黄土地貌沟沿线研究综述

黄土高原的沟沿线是最能体现黄土地貌形态特征的地形结构线.沟沿线的形态结构、层次级别、空间展布、发育趋势,既是黄土地貌最显著的外在表象,又深刻地映射着黄土地貌发育的内在机理.该文首先从沟沿线类型划分入手,在总结前人对线状地貌特征要素分类研究的基础上,分析了现有黄土地貌沟沿线类型划分体系;其次,从定量分析的角度,对现有沟沿线的量化指标研究现状进行了分析,系统归纳和总结了沟沿线自动提取技术的特点与适应性.此外,分析了基于沟沿线的黄土地貌研究进展,并从辩证的视角阐述了沟沿线研究科学内涵与发展趋势,对当前沟沿线研究存在的问题进行了深入剖析,展望了黄土地貌数字地形分析的发展前景.     

沟沿线约束的黄土水蚀性沟谷提取

黄土沟谷是黄土地貌发育演化研究的重要切入点,可分为继承性与水蚀性两种类型。其中,水蚀性沟谷是构建区域性地表过程模型的重要参数。然而,利用现有的基于数字高程模型(DEM)水文分析方法,无法准确识别水蚀性沟谷。基于黄土坡面流线转折特征,系统性提出一套利用沟沿线约束的黄土水蚀性沟谷识别方法。在宁夏回族自治区固原市刘家沟流域实验结果表明:该方法可准确区分两种类型沟谷;提取的水蚀性沟谷在偏移距离与沟谷密度指标方面,与目视解译结果对比,精度分别为84.01%,96.98%。     

新疆地貌空间分布格局分析

以高分辨率遥感影像为本底数据的最新新疆地貌数据,能提高定量化地貌格局分析结果的准确性、客观性和科学性。本文利用地学统计和GIS空间分析方法,基于最新新疆地貌数据,定量化分析了地貌的分布特征、空间格局。结果表明:(1)大地貌单元中,平原地貌约占新疆总面积的1/3;(2)地势分级,中海拔地貌占绝对优势,约占全疆总面积1/2;(3)形态类型中,丘陵地貌在地势起伏中占主导地位,面积最大,主要分布在两大沙漠中,以沙丘形式分布;(4)基本地貌类型,中海拔丘陵最多,占总面积的21.417%;(5)成因类型中,流水、风成和干燥作用占主导地位;(6)受不同形成条件和控制范围的影响,新疆成因类型的分布特征随着海拔和起伏的变化而变化;(7)总体上,新疆地貌的空间格局呈现出两大特征:水平环形特征和垂直地带性特征。     

黄土丘陵地形谷脊线展布特征

地理对象的空间展布格局特征是区域地貌研究的核心问题.其中,把握地物的组织结构及尺度范围特征是认识其空间展布格局的根本.选取黄土丘陵沟壑区韭园沟流域为实验样区,以流域地形特征线为切入点,采用空隙度系列分析方法,在5 m分辨率DEM上研究黄土地貌发育中期小流域内,地形谷脊线的空间展布格局特征.在东-西、南-北两个方向的探测结果表明:韭园沟流域谷、脊线均具有自组织、多尺度、自相似的格局特点,但各向异性特征不明显.在两个方向上均具有三个特征尺度范围:在东西方向上尺度范围分别为540 m、2 100 m、4 845 m;南北方向上尺度范围分别为1 215 m、2 810 m、5 700 m.该研究结果初步揭示了黄土地貌流域系统骨架线的空间展布格局特征,为区域地貌研究时分析尺度的选取,提供了可借鉴的思路与方法.     

