喀斯特槽谷区侵蚀坡面的土壤质量评价及障碍因子

[目的]为准确评价喀斯特槽谷区顺/逆层坡侵蚀坡面的土壤质量特征,筛选出适用于该地区的土壤质量评价方法,探析限制其土壤质量的障碍因子。[方法]以重庆市青木关喀斯特槽谷区顺/逆层坡面的5种典型土地利用类型(林地、草地、裸地、玉米地、辣椒地)为研究对象,利用主成分分析法结合Norm值建立评价指标最小数据集(minimum data set,MDS),并通过非线性土壤质量评价方法和隶属度函数对喀斯特槽谷区顺/逆层坡面的土壤质量进行评价。[结果](1)喀斯特槽谷区土壤质量评价指标最小数据集(MDS)包括毛管持水量、毛管孔隙度和全磷;(2)通过非线性土壤质量评价方法得出,逆层坡土壤质量(0.519)优于顺层坡(0.451),其中逆层坡林地土壤质量最优(0.653),辣椒地土壤质量最差(0.426);(3)非线性评价方法在顺/逆层坡的决定系数(R 2)均高于隶属度函数,因此喀斯特槽谷区更适合采用非线性评分模型;(4)顺/逆层坡侵蚀坡面的土壤质量障碍因子差异显著,仅有全氮为共同的障碍因子。[结论]适当增加草地和乔木林的覆盖能提高喀斯特槽谷区土壤质量,研究结果可因地制宜地为喀斯特槽谷区顺/逆层坡侵蚀坡面的土壤质量调控和生态恢复提供依据。

喀斯特槽谷区岩层倾向对土壤入渗特性的影响

为了解岩层倾向对喀斯特槽谷区土壤入渗特性的影响,以重庆市青木关岩溶槽谷区顺/逆层坡为研究对象,分析5种典型土地利用方式裸地(AL)、辣椒地(PL)、玉米地(CL)、林地(FL)、草地(GL)在顺/逆层坡的土壤入渗能力差异,并探讨土壤物理性质对土壤入渗能力的影响。结果表明:(1)>0.25 mm水稳性团聚体含量、毛管持水量、黏粒以及粉粒含量在顺/逆层坡存在显著差异(p<0.05),其中在>0.25 mm水稳性团聚体含量和毛管持水量方面,分别为PL与FL的顺/逆层坡差异最大,在黏粒和粉粒方面,CL的顺/逆层坡差异最大,且均为逆层坡>顺层坡。(2)除FL顺层坡的土壤渗透能力低于逆层坡外,其余4种土地利用方式下的土壤入渗能力均表现为顺层坡高于逆层坡。(3)土壤渗透特性在顺/逆层坡均与容重呈极显著负相关关系(p<0.01),在顺层坡与总孔隙度、非毛管孔隙度、>5 mm水稳性团聚体含量和饱和持水量呈极显著正相关关系(p<0.01),在逆层坡与非毛管孔隙度、饱和持水量、粉粒含量呈极显著正相关关系(p<0.01);通过多元逐步回归分析与通径分析发现,顺/逆层坡土壤入渗能力的首要决策因素均为容重,其次分别为>5 mm水稳性团聚体含量和粉粒含量。(4)对比4种土壤入渗过程的拟合模型,Philip模型对顺/逆层坡的土壤入渗过程拟合效果最佳。研究结果可为喀斯特槽谷区不同岩层倾向的水土流失防治以及植被恢复提供数据支撑。

喀斯特槽谷区土地石漠化与综合治理技术研发

深入揭示流域尺度水-土-生资源格局和研发因地制宜的水-土-生治理技术是"十三五"石漠化治理工程的主要瓶颈。国家重点研发计划——"喀斯特槽谷区土地石漠化过程及综合治理技术研发与示范"项目(2016YFC0502300)针对槽谷区特点,锁定两个关键科学问题和五个关键技术,从过程机理研究-技术研发-应用示范3个层面解剖区域水/土/生物资源分布格局与地质地貌之间的关系,阐明石漠化过程中的相关生态变化机理,因地制宜地研发水土资源高效利用、土壤地上/下流/漏失阻控与生态恢复技术;研发野生砧木及经济树种互作效应与优化配套技术,构建槽谷区可持续的生态系统和生态产业模式并示范推广,为区域生态改善和贫困问题解决提供科技支撑。

