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坡面土壤侵蚀产沙的神经网络模拟

土壤学报 2006年第2期43卷 324-327页

作者：赵西宁吴普特冯浩王万忠吴发启中国科学院水利部水土保持研究所西北农林科技大学国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心陕西杨凌712100

土壤侵蚀预报是进行水土流失监测、指导水土保持措施合理配置、优化水土资源高效利用的重要工具，自20世纪60年代以来，国内外学者对此进行大量研究，建立一系列经验统计模型和物理成因模型等。以上模型复杂性及适用性各异：如经验统计... 详细信息

土壤侵蚀预报是进行水土流失监测、指导水土保持措施合理配置、优化水土资源高效利用的重要工具，自20世纪60年代以来，国内外学者对此进行大量研究，建立一系列经验统计模型和物理成因模型等。以上模型复杂性及适用性各异：如经验统计模型主要从侵蚀产沙因子角度入手，建立径流产沙与降雨、植被、土壤、土地利用、耕作方式、水保措施等之间的多元回归因子关系式，一般比较简单，便于应用，但模型中经验参数适用范围有限，模拟精度难以控制；物理机理模型主要以土壤侵蚀物理过程为基础，利用水文学、水力学、土壤学及其他相关学科基本原理，根据降雨、径流条件来描述土壤侵蚀过程，预报给定时段内的土壤侵蚀量，具有一定的通用性，但其限制因素较多，应用不便；人工神经网络（ANN）中的BP网络模型具有较强的自学习能力和处理非线性问题能力，近年来已在有关工程领域得到广泛应用。本文以土壤侵蚀较为严重的陕西淳化县泥河沟流域坡耕地为例，引入BP网络模型这一新的定量研究方法对坡面土壤侵蚀产沙规律进行研究.

关键词：坡面土壤侵蚀侵蚀产沙量 BP神经网络

坡面土壤侵蚀公式的建立及其在流域产沙计算中的应用

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水科学进展 1994年第2期5卷 104-110页

作者：汤立群陈国祥南京河海大学水资源开发利用国家专业实验室

分析了坡面土壤颗粒的受力情况，认为坡面土壤颗粒的运动与其所受的有效切应力有关，从而推导出坡面土壤侵蚀量计算公式，建立了流域产沙模型。公式的推导具有较强的泥沙运动力学基础，反映了影响流域产沙的主要因素。模型参数少，应用... 详细信息

分析了坡面土壤颗粒的受力情况，认为坡面土壤颗粒的运动与其所受的有效切应力有关，从而推导出坡面土壤侵蚀量计算公式，建立了流域产沙模型。公式的推导具有较强的泥沙运动力学基础，反映了影响流域产沙的主要因素。模型参数少，应用方便，既可计算一次洪水产沙量，又可计算年产沙量。在陕北裴家峁流域上应用，结果令人满意。

关键词：坡面土壤侵蚀流域产沙流域模型

用^(137)Cs法研究黄土区耕垦历史不同的坡面土壤侵蚀强度分异

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水土保持通报 2005年第1期25卷 1-4页

作者：王晓燕田均良长沙理工大学建筑系湖南长沙410076 中国科学院水利部水土保持研究所陕西杨凌712100

以核素示踪技术为研究手段,以空间序列代替时间序列和以线控面为基本研究方法,在提出坡面平均坡度和坡面核素平均面积浓度计算方法的基础上,研究了黄土丘陵区典型小流域———延安燕沟流域不同开垦历史的农耕地坡面土壤侵蚀强度分异。... 详细信息

以核素示踪技术为研究手段,以空间序列代替时间序列和以线控面为基本研究方法,在提出坡面平均坡度和坡面核素平均面积浓度计算方法的基础上,研究了黄土丘陵区典型小流域———延安燕沟流域不同开垦历史的农耕地坡面土壤侵蚀强度分异。通过不同开垦历史的坡面侵蚀模数与开垦时间、坡度、坡长的偏相关分析,结果表明,侵蚀模数与开垦时间的相关程度最大,其次是坡度,与坡长的相关性不明显。坡面土壤侵蚀强度随开垦年限的增长呈增加趋势,说明人为破坏植被、不合理开垦导致的人为加速侵蚀是近代黄土高原水土流失的主要原因。