不同坡面植被空间布局对坡沟系统产流产沙影响的实验

植被在有效控制水土流失、改善生态环境中具有重要作用。为探讨坡面不同植被覆盖度、不同植被空间布局对坡沟系统侵蚀产沙的影响,以4 m长坡面(坡度为20°)和3 m长沟坡(坡度为50°)组成的坡沟系统为研究对象,采用不同放水流量(3.2 L/min、5.2 L/min)的放水冲刷实验,研究了不同放水流量、不同植被覆盖度、不同植被布设部位对坡-沟系统及沟坡侵蚀产沙的影响。结果表明,在实验条件下,不同植被布设部位在相同放水流量、相同植被覆盖度条件下对坡沟系统侵蚀产沙有明显影响,而对产流量无明显影响;沟坡部分侵蚀产沙量不随坡面植被覆盖度的增大而减小,相反呈增大趋势。说明在实验条件下,对坡沟系统而言,仅在坡面部分布设植被,尽管能在一定程度上减少坡沟系统侵蚀产沙,但并不能有效减小沟坡部分的侵蚀产沙,甚至引起沟坡部分侵蚀产沙的增大。因此,水土流失治理过程中采取有效措施进行坡沟兼治将是减少水土流失的有效手段。     

基于势能信息熵的黄土小流域地貌演化特征

黄土高原流域地貌系统的地貌演化特征十分复杂,尚有诸多科学问题有待进一步深入研究。以往研究大多集中在流域地貌演化的侵蚀和发育特征等某一方面,缺乏从流域地貌系统及其势能信息熵的视角深入剖析野外多岩土层黄土小流域地貌演化特征的研究。为此,基于系统论的观点和方法,构建多岩土层黄土小流域地貌系统及其势能信息熵的数学模型,并以辛店沟小流域为例,对其地貌演化特征进行研究。结果表明：（1）构建的野外多岩土层黄土小流域地貌系统的概念模型及其势能信息熵的数学模型能够有效对辛店沟小流域进行数值模拟。（2）以黄土侵蚀作用为主的辛店沟小流域从2000—2019年的地貌演化过程是其势能信息熵的熵减过程和黄土地貌不断侵蚀的过程。（3）辛店沟小流域的势能信息熵能较好地反映该小流域的地貌演化阶段和地貌侵蚀过程。     

发生沟蚀(切沟)的地貌临界研究综述

沟蚀研究是土壤侵蚀研究的主要内容之一,地貌临界理论作为地貌学中的重要理论在沟蚀研究中得到了广泛的应用。主要从临界理论在沟蚀研究中的发展过程人手,介绍了国外现有沟蚀临界理论模型研究的主要成果,并指出现有模型的不足,在总结前人工作的基础上,指出了现有临界模型今后的发展方向。     

东北典型黑土区40年来沟蚀空间格局变化及地形分异规律

以SPOT5和Corona影像为基础数据源,获取了东北典型黑土区1965年和2005年的侵蚀沟分布数据,生成了侵蚀沟密度空间分布图;基于1∶5万地形图,插值求取DEM,提取了地形因子;最后,在GIS空间分析模块支持下,分析典型黑土区40年来沟蚀空间格局变化及其地形分异规律.结果表明,经过40年的开发,研究区侵蚀沟密度剧增,且各等级侵蚀沟密度都出现向更高一级发展的趋势,呈现出以北西南东向为轴心,从沟蚀剧烈增加区到微度增加区变化特征;沟蚀在垂直方向上具有层状分布规律,在海拔250～275 m高度出现密度最大值,说明岗坡地带是黑土区沟蚀易发区;坡度分异表明黑土区侵蚀沟出现向高坡度发展趋势;各坡向上侵蚀沟密度和动态发展状况表明,在东北典型黑土区坡向不是影响侵蚀沟发育的首要因子.     

基于RTK-GPS技术的干热河谷冲沟沟头形态特征

采用高精度实时动态差分GPS(以下简称RTK-GPS)技术对干热河谷冲沟进行野外调查,获取36个不同活跃度类型沟头的形态参数,研究不同活跃度类型之间沟头的形态特征差异,并分析集水区、沟床植被盖度与形态特征之间的关系。结果表明:1.沟头不同活跃度类型之间,其跌坎高差、沟床比降差异最为显著,可作为沟头活跃度类型野外判别的主要参考指标;沟壁坡度、宽-深比等的差异较为显著,亦可在一定程度上表征沟头活跃程度。2.沟床植被盖度与各形态特征参数的相关性显著,表明沟床植被盖度可作为形态参数的综合替代性指标。同一活跃度类型的沟头,其跌坎高差、沟床比降等与沟床植被盖度呈极显著负相关关系,说明随着沟床植被盖度的增加(或减小),跌坎高差、沟床比降均呈减小(或增加)趋势。3.集水区植被盖度与各形态特征参数的关系不显著,表明干热河谷集水区植被盖度对沟头发育的贡献有限。     

