京津冀城市群城镇化与生态建设对生态系统服务价值的影响

[目的]评估城镇化和生态恢复双过程共同作用下生态系统服务价值(ESV)的变化量,揭示京津冀城市群城镇化与生态建设对ESV的影响,进而为区域协调发展及可持续发展决策提供理论参考。[方法]以京津冀城市群为研究区,基于1995—2020年的土地利用/覆盖、社会经济统计等数据,识别区域城镇扩张与生态建设信息,并结合生态系统服务单位面积价值当量因子法、空间自相关以及冷热点分析等方法,展开了城镇化与生态建设双过程对区域ESV在时空尺度上的影响研究。[结果](1)京津冀城市群ESV在1995—2020年总体下降,呈现出先下降后上升的趋势,2015—2020年生态环境明显好转。(2)城镇扩张所导致的城镇建设用地占用其他地类是使ESV下降的主要因素,使区域ESV降低了368.2亿元;生态建设使区域ESV上升了225.67亿元。[结论]生态建设带来的ESV增量不足以抵消城镇化带来的下降。城镇化与生态建设对ESV影响较强的地区主要分布在城市群的西部和东北部,对ESV影响较弱的地区主要分布在城市群的东南部。

森林植被不同尺度的碳水过程及耦合机制研究进展

[目的]陆地生态系统中的碳循环和水循环是陆地生态系统物质和能量循环的核心,也是连接地圈、生物圈和大气层的纽带。森林植被是陆地生态系统的重要组成部分,是表征陆地碳-水循环的重要变量,在维持生物圈和大气圈的动态平衡中发挥着重要作用。目前,对陆地生态系统中碳-水循环的耦合关系和机制缺乏系统的分析和总结。[方法]从森林植被碳与水过程及其相互作用、植被水分利用和耦合机制的角度,综述了森林植被碳与水循环过程及其相互作用的研究与进展,以及不同空间尺度(叶片到区域/全球尺度)碳-水耦合的定义、方法、进展和展望。[结果]新兴的技术和方法实现了不同尺度碳水过程的高频观测,WUE等耦合指标体系推动了碳水耦合机制的研究和发展。[结论]通过系统阐述植被碳水耦合关系的多尺度整合和碳水耦合机理,为系统认识森林碳水耦合机理和水资源管理提供了理论基础,对未来植被经营管理决策具有重要的科学支撑意义。

黄土高原典型地区不同植被覆盖下坡面土壤侵蚀阈值研究

为了分析植被覆盖对黄土高原坡面水土流失的影响,量化土壤侵蚀的植被覆盖阈值,基于模拟降雨数据分析了植被覆盖对土壤侵蚀的作用机制,利用绥德、西峰、天水等黄土高原高原典型地区的野外径流小区定位观测资料,探讨了不同覆被类型下植被覆盖控制径流和土壤侵蚀的有效性,确定了不同覆被类型下植被覆盖调控径流和防治土壤侵蚀的植被覆盖下限阈值和上限阈值。结果表明:(1)植被覆盖度的提高增加了土壤入渗、减少了径流量、延缓了径流流速、增加了土壤抵抗侵蚀的能力。(2)坡面径流量随植被覆盖度呈幂函数或指数函数下降,土壤侵蚀量随植被覆盖度呈指数函数、幂函数或者对数函数下降。(3)总体而言,不同地区植被控制土壤侵蚀的下限阈值在20%~30%,上限阈值在50%~70%。(4)土壤质地、植被类型、甚至植被的根系特征对植被控制径流和土壤侵蚀的效益有重要影响。研究结果为黄土高原水土保持工作提供研究依据。

