半干旱区植被风沙动力过程耦合研究:Ⅰ.模型

从植被生长和风沙活动之间的相互作用机制出发,建立了植被-风沙动力耦合模型。模型包括生物量动力学方程和风蚀量动力学方程。生物量动力学方程主要考虑了植被生产潜力在植被覆盖地表和非植被覆盖地表上的转化、生物量自身消耗以及风蚀量对生物量的影响;风蚀量动力学方程主要考虑风蚀潜力在流沙地表和非流沙地表上的转化以及生物量对风蚀量的影响。根据我国北方半干旱地区相关研究成果对模型中的参数取值进行了探讨,以便进行模拟和应用研究。     

基于T-S模糊神经网络模型的榆林市土壤风蚀危险度评价

选择位于风沙过渡区的榆林市为研究区域,以GIS技术和T-S模糊神经网络为依托,从土壤风蚀影响因子及风蚀动力学机制出发构建区域土壤风蚀危险度模型。基于此模型,对榆林市土壤风蚀危险度空间分异特征进行了分析,结果表明:T-S模糊神经网络模型可有效地揭示出区域土壤风蚀危险度与环境之间的映射关系,为土壤风蚀预测提供依据;风力、植被、气温、降水、地形等环境要素控制着土壤风蚀危险度空间分异格局;榆林市土壤风蚀危险度空间分异格局表现为:危险度从西北向东南逐渐降低。     

贵州典型森林植被群落营养元素生物循环空间信息模型构建

将生态过程模型中营养元素生物循环数值模拟、基于过程的植被生产力模型与遥感驱动的光能利用率模型相耦合,构建森林植被营养元素生物循环空间信息模型。模型弥补了营养元素生物循环过程模型中空间分析和参数获取复杂的不足,并在植被生产力光能利用率模型中引入营养元素胁迫的定量表达。将模型模块化,耦合于自主开发的EcoHAT系统(EcoHydrology Assessment Tools),以贵州典型森林群落为研究对象,对群落生产力和营养元素生物循环的关键过程的时空演变模式进行了模拟和研究。运用实验数据进行验证,取得良好的效果,可见模型计算可以较为真实地反映区域营养元素生物循环关键过程的时空格局。     

基于RWEQ的20世纪90年代以来内蒙古锡林郭勒盟土壤风蚀研究

土壤风蚀是中国北方地区重要的生态环境问题。锡林郭勒盟位于中国干旱、半干旱地区,是中国北方典型风蚀区,其特殊的地理位置又使得本区成为华北重要的生态屏障,为此锡林郭勒盟全区均划入了京津风沙源治理工程区。为了更好地阐明锡林郭勒盟的土壤风力侵蚀过程,指导区域的荒漠化防治,,基于气象、遥感数据,利用RWEQ模型定量分析了20 世纪90 年代以来锡林郭勒盟的土壤风蚀时空格局,揭示土壤风蚀的主要影响因素。研究表明：锡林郭勒盟多年平均土壤风蚀量为3.39 亿t。土壤风蚀强度以微度和轻度为主,主要集中在植被较好,风蚀力较低,降雨量较高,雪被覆盖地表时间较长的东、中部地区以及南部地区。侵蚀强度为中度以上的侵蚀区集中在苏尼特右旗、正镶白旗和正蓝旗的浑善达克沙地;90 年代以来,锡林郭勒盟的土壤风蚀强度总体上呈减弱趋势,主要与风场强度的减弱,植被盖度等的变化有关。土壤风蚀多发生于风蚀力较大的春季,风蚀强度较大区域的春季植被盖度与风蚀量呈显著负相关（r>0.7,p<0.01）,且近20 年植被盖度提升有效降低了该区域的土壤风蚀。     