黄土丘陵沟壑区现代沟道农业及其可持续发展

现代沟道农业是黄土丘陵沟壑区人地耦合发展形成的一种新兴农业地域类型,其可持续发展对于区域农业高质量发展、“三生”空间优化和乡村振兴具有重大现实意义。从人地系统科学认知出发,对现代沟道农业的内涵、可持续发展方向、典型发展模式和保障体系进行了探讨,并进行了相关研究展望,为系统认识黄土丘陵沟壑区沟道农业模式,推进农业可持续发展提供了理论参考。主要结论：(1)沟道农业是乡村地域系统的重要功能类型,具有多尺度、多层次的特点,其可持续发展应从微观、中观和宏观3个层面,协同解决土壤生态系统、农田生态系统和农业地域系统的可持续发展问题。(2)保障粮食安全和生态安全,积极推进农业结构调整,发展多功能农业,通过“3C”模式,即农业自身内循环、农业外循环、基于农业多功能的农业大循环,实现生产结构优化、产业链条延伸和城乡功能互补。(3)创新推广土地综合整治带动模式、农业结构调整带动模式、特色资源综合开发模式和土地流转规模生产模式,有助于农业提质增效和农业高质量发展。(4)拓展地理学与其他学科的交叉研究,深化“理论-实践”贯通式研究,探索建立涵盖技术研发与应用、人才培养、政策制度支撑等内容于一体的农业生产保障体...     

黄土丘陵沟壑区村域生态系统服务簇的时空分异及其地形梯度分析

探究村域生态系统服务簇对于厘清黄土丘陵沟壑区农业生态系统复杂特征、从多重服务供给角度提高服务的福祉贡献具有重要意义。论文以黄土丘陵沟壑区米脂县为例,基于高斯混合模型识别2009年和2019年村域生态系统服务簇并分析其时空分布,同时,结合地形分布指数探究服务簇在地形梯度上的分布模式。结果如下： ① 各类服务空间分异明显,且服务之间空间分布差异较大;近10 a间各类服务水平均有不同程度提高,其中调节服务有较大改善,而食物供给与文化服务增幅较小;各类服务空间变化格局存在较大差异,这与土地利用的空间演变关系密切。② 利用高斯混合模型识别4类服务簇,包括农业生产簇、农业美学簇、生态保育簇与城镇休闲簇;各类服务簇空间分异明显,且研究期间存在明显数量和空间转移变化;农业美学簇与生态保育簇是当地主导服务簇,且主导性增强,而农业生产簇与城镇休闲簇比重下降。③ 地形起伏度与服务簇的空间关联密切。随起伏度上升,农业生产簇与农业美学簇呈倒U型,生态保育簇优势分布增加,城镇休闲簇优势分布减弱;研究期间农业生产簇与城镇休闲簇向低起伏度的转移趋势明显,而农业美学簇与生态保育簇趋向于向高起伏度转移。     

现代农业地理工程与农业高质量发展——以黄土丘陵沟壑区为例

农业地理学是农业科学与地理科学的交叉学科,农业地理工程是地理学与工程学交叉研究在现代农业与乡村领域的进一步深化和系统应用。随着现代农业科学技术和人地系统科学的创新发展,区域农业基础建设的科技需求日益旺盛,农业地理工程试验成为农业工程技术研发和农田系统管理的重要任务。本文阐述了农业地理工程的科学内涵、试验原理与技术方法,并以黄土丘陵沟壑区为例开展了地理工程试验研究和农业高质量发展对策探讨。结果表明:①农业地理工程试验主要包括针对特定区域地理环境和农业发展问题的水土配置、土层复配、大田试验、生态防护、地理空间分析与监测,旨在探明区域高标准农田建设、健康农业生态系统营造的水土气生资源要素耦合规律,建立可持续土地利用系统与多功能农业经营模式。②农业生态系统试验主要包括沟道边坡防护方式、健康农田系统结构、作物与土壤匹配关系、耕地投入产出经济分析,通过开展土地改良、作物优选交互试验和田间试种,揭示新造地"作土关系"耦合机理与优化调控途径。③作土关系优化调控是工程试验设计的主要内容,包括气候—作物优选、土体结构改良、地形—作物优选、土壤质量改良、土壤—作物优选、效益—作物优选6个阶段。④农业地理工程...     

