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黄土高原沟壑区沟头植被根系垂直分布及其对土壤抗侵蚀性的影响

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中国农业科学 2023年第1期56卷 90-103页

作者：娄义宝康宏亮王文龙沙小燕冯兰茜聂慧莹史倩华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水利部水土保持研究所

【目的】探明沟头植被根系垂直分布及其对土壤抗侵蚀性的影响，为沟蚀防治中植被措施优化配置提供理论依据。【方法】以不同植被覆盖(杂草(农地)、冰草、铁杆蒿、苜蓿)沟头为研究对象，通过原状土冲刷试验明确沟头土壤抗冲性特征。采用... 详细信息

【目的】探明沟头植被根系垂直分布及其对土壤抗侵蚀性的影响，为沟蚀防治中植被措施优化配置提供理论依据。【方法】以不同植被覆盖(杂草(农地)、冰草、铁杆蒿、苜蓿)沟头为研究对象，通过原状土冲刷试验明确沟头土壤抗冲性特征。采用扫描分析法、ZJ型应变控制式直剪仪等分析和测定根系特征及根-土复合体力学、理化性质。【结果】(1)各植被沟头根系在土壤中分布特征差异明显，根系特征指标(根重密度、根长密度、根表面积密度、根体积密度)总体上呈现冰草地最大，其次为苜蓿地、铁杆蒿地，农地最小；垂直深度上，农地沟头土壤中根系各指标均随土层加深而减小，冰草、铁杆蒿和苜蓿地沟头土壤中根系各指标整体上则表现为先减小后增大的变化趋势。各植被根系以沟头土壤容重变异性较小，在1.17—1.37 g·cm-3之间变化。>0.25 mm水稳性团聚体含量呈现出农地和冰草地大于铁杆蒿地和苜蓿地。(3)各植被沟头土壤黏聚力平均值苜蓿地为12.75 kPa、冰草地9.05 kPa、铁杆蒿地8.60 kPa、农地7.25 kPa；在垂直深度上，农地、冰草地和苜蓿地呈现出随着土层的加深呈先减小后增大的变化，铁杆蒿地则呈现随着土层深度加深逐渐减小的变化。(4)沟头0—100 cm土层土壤抗冲系数为苜蓿地(39.31 L·g-1)>冰草地(25.49 L·g-1)>农地(22.39 L·g-1)>铁杆蒿地(14.75 L·g-1)；在垂直深度上，表层(0—20 cm)土壤抗冲系数表现为较大值，在34.91—53.30 L·g-1之间变化。【结论】不同形态根系对土壤抗侵蚀性能作用不一，在沟头防护过程中植被选择应将直根系植物与须根系植物相结合。

关键词：土壤抗冲性土壤抗剪强度根系特征土壤侵蚀沟头植被黄土高原沟壑区

白草塬植被恢复后沟头草本植物多样性与土壤因子的关系

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水土保持通报 2023年第4期43卷 53-60,76页

作者：陈卓鑫郭明明王文龙冯兰茜娄义宝朱亚男杨浩中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心陕西杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所陕西杨凌712100 中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土区农业生态院重点实验室黑龙江哈尔滨150081 西北农林科技大学水土保持研究所陕西杨凌712100 中国科学院大学北京100049

[目的]探究黄土塬沟头在植被恢复后的草本植物多样性变化与土壤因子间的关系,为该区沟头水土保持效益评估提供科学依据。[方法]以农地沟头为对照,选择不同植被恢复年限(5,13,18,22 a)的白草塬草地沟头,调查和测定了各植被恢复年限沟头... 详细信息

[目的]探究黄土塬沟头在植被恢复后的草本植物多样性变化与土壤因子间的关系,为该区沟头水土保持效益评估提供科学依据。[方法]以农地沟头为对照,选择不同植被恢复年限(5,13,18,22 a)的白草塬草地沟头,调查和测定了各植被恢复年限沟头的草本植物多样性和表层土壤(0—10 cm和10—25 cm)的土壤性质因子。[结果]随植被恢复年限的增长,Patrick丰富度指数呈现先增大后稳定的变化趋势;Shannon-Wiener指数呈现持续上升的趋势,植被恢复18 a和22 a时的Shannon-Wiener指数高于恢复13 a,但没有显著性差异;Pielou均匀度指数呈现增加—降低—再增加的波动趋势,且在恢复22 a时达到最大值(0.89)。白草塬沟头0—10 cm和10—25 cm的土壤容重均在恢复22 a时达到最小值,较农地分别显著降低13.1%和17.8%(p沟头草本植物多样性,可改善表层土壤性质,在稳固沟头过程发挥重要作用。

