气候变化影响中国东北地区降水侵蚀力的高分辨率区域模式预估

土壤侵蚀是生态环境和农业生产的重要影响因子。我国东三省土地面积79.33万平方公里,占我国国土面积的9.3%,是重要的商品粮基地,同时也是世界四大黑土区之一。在气候变化背景下,我国东北地区的土壤侵蚀情况及其未来风险,目前仍不清楚。影响土壤侵蚀力的重要因素之一是降水侵蚀力(R-factor),其与强降水有关。本研究利用CN05.1和APHRODITE观测降水资料揭示了我国东北地区降水侵蚀力的观测特征。在气候平均态上,东北地区东南部降水侵蚀力最强。降水侵蚀力存在明显的年循环,以夏季为主导,占全年总侵蚀的80%以上。在观测分析基础上,对RegCM4动力降尺度模式进行了评估和订正,并预估了未来不同共享社会经济路径(SSP1-2.6和SSP5-8.5)下中国东北地区降水侵蚀力的变化。随着未来增温,到21世纪末,两种排放情景下东北地区平均的降水侵蚀力分别增加9.90%和26.70%。高排放情景下将面临更严重的降水侵蚀风险,SSP5-8.5情景下降水侵蚀力的增强幅度约为SSP1-2.6情景下变化的2.7倍,同时77.69%的区域面积上降水侵蚀力将更强。因此,采取切实有效的减排措施,走可持续发展路径,对于减缓我国东北地区黑土地的土壤侵蚀风险,进而保障粮食安全,具有重要意义。

基于降水特征的次降水侵蚀力估算模型——以黄土丘陵沟壑区典型小流域为例

【目的】在分析侵蚀性降水特征的基础上,构建基于降水特征的次降水侵蚀力估算模型,研究结果可为区域水土流失定量监测和水土保持效益评价提供参考。【方法】利用甘肃黄土丘陵沟壑区安家沟小流域和龙滩小流域2个典型径流场5 a的侵蚀性降水过程资料,构建雨量(P)×雨强(I)结构与E×I_(30)的转换关系。【结果】大于50 MJ·mm/(hm^(2)·h)的次降水侵蚀力占侵蚀力总量的比例高达75%,是该地区降水侵蚀力的主要贡献来源。降水量P和降水动能E之间呈线性函数关系。降水单因子I_(30)(30 min降水强度)、I_(60)(60 min降水强度)、E(降水动能)对土壤流失量(S)产生显著影响(P<0.01)。降水双因子P×I_(30)、P×I_(60)与S之间的相关系数r>0.616(P<0.01),P×I_(30)、P×I_(60)是影响坡面土壤流失量S的主要降水复合因子。P×I_(30)、P×I_(60)与E×I_(30)符合幂函数关系,模型方程决定系数R^(2)达到0.9840、0.9609。2个模型的有效系数分别为98.9%、98.1%,偏差系数分别为2.0%、3.2%。当10 mm<P<50 mm时,2个模型的预测值相对误差均不超过16%,对于>50 MJ·mm/(hm^(2)·h)的次降水侵蚀力预测值相对误差<10%。【结论】模型预测效果良好,指标因子P×I_(30)、P×I_(60)可作为该区域10 mm<P<50 mm次降水侵蚀力指标因子。

西藏地区降水侵蚀力时空分布研究

以2000—2008年的TRMM3B42数据为基础,在ARC/INFO软件提供的地图代数运算功能支持下,利用日降水量估算降水侵蚀力,对西藏地区降水侵蚀力及其年内分配和年际变化的空间分布特征进行了分析。结果表明,西藏地区降水侵蚀力大体呈由东南向西北递减的趋势,地区差异大。降水侵蚀力年内分配集中度呈由东南向西北增加的趋势,降水侵蚀力越小的地区,年内降水侵蚀力分布越集中。西藏自治区降水侵蚀力在2000—2008年的年际变化同样存在空间分异,整体上呈现降低的趋势。

2011-2050年贵州省降水侵蚀力时空变化特征

【目的】探究西南山区未来降水侵蚀力变化规律。【方法】根据中国天气发生器NCC/GU-WG Version 2.0模型预测的2011-2050年贵州省19个气象站逐日降水量数据,利用日降雨侵蚀力模型,运用克吕格插值、小波分析等方法对贵州省2011-2050年降水侵蚀力时空变化特征进行了分析。【结果】结果表明：全省多年平均降水侵蚀力与多年平均降水量空间分布一致,均由东部、南部向西部、北部逐渐降低;多年平均降水侵蚀力在高程与坡度梯度上差异突出;6～8月降水侵蚀力占全年的62%;40年间降水侵蚀力呈下降趋势,存在28年、17年和9年的主周期变化。【结论】未来降水量时空变化特点是影响贵州省降水侵蚀力变化的主要因素。

