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小流域水土流失治理优先度的评价与应用

农业工程学报 2024年

作者：程冬兵赵元凌孙宝洋刘纪根陈蝶郑瑞维丁文峰长江水利委员会长江科学院

中国水土流失防治任务仍然繁重，有计划分批次实施水土流失治理是现阶段条件下的必然选择，优先治理小流域识别是其首要解决的一项基础工作，然而目前相关成果较为缺乏，难以支撑小流域水土流失治理智能决策和精准施策。在当前大力推进... 详细信息

中国水土流失防治任务仍然繁重，有计划分批次实施水土流失治理是现阶段条件下的必然选择，优先治理小流域识别是其首要解决的一项基础工作，然而目前相关成果较为缺乏，难以支撑小流域水土流失治理智能决策和精准施策。在当前大力推进智慧水土保持背景下，积极探索优先治理小流域识别方法非常迫切，对于科学、合理、高效促进水土流失治理工作具有重要意义。该研究立足于小流域自然禀赋条件，以中国水土流失重点区域——三峡库区秭归县为例，坚持科学性和可操作性相结合原则，以水土流失“减量和降级”双重目标和治理效益最大化需求为导向，综合水土流失面积和土壤侵蚀强度两个维度，提出小流域水土流失治理优先度定义及定量评价方法，为识别优先治理小流域提供科学依据和技术支撑。结果显示，秭归县2021年现状水土保持率为69.12%，远期(2050年)水土保持率为81.74%，总体提升12.62个百分点。秭归县2021年全域土壤侵蚀模数现状为758.50 t/(km2a)，最小可能土壤侵蚀模数为408.71 t/(km2a)，总体下降比例达46%。秭归县大部分区域均具有较大的水土保持率提升潜力和土壤侵蚀控制度，可完全治理和可降级的水土流失地块分布较为广泛，尤其在县域中西部的小流域存在较大的水土流失面积消减和土壤侵蚀强度降级空间。秭归县各小流域水土流失治理优先度的空间分布总体呈现中部高，东部和南部相对较低的分布格局，全县治理优先度大于0.6的小流域占总全县小流域的11.76%。通过典型县应用，该研究提出的小流域治理优先度涵盖了水土流失面积和土壤侵蚀强度两个维度，能更为全面满足小流域水土流失“减量和降级”双重目标和和治理效益最大化需求，直观反映了水土流失面积消减空间和土壤侵蚀强度降级空间的目标和相对大小，对支撑小流域治理决策更加准确、科学，治理优先度评价方法不仅可行，且易操作。

关键词：流域侵蚀水土保持率水土保持率提升潜力土壤侵蚀控制度治理优先度三峡库区

土质和砾石对堆积体入渗和产沙的影响试验研究

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长江科学院院报 2024年

作者：李建明刘晨曦张长伟王文龙王一峰郭明明康宏亮孙宝洋水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心长安大学土地工程学院中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室中国科学院东北地理与农业生态研究所长江科学院水土保持研究所

针对土质及砾石对堆积体入渗和产沙影响机制问题，基于人工模拟降雨试验，定量研究3种土质（砂土、壤土和黏土）和4种砾石质量分数（10%、20%、30%，不含砾石的裸坡（CK）作为对照）堆积体在3种降雨强度（1.0、1.5、2.0 mm/min）下的入... 详细信息