控制坡度条件下黄土高原不同质地坡面土壤侵蚀研究

基于模拟降雨试验探讨坡面土壤侵蚀坡度效应的作用机制,通过多元线性回归控制协变量分析黄土高原典型区域坡度对径流深和侵蚀模数的影响。结果表明:(1)土壤侵蚀坡度效应与土壤质地、坡面侵蚀方式密切相关。砂质壤土坡面,土壤入渗量和坡面径流均受坡度的影响,入渗量最小值与径流速率最大值出现在15°坡面处;砂质黏壤土坡面,25°和15°坡面土壤入渗量较大、径流量较小,20°和10°坡面土壤入渗量较小、径流量较大;黏壤土坡面,20°和25°坡面入渗量较大、径流量较小,10°和15°坡面入渗量较低、径流量较高;壤质黏土坡面,不同坡度下土壤入渗量与径流速率近似一致,土壤入渗量几乎不受坡度的影响。(2)坡度与侵蚀动力参数之间具有很好的线性关系。砂质壤土坡面,临界径流剪切力和功率随坡度的增加而增加;砂质黏壤土坡面,临界径流剪切力和功率最大值出现在20°坡面;黏壤土坡面,临界径流剪切力和功率随坡度的增加而增加;壤质黏土坡面,临界径流剪切力和功率在15°~25°坡面随坡度的增加而降低。

不同地表粗糙度坡面流水力学特性试验研究

为进一步探明坡面流水力学特性,通过室内定床放水冲刷试验,研究了不同流量和坡度下不同粗糙度(0.2~0.6 mm、0.6~1 mm、1~1.4 mm、1.4~2 mm、2~3 mm粒径和光滑对照组)下垫面的坡面流水力学特性。结果表明:下垫面粗糙度的增加减缓了坡面流流速,增大了水深,且流速和水深均与流量、坡度和粗糙度因子呈良好幂函数关系;雷诺数在对照组达最大值,粗糙度的增加使流型趋于缓流;阻力系数随粗糙度呈正势变化,其与流量、坡度、粗糙度因子的幂函数回归关系较好;计算径流剪应力与实测径流剪应力在对照组下垫面的关系良好,粗糙度增加对实测径流剪应力的增加有一定影响。研究成果对深入认识土壤侵蚀机理和坡面侵蚀防治具有重要意义。

基于TCN-BiLSTM与LSTM模型对比预测北洛河径流

【目的】本研究旨在探究TCN-BiLSTM耦合模型与传统LSTM模型在径流模拟预测中的性能,为洪水风险管理和区域水资源规划提供准确有效的径流预测模型。【方法】以北洛河流域为研究区,基于双向长短期记忆网络(BiLSTM)和时域卷积网络(TCN)建立一种新的径流预测耦合模型TCN-BiLSTM。利用相关性分析,筛选预测径流的输入因子,确定4种不同的输入方案应用于TCN-BiLSTM耦合模型和传统LSTM模型,每个模型分别预测1、2、3 d的径流量。采用平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和拟合优度(R^(2))来评估模型的预测性能。【结果】(1)TCN-BiLSTM耦合模型整体预测性能优于LSTM模型,TCN-BiLSTM模型R^(2)达到0.91,高于LSTM的0.89。相比于LSTM,TCN-BiLSTM对于峰值和突变点的捕捉能力更强,对于波动大的复杂数据预测效果更优;(2)在针对未来1~3 d径流量预测中,随着预见期的延长,4种方案下TCN-BiLSTM和LSTM模型的预测效果均有所下降,相较于预测1 d,预测3 d的TCNBiLSTM和LSTM模型的R^(2)分别平均下降了0.17和0.14,RMSE分别平均增大了4.59和4.40,MAE分别平均增大了1.26和1.31;(3)在4种输入方案里,日累积降水量和日径流量作为输入变量时,模型的预测效果最好。降水数据的加入使得TCN-BiLSTM和LSTM模型相较于单一日径流数据作为输入变量时,1、2、3 d径流量预测的R^(2)分别提高15%、14%、6%和18%、14%和1%。【结论】TCN-BiLSTM耦合模型和LSTM模型R^(2)均能达到0.85以上,TCN-BiLSTM模型R^(2)较LSTM提高了2%。对比来看,TCN-BiLSTM模型在拟合洪水过程中表现更为优异,对于汛期的预测性能优于非汛期。输入变量对模型的影响较大,有效且高质量的气象数据能够提高模型的预测性能。

