京津风沙源治理工程区土地利用/覆盖变化对生态系统水源涵养服务的影响

【目的】水源涵养服务是与人类关系最为密切的生态系统服务之一,也是评估区域生态环境效益的重要指标。本研究以水源涵养量为指标,探究京津风沙源治理工程实施的生态效益。【方法】采用区域土地利用/覆盖和气象数据,量化了2000−2018年土地利用/覆盖变化和同期水源涵养量动态,进而评估了土地利用/覆盖变化对水源涵养服务的影响。【结果】(1)京津风沙源治理工程区自西北向东南依次以草地、耕地、林地覆盖为主,水源涵养量自西北向东南递增;(2)2000−2018年,林地总体增加了14.22%,区域水源涵养量总体也呈现增加趋势,晋北山地丘陵区、燕山丘陵山地水源保护区、科尔沁沙地、鄂尔多斯高原和大兴安岭南部区等增幅相对较大;(3)区域生态系统水源涵养服务随不同时期、亚区分布和地类转换而存在差异,林地水源涵养服务量最高,且在各亚区均占主导地位;(4)2000−2010年,全区内草地向林地转移对水源涵养量增加的贡献最大,达49.32×10^(8) m^(3),大面积草地转为林地使大兴安岭南部区水源涵养量增加最为显著,达16.11×10^(8) m^(3);(5)2010−2018年,全区内仍是草地向林地转移对水源涵养量增加的贡献最大,达3.87×10^(8) m^(3),荒地开垦、造林、种草对涵养水源的贡献集中作用于鄂尔多斯高原南部区,增加了1.31×10^(8) m^(3),退耕还林和草地向林地转移对燕山丘陵山地水源保护区贡献最大,达1.84×10^(8) m^(3)。【结论】京津风沙源治理工程实施以来,退耕还林、荒地造林、草地治理等措施使研究区水源涵养服务有效提高,引起水源涵养量增加的土地利用/覆盖转移类型主要为未利用土地向林、草地转移和草、耕地向林地转移,地类转移对水源涵养量增加贡献最大的区域主要为大兴安岭南部区、燕山丘陵山地水源保护区和晋北山地丘陵区等东南部区域。区域土地利用/覆盖格局有待进一步优化,下一阶段的工程实施应当根据各区生态特点分区施策,因地制宜,对耕地水源涵养服务能力较弱区域实施退耕还林还草工程,对有必要保留的耕地改进水土保持耕作栽培措施,未利用土地面积较大区域根据水资源承载能力科学实施封沙育林育草或进行人工造林,并加强管护,使研究区高生态效益区持续稳步发展,低生态效益区重点治理,高效发展。

高速公路边坡侵蚀沟特性初步研究——以银武高速公路同心至固原段为例

为研究高速公路边坡侵蚀沟的发生、发展规律,该文选择银武高速公路同心至固原段固原立交2.5 km的范围作为研究区段.在2006年6—8月间,根据不同公路边坡类型和防治措施,设置6个观测小区,采用体积量测法,实地调查公路边坡侵蚀沟的发生、发展过程,同时用虹吸式自记雨量计记录降雨量.分析结果表明,研究区沟蚀量与降雨量并没有显著关系,而与平均降雨强度具有一定的相关性,平均降雨强度只有大于9.47 mm/h时才有可能发生沟蚀,而且平均降雨强度越大,产生的沟蚀量越多;当平均降雨强度相当时,降雨量越大,产生的沟蚀量也越多;六棱砖防护措施能防止边坡沟蚀的产生,拱形框架梁防护措施能够很好地控制边坡沟蚀的发育;在同样有六棱砖或拱形框架梁防护下,结合植物措施后,其防护效果更佳.弃土场边坡侵蚀沟发育最为剧烈,一个雨季产生的沟蚀量达9 779.55 t/km2.