针对土质及砾石对堆积体入渗和产沙影响机制问题，基于人工模拟降雨试验，定量研究3种土质（砂土、壤土和黏土）和4种砾石质量分数（10%、20%、30%，不含砾石的裸坡（CK）作为对照）堆积体在3种降雨强度（1.0、1.5、2.0 mm/min）下的入渗和产沙过程特征。结果表明：（1）砂土入渗速率呈持续下降趋势，而壤土和黏土分别在产流6 min和3～18 min达到稳定入渗。砾石抑制砂土入渗，但促进黏土入渗，壤土初始入渗和稳定入渗均随砾石质量分数增大而递增；（2）砂土平均入渗速率分别是壤土和黏土的0.88～2.40倍和1.04～2.18倍。利用Horton入渗模型可较好预测壤土和黏土降雨过程中任意时刻入渗速率，与实测值的误差在0.61%～6.82%；（3）砂土侵蚀发生在整个降雨过程，且后期的侵蚀较初期更严重，而壤土和黏土前期侵蚀量显著大于后期。砂土平均侵蚀速率分别是壤土和黏土的4.74倍和2.84倍；（4）在降雨强度1.5及2.0 mm/min时砾石对砂土和壤土起到显著抑制侵蚀作用，但1.0 mm/min雨强时砾石增大砂土和黏土侵蚀。研究结果为建立工程堆积体土壤侵蚀模型提供数据基础，具有较强的理论和实践价值。

关键词：堆积体不同土质砾石质量分数模拟降雨入渗产沙

不同植茶年限土壤-微生物生物量碳氮磷化学计量特征

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应用生态学报 2023年第4期34卷 969-976页

作者：张冠华牛俊易亮孙宝洋李建明肖海长江科学院水土保持研究所武汉430010 水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心武汉430010 中南安全环境技术研究院股份有限公司武汉430071 三峡大学土木与建筑学院湖北宜昌443002

退耕还林(草)等生态建设工程的实施引起土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)循环及其化学计量特征发生变化,继而对土壤微生物生物量的化学计量造成潜在影响,然而,土壤-微生物C∶N∶P化学计量的时间动态及协调关系仍不明确。本试验选取三峡库区小流... 详细信息

退耕还林(草)等生态建设工程的实施引起土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)循环及其化学计量特征发生变化,继而对土壤微生物生物量的化学计量造成潜在影响,然而,土壤-微生物C∶N∶P化学计量的时间动态及协调关系仍不明确。本试验选取三峡库区小流域退耕地——茶园为研究对象,以玉米地为对照,探索土壤-微生物生物量C、N、P随植茶年限(30 a)的变化特征,分析其化学计量比、微生物熵(qMBC、qMBN、qMBP)、化学计量不平衡性(土壤C、N、P计量比与微生物生物量C、N、P计量比的比值)之间的关系。结果表明:随着植茶年限增加,土壤和微生物生物量C、N、P、土壤C∶N和C∶P均显著升高,而土壤N∶P整体下降,微生物生物量C∶P和N∶P呈先升后降的变化趋势,微生物生物量C∶N变化不显著。此外,茶树种植年限对土壤、微生物间的化学计量不平衡性以及微生物熵均存在显著影响,随着植茶年限增加,qMBC先降低后升高,qMBN和qMBP呈波动上升;碳氮化学计量不平衡性(C∶Nimb)和碳磷化学计量不平衡性(C∶Pimb)显著增加,氮磷化学计量不平衡性(N∶Pimb)呈波动上升。冗余分析显示,qMBC与土壤N∶P和微生物生物量化学计量(C∶N、C∶P、N∶P)两两呈正相关,而与微生物化学计量不平衡性和土壤C∶N、C∶P呈负相关,qMBN和qMBP则相反;微生物生物量C∶P与qMBC关系最密切,C∶Nimb、C∶Pimb对qMBN和qMBP的影响较大。

关键词：植茶年限土壤微生物微生物熵化学计量不平衡性

亚热带苔藓结皮对土壤-微生物-胞外酶化学计量特征的影响

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应用生态学报 2022年第7期33卷 1791-1800页

作者：张冠华易亮孙宝洋李建明沈盛彧长江科学院水土保持研究所武汉430010 水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心武汉430010 中南安全环境技术研究院股份有限公司武汉430071

生物结皮的形成和发育显著影响土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)循环及其化学计量特征,土壤微生物如何适应环境资源的化学计量变化仍不明确。本研究以三峡库区苔藓结皮为对象,分析结皮盖度(0、1%~20%、20%~40%、40%~60%、60%~80%和80%~100%)对... 详细信息