隧道工程对喀斯特槽谷区坡面产流及土壤侵蚀的影响

隧道工程导致地下水系统被破坏,但由此可能带来的土壤侵蚀却很少被涉猎。在重庆观音峡背斜隧道密集影响区和非隧道影响区的两个相邻小流域建立径流小区,基于高分辨率水文数据结合δD-H2O、δ18O-H2O同位素,对比两径流小区坡面、壤中产流规律和地表侵蚀产沙特征。结果表明,观测年内隧道影响区坡面产流对降雨响应更快,地表径流系数0.027,侵蚀模数16.68 t km-2 a-1;非隧道影响区地表径流系数0.013,侵蚀模数7.73 t km-2 a-1。相反,隧道影响区产生的壤中流产流系数仅为非隧道影响区的31%。对一场强降雨监测发现,两径流小区坡面流中δD-H2O、δ18O-H2O相似,但壤中流中却差异较大。用氢氧同位素混合模型分析得出隧道影响区坡面流、壤中流中降雨贡献率均大于非隧道影响区,侵蚀能力更强。这与土壤含水率减小和土壤结构的差异有关:隧道影响区土壤中粘粒的含量高于非隧道影响区,且出现上粘下松的异常土壤结构,使土壤下渗能力降低,地表径流增加。较小的土壤含水率与土壤粒径也有利于土壤搬运。研究为隧道工程导致的喀斯特区水土流失研究提供了基础数据,为喀斯特区水土流失防治和石漠化治理研究提供了新视角。

喀斯特槽谷区耕地生态服务价值时空演变分析:以印江县为例

耕地生态服务价值对喀斯特槽谷区耕地资源持续利用及环境保护具有指导意义,其研究可为耕地保护、区域生态环境建设提供依据。运用价值量法、空间统计方法对印江县及其所辖17个乡镇的耕地生态服务价值进行测算,分析时空变化规律。结果显示:2000-2015年,印江县耕地生态服务价值呈先减后增的趋势,总价值共增加25 041.74万元,其中水源涵养价值的贡献率最大,大气调节价值的贡献率最小。各乡镇的耕地生态服务价值,除缠溪镇和永义乡呈波动变化以外,均呈先减后增趋势。印江县耕地生态服务价值的高值均呈"东北-北-西南"分布,区域耕地生态服务价值存在较大差异,且整体耕地生态服务价值的高值呈现向北转移的趋势。在耕地资源利用及环境保护方面应充分考虑耕地生态服务价值,优化农业布局,合理开展生态建设,促使区域耕地资源持续利用及环境保护。

喀斯特槽谷区岩石与坡面夹角对产流产沙过程的影响

为明确喀斯特槽谷区岩石与坡面夹角对坡面产流产沙过程的影响,在6个岩石与坡面夹角(30°,60°,90°,120°,150°,180°)、3个坡度(10°,15°,20°)和3个流量(5,7.5,10 L/min)组合条件下,开展室内放水冲刷试验。结果表明:(1)地表产流率随冲刷历时呈先增加后稳定的趋势,而含沙量和地表产沙率随冲刷历时均呈波动性减小趋势;(2)各岩石与坡面夹角下,地表产流率无显著差异(P>0.05);但含沙量与地表产沙率均差异显著(P<0.05),表现为含沙量和地表产沙率在60°夹角下与30°和120°夹角下差异不显著(P>0.05),但显著高于90°,150°和180°条件下的含沙量和地表产沙率(P<0.05);(3)地表产流率与含沙量在60°,90°,120°夹角下均呈显著幂函数正相关(R^(2)=0.32~0.56,P<0.05),而在其他夹角下二者关系不显著(P>0.05)。地表产流率与地表产沙率在60°,90°,120°,150°,180°夹角下呈显著线性正相关(R^(2)=0.35~0.86,P<0.05)。研究表明喀斯特槽谷区岩石与坡面呈一定夹角时,可加剧坡面产沙,并改变产流与产沙关系。