长汀不同郁闭度马尾松林降雨淋溶养分输入特征

降雨淋溶过程对森林生态系统养分循环具有重要影响,是水土流失区土壤养分的重要来源之一。为探究降雨淋溶过程对南方红壤侵蚀区马尾松林养分输入特征的影响,以福建长汀不同郁闭度(0.2,0.4,0.6,0.8)马尾松林为研究对象,利用自制的降雨采样装置,采集不同郁闭度马尾松林大气降雨、穿透雨和树干茎流样品,测定分析N、K、Ca、Na、Mg和Mn 6种元素。结果表明:大气降雨经过冠层再分配后,除Ca元素外,各养分元素含量在穿透雨和树干茎流中均随郁闭度的增加而增加;树干茎流中Ca元素含量则以郁闭度0.4最高,郁闭度0.6最低;在冬季或者降雨量较少的月份郁闭度过高会使养分含量降低。随着马尾松林林冠层密度增大,吸附粉尘等干沉降物质的量增多,导致降雨淋溶时各元素含量增大,从而增加马尾松林养分输入,促进养分循环。

基于侵蚀针和近景摄影测量的侵蚀速率测定方法试验研究

为探究一种精度高、操作简便,成本低、易便携的土壤侵蚀速率测量方法和设备,采用近景摄影测量的直接线性变换处理技术,实现了侵蚀针土壤侵蚀速率测量法的非接触性快速测量。2008年10月在人工模拟降雨条件下对该方法的测量精度进行了检验,并对该方法的推广应用进行了讨论。结果表明:该方法的测量侵蚀针出露高度的精度可达到96.73%以上。土壤侵蚀量趋于稳定后,其解算值与实测值间的误差率将稳定在4%～5%之间,该方法测量土壤侵蚀量的精度可达到92.77%以上。

官厅水库上游典型植物措施特性及在侵蚀性降雨下的水沙效应分析

为了研究官厅水库上游地区水土保持典型植物措施的减水减沙效益,选取5个标准样地,通过分析该地区侵蚀性降雨特性和植物多样性程度,研究不同典型植物措施的减水减沙效益随雨量、雨强和时间的变化,并评估不同植被盖度对径流深、产沙量的影响,得出在官厅水库上游布设水土保持典型植物措施的有效方法。结果表明：1）草坡盖度越高减水减沙效益越好,在大暴雨和特大暴雨条件下时效果明显,但盖度在45%~60%的草坡即可以达到水土保持典型植物措施的有效盖度,因此这一盖度适宜在北京山区范围内推广。灌草结合可在减少径流和泥沙方面达到较好效果,在官厅水库上游布设较草坡安全。2）合理的植被群落配置可以增强该群落自身对不良环境的抵抗力,其中多样性程度是关键,可促进坡面植被的盖度和稳定性保持在一定水平。保证植物盖度的同时,多样性程度越高,其退化速度越慢,从而可以保证植物的盖度和正常生理活动,减少径流和泥沙的产生。在进行水土保持植物措施的布设时,需要考虑到植物种类的多样性,将盖度与多样性指数、丰富度指数、均匀度指数作为布设措施时需要考虑的因素,并逐年进行补植。该研究为比较相应措施的水土保持效益打下基础,从而为北京山区生态安全的研究提供一定理论基础。

森林集水区水文效应的研究

对油松山杨林集水区和经过抚育间伐后的集水区进行观测分析的结果表明：水文过程线主要取决于降雨过程，产流特点是径流系数小、洪水含沙量低。一方面两集水区的水文特征值均较小，充分体现了森林良好的水源涵养作用；另一方面，两集水区在洪水起伏量、水文响应、单位面积洪量方面差异不大，表明适量间伐对集水区水文状况的影响很小。同时，本文针对森林集水区沟道洪水径流量与降雨量、降雨强度、前期降雨量、土壤水分条件关系密切的特点，建立了产流经验模型。

建坝顺序对坝系拦沙效率影响的试验研究

模型试验是验证坝系规划方案可靠性的重要方法。该研究以黄土丘陵沟壑区典型小流域的降雨产沙条件为背景,采用模型试验的方法,对两种布坝顺序的拦沙效果进行了对比试验。模型和原型各降雨输沙要素之间的比例关系通过理论推导和试验率定相结合的手段确定。试验结果证实,在各淤地坝的坝址、坝高(或库容)、控制面积上的平均侵蚀模数等参数都确定的条件下,若按照先主后支、先下后上的方案布坝,则经历相同系列年的降雨以后,沟道坝系总的拦沙、淤地效益高,且有利于坝系实现相对稳定。