北京西山典型人工林分枯落物层生态水文效应

【目的】为定量评价北京西山森林枯落物层的生态水文效应,从枯落物储量、厚度、持水能力、截留能力等方面量化枯落物层的生态水文过程。【方法】于2020-2021年,选择海拔、坡度、坡向、坡位、林龄、密度等均大致接近的4种典型人工林分(油松、栓皮栎、侧柏、元宝枫)为研究对象。通过野外样地实测以及室内浸泡试验、室内人工模拟降雨试验分析各类型枯落物层的结构及生态水文特征,实现典型人工林分枯落物层生态水文效应的量化表达。【结果】(1)枯落物层储量范围为2.12~8.27 t/hm^(2),厚度范围为2.09~8.69 cm,均表现为栓皮栎枯落物最大,侧柏枯落物最小。(2)各类型枯落物不分层总最大持水量为栓皮栎(21.20 t/hm^(2)),元宝枫(17.30 t/hm^(2)),油松(5.32 t/hm^(2)),侧柏(3.88 t/hm^(2))。针阔叶枯落物最大持水能力不同且差异显著(P<0.05)。(3)针叶枯落物最大截留量均值为2.43 mm,阔叶枯落物最大截留量均值为3.25 mm;针叶枯落物最小截留量均值为2.26 mm,阔叶枯落物最小截留量均值为2.99 mm。各类型枯落物层最大截留量和最小截留量均随降雨强度增加而增加,但针阔叶枯落物之间截留能力存在显著差异(P<0.05)。(4)随着降雨强度的逐步增大,各类型枯落物1 h持水量在相应的最大截留量和最小截留量中所占的比例均逐步减小。【结论】北京西山4种典型人工林分中,栓皮栎林下枯落物层截留能力最大,侧柏最小,阔叶林整体要大于针叶林。因此建议研究区合理优化树种组成和林分结构配置,兼顾防治土壤侵蚀和林分湿润,减少无效蒸腾,从而实现生态水文功能的整体提高。