不同坡度下侵蚀性降水对土壤理化性质的影响

土壤侵蚀是全球性环境灾害之一,严重影响土地利用效率。基于野外径流小区观测和室内试验分析,研究不同坡度条件下土壤侵蚀对土壤理化性质的影响。结果表明:①侵蚀性降水占所有降水比例较低,但贡献了大部分降水量,约32.84%的侵蚀性降水贡献了76.52%的降水量;侵蚀性降水场数和降水量呈季节性波动,高峰期集中在1月和6—9月。②坡度是影响土壤侵蚀的关键因素之一,土壤侵蚀模数与坡度呈正相关,坡度较大的小区出现土体崩塌,底部土壤流失量明显大于顶部,其中E、F、G小区为轻度侵蚀区,A、B、C小区为剧烈侵蚀区。③坡度对土壤理化性质有不同程度的影响,土壤机械组成表现为黏粒占比变化较小,坡度较大小区易被冲刷;坡度较大时,粉粒受水力侵蚀影响更大,更容易发生水土流失;土壤体积含水率波动幅度与坡度呈正相关,土壤保水性能与坡度呈负相关,坡面土壤含水率大小基本符合底部>中部>顶部的规律;土壤含盐量的变化较为复杂,需进一步研究。

青海省1961—2018年侵蚀性降水时空变化特征

利用青海省1961—2018年41个气象站点逐日降水数据,统计逐年降水量(日数)、侵蚀性降水量(日数),分析青海省降水和侵蚀性降水的时空分布特征。结果表明:青海省年降水量、降水日数、侵蚀性降水量、侵蚀性降水日数之间呈显著的幂函数关系,空间分布均从东南向西北逐步减少。三江源地区年降水量最高,为469.3 mm,柴达木盆地最低,为99.4 mm;侵蚀性降水量柴达木盆地最低,为25.1 mm,东部农业区最高,为155.5 mm。1961—2018年青海省年降水量和侵蚀性降水量分别以8.1、4.7 mm/10 a的速率增加,年降水日数表现为不显著的减少趋势,侵蚀性降水日数呈显著的增加趋势,变化速率分别为-0.5、0.2 d/10 a。侵蚀性降水量和侵蚀性降水日数突变分别发生在2004和2001年,突变后侵蚀性降水量和降水日数较突变前分别增加22.4 mm和0.7 d。1961—2018年青海省侵蚀性降水量和侵蚀性降水日数的贡献率平均为32.7%和6.5%,并分别以0.59%和0.21%呈显著增加趋势。

近50年黄土高原侵蚀性降水的时空变化特征

利用黄土高原及其附近地区99个站点逐日降水观测资料，分析了1956～2005年黄土高原年降水量、侵蚀性降水量、暴雨量的变化趋势和空间特征。研究表明：1956—2005年黄土高原降水在波动中呈现下降趋势，尤其自1980年年以来，降水减少趋势显著。黄土高原地区降水变化具有显著的空间差异，降水偏少最为显著区域位于黄河中游的河口-龙门区间，尤以无定河流域、汾河流域和山西中北部最为典型，年降水量和侵蚀性降水偏少10％以上。存在从北向南沿朔州-离石-临汾一三门峡一带的暴雨异常偏少地带，偏少在20％以上。

阿联酋沙漠重载铁路路基边坡降水侵蚀评价方法及修复方案研究

阿联酋大部分地区处于沙漠地带,且存在雨季集中、风沙气候明显的问题。沙漠地区铁路项目因地制宜,较多地采用级配砂作为路堤回填材料并采用当地易于获取的Gatch料作为包边土护坡的路堤设计方案。然而这种包边土防护方式易受降水冲刷影响,本文针对这种设计方案提出了一种基于土壤流失方程的路堤易侵蚀性评价方法,进而在此评价方法基础上设计了完整的监测-修复方案,并在铁路工程实践中论证该方法的可行性。通过研究和实践证明:该评价方法能够全面、可靠地评价边坡易侵蚀性;基于评价方法提出的监测-修复方案具有适用范围广、评价准确性高、监测-修复成本低的优点。