耦合自然-人文因素的沙漠化动态系统动力学模型

沙漠化土地是自然、人文因素共同作用下的地表复杂系统,建立耦合自然-人文因素的沙漠化动态模型对于理解沙漠化演变过程、预测发展趋势以及进行科学调控具有重要的意义。本文以鄂尔多斯为典型研究区,利用系统动力学的方法,针对气候变化、土壤水分、人口、经济、放牧、土地利用六大沙漠化驱动力建立其与植被NPP的影响与反馈,结合不同沙漠化等级对应的NPP阈值范围,构建耦合自然-人文因素的沙漠化动态系统动力学模型。模拟的植被NPP与基于MODIS影像反演的实际NPP的对比表明,模型总体较为可靠。对不同情景下研究区2011-2030年植被NPP及沙漠化动态模拟分析表明,降雨是控制研究区沙漠化动态的主要因素,但在未来人类活动不变的情况下降雨量增加50%仍不能改变现有的沙漠化状态; 禁牧休牧相对于退耕还林还草、植树种草等政策更有利于植被恢复,但总体成本较高; 单独政策均无法改变现有的沙漠化状态,而这些政策的取消则会在不同的时间内导致沙漠化朝重度和极重度方向发展。对于地方政府而言,则需要根据自身经济状况合理选择不同政策组合来确保沙漠化的持续改善。     

黄土高原北部风蚀区防风固沙服务时空分异及驱动因素北大核心CSCD

黄土高原北部是黄河流域土壤风蚀典型区,评估防风固沙服务对黄河流域生态安全屏障建设具有重要意义。基于京津风沙源治理工程效益评价中的风蚀模型估算黄土高原北部风蚀区固沙量,定量评估2000—2020年防风固沙服务,并结合土地利用、植被覆盖度与气候变化分析其驱动机制。结果表明:(1)2000—2020年黄土高原北部风蚀区年均固沙量5.52亿t,年际变化总体呈减少趋势,平均变化率-0.12 t·hm^(-2)·a^(-1);而防风固沙服务保有率以每年0.50%的速率增加,研究区植被防风固沙服务增强。空间分布上榆林北部风沙区、宁夏东部风沙区、甘肃庆阳、毛乌素沙地中南部及沙地北部达拉特旗植被防风固沙服务有所增强。(2)草地是控制土壤风蚀、发挥防风固沙作用的主要土地利用类型。荒漠化逆转与退耕还草明显增强了防风固沙能力,草地退化将造成固沙服务显著减弱。(3)风速是引起黄土高原北部风蚀区防风固沙服务变化的主要驱动因子,植被恢复对库布齐沙漠和毛乌素沙地等关键区域的防风固沙起到了不可忽视的作用。     

戈壁风蚀面与植被覆盖面地表性质粗糙度长度的确定

以Monin-Obukhov相似性理论为基础, 利用量纲分析法分别推导出不同层结稳定度下确定戈壁风蚀面与植被覆盖面空气动力学参数的物理模型, 并利用该模型研究了粗糙度长度与粗糙元性质, 流经近地层流体特征以及大气层结稳定度之间的关系。得出以下结论: 戈壁风蚀面上空气动力学粗糙度长度与砾石粒径、高度、覆盖度、自由风速、摩擦速度以及大气层结稳定度有关; 植被覆盖面空气动力学粗糙度长度取决于植被类型、植被高度、覆盖度、零平面位移高度、自由风速、摩擦速度以及大气层结稳定度。     

半干旱区植被风沙动力过程耦合研究: Ⅲ. 应用

 以科尔沁地区的奈曼旗为例对植被-风沙动力耦合模型进行实际应用,模拟10余年来生物量和风蚀量的分布变化,并与遥感数据进行对比。对奈曼地区1987年至2002年土壤水分补给量、生物量和风蚀量的模拟结果表明：土壤水分补给量与降水量有较明显的相关性,通常春夏土壤水分补给量较高、秋冬季较低。土壤水分补给量与降水量在空间分布上较为一致,地势低洼处比周边地区高。生物量的季节变化规律主要表现为夏季最高;秋季若雨水充足可形成一个次高峰,若降雨量较小则生物量迅速下降;冬季和初春生物量最低。生物量的空间分布格局为南部、地势低洼以及离河流较近的区域生物量较高。风蚀量的季节变化规律表现为初春季最高,夏季最低,秋季逐步上升,上升的速度视生物量情况而变化,冬季较稳定。风蚀量的空间分布格局是北部平原地区和植被覆盖较低的地区风蚀量较高。     