森林工程专业实验教学平台建设

结合我国森林工程发展和学科专业特色及人才需求,依托国家级实验教学示范中心建设项目和黑龙江省教育厅高等教育教学改革项目,利用计算机模拟、智能控制和先进的现代工程技术等高新技术,建设智能多媒体木材生产规划实验平台、原木自动生产线实验平台、原木切削参数测定和链锯功率测试实验平台、室内原木集运材索道实验平台、林产品物流实验平台和林产品包装实验平台。提升传统的实验教学内容和实验技术方法,培养高质量的森林工程专业人才。

边坡土壤含水率对不同植被土壤抗剪强度的影响

边坡土壤含水率是影响边坡稳定性的重要因素。本文通过直剪试验,研究边坡土壤含水率对不同植被类型土壤抗剪强度的影响。试验结果显示,天然含水率时,草地土壤抗剪强度高于裸地;随着含水率的增加,土壤抗剪强度及其指标(粘聚力和内摩擦角)基本呈现先增大后减小的趋势,其中裸地土壤抗剪强度在含水率约为10%时达到峰值,草地土壤达到抗剪强度峰值时的含水率约为12%,且草地土壤峰值时的抗剪强度值明显大于裸地;峰值过后含水率继续增加到饱和含水率的过程中,草地土壤抗剪强度减小的幅度小,受含水率变化的影响小。由此表明,边坡植被能显著减弱土壤含水率的增加对土壤抗剪强度的影响,增强边坡土体的稳定性。

夹竹桃根系形态参数及其对边坡稳定的影响

基于野外调查和根系图像系统分析,研究根系形态对于边坡表层固土的影响。通过对夹竹桃根系的根长、根表面积、根体积、根干质量、根长密度、根系消弱系数和单位体积土中含根量7个形态学指标数据的测定和分析,结果表明:夹竹桃(Nerium indicum)属于浅根性的直根系树种,根系集中分布在0～30 cm的浅层土壤,根表面积分布特征类似于根长度的分布特征,根系细根含量丰富,根系形态学指标随土层深度加大呈现减小趋势,夹竹桃根系形态适合稳固边坡表层土体,能有效提高边坡表层抗冲刷和抗侵蚀能力。

重庆缙云山典型林分水源涵养功能研究

[目的]探讨不同类型林地与涵养水源功能的关系。[方法]通过实地调查与实验分析,对重庆缙云山中针阔混交林、常绿阔叶林、楠竹林和灌木林4种典型林分的水源涵养功能进行了分析。[结果]4种林分的土壤饱和蓄水量顺序为灌木林(266.48 mm)>针阔混交林(190.40 mm)>常绿阔叶林(186.80 mm)>楠竹林(174.80 mm);枯落物最大持水量顺序为灌木林(8.06 mm)>针阔混交林(4.71 mm)>常绿阔叶林(4.32 mm)>楠竹林(3.34 mm);各种林分的林冠截留率顺序为针阔混交林(16.15%)>常绿阔叶林(14.70%)>楠竹林(12.64%)。[结论]该研究对合理经营森林资源、改善水环境、实现水资源的科学管理和利用具有重要意义。

鄂西长江三峡库区森林集水区拦洪作用分析

通过有林沟与无林沟测流堰资料的比较分析表明，在观测期有林沟径流量比无林沟减少５７．５％，各次洪水过程中洪峰削减率达２０％～９０％。在雨季森林集水区最明显的特征是增大对后续降水的吸收（截留和入渗）和利用。

基于后勤服务保障的园林绿化节水措施分析

水资源的不合理利用制约着园林绿化节水工作。从后勤服务保障视角,分析园林绿化节水现状及存在问题,提出提升植被灌溉技术水平、规范后勤绿化服务管理、合理调整绿化植被分布、建立完善非常规用水体系灌溉技术等解决对策。

基于微根管图像的根系形态特征快速提取技术

林木根系的形态和分布特征能够反映林木生长状态和土壤水养资源响应及利用机制,对于提升人工林培育质量,发挥人工林水土保持作用具有重要意义。利用微根管技术并对毛白杨根系图像进行剪裁、标注和滤波处理,运用大津法、K均值聚类算法、模糊C均值聚类法(FCM法)3种图像处理方法分割根系结构,并以14 d为试验采集周期,获得林木根系分布特征。结果表明,FCM法的正确率达到90%,对于根系的分割性能最优。通过根系形态特征参数提取,以“根总长”为例,分析不同滴灌处理下根系的生长周转情况,表现出良好的规律性,该技术的开发为根系生态学的研究提供了一种无损且高效的研究方法。