基于栅格尺度的喀斯特槽谷区生态环境脆弱性时空分异研究

基于"敏感度-弹性度-压力度"模式,以贵州省典型喀斯特槽谷区印江县自然环境和社会经济2个方面的多种栅格数据为基础,采用遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术建立栅格大小为30 m×30 m的生态环境脆弱性评价指标空间数据库,运用综合指数法、层次分析法得出综合评价结果,划分研究区生态环境脆弱程度等级。结果表明:潜在脆弱区和轻度脆弱区占研究区面积的比例较大,2010年和2015年分别为86.60%,87.37%;重度脆弱区和极度脆弱区面积占研究区面积比例较小;其中生态脆弱性较高的地方多分布于人口密度大、植被覆盖度较低、地形起伏较大以及人类活动强度高的区域。评价结果可为研究区的生态恢复重建和环境保护提供理论参考,构建的评价模型可以运用于省市级和县级区域生态环境脆弱性评价。

喀斯特槽谷区近50年乡村聚落时空格局演化

厘清山区乡村聚落空间格局演变的影响因素,对推进城乡统筹发展有重要意义。以印江县1960年、2000年、2017年的乡村聚落数据为基础,利用GIS空间分布模型和空间统计模型,表征乡村聚落规模及空间分布的演化特征,探究了自然和人文因素对聚落时空格局演变的影响。结果表明:(1)印江县1960—2017年乡村聚落面积增加2271.41 hm^2,斑块平均面积由10.87 hm^2下降到2.79 hm^2,斑块密度由0.18个/km^2增加到1.12个/km^2,由大规模、低密度向小规模、高密度演化,聚落重心先向东南移动、后朝西南迁移。(2)核密度高值区范围向东扩展,呈现空间集聚分布,聚落斑块均为高值聚集,冷热点区空间分异明显。聚落密度和规模分布呈负相关,小规模、高密度特征突出。(3)地形河流是印江县乡村聚落空间格局演化的主导因素,人口增长和经济发展为聚落演化的内生动力,计划生育、行政区划调整、灾害及乡村发展政策是推动聚落发展的外在推力,聚落向交通线路集聚。

喀斯特槽谷区的顺/逆层坡面对水动力学参数的影响

喀斯特槽谷区不仅存在地上/地下双层空间结构,还存在典型顺/逆层坡两种特殊的地质构造,因此研究喀斯特槽谷区两翼坡面水流移动规律具有重要意义。根据野外调查结果,在喀斯特槽谷区临界坡度25°条件下进行人工模拟降雨试验,采用顺/逆层坡岩层倾角(30°、60°和90°)和3种雨强(30、60和90 mm·h^-1)作为变量因子,并以裸坡作为对照因子,研究喀斯特槽谷区顺/逆层坡面水动力参数特征。结果表明:喀斯特槽谷区顺/逆层坡主要以薄层浅流为主,顺层坡的岩层倾角越大则坡面流速越小,逆层坡则以岩层倾角60°为临界点,裸坡的流速均大于顺/逆层坡。对于喀斯特槽谷区顺层坡而言,其雷诺数Re和佛汝德数Fr均大于逆层坡而小于裸坡,阻力系数f均小于逆层坡而大于裸坡。雷诺数Re和阻力系数f两个参数呈显著的幂函数正相关关系。地表累积径流量分配比例大小排序为裸坡>顺层坡>逆层坡,地下累积径流量分配比例为逆层坡>裸坡>顺层坡。本研究可为喀斯特槽谷区顺/逆层坡的坡面的土壤侵蚀预报模型提供科学依据。

岩层倾向对喀斯特槽谷区地表/地下产流过程的影响

喀斯特槽谷区在降雨过程中极易发生水土流失,这使得该区生态环境被破坏。以喀斯特槽谷区为研究对象,通过室内模拟其典型顺/逆层坡面特征及地下孔裂隙发育程度,利用人工降雨试验研究不同雨强条件下地表地下产流特征,从而揭示喀斯特槽谷区地表地下产流机制。结果表明:(1)喀斯特槽谷区地表地下产流受雨强影响,小雨强(30 mm/h)条件下地下产流量大于地表产流量,中雨强(60 mm/h)条件下地表产流量增大且裸坡条件下地表产流量大于地下产流量,大雨强(90 mm/h)条件下裸坡与顺层坡的地表产流量均大于地下产流量。(2)地下孔裂隙发育程度对地表地下产流量的分配比例产生影响,地下孔裂隙度越大则地下产流量越多,且2%~3%的地下孔裂隙度时地表地下产流量分配比例发生转变。(3)不同岩层倾向条件下,地表产流量及其分配比例最高为裸坡,最低为逆层坡,地下产流量及其分配比例最高为逆层坡,最低为裸坡。(4)不同岩层倾角条件下,顺层坡地表产流量最高为30°,最低为90°,地下产流量则相反;逆层坡地表产流量最高为90°,最低为60°,地下产流量最高为60°,最低为90°。研究结果可为喀斯特槽谷区地表及地下产流机制的进一步认识提供科学依据。

