中国科学院生态环境研究中心机构知识库
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题名: 景观格局变化的土壤侵蚀效应研究
学位类别: 博士
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
其他题名: Effect of Landscape Pattern Dynamics on Soil Erosion
学位专业: 生态学
中文摘要: 景观格局及其变化的土壤侵蚀效应是土壤侵蚀研究中的重要问题。研究景观格局变化的土壤侵蚀效应对以水土保持为目标的流域土地利用布局和管理优化具有重要的参考价值。景观格局分析方法和土壤侵蚀模型方法是景观格局变化的土壤侵蚀效应研究的两个主要途径。前者常借助各类景观指数间接反映景观格局及其变化的土壤侵蚀效应；后者则通过估算一系列土地利用／覆盖情景下的侵蚀达到目的。土壤侵蚀模型能给出定量的土壤侵蚀量，且对土壤侵蚀空间格局的表征能力不断增强，成为研究景观格局变化的土壤侵蚀效应的常规手段。相对于需要众多参数支持和数据进行参数校正和结果验证的土壤侵蚀模型，景观指数方法能简单方便、快捷地定性评价景观格局的土壤侵蚀效应，且具有较高的可靠性。随着景观生态学的发展，构建了大量基于斑块－廊道－基底模式景观格局的空间和非空间景观指数（Ａ类景观指数）。这些指数也被应用于针对土壤侵蚀的景观格局分析，但由于大多建立在生物过程的基础上，其在土壤侵蚀研究中的意义解释不明确。近年来，水文学、地貌学等与土壤侵蚀相关的学科开始注重景观格局分析，建立了一些面向土壤侵蚀过程的景观指数（Ｂ类景观指数）。与基于斑块－廊道－基底景观模式建立的景观指数不同，这些指数关注土壤侵蚀相关的过程，其土壤侵蚀指示意义明确。在阐述这些指数的基础上，本文应用面向土壤侵蚀的景观指数对坡面尺度典型覆被配置格局的土壤侵蚀效应进行评价。结果表明，面向土壤侵蚀的景观指数能正确表征坡面景观格局的土壤侵蚀效应。对于坡面土壤侵蚀，坡面覆被空间配置存在如下一般性的规律：（1）抑制侵蚀功能强的“汇”单元越靠近坡底，越有利于阻止泥沙的输出；促进侵蚀的 “源” 功能单元越靠近坡底，越有利于泥沙的输出。当以阻止泥沙输出为目的在坡面配置多种景观单元时，应尽可能使抑制侵蚀功能强的单元靠近坡底分布，有利于阻滞泥沙输出。（2）“源”越分散，越不利于侵蚀产沙；“源”连接性越强，侵蚀产沙越容易。以防止坡面侵蚀产沙为目的在坡面配置覆被时，应尽量采取分散径流、泥沙“源”以降低其连接性的配置格局。（3）泥沙“源”输送距离出口越近，泥沙越容易输出；与出口直接连通的“源”越多，坡面泥沙输出量越大；反之则越小。（4）某点接受上坡径流供给越多，且在下坡路径上遇到的阻碍越少，该点泥沙越容易到达出口，对出口的贡献越大。综合来看，坡面径流、泥沙“源”在坡中的集中分布有利于土壤侵蚀防治。在流域尺度上，从土壤侵蚀模型（ＷＡＴＥＭ／ＳＥＤＥＭ）方法和景观格局指数方法两种途径研究了碾庄沟流域年景观格局变化的土壤侵蚀效应。（１）从总体来看，流域内林地、草地、坝地等在土壤侵蚀过程中发挥“汇”功能的土地利用／覆盖类型大幅度增加，而裸地、居民地、坡耕地等径流、泥沙“源”面积不断缩小，裸露区域的主要分布区由梁、峁坡转向沟谷。（２）景观格局分析表明，流域总的侵蚀产沙能力持续降低，但泥沙的输出量却并不是持续降低，而是在经历降低过程后增加，因为土地利用覆被／变化使得泥沙供给区靠近河道和流域出口，且泥沙源区之间及其与河道、沟口的连接性增强。（３）利用耦合景观格局影响的ＷＡＴＥＭ／ＳＥＤＥＭ模型，对碾庄沟年土壤侵蚀和流域泥沙输出进行了估算。结果表明，流域土壤侵蚀模数持续降低，但流域泥沙输出却自2002年后出现上升趋势。这与面向土壤侵蚀的景观指数反映的流域土壤侵蚀变化相吻合。通过两类景观格局指数与WATEM/SEDEM模型模拟结果相关性的比较分析了景观指数的适用性。对A类景观指数：在景观水平上难以反映土壤侵蚀的变化；在土地利用/覆盖类型水平上， 部分指数与侵蚀具有很好的相关性。按照土地利用/覆盖类型在土壤侵蚀中的源、汇功能进行二次分类后， DIVISION、MESH、PD、PLADJ和PLAND满足正确指示土壤侵蚀的条件，可作为反映景观格局变化的土壤侵蚀效应的工具。对B类景观指数，由于其基于土壤侵蚀过程建立，与土壤侵蚀表征变量（侵蚀模数、流域泥沙输出量）具有很好的相关性，能正确地反映景观格局变化引起的土壤侵蚀变化。基于景观指数与侵蚀模型预测结果比较分析，得出如下主要结论：（１）基于土壤侵蚀过程发展起来的Ｂ类景观指数能很好地从机理上解释景观格局及其变化的土壤侵蚀效应。应用这些指数时，应当针对不同的土壤侵蚀子过程选择相应的指数表征。（２）基于斑块－廊道－基底景观结构模式的Ａ类景观指数是对景观的空间的或非空间的特征的描述，大部分针对生物过程建立，在应用于土壤侵蚀过程研究时，其存在很大的局限性。在景观水平上，Ａ类景观指数难以明确指示景观格局及其变化的土壤侵蚀效应。但在类型水平上，这些指数在指示景观格局的土壤侵蚀效应上具备一定的潜力。当根据斑块类型在土壤侵蚀中的功能进行分类后，斑块类型水平上的景观指数指示土壤侵蚀的能力得到提升，其意义解释也更为明确。因此，当应用Ａ类景观指数于土壤侵蚀研究中时，应更多地从类型水平上进行分析。
英文摘要: The effect of landscape pattern on soil erosion is a critical issue in soil erosion sciences. Corresponding practices on this issue benefit soil-conservation-driven land plan and integrated management at basin scale. The landscape pattern analysis (LPA) and modelling are two main approaches in representing the effect of landscape pattern on soil erosion. The LPA employs landscape metrics, spatial or non-spatial, to indicate the impact of landscape pattern on soil erosion processes. Scenario analysis is the main approach for modelling.Soil erosion models provide quantitatively outputs such as gross erosion. Aided by spatial modelling technology, they are powerful in predicting soil erosion spatial pattern. Thus, modelling became privilege approach in representing the effect of landscape pattern on soil erosion. Compared to soil erosion models, landscape metrics are simple, convenient, less-time consuming and reliable tools. Along with the rapid progress of Landscape Ecology, large number of patch-corridor-matrix- model-based landscape metrics was developed (Call it Class A for convenience). Though landscape metrics of class A was applied in landscape pattern analysis for soil erosion concerns, but their meaning was not deterministic for soil erosion. Recently, the LPA started its booming in disciplines such as hydrology and geomorphology. Some metrics was developed based on soil erosion processes (Class B). These metrics was deterministic in its interpretation of soil erosion. After an introduction, this kind of metrics was applied in evaluating the potential of soil erosion of a simulated hillslope with different land cover arrangement.The results showed that soil-erosion-based metrics correctly indicated the soil erosion status of the hillslope with different land cover pattern. Generally, for hillslope, there are principals concerning lands cover spatial arrangement as following:(1) A placement of the sink patches that protecting soil from water erosion on the hillslope bottom effectively impeded sediment export. If the source patches that generation runoff and sediment were placed on the hillslope bottom, the sediment export would increase.