应用分形维数研究狗牙根根系边坡固坡效应

植物根系形态非常复杂,很难定量确定根系对边坡土体的防护作用。笔者选择常见护坡植物狗牙根为研究对象,根据自主研发的分形维数计算软件确定狗牙根根系分形维数,提出基于根系分形特征的固土机理数值分析方法,将根土复合体当作由土体、根系所联系起来的有机体,研究在雨水侵蚀力和坡面径流侵蚀力作用下,不同根系分形特征对土体位移场的影响。根据根系分形维数与表层位移关系曲线,建立分形维数与边坡土体稳定性的相互关系,明确边坡植入狗牙根根系对表层土体稳定性影响,研究结果表明,分形维数与数值计算相结合,能够反映植物根系形态对边坡表层土体位移的影响,对于植物生态边坡的设计与施工具有现实的指导意义。

狗牙根根系形态对边坡稳定性的影响

基于野外调查和室内试验,将根土复合体看作由土体、根系所联系起来的有机体,运用非线性有限元计算方法分析在雨水侵蚀力和坡面径流侵蚀力作用下,狗牙根根系须根数量和长度对边坡表层土体稳定性的影响.结果表明:根系的存在能有效提高边坡表层土体整体稳定性,边坡表层总应力和水平应力随着狗牙根须根数量的增多和须根长度的增大而逐渐增大,边坡土体水平位移量、竖向位移量、总位移量随着狗牙根须根数量的增多和须根长度的增大而逐渐减小.因此,选择合适根系分布形态的护坡植物对稳定边坡表层土体具有十分重要的意义.

关于植物根系形态分布研究进展与新方法探讨

根系是影响植物生长的重要组成部分,同时根系对浅层边坡加固具有重要作用。根系结构是一个具有自相似特征的非规整复杂形体,欧氏几何中难以定量测量,将分形理论应用于根系结构中,能很好的定量描述根系结构形态。本文分析植物根系护坡和分形理论在植物根系中应用这两个领域国内外研究成果。在此基础上提出,基于L-系统理论构建植物根系形态模型,利用有限元软件数值模拟根系模型与土共同作用对边坡稳定性影响的思路。

夹竹桃根系力学性能的实验研究

以护坡典型植物夹竹桃根系为对象进行室内抗拉试验,研究了根系直径与抗拉力和抗拉强度之间的关系。试验结果表明,单根夹竹桃极限抗拉力随着直径增大不断增大,根茎的抗拉强度随着直径的增大不断减小;根据数据采集时间和根系应变之间的关系,计算出根系弹性模量;证实夹竹桃根系与土体形成根土复合体能够改善土体的强度和变形特征,共同承担外界荷载,有效提高边坡土体抗冲刷和抗侵蚀能力。

6种草本植物根系土壤抗冲性

研究了紫苜蓿（Medicago sativa）、黑麦草（Loliumperenne）、稗（Echinochloa crusgali）、披碱草（Elymus dahuricus）、白车轴草（Trifolium repens）、紫羊茅（Festuca rubra）根系分布特征及根系对土壤抗冲性的增强效应。土壤抗冲性测定采用原状土冲刷水槽法。结果表明：（1）根系生物量主要分布在0~20cm深的土层内,根系生物量随土层深度增加而减少;（2）根系对土壤抗冲性有较强的增强作用,随冲刷坡度增大,土壤抗冲性减弱,抗冲指数和根系生物量呈显著的正相关关系;（3）6种草本中,黑麦草对土壤抗冲性的增强效应最强,建议推广使用。

植被护坡水文机制模型的构建

植被护坡主要是依靠坡面植被地下根系的力学效应和茎叶的水文效应来实现的。本文通过对乔木层、灌木层、草本层和枯枝落叶层的降雨截留、削弱溅蚀等水文作用机制的研究,构建了公路边坡植被降雨截留和所消减的降雨动能的理论模型。