生物结皮的形成和发育显著影响土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)循环及其化学计量特征,土壤微生物如何适应环境资源的化学计量变化仍不明确。本研究以三峡库区苔藓结皮为对象,分析结皮盖度(0、1%~20%、20%~40%、40%~60%、60%~80%和80%~100%)对土壤理化性质(0~5和5~10 cm土层)、微生物生物量和胞外酶活性[(β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、酸性磷酸酶(AP)]的影响,探索土壤-微生物-胞外酶C∶N∶P化学计量特征间的协变性。结果表明:生物结皮发育显著提高了土壤黏粒、水稳性团聚体和土壤C、N、P含量,显著降低了土壤容重和砂粒含量;微生物生物量C、N、P和胞外酶活性均随结皮盖度的增大而显著增加;土层深度对土壤理化性质及C∶N∶P均无显著影响,但显著影响微生物生物量、胞外酶活性及BG∶AP和NAG∶AP。相关分析显示,土壤C、N、P含量与微生物生物量和胞外酶活性呈显著正相关,与BG∶NAG呈显著负相关,与NAG∶AP呈显著正相关,但与微生物生物量C∶N∶P无显著相关性;土壤-微生物、微生物-胞外酶C∶N∶P相关性均不显著,BG∶NAG∶AP随着微生物与土壤间C∶N∶P化学计量不平衡性的增加而逐渐降低。表明微生物养分代谢同时受N和P的限制,且P的限制较强烈,微生物可以通过调整自身生物量以及胞外酶C∶N∶P适应生物结皮发育驱动的土壤化学计量变化,从而维持内稳态。

关键词：生物结皮阈值元素比化学计量内稳性养分限制

长江源典型地区高寒草地退化对土壤分离影响研究

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长江科学院院报 2022年

作者：孙宝洋任斐鹏邵逸文刘纪根李昊师哲水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心水利部长江江源区水生态系统野外科学观测研究站长江水利委员会长江科学院

长江源高寒草地存在不同程度的退化，导致局部水土流失仍呈增加的趋势。为研究高寒草地退化对土壤分离速率的影响，本文开展不同植被退化程度坡面径流冲刷试验。结果表明，植被完全退化坡面的高山草甸土平均分离速率(0.54 g/(cm·min))...

长江源高寒草地存在不同程度的退化，导致局部水土流失仍呈增加的趋势。为研究高寒草地退化对土壤分离速率的影响，本文开展不同植被退化程度坡面径流冲刷试验。结果表明，植被完全退化坡面的高山草甸土平均分离速率(0.54 g/(cm·min))显著大于重度和中度退化坡面(0.34 g/(cm·min)和0.12 g/(cm·min))，并远大于轻度退化的坡面(0.03 g/(cm·min))；完全退化坡面的淡寒钙土平均分离速率(4.29 g/(cm·min))是寒钙土、草甸沼泽土和高山草甸土的3.25、7.27和7.94倍。不同退化程度的土壤分离速率随水流剪切力、径流功率与过水断面单位能量的增加，均呈较好地线性或幂函数关系，但与水流功率的拟合效果最好。在相同水流功率条件下，长江源土壤分离速率大于西南及黄土高原地区。本研究可为长江源区土壤侵蚀机理的研究和水土保持措施优化配置提供参考。

关键词：

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小流域水土流失治理优先度的评价与应用

农业工程学报 2023年第22期39卷 104-111页

作者：程冬兵赵元凌孙宝洋刘纪根陈蝶郑瑞维丁文峰长江水利委员会长江科学院武汉430010

中国水土流失防治任务仍然繁重,有计划分批次实施水土流失治理是现阶段条件下的必然选择,优先治理小流域识别是其首要解决的一项基础工作,然而目前相关成果较为缺乏,难以支撑小流域水土流失治理智能决策和精准施策。在当前大力推进智慧... 详细信息