关键词：坡面土壤侵蚀 ^137Cs法黄土区开垦坡长农耕地坡面侵蚀分异增加技术

贵州喀斯特区典型小流域坡面土壤侵蚀与主要影响因子的响应

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水土保持研究 2018年第3期25卷 1-5页

作者：李瑞张弛顾再柯吴清林文雅琴贵州师范大学喀斯特研究院贵阳550001 国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心贵阳550001 盘州市老厂国有林场贵州盘州553537 贵州省水土保持监测站贵阳550002

为探讨贵州喀斯特区不同土地利用方式、地形及降雨等因子对坡面土壤侵蚀的响应,采取野外径流小区定位观测法,以贵州省龙里县羊鸡冲小流域及毕节市石桥小流域为研究对象,开展了典型喀斯特坡面土壤侵蚀观测试验。结果表明:龙里羊鸡冲小流... 详细信息

为探讨贵州喀斯特区不同土地利用方式、地形及降雨等因子对坡面土壤侵蚀的响应,采取野外径流小区定位观测法,以贵州省龙里县羊鸡冲小流域及毕节市石桥小流域为研究对象,开展了典型喀斯特坡面土壤侵蚀观测试验。结果表明:龙里羊鸡冲小流域坡面3种不同土地利用方式中,撂荒地因植被的快速恢复,土壤侵蚀程度最轻,2014年全年土壤侵蚀量仅为4.7t/km^2,林地次之,91.3t/km^2,而坡耕地侵蚀程度最为严重,达629.5t/km^2,进一步的差异显著性检验表明,3种坡面土地利用方式土壤侵蚀在0.05水平上差异显著(p土壤侵蚀响应关系表现为随坡长的增加土壤侵蚀呈增加趋势,但未达显著水平(p>0.05);降雨量同土壤侵蚀关系密切,在0.01水平上呈显著正相关(p0.5)。

关键词：喀斯特坡面土壤侵蚀响应影响因子

关联规则支持下坡面土壤侵蚀评价指标体系构建——以鄂西北丹江库区郧西县为例

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中国水利 2011年第22期 49-51,55页

作者：鄢铁平孙燕廖炜张秋文龚兰兰湖北省水土保持监测中心武汉430071 华中科技大学数字流域科学与技术湖北省重点实验室武汉430074

在综述国内外研究概况和研究方法的基础上,结合鄂西北山区的相关径流小区观测数据,引用关联规则中的Apriori算法,首先对坡角、植被覆盖度、土地利用类型、植被措施等各种不同因子进行量化,然后分别实现在不同耕作方式、不同坡度、不同... 详细信息

在综述国内外研究概况和研究方法的基础上,结合鄂西北山区的相关径流小区观测数据,引用关联规则中的Apriori算法,首先对坡角、植被覆盖度、土地利用类型、植被措施等各种不同因子进行量化,然后分别实现在不同耕作方式、不同坡度、不同植被覆盖度因子条件下以及综合因子影响下,它们对土壤侵蚀状况的影响,再综合进行影响因子与坡面土壤侵蚀之间的关联规则分析,以算法的支持度与置信度为基础,实现各因子与土壤侵蚀状况的重要性程度关联,进而得到各因子与土壤侵蚀之间重要性关系,建立研究区坡面径流小区土壤侵蚀评价指标体系。

关键词：坡面土壤侵蚀关联规则评价指标体系鄂西北山区

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生物炭添加对微小区坡面土壤侵蚀的影响研究

生物炭添加对微小区坡面土壤侵蚀的影响研究

作者：伍林中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心)

学位级别：硕士

黄土高原土壤贫瘠,水分短缺,坡地退化严重,导致该区生态环境脆弱,农业可持续发展面临挑战。生物炭因其富碳和多孔特性具有良好的土壤改良效果。近年来,生物炭添加对土壤侵蚀的影响备受关注,但现有研究大多单独研究生物炭驱动的土壤性质... 详细信息