喀斯特槽谷区生态退化与修复专题导读

在国家重点研发计划项目--"喀斯特槽谷区土地石漠化过程及综合治理技术研发与示范(2016YFC0502300)"的支持下,经过项目组全体成员三年的共同努力,在喀斯特槽谷区生态退化与修复方面取得了一些重要进展。主要有:(1)2000-2015年槽谷区土壤侵蚀总量逐年减少,年平均侵蚀模数逐年降低,槽谷区植被覆盖明显提高;(2)拉巴豆地埂篱根土复合体不仅能有效提高喀斯特土壤的粒径大小和增强土体的抗剪/冲性能,并且能够利用大气N2合成植物生长所需的氮肥,从而提高土壤肥力,可望实现石漠化治理中生态效应和经济效应的双赢;(3)喀斯特槽谷区隧道建设改变了地下水流场并降低了地下水位,进而降低了土壤微生物丰度和多样性,而增加了适应干旱的微生物种群,并导致土壤质量的降低;隧道建设加速了坡面产流和土壤流失,加剧了土地石漠化,从而导致生态退化;(4)随着槽谷区退化生态系统的恢复,生态系统的生态服务功能得到提升。

岩层倾向对喀斯特槽谷区不同土地利用类型土壤分离能力的影响

[目的]探索岩层倾向对喀斯特槽谷区土壤分离能力的影响机制,为喀斯特槽谷区预防和治理水土流失提供参考意见。[方法]以重庆市青木关岩溶槽谷区顺/逆层坡为研究对象,通过水槽冲刷试验,分析不同土地利用类型在顺/逆层坡的土壤分离能力差异,并探讨土壤理化性质对土壤分离能力的影响。[结果](1)顺/逆层坡土壤分离能力均与土壤有机质含量、>0.25 mm水稳性团聚体含量和全氮含量呈显著负相关(p<0.05),其中,逆层坡有机质含量、>0.25 mm水稳性团聚体含量和全氮含量大于顺层坡。(2)4种土地利用方式下的土壤分离能力均为顺层坡高于逆层坡。此外,草地土壤分离能力综合得分在顺/逆层坡均低于辣椒地、玉米地和裸地。(3)根据多元逐步回归分析结果,基于有机质含量和>0.25 mm水稳性团聚体含量建立的顺/逆层坡土壤分离能力预测模型的决定系数R^(2)分别为0.77,0.85,能有效预测土壤分离能力。[结论]草地土壤分离能力在顺/逆层坡均为最小。因此,为预防喀斯特槽谷区水土流失及促进生态恢复,应合理进行耕种,并且适当增加草地的覆盖面积,提高土壤抗侵蚀能力。

喀斯特槽谷区土壤CO_2浓度的短时变化及影响因素研究

龙潭喀斯特槽谷两侧顺、逆倾坡裸岩出露率、植被覆盖率存在较大差异,为探究龙潭槽谷两侧顺、逆倾坡土壤CO_2浓度的短时变化及其影响因素,于2017年6月～2018年5月用固态CO_2传感器法在槽谷两侧顺、逆倾坡土面上开展高分辨率土壤CO_2浓度动态监测,并同时对监测点进行土壤温度、土壤湿度连续自动化监测。结果表明:(1)强降雨事件中,除强降雨初期(1h内),土壤CO_2浓度出现短暂降低外,降雨事件整体上促进了土壤CO_2浓度的上升;(2)昼夜尺度上,白天土壤CO_2浓度大于夜晚,土壤CO_2浓度对气温的响应速度较土温快;一年四季中,土壤CO_2浓度波动幅度大小次序为夏季>秋季>春季>冬季;(3)在短时天气变化下,裸岩出露率越高、植被覆盖率越低,土壤CO_2浓度与土温的相关性越强且在强降雨下的变化幅度越大。

