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三峡库区N_(2)O时空分布差异及减排潜力分析

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长江流域资源与环境 2024年第1期33卷 150-162页

作者：李丹青王云琦王震白志杰李海涛北京林业大学水土保持学院北京100085 北京林业大学水土保持学院重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站北京100083 呼伦贝尔农垦集团内蒙古呼伦贝尔021008 呼伦贝尔水文勘测局内蒙古呼伦贝尔021099

氧化亚氮(N_(2)O)是继二氧化碳(CO_(2))和甲烷(CH4)之后的全球第三大温室气体,地区的农业集约化发展和城镇化推进会加剧N_(2)O排放。基于此选取三峡库区为典型地区,利用IPCC排放因子法和情景分析法对三峡库区N_(2)O时空分布差异及减排... 详细信息

氧化亚氮(N_(2)O)是继二氧化碳(CO_(2))和甲烷(CH4)之后的全球第三大温室气体,地区的农业集约化发展和城镇化推进会加剧N_(2)O排放。基于此选取三峡库区为典型地区,利用IPCC排放因子法和情景分析法对三峡库区N_(2)O时空分布差异及减排潜力进行研究。结果表明:(1)三峡库区2006年~2019年N_(2)O排放量维持在1.47~1.62万t,总体趋势呈先升高后降低且库区内18个区县间差异性较为显著(P<0.01),空间分布具有随机性(14年年均Moran I≈0)。(2)三峡库区农业活动是三峡库区N_(2)O最主要的来源,而化肥施用量和粪便排放量是库区农业N_(2)O最大来源,占比为40.48%和23.84%。利用STIRPAT模型发现N_(2)O驱动因素中,城镇化率对三峡库区有控制作用,促进因子从小到大依次为粮食产量、乡村从业人数、第一产业增值和人均GDP。(3)利用情景分析法在3种减排情景下对三峡库区2030年N_(2)O排放量进行预测,预测值分别为1.55、1.34和1.21万t。针对三峡库区N_(2)O排放情况和未来预测情况,建议从库区腹部地带着手,控制农田氮肥施用量和加强畜禽粪便管理,建立种养结合新农业模式,探索减排过程中的土壤内部循环机理,多方面联合控制N_(2)O的排放。

关键词：温室气体氧化亚氮三峡库区 IPCC 农业低碳

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中国南北方植物对土壤加固机制的差异性

农业工程学报 2024年第8期40卷 98-106页

作者：王丹马超王云琦王玉杰吕柏伟徐淑蕾朱锦奇南昌大学流域碳中和教育部工程研究中心江西生态文明研究院资源与环境学院南昌330031 北京林业大学水土保持学院重庆三峡库区森林生态系统教育部野外科学观测研究站北京100083 北京林业大学水土保持学院重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站北京100083 山西省交通环境保护中心站(有限公司) 太原030032

为深入分析植物对土壤加固的影响效益和机制,该研究选取重庆缙云山地区和陕西延安黄土丘陵区种植一年的乔木(火炬树、榆树)和灌木(荆条、酸枣),测定其根系形态、力学参数和土壤的抗剪强度,通过RBMw模型计算根系固土效益,综合评估不同植... 详细信息

为深入分析植物对土壤加固的影响效益和机制,该研究选取重庆缙云山地区和陕西延安黄土丘陵区种植一年的乔木(火炬树、榆树)和灌木(荆条、酸枣),测定其根系形态、力学参数和土壤的抗剪强度,通过RBMw模型计算根系固土效益,综合评估不同植物的固土效能和贡献度。结果表明:2地种植的物种平均根直径的差异不显著(P>0.05),重庆种植的乔木(火炬树、榆树)的根长、分叉数和根尖数显著高于延安,灌木未出现显著差异(P<0.05)。根系的抗拉强度与直径都符合负幂函数关系,其中平均抗拉强度最大的为荆条。除荆条外,同种植物根系的抗拉强度并未因不同地区的种植产生显著差异。4个植物种根系的固土效率为0.65~4.12 kPa,各物种间存在显著差异(P<0.05)。重庆2种乔木种植下的根土复合体有效黏聚力高于裸地(约10%),灌木种植下则普遍略低于裸地。除酸枣外,种植于重庆的4种植物的根系固土作用和效率都显著的高于延安(P<0.05)。研究结果可为不同地区固土护坡的树种选择提供理论依据。