陕西省黄土高原地区侵蚀性降水变化特征

利用陕西省黄土高原地区42个站点的逐日降水观测资料,分析了1961—2007年该地区的年降水量、侵蚀性降水量、暴雨量的变化趋势和空间分布特征。研究表明,陕西省黄土高原地区年降水量、侵蚀性降水和暴雨的空间分布非常相似,具有北少南多的分布特征。1961—2007年陕西省黄土高原年降水和侵蚀性降水呈下降趋势,暴雨呈上升趋势。在空间分布上,延安市以北地区,降水量减少幅度小,延安市以南地区降水量减少明显;渭北地区暴雨量增加,而丘陵沟壑区暴雨量则呈减少趋势。

贵州省降雨侵蚀力时空分布规律分析

降水是导致土壤侵蚀的主要动力因素,降雨侵蚀力反映了降雨对土壤侵蚀的潜在能力。贵州省是我国典型的生态环境脆弱区之一,水土流失十分严重。以全省19个气象台站1951—2001年逐日降雨资料,利用日降雨侵蚀力模型,估算了贵州省降雨侵蚀力,分析了其时空分异规律。结果显示近50a来贵州省降雨侵蚀力呈增加趋势,即由降雨引起的土壤水蚀潜在能力增加。降雨侵蚀力年内分配主要集中在夏季,占年均降雨侵蚀力的68.48%。在空间分布上,降雨侵蚀力由南向北递减,并且在西南部和东南边缘形成侵蚀力高值中心,在西北部形成低值中心。根据年降雨侵蚀力的季节分配特征,可以将贵州省划分为3个类型区。

次降雨侵蚀量的计算

用最大３０分钟雨强（Ｉ３０）、径流量（Ｑ）或者坡度（Ｓ）建立侵蚀量（Ｑｓ）的单因子或多因子方程。用内蒙古自治区伊克昭盟五分地沟、五不进沟及河北省张家口市的坡度小区观测资料进行计算，比较其效果。结果表明：Ｑｓ＝ｋＱｍＳｎ和Ｑｓ＝ｋＱｍ（坡度一定时）用来计算次降雨侵蚀量较好；用Ｉ３０代替以上方程中Ｑ的结果不理想。

近50年黄土高原马莲河流域降水变化特征分析

不同等级降水与侵蚀性降水对水土保持有重要意义,为了更好地建设黄土高原生态屏障,亟须对马莲河流域降水特征进行详细分析。收集到马莲河流域1961—2010年西峰国家基准站、环县国家基本站和华池、庆城、合水、宁县、正宁5个国家一般站的日降水观测数据,使用PMF方法,对数据进行均一化检验,确保数据质量。采用基本气象水文统计方法,研究流域降水统计特征。运用气候倾向率、Mann-Kendall检验、滑动T检验、累积距平和Morlet小波变换等方法,分析流域降水趋势、突变点和周期等特征,同时分析侵蚀性降水、不同等级降水日数和降水强度的变化特征。结果表明:1)马莲河流域多年平均降水482 mm,四季降水分别占年降水量的18%、53%、27%和2%,侵蚀性降水占年降水57%,降水变异系数为0.19,流域降水>400 mm的保证率为72%,>500 mm的保证率为38%;2)1961—2010年马莲河流域降水与侵蚀性降水均呈减少趋势,春、秋季降水呈减少趋势,冬季降水呈增加趋势;3)降水的突变点不明显,1992年之后,降水呈减少的趋势,年和四季降水有19、11、4和2 a左右的主周期;4)中雨和小雨是马莲河流域主要降水形式,1961—2010年,降水减少是中雨和小雨显著减少引起的,降水强度与侵蚀性降水强度呈增强趋势,降水日数的减少对降水强度的增加有重要影响。马莲河流域侵蚀强度并未随雨量的减少而减弱,降水侵蚀风险没有减小,水土保持工作需要持续深入,水土保持与荒漠化治理刻不容缓。

