲性能有待进一步研究.
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森林植被对坡面土壤水蚀作用的动力学机理 [J].https://doi.org/10.3321/j.issn:1000-0933.2008.10.056 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
水力侵蚀是目前世界上分布最 广、危害也是最为普遍的一种土壤侵蚀类型。坡面土壤侵蚀主要是由雨滴击溅、坡面径流引起,而森林植被作为陆地上最重要的生态系统以其林冠层、林木茎杆、林 地上富集的枯枝落叶层、根系层以及发育疏松而深厚的土壤层截持和蓄储大气降水,发挥着其特有的水文生态功能,从多个角度影响降雨和坡面流的水力特性,在防 治土壤侵蚀方面有其不可缺少的意义,然而目前对森林植被防治坡面土壤水蚀机理系统的研究还较少。系统的总结了森林植被各个垂直层次对坡面水蚀作用的动力学 机理以及不同学者在此领域所做出的研究成果及此项研究的研究现状,并从以下几个方面指出了林地坡面水蚀作用动力学机理研究中尚存在的问题及发展方向:林冠 对降雨重新分配出现林冠截持和干流等现象,降雨雨滴的大小、分布、降落速度和动能等性质发生变化,林冠层通过改变雨滴特性来影响坡面流水力特性,进而改变 坡面流对坡面的侵蚀机理;森林植被茎干对径流的分散阻止作用,增大地表径流的阻力系数,茎干绕流现象对坡面土壤侵蚀的作用有正反两方面,林木在一定种植密 度内,会使得泥沙起动流速减小,增加坡面侵蚀,因此应合理选择林木的种植密度才能起到减少坡面水蚀的作用;坡面流在枯落物层中流动并穿过枯落物层后下渗进 入土壤的过程,类似于水流在多孔介质中的流动,枯落物的物理性质如分解程度、空隙度等的变化,引起水流流动的状态变化复杂,有必要应用渗流理论来深入研究 以搞清其流动机理;根系层的存在能逐步改善土壤的内在特性,稳定表土层结构、提高土壤入渗性能使其抗侵蚀能力加强,植物根系层对坡面水蚀作用的研究是一个 崭新的领域,需从土力学和植物根系影响土壤力学性质的角度研究土壤的抗侵蚀能力。
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黄土高原沟谷密度空间分异特征研究 [J].
以5m分辨率DEM为信息源，借助样方分析思想，运用数字地形分析方法和克里格插值模型，获得黄土高原全区的沟谷密度分布图。在此基础上，探讨黄土高原沟谷的空间分异特征及影响因素。实验结果表明，黄土高原沟谷密度空间分异明显，沟谷密度在陕北的绥德一米脂一带达到高峰，由北向南递减。以六盘山和吕梁山为界，沟谷密度有三种变化特征，六盘山以西地区，沟谷密度较低且变化平稳，六盘山以东吕梁山以西地区的沟谷密度由北向南呈现梯度显著下降变化，吕梁山以东地区，沟谷密度呈现起伏变化，沟谷密度值分布在1．7~6．4km／km^2范围内。在宏观上，由陇西盆地、鄂尔多斯地台和汾渭裂谷等地质构造控制沟谷空间分布态势；降雨强度因素对沟谷侵蚀作用显著，加剧了沟谷密度空间分异特征；植被条件和地面组成物质呈现由西北向东南变化制约着沟谷发育。土壤侵蚀方面，沟谷密度与输沙模数空间耦合性较强，存在明显的正相关。
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