关键词：土壤根系植物抗拉特性抗剪强度综合固土能力

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基于多目标优化方法的滑坡易发性评价

水土保持学报 2024年第1期38卷 104-112,121页

作者：张兴存蒋玉琳王玉杰祁子寒王云琦北京林业大学水土保持学院重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站北京林业大学水土保持学院重庆三峡库区森林生态系统教育部野外科学观测研究站北京100083

[目的]在滑坡易发性评价中,滑坡预测模型的选取和优化对运算过程的高效性和预测结果的准确性至关重要。针对现有单目标遗传优化算法(genetic algorithm,GA)易陷入早熟、局部搜索能力差、全局优化速度慢等问题,拟提出一种新的优化算法框... 详细信息

[目的]在滑坡易发性评价中,滑坡预测模型的选取和优化对运算过程的高效性和预测结果的准确性至关重要。针对现有单目标遗传优化算法(genetic algorithm,GA)易陷入早熟、局部搜索能力差、全局优化速度慢等问题,拟提出一种新的优化算法框架,将多目标遗传算法中的经典算法—带精英选择策略的非支配排序算法(the nondominated sorting genetic algorithm with an elite strategy,NSGA-Ⅱ)与常用机器学习模型[随机森林(random forest,RF)、支持向量机(support vector machine,SVM)]相结合,进行滑坡易发性预测。与单目标优化不同的是,NSGA-Ⅱ算法可同时进行特征选择和超参数优化,并使预测模型同时实现最优准确度、召回率、精密度和AUC(area under curve,AUC)。[方法]以三峡库区重庆段为研究区,从模型精度评价、滑坡灾害易发性分区图、分区统计3个方面对4种优化模型(RF-GA、SVM-GA、RF-NSGA-II、SVM-NSGA-II)进行对比分析。[结果]NSGA-II较GA优化效果更明显,在模型评价和滑坡易发性分区方面,RF-NSGA-II模型具有更高的预测性能,4项评价值分别为80.91%,81.89%,80.07%,88.60%,证明NSGA-II优化算法的有效性;极低至极高危险区面积占比依次为23.06%,22.46%,22.96%,19.99%,11.53%,验证了RF-NSGA-II模型的可靠性。由RF-NSGA-II模型预测得到的易发性图表明,高和极高易发性区集中在研究区北部,且由东向西呈带状分布。[结论]研究采取的基于多目标选择的RF-NSGA-II模型,为滑坡易发性评价中机器学习模型调优提供新思路。

关键词：滑坡易发性多目标优化随机森林支持向量机

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缙云山针阔混交林水热通量特征及其影响因子

中国水土保持科学 2024年第1期22卷 77-85页

作者：刘烜沃白浪王云琦冯印成刘双楠孟祥江师贺雄北京林业大学水土保持学院、重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站北京100083 山西农业大学山西晋中030801 围场满族蒙古族自治县林业和草原局河北承德067000 重庆市林业科学研究院重庆武陵山森林生态系统国家定位观测研究站重庆400700

基于涡度相关技术,对重庆市缙云山观测站内的针阔混交林生态系统的净辐射(Rn)、显热通量(H)、潜热通量(LE)、土壤热通量(G)等进行处理,分析研究区水热通量及各环境因子的变化过程,明确水热通量变化的外在驱动因子,为森林经营及林业可持... 详细信息