坝上高原不同植被类型覆盖下土壤水分含量对降雨的动态响应

【目的】土壤水是连接大气降水、地表水、地下水的关键因子,在地表径流、降雨入渗和植被蒸腾等生态水文过程中发挥重要作用。分析坝上高原地区不同雨量降雨事件中各植被类型覆盖下土壤水分含量动态响应过程及差异,将有助于深入探讨该区土壤水分含量的补给效应特性,对优化区域植被结构具有十分重要的理论及现实的意义。【方法】选取河北省张北县草地、柠条灌木林、杨树乔木林为研究对象,通过监测2019年4-10月连续土壤水分含量和降雨数据,分析不同植被类型覆盖下土壤水分含量对大小降雨事件的动态响应过程及差异。【结果】(1)研究区主要降雨事件由小雨和中雨构成,但主要降雨量由大雨提供。小雨和中雨发生次数占比为81.58%,其贡献的降雨量仅占年总降雨量42.66%;大雨发生次数占比仅为18.42%,却提供了年总降雨量的57.34%。(2)4-10月杨树乔木林土壤水分含量均值显著高于草地(P<0.05),而柠条灌木林波动最为强烈。各植被类型覆盖下土壤水分含量均值分别为杨树乔木林(13.99±2.04)%>柠条灌木林(12.63±0.93)%>草地(10.67±2.77)%,土壤水分含量变异系数均值呈柠条灌木林(26.22%)>杨树乔木林(20.51%)>草地(13.89%),均为中等强度变异。(3)草地20~40 cm土层的土壤水分含量显著高于0~20 cm及40~100 cm的4个土层(P<0.05);柠条灌木林在20~40 cm和80~100 cm土层之间、0~20 cm和40~60 cm之间均不存在显著差异,且20~40 cm和80~100 cm土层土壤水分含量均显著高于其他3层(P<0.05);杨树乔木林80~100 cm土层的土壤水分含量显著高于其他4个土层(P<0.05)。(4)在不同雨量降雨作用下,除某些特殊情况外,柠条灌木林对降雨响应的各指标常与其他两种植被类型呈显著差异(P<0.05)。各植被类型覆盖的土壤水分含量开始响应速度均值、补给量均值、补给速率均值为柠条灌木林最大而杨树乔木林最小。小雨、中雨只能使3种植被类型0~20 cm土层做出响应,补给较为有限;而大雨作用下草地响应土层为0~60 cm,乔、灌木均为0~80 cm。3种植被类型覆盖下土壤水分含量响应速度、达峰速度、补给量、补给速率均随着土壤深度增加而变弱,上层土壤对于降雨的响应总是快于且幅度大于下层土壤。【结论】在当前降雨条件下,柠条灌木林对降雨响应最为敏感且响应效应最为强烈,而杨树乔木林响应速度最慢且响应效应最弱。此外,只有在大雨作用下,3种植被类型所覆被的中下层土壤水分含量才会得到明显的响应与补充。本研究结果为该地区未来营造防护林过程中改变重乔木轻灌木的传统观点,合理调整灌木比重,实现生态水文功能的整体提高等提供了一定的科学依据。

高等农林院校野外实践风险识别及安全管理对策

野外实践安全是高校安全管理体系的重要组成部分。该文首先从风险管理视角,阐述了野外实践风险内涵;然后以文献检索、问卷调查、专家访谈为基础,识别野外实践风险并编制野外实践风险清单;最后根据野外实践参与者、组织者和管理者的不同需求,提出健全安全管理制度、建立预防评估机制、设置应急处理预案和确立监督管理机制等对策,以期为高等农林院校野外实践持续健康发展提供安全保障。

面向卓越农林人才培养的野外实践教学基地建设

野外实践教学基地作为实践教学的主要载体,在人才培养中发挥着重要的作用,是开展野外实践教学的重要保障。结合北京林业大学水土保持与荒漠化防治专业"拔尖创新型"卓越农林人才培养的改革经验,从拓展野外实践教学资源、丰富野外实践教学手段、构建野外实践教学体系和改进野外实践教学考核方法等方面,探讨了野外实践教学基地的建设与实践,以及教学模式的改革。

次降雨条件下枯落物和土壤持水特性及其影响因素

为明确森林枯落物层与土壤层的持水特性,将不同密度(0、300、600、900 g·m^(-2))油松枯落物覆盖于北方典型的黄土性褐土、石灰性褐土表面,通过人工模拟降雨试验,观测各坡位枯落物和土壤含水量随时间的变化规律,分析降雨结束后枯落物和土壤含水量的变化过程及影响因素。结果表明:油松枯落物含水量随降雨结束后历时的增加而大幅下降,各密度枯落物处理下枯落物含水量变化在22.9%~71.0%,其下降速率与时间呈递减的指数函数关系;枯落物含水量仅受枯落物密度影响,密度越大,枯落物含水量下降速率越大。土壤含水量随降雨结束后历时的增加呈波动下降趋势,其变化在1.5%~8.5%;土壤持水性受枯落物密度、土壤类型和坡位的共同影响,枯落物能有效减缓土壤水分的波动,枯落物密度越大,土壤含水量的变异系数越小,枯落物对土壤水分波动的减缓作用越大,土壤持水性能越好;黄土性褐土的持水能力显著高于石灰性褐土;坡下土壤的持水能力显著高于坡上和坡中,而坡上与坡中的差异不显著。