黄土高原土壤贫瘠,水分短缺,坡地退化严重,导致该区生态环境脆弱,农业可持续发展面临挑战。生物炭因其富碳和多孔特性具有良好的土壤改良效果。近年来,生物炭添加对土壤侵蚀的影响备受关注,但现有研究大多单独研究生物炭驱动的土壤性质变化及对土壤侵蚀的影响,且主要以室内模拟试验为主。对于生物炭添加驱动土壤性质和植物生长特征变化共同对土壤侵蚀影响的研究还鲜有报道,加之室内模拟试验有一定的局限性,生物炭添加影响坡面土壤侵蚀机理的研究仍需深入。鉴于此,本研究以黄土高原添加不同含量（0%、1%、2.5%、4%、5.5%和7%）生物炭的黄绵土微小区为研究对象,基于2021和2022年天然降雨野外微小区原位观测试验,在明确不同生物炭添加量对黄绵土理化性质、植被生长及微小区坡面产流产沙影响的基础上,系统研究生物炭添加对黄绵土微小区坡面土壤侵蚀的影响机理,并揭示生物炭添加驱动微小区坡面土壤侵蚀的关键因子。主要研究结论如下:（1）土壤主要理化性质指标对生物炭添加的响应不同。添加生物炭的土壤容重均低于对照,且随生物炭含量增加而逐渐减小。添加生物炭的土壤毛管孔隙度、总孔隙度、土壤饱和含水量、毛管持水量、田间持水量和土壤含水率均高于对照,且随生物炭含量增加逐渐增加。土壤非毛管孔隙度和土壤硬度在各生物炭含量下无明显变化规律。生物炭添加提高0.053～0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1mm以及1～2 mm粒级的土壤水稳性团聚体含量,且各粒级土壤水稳性团聚体含量随粒级的减小所占百分比逐渐增大,但生物炭添加减小了土壤水稳性团聚体含量,且其土壤水稳性团聚体占比逐渐降低,同时,生物炭添加（除7%添加量处理）减小了最大粒级>2 mm的土壤水稳性团聚体含量。随着生物炭含量的增加,团聚体稳定性及土壤总碳（TC）、总氮（TN）含量呈增加趋势。（2）生物炭添加对微小区坡面产流产沙影响显著。2021和2022年的18场侵蚀性降雨中,裸地、撂荒地和农地微小区的径流量和土壤流失量都表现为前期型>后期型>中期型雨型,且各雨型下添加生物炭的微小区径流量和土壤流失量均低于对照组,其中生物炭含量为2.5%的微小区径流量和土壤流失量显著降低（p土壤流失量逐渐增大。对于撂荒微小区,在植被盖度较小时,生物炭含量为2.5%、4%、5.5%和7%的微小区径流量与各降雨参数(降雨量、降雨历时、平均雨强、I、E和EI)呈显著正相关关系。当植被盖度较大时,生物炭添加下的各微小区径流量与降雨参数的相关系数随生物炭含量增加而增大。当植被盖度较小时,对照组CK的土壤流失量与各降雨参数相关系数比添加生物炭处理的高。在植被覆盖范围逐渐增大为35%～75%时,除降雨历时外,添加生物炭处理微小区的降雨参数与土壤流失量相关系数均大于对照组CK,且在生物炭含量为2.5%时最大,达到了0.996。（3）生物炭添加下,裸地、撂荒地和农地微小区的土壤流失量随径流量的增大逐渐增大,其增加速率为裸地>撂荒地>农地。随着生物炭含量的增加,土壤流失量随径流量增加而增加的速率逐渐减小。（4）通过结构方程模型分析发现,在所有路径下,生物炭对土壤总碳TC和全氮TN的正效应（0.98和0.93）最大,其次为土壤水分特征参数（0.7）和土壤孔隙度（0.41）,生物炭对土壤容重的影响为负效应。生物炭引起的土壤物理性质变化对土壤侵蚀特征产生影响的效应大于其通过间接影响作物生长特征变化从而影响土壤侵蚀而带来的效应,此效应为负效应,且直接负效应为间接负效应的1.18～1.96倍。此外,在所有路径中,无论是直接效应还是间接效应,在生物炭-土壤-作物-土壤侵蚀特征系统下,生物炭对产流量的负效应大于对土壤流失量的负效应。

关键词：生物炭坡面土壤侵蚀微小区作物生长产流产沙

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添加生物炭对坡面土壤侵蚀的影响研究

添加生物炭对坡面土壤侵蚀的影响研究

作者：吴媛媛中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心)

学位级别：硕士

以农林废弃物资源化利用为基础的生物炭,在当今气候变化、能源短缺、环境污染、粮食危机和农业可持续发展受限的宏观背景下,以其固有的特性和理化性质成为了当今农业、能源与环境等领域的研究热点。目前,农业领域中施加生物炭对土壤结... 详细信息