Bidirectional DEM relief shading method for extraction of gully shoulder line in loess tableland area

The gully shoulder line, one of the most important topographical features, reveals the erosional process and reflects the geomorphological evolution of a loess area. Existing shoulder-line extraction methods are based on local window-filter or image-edge detection, which are sensitive to image noises and algorithm parameters, causing unsatisfactory accuracy and efficiency. This paper proposes a bidirectional relief-shading (BRS) method for loess shoulder-line extraction based on a 5-m Digital Elevation Model (DEM). First, two hill-shaded images are simulated with appropriate altitude and symmetric direction of the light. Second, the grey value difference between inter-gully and inner-gully area can be easily identified by fusing the two images with the mean method. Finally, the shoulder line can be derived by image segmentation using a threshold determined by an empirical equation. Experiments in three areas of loess tableland in Shaanxi Province validated the method, which has the advantages of being a simple operation with relatively high accuracy, 89.7% compared with manual digitalization, and high efficiency. We discuss three parameters in this method: zenith angle, azimuth angle, and segment threshold. Results suggest that the method is applicable for broad-scale gully shoulder line extraction in loess tablelands.     

黄土丘陵沟壑区生态系统服务对人类福祉的影响及其群体差异

生态系统服务对人类福祉的影响研究对于分析区域生态系统的社会贡献及有效减贫等方面具有重要的理论与实践意义。本文以地处黄土丘陵沟壑区的陕西省米脂县为例,在整合主客观人类福祉的基础上,基于生态系统服务可得性评估,利用结构方程模型定量分析了生态系统服务对人类福祉的影响及其群体差异。结果如下：① 生态系统服务对客观福祉和主观福祉具有显著正向影响,并通过客观福祉对主观福祉产生间接影响。农户属性对生态系统服务和客观福祉直接效应显著,对主观福祉直接效应不显著。② 生态系统服务对人类福祉的影响存在群体差异,纯农型与兼业型的服务可得性对客观福祉直接效应显著,而非农型不显著;纯农型与兼业型的服务可得性对主观福祉的直接效应明显大于非农型,且非农型间接效应不显著;非农型客观福祉对主观福祉的影响明显高于纯农型与兼业型。③ 生态系统服务对人类福祉影响的因子贡献与服务组合存在群体差异,即三类群体生态系统服务对福祉影响的差异不仅体现在服务类型及影响程度上,还体现在服务组合的差异上。     

黄土丘陵沟壑区典型村域土地利用变化及对区域乡村转型发展的启示

深入开展乡村地域土地利用变化和聚落发展规律的研究对于探究乡村地域系统优化、推进城乡融合与乡村可持续发展具有重要意义。论文以延安市碾庄流域为例,基于ENVI和GIS等软件技术,结合Landsat卫星影像、马尔科夫链模型和实地调查,从土地利用转移与交换变化、建筑用地空间转移、社会响应等角度探讨了黄土丘陵沟壑区典型村域土地利用变化特征以及对区域乡村发展转型的影响。研究表明：① 在一系列生态工程措施作用下,碾庄流域生态覆被发生明显改观,主要表现为大量的坡耕地及稀疏生态用地转化为林地,其中,林地面积占比由32.34%(2009年)增加至50.88%(2018年);② 在社会经济发展和延安新城“边缘效应”的影响下,碾庄建设用地呈现向流域的东南和西南方向拓展的趋势,10 a间建设用地面积增加了近75%;③ 在人类活动的主导作用下,黄土丘陵沟壑区的乡村正在朝着生态化和集约化的方向转型发展。研究结果有望为深入理解黄土丘陵沟壑区乡村地域系统结构和优化提供新参考。     