模拟降雨下重庆喀斯特槽谷区径流氮磷元素流失特征

为揭示降雨强度和岩层倾向对喀斯特槽谷区耕层土壤氮磷流失的影响,利用人工降雨装置和可变坡钢槽进行模拟试验,设计坡面坡度为25°,岩石裸露率为15%,岩层倾角为30°,地下孔裂隙度为3%,降雨强度分别为30、60和90mm/h,模拟降雨持续时间为1h。结果表明:1)产流量随着降雨强度的增大而增大,地表产流量表现为裸坡>顺层坡>逆层坡;地下产流量表现为逆层坡>顺层坡>裸坡。2)在30mm/h降雨强度条件下径流全氮浓度最高;在60mm/h降雨强度条件下铵态氮浓度和硝态氮浓度最高;磷浓度随着降雨强度的增大而降低;逆层坡的径流氮磷浓度最高。3)氮磷流失量随降雨强度增大而增大,且地下流失量高于地上流失量;不同岩层倾向条件下,氮磷流失量地上表现为裸坡>顺层坡>逆层坡,地下表现为逆层坡>顺层坡>裸坡;氮在逆层坡的流失量最多,磷在顺层坡的流失量最多。本研究可为在喀斯特槽谷区布设保水保土措施以及改善土壤质量上针对不同岩层倾向坡方案提供依据。

喀斯特槽谷典型植物水分利用效率对隧道建设的响应

隧道工程建设对喀斯特槽谷地区地下水循环系统的破坏,引起地下水位下降,可能影响周围生态环境。依托重庆中梁山喀斯特槽谷,对旱、雨两季隧道影响区与无隧道影响区不同深度土层(0—20 cm、20—40 cm)土壤含水量以及典型植物(常绿乔木、常绿灌木)瞬时水分利用效率(Instantaneous Water Use Efficiency,WUEinst)进行对比分析,探究植物水分利用效率对隧道建设的响应。结果表明:在不同影响区,主要由蒸发与降水引起土壤含水量在垂直和季节变化上的趋势相似,但隧道影响区土壤含水量在旱、雨两季均显著高于无隧道影响区;不同影响区植物WUEinst存在明显的季节差异,旱季各植物种WUEinst显著高于雨季。而旱、雨两季隧道影响区植物叶片WUEinst显著高于无隧道影响区;此外,植物WUEinst与土壤含水量相关性分析结果表明,不同影响区植物WUEinst与土壤含水量均呈显著负相关关系,但相对于无隧道影响区,隧道影响区植物WUEinst对土壤含水量的变化更加敏感。以上结果表明,隧道建设导致地下水资源漏失,土壤含水量减少,进而改变了植物水分利用特性,使隧道影响区植物种应对一定程度的水分胁迫时采取更保守的水分利用策略。

基于无人机遥感影像的裸岩识别及早期石漠化评价

石漠化是造成喀斯特地区生态环境退化和社会经济落后的主要因素之一.石漠化现状及其空间分布的调查与评价是治理石漠化的前提.基于卫星遥感技术的石漠化调查评价方法,因受传感器性能及自然环境的限制,信息提取精度较低,适用于裸岩呈大面积连片分布的石漠化地区.无人机遥感技术为石漠化调查评价提供了新的途径,由于所获图像分辨率高,特别适用于裸岩呈小面积破碎化分布的早期石漠化地区.以重庆市北碚区槽上地区局部为研究区,基于无人机可见光影像,利用面向对象图像分析方法识别提取破碎化裸岩并完成早期石漠化调查评价.采用多尺度分割法来分割影像,先确定最优分割尺度,然后创建具有层次结构的地物对象.利用不同层次地物的光谱与形状特征建立对应的地物分类规则.将地物自动分类结果与目视解译数据比较,对基于规则的对象分类方法进行精度评价.统计研究区所提取裸岩的面积,根据所占比例,对石漠化程度进行评价.结果表明,采用面向对象的规则分类方法对试验区无人机高分辨率影像地物类型分类的总体精度为88.6%,Kappa系数为0.86;裸岩所占面积为21.2%,石漠化程度评价为微度.