以农林废弃物资源化利用为基础的生物炭,在当今气候变化、能源短缺、环境污染、粮食危机和农业可持续发展受限的宏观背景下,以其固有的特性和理化性质成为了当今农业、能源与环境等领域的研究热点。目前,农业领域中施加生物炭对土壤结构改良、理化性质改善和作物产量提高等方向的研究已广泛开展。黄土高原作为全球水土流失最严重的地区之一,该区土壤贫瘠、水分短缺和水土流失严重,导致该区经济社会发展和生态环境建设受限,目前相关学者试图利用生物炭的特殊性质改善黄土高原土壤结构、养分和水分状况,然而黄土高原最主要的环境问题是水土流失,利用生物炭之前,探究添加生物炭对坡面土壤侵蚀状况影响具有重要的意义。本研究以黄土高原黄绵土为研究对象,基于室内人工模拟降雨和土壤理化性质分析,通过2014-2015年试验,在明确添加不同含量(0%、1%、3%、5%和7%)和粒级(2-1mm、1-0.25mm、土壤团聚体、土壤分形维数及泥沙分形维数影响的基础上,系统地研究添加生物炭对坡面土壤侵蚀的影响及时间效应,分析侵蚀泥沙分形维数、泥沙养分含量和泥沙生物炭含量等指标在降雨过程中的变化特征及对添加生物炭的响应。主要结论如下:1、在定容重条件下,添加生物炭对土壤饱和导水率有显著影响。采用定水头法测定生物炭含量、粒级和时间效应对土壤饱和导水率影响,结果显示:随着生物炭含量的增加,土壤饱和导水率减小;小颗粒的生物炭可增大土壤饱和导水率;经过室外自然放置培养后土壤饱和导水率增大。2、经过7个月的室外自然放置培养后,采用干筛和湿筛法对土壤团聚体稳定性的研究表明:添加生物炭会使土壤中“>2mm组分”和“>0.25mm组分”的团聚体含量、土壤平均重量直径(MWD)、平均几何直径(GMD)和土壤中“>2mm组分”与“>0.25mm组分”的破碎率(PAD)在生物炭的作用下有所增加,,即团聚体粒径增大但破碎率也增大。表明在短期内对生物炭土壤团聚体结构和其稳定性的影响较小,建议进行更长时间的团聚体状况监测,以进一步明确生物炭施用对土壤团聚体的影响效应和过程。3、添加生物炭后,土壤的分形维数随着生物炭含量的增加和粒级的减小而减小。降雨过程中,泥沙分形维数随着降雨历时呈现先增大后趋于平稳的趋势。土壤分形维数与土壤侵蚀量的变化呈显著的二次函数的相关关系,但与降雨径流变化无明显关系。4、添加生物炭对土壤养分有一定影响:随着生物炭含量的增加,土壤全氮、全磷增大,全钾减小,而土壤全量养分随着生物炭粒级无明显变化。在降雨过程中,携带生物炭的泥沙全氮呈现降低趋势,全磷呈现增加趋势,而全钾无明显变化规律。降雨后,不携带生物炭的泥沙颗粒平均全氮和全钾养分随着生物炭含量增加而增加,全磷则减小,即生物炭在降雨过程中释放了N和K,而磷素的损失可能是随水流失也可能是生物炭产生了吸附作用。5、添加生物炭对降雨侵蚀有显著影响:生物炭含量对侵蚀泥沙量和降雨径流量变化的影响贡献率分别是40.64%和33.61%,随着生物炭含量的增加降雨侵蚀量和坡面径流量均有增大趋势。生物炭粒级对侵蚀泥沙量和降雨径流量变化的影响贡献率分别是5.03%和5.27%,随着生物炭粒级的减小侵蚀泥沙量呈现增大趋势,而径流量呈现减小趋势。添加生物炭的土壤室外自然放置7个月时间后,降雨侵蚀量和坡面径流量均减小,可能原因是放置后土壤与生物炭形成大颗粒的团聚体,使得土壤饱和导水率增大,坡面径流减小,但是所形成的团聚体结构稳定性差,在降雨过程中易发生破碎,所以侵蚀泥沙量有减小趋势,但是变化幅度小。6、降雨过程中泥沙生物炭含量呈幂指数下降形式。次降雨后泥沙的平均生物炭含量随着添加量的增大有贫化现象,随着生物炭粒级的减小其富集现象减弱,这是因为小颗粒的生物炭更易损失。对上述指标的分析发现,生物炭的添加主要是通过改变土壤的理化性质来影响其对降雨侵蚀的作用效果,通过对土壤结构、泥沙养分、生物炭含量及降雨产流产沙的分析明确了降雨侵蚀对添加生物炭的响应。添加生物炭对各个指标均产生了影响,但是短期内主要是影响土壤的物理性质,需要建立长期的检测体系来进一步明确生物炭对侵蚀的影响效果和作用机制。

关键词：生物炭黄土高原坡面土壤侵蚀土壤理化性质