关键词：沟头多样性土壤性质植被恢复白草塬黄土高原

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基于DEM的黄土梁峁区沟头提取与分析

基于DEM的黄土梁峁区沟头提取与分析

作者：刘晋红西华师范大学

学位级别：硕士

黄土高原是世界上土壤侵蚀最为严重的地区之一,土壤侵蚀严重制约着当地社会经济与生态环境的可持续发展。沟道侵蚀是土壤侵蚀领域面临的重要难题之一,受到世界各国的广泛关注。沟谷侵蚀是地貌侵蚀的基本形式,沟头是沟道侵蚀发展最剧烈... 详细信息

黄土高原是世界上土壤侵蚀最为严重的地区之一,土壤侵蚀严重制约着当地社会经济与生态环境的可持续发展。沟道侵蚀是土壤侵蚀领域面临的重要难题之一,受到世界各国的广泛关注。沟谷侵蚀是地貌侵蚀的基本形式,沟头是沟道侵蚀发展最剧烈的区域,研究沟头及其空间分布特征是了解地貌发展演变的重要窗口。本文以高分辨率DEM数据为数据源,选取陕西省绥德县典型黄土梁和黄土峁作为研究区,目视解译沟头分布,构建坡度-汇水面积模型(S-A模型)和复合地形指数模型(CTI模型),并对模型精度进行评价;同时基于沟头地形因子,运用随机森林方法预测沟头是否存在,回归得出沟头区不同地形因子对沟头发育影响的重要性。论文的主要研究结论如下:1、建立梁峁区沟头模型。通过目视解译得到研究区内的梁峁区沟头;分别提取坡度、汇水面积、平面曲率等建立适用于沟头区分析的S-A模型,和适用于沟道起始位置判断的CTI模型。S-A模型在黄土梁和黄土峁地区的临界公式分别为:S=1.9392A和S=2.1192A。对比发现,黄土峁地区的a值和b值都大于黄土梁地区的。在黄土梁沟头地区和黄土峁地区的CTIa阈值分别为11.4058～14.1299和11.6562～16.2426,CTI模型是基于研究对象自身的坡度等信息进行拟合,由于在黄土梁地区产生沟头的坡度范围较广,因此CTIa阈值也大于黄土峁地区。2、S-A和CTI模型的精度对比及其适用性。S-A模型在黄土峁地区和黄土梁地区的沟头的识别率分别为71.30%和65.65%;在黄土梁地区和黄土峁地区,CTI模型无偏差准确识别出的沟道起始位置的精度分别为27.69%和30.77%;黄土梁地区和黄土峁地区沟道起始位置偏差在3m以内的分别占76.92%和44.23%。随着阈值不断地增大,两种类型对于沟头位置的识别精度都有所提高,但是基于CTI无误差地确定沟头位置的总体精度还是不理想,这主要与黄土高原本身的地貌特征、气候类型、植被覆盖等有很大的关系,同时还受到该地区退耕还林还草、修筑梯田等水土保持措施的影响。就两种模型而言,S-A模型在地形起伏度大的地区对于沟头的识别效果较好,而CTI模型对规模较小的沟头起始位置指示性强。3、前述研究表明,S-A模型和CTI模型在黄土梁峁区的适应性存在差异,有必要探索新的沟头识别方法和手段。对目视解译得到的黄土梁、黄土峁区域沟头以及非沟头地区的各地形因子和沟头类别运用随机森林进行预测,得出各样区的分类精度以及对沟头产生影响的各地形因子的重要性。结果表明,选择最佳的随机森林参数,得出黄土梁地区袋外误差为1.59%,黄土峁地区袋外误差为8%,对训练集和预测集进行随机森林分类,发现基于现有的研究数据分类没有误差出现,精度均为100%。针对影响沟头发育的各因子的重要性分析,选用均方根误差MSE最小的决策树数量参与随机森林回归分析,研究表明在黄土梁地区,基于现有数据研究运用随机森林回归解释的地形因子对沟头发育的影响较低;在黄土峁地区地形因子对沟头发育影响程度较大,真实值和预测值之间的拟合R为0.96,其中,高程变异系数、地形起伏度、地表切割深度、坡度、粗糙度对其影响较大。