基于PS-InSAR技术的武威市地面沉降时空变化特征

武威市位于甘肃省中部,是一座典型的农业城市,分布有大量农业耕地。由于土壤疏松,地面容易受到降水和地下水的影响,易发生地面沉降地质灾害对居民的生产、生活造成不利影响。本文利用2017年2月至2022年12月的Sentinel-1A数据,通过PS-InSAR技术提取了武威市的地面沉降监测数据,包括视线向形变速率和累积形变量。对形变场的时空分布特征进行了详细分析,并引入Mogi模型反演地下深部变形范围。最后,结合研究区的降水数据和GRACE重力卫星获取到由陆地水负荷引起的地表形变数据,并对研究区的沉降成因进行了初步分析。结果表明,研究区存在两个主要沉降区,其中主沉降区A的最大累积沉降量达到-290.9 mm,视线向形变速率为-52.0 mm/a;主沉降区B的沉降量达到-178.1 mm,视线向形变速率为-43.8 mm/a。地表沉降呈现周期性变化,且向东南方向逐步扩展,与降水和地下水变化特征相似。通过Mogi模型反演,得出了主沉降区的地下影响范围(半径)和深度,其中主沉降区A为40.96 m和133.67 m,主沉降区B为38.60 m和140.78 m。按季节划分统计形变数据,结果表明,由于研究区所属干旱区,自然降水无法对地面沉降产生显著影响,而农耕时大量地下水的抽取才是导致区域地面沉降的主要原因。

3S技术视角下泉州市永春县水土流失敏感性评价

利用GIS监测评价方法,以双评价技术指南为理论指导,选取永春县为研究区域,通过现场调查和遥感影像技术,结合通用土壤流失方程,构建了综合评价指标体系,评估了永春县的水土流失敏感性。研究结果表明,永春县降雨侵蚀力和地形起伏度呈现东南向西北递增趋势,土壤可蚀性以高度敏感为主,植被覆盖度以轻度敏感为主。永春县水土流失敏感性整体水平以较低敏感区为主,占县域总面积62.06%,高敏感区主要受地形起伏度和土壤可蚀性影响。研究建议低敏感区应促进水保生态和经济发展相结合,中敏感区应推动工程、生物和农业三大措施相结合,高敏感区应集中治理,封山育林。本研究旨在为永春县的水土流失治理提供科学依据,助力打造生态福建。

泥石流启动与渗透系数的相关研究

通过泥石流形成区角砾土渗透系数和入渗过程的研究，探求泥石流启动的降水侵蚀预报模式：Ｈ（Ｋｓ）＝３．２１８×１０－３＋０．０１２５５ｅｃ，ｙ＝０．９８２３，当ｔ值为０．０１水平时，达极显著。９５％置信区间为０．８１０３＜Ｐ＜０．９９９２。以蒋家沟松散土和始发雨强来验证，当Ｒｉ≌Ｋｓ，泥石流源地松散土体容重为１．９５４ｇ／ｃｍ３时，Ｋｓ值为８．０７×１０－３ｍｍ／ｓ，相当于Ｒｉ１０＝４．８４ｍｍ。与蒋家沟前期降水量为０～１０ｍｍ时。

The runoff characteristics and harmonic analysis of the soil moisture dynamics in Robinia pseudoacacia stand

Robinia pseudoacacia stands act as a typical ecological protection forest in hilly semi-arid area of China. Two fields of surface runoff were separately set up in R. pseudoacacia stand and its clearcut area in the western Liaoning Province (1850-12225 E, 4024-4234 N) for measuring the characteristics of runoff and sediment as well as soil moisture dynamics. Contractive analysis of the two land types showed that there existed a significant difference in volumes of runoff and sediment between the sites of R. pseudoacacia stand and its clearcut area. The runoff volume and sediment volume in clearcut area were much bigger than those in R. pseudoacacia stand, with an increase amount of 40%-177% for runoff and 180%-400% for sediment. Hydrograph of surface runoff of typical rainfall showed that the peak value of runoff in R. pseudoacacia stand was decreased by 1.0-2.5?0-3m3s-1 compared with that in its clearcut area, and the occurring time of peak value of runoff in R. pseudoacacia stand was 10-20 min later than that in its clearcut area. Harmonic analysis of soil moisture dynamics indicated that the soil moisture in R. pseudoacacia stand was 2.3 % higher than that in clearcut area, and the soil moisture both in R. pseudoacacia stand and its clearcut area could be divided into dry season and humid season and varied periodically with annual rainfall precipitation. It was concluded that R. pseudoacacia stand plays a very important role in storing water, increasing soil moisture, and reducing surface runoff and soil erosion.