陇中黄土高原丘陵沟壑区不同植被恢复模式下次降雨产流产沙特征

基于甘肃省清水县汤峪河径流小区2015—2017年的观测数据,研究不同植被恢复模式条件下坡面次降雨入渗、产流产沙特征。结果表明:不同植被恢复模式条件下的土壤入渗量与降雨强度呈二次函数关系,存在入渗量达到最大值的临界降雨强度。入渗速率与降雨历时可以用幂函数关系表达,符合考斯恰可夫入渗模型。不同植被恢复模式条件下的产流率在0.003 3～0.003 6 mm·min-1之间,相对裸地的减流率为54%～58%。产流率与降雨强度之间呈二次函数关系(R2>0.88),产流率的主要影响因素是降雨强度。径流含沙量平均值乔灌混合区(3.13 g·L-1)>灌木林(2.95 g·L-1)>乔木林(2.79 g·L-1)>草地(2.58 g·L-1),径流含沙量与降雨强度呈线性递增函数关系。裸地的产沙量显著高于各植被小区(P<0.05),是各植被小区的43～57倍,各植被小区的减沙率在93%～94%之间,减沙效益高于其减流效益。各植被坡面土壤流失量与降雨侵蚀力呈线性递增函数关系;产流率与侵蚀产沙率之间呈极显著正相关关系(P<0.01),二者间可采用二次函数关系表达。本研...     

Elementary forms for land surface segmentation: The theoretical basis of terrain analysis and geomorphological mapping

Land surface morphology is fundamental to geomorphological mapping and many GIS applications. Review and comparison of various approaches to segmentation of the land surface reveals common features, and permits development of a broad theoretical basis for segmentation and for characterization of segments and their boundaries. Within the context of defining landform units that maximise internal homogeneity and external differences, this paper introduces the concept of elementary forms (segments, units) defined by constant values of fundamental morphometric properties and limited by discontinuities of the properties. The basic system of form-defining properties represents altitude and its derivatives, constant values of which provide elementary forms with various types of homogeneity. Every geometric type of elementary form can be characterized by a defining function, which is a specific case of the general polynomial fitted function. Various types of boundary discontinuity and their connections and transformations into other types of morphological unit boundaries are analysed.The wealth of types of elementary forms and their boundaries is potentially unbounded and thus is sufficient to cover the real variety of landforms. Elementary forms in the basic set proposed here have clear potential for genetic and dynamic interpretation. A brief worked example documents the possibility of analytical computation of various models of ideal elementary forms for particular segments of landform. Ideal elementary forms can be considered as attractors, to which the affinity of surface segments can be measured by multivariate statistical methods. The use of the concept of elementary forms in landscape segmentation is promising and it could be adapted for elementary segmentation of various other spatial fields.     

Quantitative geomorphological analysis of drumlins in the Peterborough drumlin field,Ontario, Canada

Drumlins are enigmatic subglacial landforms that have been interpreted to form by a number of processes, including incremental accumulation of till, erosion of previously deposited sediment, catastrophic meltwater floods, and sediment deformation. However, relatively little is known about the controls on drumlin formation, such as spatially variable glacial processes or substrate characteristics, and how these controls may be identified from variations in drumlin morphology within a single drumlin field. This paper explores a computational method that allows identification of drumlins and extraction of their morphological characteristics from existing topographic digital data for a portion of the Peterborough drumlin field in Ontario, Canada. Spatial and non‐spatial analysis of the form and distribution of drumlins across the study area identifies drumlin characteristics such as size, elongation ratio, symmetry and long axis orientation and shows that drumlins are not randomly distributed across the region and their form characteristics have distinct regional trends. Kernel density analysis is used to identify the regional trends in drumlin characteristics. Factors that appear to influence the form and distribution of drumlins in the study area include sediment thickness, length of time beneath the ice, ice velocity and direction of ice movement. The distribution of particularly well developed asymmetric and elongate drumlins coincides with the location of a broad bedrock low and is interpreted to identify the former location of a fast‐flowing ice stream.