关键词：沟头黄土梁黄土峁 S-A模型 CTI模型随机森林

黄土高塬沟壑区不同植被类型沟头土体抗冲性研究

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黄土高塬沟壑区不同植被类型沟头土体抗冲性研究

作者：沙小燕西北农林科技大学

学位级别：硕士

随着退耕还林还草、坡耕地整治、固沟保塬和三道防线综合治理等一系列生态建设工程的实施,黄土高塬沟壑区植被面积大幅增加,土壤侵蚀过程发生了显著变化,在一定程度上有效控制了水土流失问题,区域生态环境得到明显改善。然而,在极端降... 详细信息

随着退耕还林还草、坡耕地整治、固沟保塬和三道防线综合治理等一系列生态建设工程的实施,黄土高塬沟壑区植被面积大幅增加,土壤侵蚀过程发生了显著变化,在一定程度上有效控制了水土流失问题,区域生态环境得到明显改善。然而,在极端降雨条件下,黄土高塬沟壑区沟头仍会在径流的不断冲刷下失稳而发生剧烈的沟头溯源侵蚀,产生严重的水土流失问题。不同植被类型沟头由于土壤性质和根系分布特征的差异性,沟头溯源侵蚀的发生几率和发展程度均不同。当前,土壤性质和根系参数对于不同植被类型沟头土体抗冲性的影响机制尚不清晰。鉴于此,本文选取黄土高塬沟壑区冰草、铁杆蒿、侧柏、冰草+铁杆蒿和冰草+紫花苜蓿+铁杆蒿5种植被类型沟头为研究对象,通过室内分析测定和原状土槽冲刷试验研究了沟头0～1 m不同土层(0～20、20～40、40～6l0、60～80和80～100 cm)土壤性质、根系分布特征和抗冲性特征,对比分析了不同植被沟头土壤性质和土体抗冲性的变化规律及其差异,揭示了各植被类型沟头土体抗冲性影响因子的差异,为黄土高塬沟壑区优化植被配置和沟头溯源侵蚀机理的研究提供基础数据和理论依据补充。主要研究结论如下:(1)在0～100 cm土层的垂直剖面上,沟头土壤性质、根系生物量、根表面积密度、根长密度、根体积和根系平均直径均随土层深度的增加呈波动性减小趋势,根系比表面积呈波动性增大趋势。就沟头土壤各参数平均值而言,冰草+紫花苜蓿+铁杆蒿沟头平均砂粒含量、土壤容重、水稳性团聚体含量、黏聚力和内摩擦角最大,冰草+铁杆蒿沟头平均粉粒含量、有机质含量和土壤含水量最大;铁杆蒿沟头平均孔隙度最大;冰草沟头平均黏粒含量最大。(2)与侧柏沟头相比,其他植被类型沟头平均黏粒含量、平均含水量和有机质含量的增幅分别为2.4%～11.8%、7.6%～46.6%和4.4%～53.2%;与冰草+紫花苜蓿+铁杆蒿沟头相比,其他各植被类型沟头平均粉粒含量和孔隙度分增加了2.3%～4.4%和0.39%～6.12%,平均土壤容重减幅为0.4%～6.5%;与冰草+铁杆蒿沟头相比,其他各植被类型沟头平均砂粒含量增加了3.3%～26.2%;与铁杆蒿沟头相比,其他各植被类型沟头水稳性团聚体含量增加了50.2%～66.1%;冰草+紫花苜蓿+铁杆蒿沟头平均黏聚力和内摩擦角分别是其他各植被类型沟头的1.08～1.56、1.01～1.13倍。(3)侧柏沟头土体中所含根系的平均根系生物量、根表面积密度最大,分别为其他植被类型沟头的1.73～1.95和1.59～2.89倍;冰草+紫花苜蓿+铁杆蒿沟头土体中所含根系的平均比表面积最大,为其他植被类型沟头的1.12～1.63倍;冰草沟头土体中所含根系的平均根长密度最大,为其他植被类型沟头的1.19～2.54倍。(4)各植被类型沟头土体抗冲系数随土层深度的增加均呈波动性减小趋势,21、27、32和37 L·min冲刷流量下各植被类型沟头其他土层抗冲系数的减幅分别为38.5%～88.4%、41.7%～88.7%、32.5%～87.6%和30.2%～87.2%。各植被类型沟头均是21 L·min冲刷流量下沟头土体平均抗冲系数最小,分别是其他冲刷流量下的1.10～1.44、1.26～1.58、1.15～1.41、1.31～1.78、1.26～1.88倍。各冲刷流量下侧柏沟头土体平均抗冲系数最小,较其余植被类型沟头土体抗冲系数的减幅分别为19.4%～59.6%、15.5%～53.7%、21.4%～49.5%和21.0%～47.0%。(5)侧柏、冰草、铁杆蒿沟头土体抗冲性均与根系生物量相关性最显著,呈极显著线性函数递增关系;冰草+铁杆蒿沟头土体抗冲性与根表面积密度相关性最大,呈极显著线性函数递增关系;冰草+紫花苜蓿+铁杆蒿沟头土体抗冲性与>0.25 mm水稳性团聚体含量相关性最显著,二者呈极显著指数函数递增关系。