草原区植被对土壤风蚀影响的风洞模拟试验研究

在前期研究的基础上,选择内蒙古乌兰察布荒漠草原区为研究区域,通过野外移动风洞模拟试验,开展荒漠草原植被对土壤风力侵蚀影响的定量化分析研究,旨在探讨不同植被盖度下空气动力学粗糙度的变化、不同植被盖度下的风沙流结构特征及植被盖度与风蚀输沙率的定量关系,从而为水土流失机理研究提供理论依据。试验研究表明：空气动力学粗糙度随着地表植被盖度的增加呈三次函数关系增加,拟合函数为Z0=ax3+bx2+cx+d;随着距地高度的增加,各层收集到的风蚀量呈不同程度降低,随着地表植被盖度的增加,各层输沙量也均降低;不同风速下植被盖度与风蚀输沙率之间呈幂函数相关。     

土壤风力侵蚀研究现状与进展

土壤风蚀实质上是土壤颗粒在风力作用下发生位移的自然过程,它包含了土壤夹带起沙、空间输移及沉降淀积等三个阶段。风蚀研究的根本任务是对土壤风蚀的范围、强度及数量进行监测、评价以及预测预报。为此,科学家在断面尺度、地块(图斑)尺度以及区域尺度上,以年、月、日、小时等时间尺度展开了研究。当前的风蚀研究主要有以下四个方向:实验室和野外风洞实验研究、野外观测与网络监测、风蚀评价以及风蚀估算与过程模拟研究等。实验室和野外风洞实验有助于人们深入理解风蚀的基本过程;而网络监测数据对于实现风蚀研究从局部到整体的尺度转换具有重要意义;在风蚀评价方面,对风蚀发源地的风蚀评价研究卓有成效,但针对风蚀物运移过程及沉降过程的研究成果还不多见;在风蚀估算和过程模拟方面,一些模型或应用系统已经在不同的区域以不同的时空尺度取得良好的效果,但是要将这些模型和系统在不同的时空尺度上做进一步推广还有许多工作要做。遥感和GIS等现代地理信息技术在区域尺度的风蚀研究中有着显著的优势,并贯穿了风蚀研究的全过程。     

东部沙区表土有机质和速效养分与风沙环境关系初探

东部沙区表土有机质、速效养分含量普遍较低。按照库布齐沙漠、毛乌素沙地、浑善达克沙地、科尔沁沙地和呼伦贝尔沙地的次序,有机质和速效K含量逐渐增大,这种分布格局与区域风沙环境性质、风沙活动方式密切相关;各沙漠/沙地内部,表土有机质和速效K含量分别与植被盖度、颗粒平均粒径、分选系数之间存在较好的相关性。速效N和速效P含量未表现出上述变化规律。可见有机质和速效K含量对风沙环境的变化较为敏感,因而其在表土中的再分配可以在一定程度上反映局地风沙环境的变化,而速效N和速效P对风沙环境的指示意义不明显。东部沙区表土有机质、速效N及速效P含量普遍高于西部沙区,而速效K含量明显偏低。     

A field study of wind erosion following a grass fire on the Llano Estacado of North America

Interactions between earth, wind, and fire have always played an important role in the formation and evolution of the level plains of the Llano Estacado of North America. The uppermost sediments of this vast region are aeolian deposits, formed by aeolian deposition into grassland vegetation. Grass cover enhances aeolian deposition by slowing near-surface winds and vegetation secures sediments once they are deposited. The benefits of grass cover, however, are lost when occasional fires remove protective vegetation from fields. After a fire, the underlying soil surface becomes exposed and susceptible to wind erosion until the vegetative cover is re-established. The purpose of this study was to explore the post-fire recovery process by monitoring temporal variations in aeolian transport and changes in the threshold velocity of a burned grass field located in Lubbock County, Texas. A continuous record of wind erosion activity was obtained during a six-month period as the surface recovered from a highly erodible state to a more vegetated and stable surface. Results suggest that the threshold wind speed of the field increased from less than 10 m/s immediately following the fire to above 19 m/s in a three-month period as vegetation naturally recovered.     