基于涡度相关技术,对重庆市缙云山观测站内的针阔混交林生态系统的净辐射(Rn)、显热通量(H)、潜热通量(LE)、土壤热通量(G)等进行处理,分析研究区水热通量及各环境因子的变化过程,明确水热通量变化的外在驱动因子,为森林经营及林业可持续发展提供科学依据。结果表明:1)该生态系统能量闭合缺失为0.26。2)各水热通量在日变化上呈现单峰变化趋势,在季节变化上呈现出夏季最大(日均值124.66 W/m^(2)),冬季最小(日均值31.68 W/m^(2));空气温度(Ta)、饱和水气压差(VPD)呈现多峰变化趋势;降水集中于一年的4、7、8,9和10月;叶面积指数(LAI)在生长季(4—10月)呈现单峰变化。3)非雾天情况下显热通量(H)显著大于雾天情况,冠层导度(Gs)表现出多维度的复杂特征。缙云山针阔混交林能量循环损失较小,数据可靠;太阳高度角变化引起的净辐射变化是水热通量变化的主导因素;降水量(Pr)的不规则分布及LAI的变化导致Ta和VPD多峰变化;雾气对土壤热量的导向会造成显热通量下降;较高的空气温度导致了大气与下垫面之间湍流形式的热流显著增加而使显热通量上涨。一般情况下,H主要受到Rn的影响,且分别受到VPD和土壤温度(Tsoil)的次要影响(雾天环境)以及VPD和风速WS的次要影响(非雾天环境)。Rn、Gs、Ta、VPD均对LE产生显著影响,未发现研究区Pr和Tsoil与LE存在显著关系。Gs受多种因素(Rn、VPD、Ta、VWC、P等)综合影响。

关键词：针阔混交林水热通量涡度相关技术雾冠层导度

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酸沉降强度对马尾松土壤活性铝的影响

森林与环境学报 2024年第4期44卷 376-386页

作者：朱君琳刘敏王云琦李成郑永林张晓明北京林业大学水土保持学院重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站北京100083 中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司四川成都610057 重庆地质矿产研究院重庆401120 中国水利水电科学研究院北京100038

为探究长期自然环境中酸沉降强度对马尾松林下土壤活性铝的影响,以酸沉降强度依次增大的重庆四面山、缙云山、铁山坪为研究区,选取母质相同的马尾松土壤为研究对象,分析不同酸沉降强度下土壤pH值、营养元素含量、交换性阳离子含量、酶... 详细信息

为探究长期自然环境中酸沉降强度对马尾松林下土壤活性铝的影响,以酸沉降强度依次增大的重庆四面山、缙云山、铁山坪为研究区,选取母质相同的马尾松土壤为研究对象,分析不同酸沉降强度下土壤pH值、营养元素含量、交换性阳离子含量、酶活性与土壤活性铝的相互作用关系。结果表明:随着酸沉降强度的增大,土壤pH值及全碳(TC)、全氮(TN)、交换性铝(Ex-Al)、单聚体羟基铝(Hy-Al)、酸溶无机铝(Ac-Al)含量显著下降(P<0.05),而交换性Mn^(2+)含量不断上升。研究区活性铝以Ac-Al和腐殖质酸铝(Hu-Al)为主,共占比77.1%~84.9%。酸沉降条件下,土壤各形态活性铝含量与TC含量、TN含量、全硫(TS)含量、铵态氮(NH_(4)^(+)-N)含量、脲酶(UE)活性显著相关(P<0.05),活性铝总量的主要影响因子为NH_(4)^(+)-N含量。酸沉降强度改变影响土壤活性铝的主导因子。在四面山,TC、TN、TS含量与各形态活性铝含量显著正相关(P<0.05);在缙云山,Mg^(2+)含量与Ac-Al含量显著正相关(P<0.05),与Ex-Al、Hy-Al、Hu-Al含量显著负相关(P<0.05);在铁山坪,硝态氮(NO_(3)^(-)-N)含量与Ex-Al含量极显著负相关(P<0.01),与Hy-Al、Ac-Al、Hu-Al含量极显著正相关(P<0.01)。随着酸沉降强度的增大,马尾松土壤碳氮元素流失,活性铝淋溶,交换性Mn^(2+)含量升高。经冗余分析可知,随酸沉降强度增大,影响土壤各形态活性含量的主要因子由TC、TN、TS含量转变为交换性Mg^(2+)含量,后为NO_(3)^(-)-N含量。

关键词：酸沉降强度土壤活性铝土壤交换性阳离子土壤酶活性

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厌氧消化酸累积条件下强化产甲烷研究与应用

工业用水与废水 2024年第1期55卷 1-5,26页

作者：王云琦杜玉莹梅红汪炎东华工程科技股份有限公司合肥230088

厌氧消化系统在实际运行中易受多种条件的影响,导致挥发性脂肪酸积累,挥发性脂肪酸的积累进一步抑制产甲烷作用,最终导致厌氧消化系统崩溃。分析了pH值、挥发性脂肪酸的种类和浓度是酸累积抑制产甲烷的原因,综述了利用投加嗜酸产甲烷菌... 详细信息