中国水土流失防治任务仍然繁重,有计划分批次实施水土流失治理是现阶段条件下的必然选择,优先治理小流域识别是其首要解决的一项基础工作,然而目前相关成果较为缺乏,难以支撑小流域水土流失治理智能决策和精准施策。在当前大力推进智慧水土保持背景下,积极探索优先治理小流域识别方法非常迫切,对于科学、合理、高效促进水土流失治理工作具有重要意义。该研究立足于小流域自然禀赋条件,以中国水土流失重点区域——三峡库区秭归县为例,坚持科学性和可操作性相结合原则,以水土流失“减量和降级”双重目标和治理效益最大化需求为导向,综合水土流失面积和土壤侵蚀强度两个维度,提出小流域水土流失治理优先度定义及定量评价方法,为识别优先治理小流域提供科学依据和技术支撑。结果显示,秭归县2021年现状水土保持率为69.12%,远期(2050年)水土保持率为81.74%,总体提升12.62个百分点。秭归县2021年全域土壤侵蚀模数现状为758.50 t/(km^(2)·a),最小可能土壤侵蚀模数为408.71 t/(km^(2)·a),总体下降比例达46%。秭归县大部分区域均具有较大的水土保持率提升潜力和土壤侵蚀控制度,可完全治理和可降级的水土流失地块分布较为广泛,尤其在县域中西部的小流域存在较大的水土流失面积消减和土壤侵蚀强度降级空间。秭归县各小流域水土流失治理优先度的空间分布总体呈现中部高,东部和南部相对较低的分布格局,全县治理优先度大于0.6的小流域占总全县小流域的11.76%。通过典型县应用,该研究提出的小流域治理优先度涵盖了水土流失面积和土壤侵蚀强度两个维度,能更为全面满足小流域水土流失“减量和降级”双重目标和和治理效益最大化需求,直观反映了水土流失面积消减空间和土壤侵蚀强度降级空间的目标和相对大小,对支撑小流域治理决策更加准确、科学,治理优先度评价方法不仅可行,且易操作。

关键词：流域侵蚀水土保持率水土保持率提升潜力土壤侵蚀控制度治理优先度三峡库区

典型红壤区输变电工程堆积体边坡细沟侵蚀特征

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长江科学院院报 2023年第9期40卷 61-67页

作者：李熙刘强江世雄孙宝洋钱峰陈垚国网福建省电力有限公司电力科学研究院福州350007 国网福建省电力有限公司福州350003 长江科学院水土保持研究所武汉430010

为科学治理典型红壤区输变电工程堆积体水土流失问题,采用室内人工模拟降雨试验,设计了雨强(2、2.5、3 mm/min)和坡度(10°、15°)2个处理方式,研究了红壤堆积体坡面土壤侵蚀过程,分析了雨强、坡度、侵蚀产沙特征以及细沟形态特征参数(... 详细信息

为科学治理典型红壤区输变电工程堆积体水土流失问题,采用室内人工模拟降雨试验,设计了雨强(2、2.5、3 mm/min)和坡度(10°、15°)2个处理方式,研究了红壤堆积体坡面土壤侵蚀过程,分析了雨强、坡度、侵蚀产沙特征以及细沟形态特征参数(密度、割裂度、复杂度和宽深比)之间的关系。结果表明:不同雨强红壤堆积体坡面产流量随降雨历时的增加而增大,入渗率和输沙量随降雨历时的增加呈减小趋势;细沟密度、细沟割裂度、细沟复杂度和细沟宽深比分别为0.77~1.35 m/m^(2)、0.04~0.08、0.93~1.40、1.01~2.39;细沟宽深比随着雨强和坡度的增大而减小,细沟密度、割裂度以及复杂度的变化与之相反。细沟形态特性指标与坡面侵蚀速率之间的相关性排序为:细沟复杂度>细沟割裂度>细沟密度>细沟宽深比。研究成果可为典型红壤区输变电工程水土流失防治提供技术参数和依据。