Wind tunnel simulation of aeolian sandy soil erodibility under human disturbance

Inappropriate anthropogenic activities such as overcultivation and overgrazing of steppe and excessive collection of fuelwood are largely responsible for current desertification in China. However, quantitative information concerning the impacts of human disturbance on soil erosion remains sparse. This study investigated aeolian sandy soil erodibility under human disturbance by wind tunnel simulation. The fixed aeolian sandy soils were taken from an artificial vegetation protective system on mobile dunes at the southeastern edge of the Tengger Desert. The results indicate that: (1) human disturbance such as cultivation can accelerate the erodibility of the fixed aeolian sandy soil. The ratio between total soil loss from the undisturbed soil and the cultivated soil is about 0.004; (2) surface vegetation and microbiotic crust are the main factors responsible for the natural wind erodibility of the fixed sandy soil. Wind erosion rate increases with decreasing percent of the vegetation and crust cover; (3) the grain size distribution shows a higher percentage of particles in the range >1.0 mm and a lower percentage in the range <0.05 mm for the cultivated sandy soil than for the undisturbed fixed sandy soil.     

中国东部沙区表层沉积物粒度特征

通过分析中国东部沙区表层沉积物粒度特征及其与风力、植被覆盖的相关性,探讨了东部沙区现代风沙沉积环境及其区域差异性。结果显示:东部沙区各沙漠/沙地粒径级配相对一致,均以细沙、中沙为主,粒度分布整体呈单峰形态,中等分选,粒度分布和分选性均与西部沙区有较大不同。风力和植被覆盖状况的差异决定了各沙地所处的风沙环境性质和风沙活动强度不同,导致东部沙区表层沉积物粒度特征存在明显的区域差异性。其中,库布齐沙漠粒度特征与该区风蚀、搬运、堆积过程频繁交替的风沙活动方式密切关联;呼伦贝尔沙地粒度特征反映了风蚀主导的风沙环境;科尔沁沙地、浑善达克沙地,毛乌素沙地粒度特征和风沙活动方式相对复杂,与这3个沙地内部风蚀主导区和沙尘沉降主导区镶嵌分布的格局有关。东部沙区表层沉积物平均粒径和分选系数均与沙地年均风速和植被总盖度双因素之间具有显著的非线性相关性。     

中国北方沙漠化过程及其防治研究的新进展

国家973项目“中国北方沙漠化过程及其防治研究”（G2000048700）恢复了过去2 ka来我国北方沙漠化过程、演变、格局和驱动机制;揭示了土壤风蚀和沙尘起动的物理机制,确定了土壤风蚀容忍量、定量评价体系,风沙电场形成机理、分布规律和影响;确定了主要沙尘源区、沙尘暴移动规律和形成机制,建立了沙尘暴监测、预报预警方法和系统;研究了土壤碳、氮衰减规律及其对沙区植被的影响,揭示了沙漠化过程中植物的受损过程、适应对策和植被恢复机理,阐明了我国近50 a沙漠化的过程、成因、现状及其发展趋势,定量给出沙漠化空间变化态势,提出了重点地区防治沙漠化、社会经济与环境协调发展的模式和对策。为国家防沙治沙和干旱地区生态环境和社会经济可持续发展战略决策提供了科学依据。发展和完善了中国沙漠与沙漠化科学。     