关键词：沟头土体抗冲性土壤性质根系特征黄土高塬沟壑区

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等高线沟头直连快速修编方法及实现

测绘技术装备 2023年第3期25卷 142-145页

作者：马远征刘越范谦绵李海泉罗杰自然资源部第二地形测量队陕西西安710054

为解决矢量数据生产过程中出现的等高线沟头直连问题,本文在分析现有作业流程的基础上,提出了基于ArcPy和FME的两种等高线沟头直连快速修编方法,并基于某矢量数据生产项目的等高线数据,对提出的两种方法进行试验验证,将其与人工作业模... 详细信息

为解决矢量数据生产过程中出现的等高线沟头直连问题,本文在分析现有作业流程的基础上,提出了基于ArcPy和FME的两种等高线沟头直连快速修编方法,并基于某矢量数据生产项目的等高线数据,对提出的两种方法进行试验验证,将其与人工作业模式的效率和数据质量进行对比。结果表明,在处理效率上,基于FME的实现方法处理效率最高,基于ArcPy的实现方法次之,人工效率最低;在数据质量方面,基于ArcPy的实现方法与人工作业模式大致相当,基于FME的实现方法修编效果稍差。本文研究成果可为类似矢量数据的处理提供参考。

关键词：等高线沟头 ArcPy FME

黄土高塬沟壑区植被恢复对沟头土壤团聚体特征及土壤可蚀性的影响

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中国农业科学 2019年第16期52卷 2845-2857页

作者：王文鑫王文龙郭明明王天超康宏亮杨波赵满陈卓鑫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水利部水土保持研究所

【目的】沟头是黄土高塬沟壑区发育最活跃的地貌部位,关系着整个塬坡沟系统的水土流失。探明黄土高塬沟壑区植被恢复对沟头土壤团聚体特征及土壤可蚀性的影响,为区域生态环境修复和水土保持效益评价提供科学依据。【方法】以仍进行耕作... 详细信息

【目的】沟头是黄土高塬沟壑区发育最活跃的地貌部位,关系着整个塬坡沟系统的水土流失。探明黄土高塬沟壑区植被恢复对沟头土壤团聚体特征及土壤可蚀性的影响,为区域生态环境修复和水土保持效益评价提供科学依据。【方法】以仍进行耕作利用的农地沟头为对照,研究撂荒后自然恢复植被沟头不同土层(0—10、10—25、25—40 cm)土壤团聚体特征及土壤可蚀性随植被恢复年限(3—30 a)的变化。通过干筛法和湿筛法测定土壤团聚体组成,计算>0.25 mm水稳性团聚体含量(WR0.25)、平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、团聚体破坏率(PAD)、团聚体分形维数(D)等团聚体特征值,测定土壤机械组成及有机质含量,计算土壤可蚀性因子(K)。【结果】(1)与农地沟头相比,恢复3—30 a植被沟头土壤WR0.25、MWD、GMD分别增加11.49%—84.43%、0.18—2.05倍、7.53%—108.62%,三者随植被恢复年限的增加呈线性递增关系(P沟头土壤PAD、D随植被恢复年限增加以线性方式递减(P沟头分别减小3.81%—32.14%、0.55%—6.63%,二者随土层深度增加而增大;(3)随着植被恢复年限增加沟头土壤可蚀性因子K以线性关系递减(P沟头减小5.43%—14.44%,K随着土层深度增加而增大。【结论】植被恢复条件下有机质含量的提升对团聚体形成和稳定性起着重要的作用。沟头土壤可蚀性的减小与水稳性团聚体含量的增加、团聚体稳定性的提高密切相关,自然恢复条件下植被恢复22—30 a沟头土壤团聚体稳定性和抗蚀性能得到明显提升。