关键词：细沟侵蚀输变电工程堆积体人工模拟降雨产流产沙

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三峡库区苔藓生物结皮对土壤水分入渗的影响

应用生态学报 2022年第7期33卷 1835-1842页

作者：张冠华易亮丁文峰王一然牛俊李建明孙宝洋长江科学院水土保持研究所武汉430010 水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心武汉430010 中南安全环境技术研究院股份有限公司武汉430071

在三峡库区王家桥小流域选取以苔藓为优势种的生物结皮样地,以附近无结皮发育的裸地为对照,设计5个盖度水平(1%~20%、20%~40%、40%~60%、60%~80%和80%~100%),采用环刀法测定土壤入渗过程,研究生物结皮盖度对入渗过程的影响。结果表明:... 详细信息

在三峡库区王家桥小流域选取以苔藓为优势种的生物结皮样地,以附近无结皮发育的裸地为对照,设计5个盖度水平(1%~20%、20%~40%、40%~60%、60%~80%和80%~100%),采用环刀法测定土壤入渗过程,研究生物结皮盖度对入渗过程的影响。结果表明:与裸地相比,生物结皮发育可显著提高表层土壤粘结力、孔隙度、黏粒含量、水稳性团聚体和有机碳含量,显著降低土壤容重和砂粒含量。生物结皮促进了土壤水分入渗,初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和累积入渗量可达裸地的2.0倍及以上,土壤入渗性能随结皮盖度的增大呈先增加后减小的变化规律,在40%~60%盖度下最大。通径分析显示,土壤初始入渗率主要受结皮盖度、土壤容重和有机碳含量的影响,稳定入渗率主要受结皮盖度和土壤容重的影响。Horton模型对三峡库区生物结皮覆盖土壤的水分入渗过程拟合效果最佳。

关键词：土壤水分入渗生物土壤结皮生态功能

地形因子尺度效应及对水力侵蚀估算的影响研究进展

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长江科学院院报 2023年

作者：卢刚王兴连艾克拜尔·热合木吐拉马惟杨王一峰孙宝洋李力新疆维吾尔自治区水土保持生态环境监测总站长江水利委员会长江科学院华中师范大学城市与环境科学学院

地形是影响水土流失的重要因素，地形因子是水力侵蚀估算模型的关键参数。区域土壤侵蚀研究中地形因子多基于中低分辨率DEM提取，但提取的坡度发生衰减、坡长发生扩张，显著影响水力侵蚀估算。本文总结坡度、坡长尺度效应及其对水力侵... 详细信息

地形是影响水土流失的重要因素，地形因子是水力侵蚀估算模型的关键参数。区域土壤侵蚀研究中地形因子多基于中低分辨率DEM提取，但提取的坡度发生衰减、坡长发生扩张，显著影响水力侵蚀估算。本文总结坡度、坡长尺度效应及其对水力侵蚀估算影响等方面的研究进展，综述显示，地形因子尺度效应广泛存在不同侵蚀类型区，但坡度衰减、坡长扩张规律迥异；地形因子尺度效应与区域地形复杂程度相关，并受地形信息空间频率组成、地形因子计算方式和截断方式等因素的共同影响；不同区域坡度、坡长因子对DEM分辨率敏感度不同，其尺度效应对水力侵蚀估算的影响程度也不同。目前研究在坡度衰减、坡长扩张基本规律方面已有较为丰硕成果，但坡度衰减和坡长扩张机制、坡度和坡长因子尺度效应耦合机理、人为活动引起坡面地形突变对地形因子尺度效应的影响机制、地形因子转换方法的区域适用性和地貌学原理及转换结果的不确定性评价等方面需加强后续研究。

关键词：地形因子 DEM 尺度效应水力侵蚀估算研究综述