风蚀气候侵蚀力研究进展

风蚀气候侵蚀力是土壤风蚀方程中的气候因子，计算模型经多次修正后已基本发展成熟，广泛应用于干旱半干旱地区风蚀气候条件评估与响应机理分析及其与风沙地貌、风沙灾害的相关性研究等方面，其中风蚀气候侵蚀力对区域气候变化的响应研究是当下的热点问题。目前，风蚀气候侵蚀力研究仍存在计算模型不完善、研究区域发展不平衡、气候变化响应分析不全面、风沙地貌及风沙灾害相关性争议较多等问题。未来应进一步从构建区域校准性计算模型、计算并分析沿海地区风蚀气候侵蚀力、综合分析风蚀气候侵蚀力对气候变化的响应、建立风沙地貌及风沙灾害相关的综合性风蚀气候评价指标等方面开展风蚀气候侵蚀力的研究。     

风蚀预报系统（WEPS）在民勤荒漠地区的应用分析研究

以民勤地区4种地表条件的3次风蚀实测数据为依据,应用WEPS风蚀子模型对风蚀量进行了预测计算。结果表明：WEPS模型预测的土壤风蚀量与实测结果存在很大差异,不能直接用于我国土壤风蚀预报工作。对没有植被覆盖的流沙地表,模型模拟结果与实际测量结果比较接近,计算值最大为模拟值的2.2倍,最小为0.47倍;当有植被覆盖时,模型预测风蚀量偏大,最大值为实测结果的41倍,最小为6.7倍。要引入WEPS模型在我国进行土壤风蚀预报,还需对模型的各项参数和计算公式进行修正,以提高WEPS的预测精度,更好地为我国风蚀预报及沙尘治理工作服务。     

中国风沙物理研究五十年(Ⅰ)

2005年中国沙漠研究已经走过了50a的历程,作为沙漠科学重要组成部分的风沙物理学研究在中国亦有50a的历史了。本文较为详细地全面回顾了20世纪50年代中后期至90年代后期中国科学院知识创新工程实施之前我国风沙物理研究所做的主要工作和取得的成就,以期对相关的研究者有所帮助。这一时期的工作可以分为两个阶段。20世纪50年代中后期至60年代中期为理论准备和野外观测积累阶段,引进西方和前苏联在风沙物理学方面的研究成果,配合我国防沙治沙实践的需要开展野外观测研究。研究手段以大面积考察、半定位试验观测和定位试验为主。研究成果体现在风沙移动规律的初步认识、沙丘移动规律、中国沙丘活动的总体规律、防沙措施的布设原则和风沙运动理论的初步探讨等几个方面。1967年我国第一个风沙环境风洞建成使用,使风沙物理学的实验研究成为可能。自20世纪80年代开始同时向微观领域深入和向宏观领域扩展,风沙颗粒运动学、风沙流、风沙地貌动力、土壤风蚀和防沙原理等风沙物理学的主要领域得到了全面发展,在一些前沿探索领域亦有重要成就。     

The effects of vegetation on runoff and soil loss: Multidimensional structure analysis and scale characteristics

This review summarizes the effects of vegetation on runoff and soil loss in three dimensions: vertical vegetation structures (aboveground vegetation cover, surface litter layer and underground roots), plant diversity, vegetation patterns and their scale characteristics. Quantitative relationships between vegetation factors with runoff and soil loss are described. A framework for describing relationships involving vegetation, erosion and scale is proposed. The relative importance of each vegetation dimension for various erosion processes changes across scales. With the development of erosion features (i.e., splash, interrill, rill and gully), the main factor of vertical vegetation structures in controlling runoff and soil loss changes from aboveground biomass to roots. Plant diversity levels are correlated with vertical vegetation structures and play a key role at small scales, while vegetation patterns also maintain a critical function across scales (i.e., patch, slope, catchment and basin/region). Several topics for future study are proposed in this review, such as to determine efficient vegetation architectures for ecological restoration, to consider the dynamics of vegetation patterns, and to identify the interactions involving the three dimensions of vegetation.