关键词：团聚体土壤可蚀性植被恢复沟头黄土高塬沟壑区

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顾及地貌结构特征的黄土沟头提取及分析

地理研究 2013年第11期32卷 2153-2162页

作者：江岭汤国安赵明伟宋效东南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室南京210023 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京100101 中国科学院大学北京100049

沟头是黄土地貌中发育最活跃的地貌部位,沟头的个体与群体对黄土沟间地的蚕食,成为监测黄土高原地面侵蚀演化的重要标识。有效获取并分析沟头的空间分布特征,对于系统、深入地研究黄土地貌的空间形态结构具有重要的意义。以陕北黄土高... 详细信息

沟头是黄土地貌中发育最活跃的地貌部位,沟头的个体与群体对黄土沟间地的蚕食,成为监测黄土高原地面侵蚀演化的重要标识。有效获取并分析沟头的空间分布特征,对于系统、深入地研究黄土地貌的空间形态结构具有重要的意义。以陕北黄土高原典型地貌类型区为实验样区,设计并实现了基于5 m分辨率DEM的沟头提取算法,获取了各实验样区的沟头空间信息;运用点格局分析方法,分析了沟头的空间分布特征。实验结果显示,所提出顾及沟沿线的沟头自动提取方法,具有较好的合理性与精确性;同时,从黄土塬区、黄土残塬区到黄土丘陵沟壑区,随着沟壑发育程度的增强,沟头逐步逼近分水线,其空间分布呈现"远分水线聚集—随机—近分水线聚集"的变化格局。

关键词： DEM 沟头点格局空间分布黄土地貌

基于坡度—汇水面积关系的黄土浅沟与切沟沟头形成敏感区模拟

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山地学报 2020年第5期38卷 658-667页

作者：刘欣王春梅庞国伟龙永清王雷陕西省地表系统与环境承载力重点实验室西北大学城市与环境学院

黄土高原侵蚀沟治理是黄河流域高质量发展中面临的重要问题。本研究以坡面侵蚀沟中的浅沟、切沟为研究对象,基于高分辨率无人机航摄和野外高精度实测,以陕北子洲岔巴沟典型小流域为研究区,得到沟头坡度—汇水面积关系曲线,构建了沟头形... 详细信息

黄土高原侵蚀沟治理是黄河流域高质量发展中面临的重要问题。本研究以坡面侵蚀沟中的浅沟、切沟为研究对象,基于高分辨率无人机航摄和野外高精度实测,以陕北子洲岔巴沟典型小流域为研究区,得到沟头坡度—汇水面积关系曲线,构建了沟头形成的地形临界模型,进行沟头形成敏感区模拟。结果表明:(1)浅沟、切沟沟头形成临界模型分别为:S≥0.6073A,S≥1.2065A;(2)综合运用沟头形成临界模型和流域坡度—汇水面积关系曲线可较为准确地预测浅沟、切沟沟头形成敏感区与非敏感区,浅沟、切沟沟头预测准确度分别为91.43%和71.79%,非沟头区域预测准确度为98.44%。研究结果可为黄土侵蚀沟防治提供技术支撑。

关键词：无人机侵蚀沟沟头数字高程模型黄土高原

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元谋干热河谷区冲沟沟头沟沿线的分形特征

干旱区资源与环境 2015年第12期29卷 150-154页

作者：刘辉邓青春张斌覃发超李响王磊张政玲杨海青西华师范大学国土资源学院南充637009

为了研究金沙江干热河谷区冲沟沟头的形态特征与发育演化规律,基于野外实地测绘与室内成图分析,采用分形维值、弯曲系数等参数描述了元谋县沙地村13条冲沟沟头的几何形态学及沟头发育特征。结果表明,该区域沟头分形维值范围在1.096-1.19... 详细信息

为了研究金沙江干热河谷区冲沟沟头的形态特征与发育演化规律,基于野外实地测绘与室内成图分析,采用分形维值、弯曲系数等参数描述了元谋县沙地村13条冲沟沟头的几何形态学及沟头发育特征。结果表明,该区域沟头分形维值范围在1.096-1.190之间,弯曲系数值在1.443-4.818之间,分形分维值和弯曲系数也具有很强的相关性。其研究结果不仅可以丰富冲沟形态学的研究方法,也可为干热河谷区的水土保持工作提供科学依据。

关键词：沟头沟沿线分形维值弯曲系数干热河谷