厌氧消化系统在实际运行中易受多种条件的影响,导致挥发性脂肪酸积累,挥发性脂肪酸的积累进一步抑制产甲烷作用,最终导致厌氧消化系统崩溃。分析了pH值、挥发性脂肪酸的种类和浓度是酸累积抑制产甲烷的原因,综述了利用投加嗜酸产甲烷菌和丙酸产甲烷菌的生物强化技术与投加磁铁矿、纳米零价铁、活性炭、生物炭、石墨烯的外源强化技术消除酸累积取得的效果,展望了未来研究方向可从加强酸累积对产甲烷抑制作用的机理探究,以及利用数学模型对酸累积的过程进行预警和调控等方面开展。

关键词：厌氧消化挥发性脂肪酸酸累积 pH值抑制强化产甲烷

缙云山4种植物幼苗氮磷含量及生态化学计量特征对模拟酸雨的响应

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中国水土保持科学 2024年第3期22卷 169-178页

作者：张育萱王云琦王玉杰杨凤朱君琳郑永林李满意孟祥江薛兰兰北京林业大学水土保持学院重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站北京100083 北京林业大学水土保持学院重庆三峡库区森林生态系统教育部野外科学观测研究站北京100083 自然资源部重庆典型矿区生态修复野外科学观测研究站(重庆地质矿产研究院) 重庆401120 重庆武陵山森林生态系统国家定位观测研究站(重庆市林业科学研究院) 重庆400036

为研究酸雨对植物幼苗氮(N)、磷(P)含量及生态化学计量特征,探讨植物养分及其化学计量之间的关系及对酸雨的响应。以1年生杉木、马尾松、香樟和毛竹幼苗为研究对象,于2021年5月在重庆缙云山,设置pH值7.0(对照)、4.5、3.5和2.5共4个处理... 详细信息

为研究酸雨对植物幼苗氮(N)、磷(P)含量及生态化学计量特征,探讨植物养分及其化学计量之间的关系及对酸雨的响应。以1年生杉木、马尾松、香樟和毛竹幼苗为研究对象,于2021年5月在重庆缙云山,设置pH值7.0(对照)、4.5、3.5和2.5共4个处理,分别记为CK、pH4.5、pH3.5和pH2.5,进行为期4个月的原位模拟酸雨喷洒试验,分析不同植物幼苗N、P含量及其化学计量比。结果表明:不同浓度酸雨下,杉木、马尾松、香樟和毛竹4种植物叶的N、P含量大于根和茎;不同树种和不同器官的N含量对酸雨淋溶的响应不同,杉木和香樟幼苗的根和叶N含量对酸雨处理响应敏感系数高于茎。在pH3.5和pH4.5时,杉木和马尾松为N限制,毛竹在pH3.5时为N限制,而香樟在pH3.5和pH4.5时为P限制,不同酸雨浓度对植物各器官N:P计量特征存在不同影响,影响植物幼苗N、P含量平衡;杉木、马尾松、香樟和毛竹根N、P含量之间呈正相关,N、P含量表现出一定的比例组成和协调关系。不同植物对于酸雨处理的响应不同,植物营养元素含量及其在各个器官间的分配与植物自身形态结构特点和外界环境变化特征有关。

关键词：模拟酸雨植物器官氮磷化学计量比

风荷载作用下三种乔木对边坡变形和稳定的影响

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农业工程学报 2023年第5期39卷 110-119页

作者：李通王云琦何相昌祁子寒骆丕昭北京林业大学水土保持学院重庆三峡库区森林生态系统教育部野外科学观测研究站北京100083 北京林业大学水土保持学院重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站北京100083

植被对边坡稳定影响机制是全世界性的课题,研究多集中于根系固土能力和边坡稳定性增益方面,针对植被边坡土体变形和稳定性对风荷载作用的响应机制并不清晰。为探讨风荷载作用下土体应力发展和稳定性影响规律,该研究基于前期调查选取缙云... 详细信息