PREDICTION OF SEDIMENT REDUCING BENEFIT UNDER DIFFERENT RAINFALL COND ITIONS AND CONTROL DEGREES ON THE LOESS PLATEAU

Based on the distribution of hydrological stations and zoning of types ofsoil erosion, the Loess Plateau (3 10 x 10~3km^2) is divided into 292 erosion units. And taking theerosion modulus > 5000t/km^2 as a criterion, the emphasis control area (149 x 10~3km^2) of the LoessPlateau is demarked, and is divided into 10 control regions. The controllable area and the locationof control measures are conformed. Level terraces are mainly collocated on the 3° ―15° slopes,woodland and grassland are collocated on the > 15° slopes, and the proportion of woodland tograssland is 8: 2 in the forest belt, 5: 5 in the forest steppe belt, and 2: 8 in the steppe belt.The 9000 combinations of soil-water conservation measures in different rainfall conditions areobtained by the permutation and combination method, according to the 9 rainfall frequencies and thecontrollable areas of level terrace, woodland and grassland at 10% of control progress rate. Thequality standards of level terrace, woodland and grassland are ascertained. The evaluation indexesof soil-water conservation benefits of level terrace, woodland and grassland are establishedrespectively in the condition that rainfall index is higher than that of erosive index of slopingfield. Based on the results above, the sediment reducing benefit and soil erosion modulus in thedifferent rainfall conditions and control degrees are analyzed, which could provide adecision-making basis for soil-water loss control on the Loess Plateau.

东北黑土区乌裕尔河流域侵蚀沟变化过程及影响因素

【目的】分析黑土区侵蚀沟数量、面积和侵蚀程度的变化特点,确定侵蚀沟变化过程的影响因素及其对侵蚀沟变化的影响程度。【方法】依据1965年美国CORONA卫星、2005年法国SPOT5卫星及2012年中国卫星所拍摄的3期乌裕尔河流域遥感影像,提取侵蚀沟信息的变化数据。结合地质地貌、土壤因素、气候特点、土地利用覆盖信息和人为活动状况,分析侵蚀沟的变化过程及主要影响因素。【结果】与1965相比,2012年乌裕尔河流域的侵蚀沟数量增加4.03倍,侵蚀沟长度增加2.67倍,侵蚀沟面积增加6.62倍,平均侵蚀沟裂度增加6.61倍。1965—2005年,侵蚀沟裂度平均每年增加77.45 m^2/km^2;2005—2012年,侵蚀沟裂度平均每年增加143.51 m^2/km^2。2005—2012年侵蚀沟裂度增加的速率是1965—2005年的1.85倍。影响乌裕尔河流域侵蚀沟发展过程的主要因素为降水、地形、土壤、土地利用类型和人类活动。其中,侵蚀沟裂度的变化受降水侵蚀力和距居民点距离的影响最大。降水侵蚀力大于120 MJ·mm/(hm^2·h)后,侵蚀沟裂度显著变大;研究区轻度风险侵蚀沟和中度风险侵蚀沟占83%,强烈风险侵蚀沟占16%,极强烈及剧烈风险侵蚀沟占1%。【结论】在黑土区经营过程中,应注意土地资源的保护,按侵蚀沟险度进行科学治理,实现土地资源的可持续利用。

Effects of Shrub on Runoff and Soil Loss at Loess Slopes Under Simulated Rainfall

Improved understanding of the effect of shrub cover on soil erosion process will provide valuable information for soil and water conservation programs.Laboratory rainfall simulations were conducted to determine the effects of shrubs on runoff and soil erosion and to ascertain the relationship between the rate of soil loss and the runoff hydrodynamic characteristics.In these simulations a 20° slope was subjected to rainfall intensities of 45,87,and 127 mm/h.The average runoff rates ranged from 0.51 to 1.26 mm/min for bare soil plots and 0.15 to 0.96 mm/min for shrub plots.Average soil loss rates varied from 44.19 to 114.61 g/(min·m^2) for bare soil plots and from 5.61 to 84.58 g/(min·m^2) for shrub plots.There was a positive correlation between runoff and soil loss for the bare soil plots,and soil loss increased with increased runoff for shrub plots only when rainfall intensity is 127 mm/h.Runoff and soil erosion processes were strongly influenced by soil surface conditions because of the formation of erosion pits and rills.The unit stream power was the optimal hydrodynamic parameter to characterize the soil erosion mechanisms.The soil loss rate increased linearly with the unit stream power on both shrub and bare soil plots.Critical unit stream power values were 0.004 m/s for bare soil plots and 0.017 m/s for shrub plots.