植被对边坡稳定影响机制是全世界性的课题,研究多集中于根系固土能力和边坡稳定性增益方面,针对植被边坡土体变形和稳定性对风荷载作用的响应机制并不清晰。为探讨风荷载作用下土体应力发展和稳定性影响规律,该研究基于前期调查选取缙云山3种典型乔木(杉木、润楠、大头茶),采用Geo-studio建立边坡数值模型,分析了各坡体模型在不同风速下的应力、位移和边坡稳定系数。结果表明:1)风荷载作用下,在根土盘位置出现了应力集中现象,迎风侧根土盘上部和下部表现为压力和张力,背风侧则相反;随风速和坡度增大,整体转动趋势加剧,总位移中坡位>上坡位>下坡位。2)当坡度较小时,边坡稳定系数随风速增大先轻微增大后迅速降低,坡度较大时,稳定系数随风速变化单调递减。45°陡坡在最大风速(30 m/s)下,大头茶、润楠和杉木的安全系数较无风时分别降低3.6%、27%、11.8%,大头茶边坡在风荷载下平均应力和总位移最小,稳定性受风荷载影响最小。3)林冠宽度、根盘直径对边坡稳定性影响的极差随风速增大而放大,冠高和根盘深度的极差变化不大,林冠宽度和根土盘直径参数为主要影响稳定性的主要因子。类似大头茶具有较大根土盘直径的树种护坡作用受风荷载影响较小,而类似润楠和杉木具有较大树冠高度,较小根土盘直径和较大根系深度的植边坡在风荷载作用下应力集中现象和位移增大趋势明显,风力对稳定性不利,不建议作为多风区域高边坡防护树种。研究结果有助于理解和认识风荷载下土体应力传递机制和对边坡稳定的影响,为多风区域植被边坡防护提供依据。

关键词：边坡稳定根系固土数值模拟倒伏树木缙云山风灾

重庆缙云山森林火灾干扰边坡的滑坡易发期预测

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农业工程学报 2023年第9期39卷 131-141页

作者：李通王云琦祁子寒何相昌李克文北京林业大学水土保持学院重庆三峡库区森林生态系统教育部野外科学观测研究站北京100083 北京林业大学水土保持学院重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站北京100083

为明确缙云山火灾后边坡的失稳机制并预测未来滑坡风险,该研究通过对火林地根-土体物理性质勘测和试验,借鉴森林砍伐与根系强度预测模型-SIDLE曲线模型预测了根系强度的衰减和恢复动态,并采用COMSOL模拟了未来40 a林地边坡在正常状态和... 详细信息

为明确缙云山火灾后边坡的失稳机制并预测未来滑坡风险,该研究通过对火林地根-土体物理性质勘测和试验,借鉴森林砍伐与根系强度预测模型-SIDLE曲线模型预测了根系强度的衰减和恢复动态,并采用COMSOL模拟了未来40 a林地边坡在正常状态和极端降雨事件后的稳定性动态。结果表明:(1)缙云山林缘边坡为约1.5 m厚的砂质壤土-砂质泥岩双层土坡结构,上下层渗透性和土体强度差异悬殊;(2)林缘边坡在自然状态下处于稳定状态,潜在滑动面位于深层(稳定系数FOS>2);极端降雨条件下,潜在滑动面位于土层结构面上,该处易出现带状积水,正孔隙水压力约10 kPa,极端降雨后无根系状态临界FOS为1.13,根系固土状态下临界FOS为1.32;(3)火灾发生后对自然状态下边坡深层稳定性影响较小,而极端降雨后边坡浅层稳定性随火灾后的年动态呈现快速降低而后缓慢恢复的趋势,期间FOS谷值处便出现长达数年的浅层滑坡易发期。缙云山林缘边坡的失稳机制为降雨过程中土层界面处正孔隙水压力积累弱化了有效应力。结合文献已有灌木根系数据和本区植物根系固土特性和土层特征,保守估计该次火灾发生后6~9 a为滑坡易发期,FOS为1.22~1.32,至少18~24 a后才可完全恢复至火灾前的稳定条件。研究结果有助于了解区域浅层滑坡形成机制,为火后森林恢复和边坡风险评估提供初步参考。

关键词：边坡失稳降雨入渗森林火灾根系固土流固耦合边坡稳定