(2) The more disperse of the sediment source, the less erosion happened. The increase in connectivity of source areas will cause high probability of sediment generation. Thus, to isolate the source area as far as possible is the best choice in land cover arrangement on the hillslope.(3) The nearer the source areas to the outlet, the easier more source directly connect to outlet, the larger the amount of sediment flux.(4)For a specific location, more runoff supply and less impedance on the downward pathway, more sediment reached the outlet. Generally, placing the source in the middle of the hillslope was the best arrangement for soil erosion prevention.At the watershed scale, the WATEM/SEDEM and LPA aided by landscape metrics was applied in evaluating soil erosion of Nianzhuang watershed udder changing landscape pattern from 1992 to 2009. The main results are as following.(1)The area of sink patch type of the soil erosion, including forestland, grassland and check dams increased dramatically. There was a continuous shrink of sediment source. The distribution of bare area experienced a great change. In 2009, more than half of that bare area was located in the valley.(2)The LPA shows that the sediment generation declined in whole. But sediment export at the watershed outlet probably increases as a result of enhanced connectivity and expansion of source areas near the river and outlet.(3)The WATEM/SEDEM prediction showed that the gross erosion of the watershed declined from 1992 to 2009, but the sediment export increased dramatically after 2002, and reached a high value at 2009.The suitability was evaluated by comparison between landscape metrics of the two categories and soil erosion predicted by WATEM/SEDEM. The metrics of Class A could not reflect the dynamics of soil erosion at landscape level. At land use/cover class level, some of the metrics shows good correlation to soil erosion. After reclassification of land use/cover types according to the function in soil erosion, metrics including DIVISION, MESH, PD, PLADJ and PLAND played well in indicating soil erosion under the changing landscape pattern.Based on the comparisons of the two types of landscape metrics with soil erosion estimated by WATEM/SEDEM, there are two main conclusions.(1) Benefited from their soil-erosion-based nature, landscape metrics of Class B do well in interpreting effect of landscape pattern dynamics on soil erosion. But it should be aware that most of these landscape metrics are only suitable for some aspect of soil erosion, or some sub processes of soil erosion.(2)The Patch-Corridor-Matrix-Model landscape metrics delineate the spatial or non-spatial features of landscape. Most of them were designed for biological issues such as plant dispersion. When applied in soil erosion, there are limitations calling for special attention. At the landscape level, this kind of landscape metrics cannot provide a deterministic interpretation of soil erosion change caused by landscape change. But at class level, the situation turned well, some of these metrics correctly indicating some aspect of soil erosion. If supported by landscape classification based on landscape function in soil erosion processes, there potential in indicating soil erosion status under specific landscape patterns can be improvement. So, applying and explaining these metrics at class level was more meaningful.
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景观格局变化的土壤侵蚀效应研究-刘宇.pdf（5547KB）----限制开放
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刘宇.景观格局变化的土壤侵蚀效应研究[博士].北京.中国科学院研究生院.2011
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硕 士 学 位 论 文
巢湖流域土壤侵蚀与水土保持
环境效益评价
Soil Erosion and Environmental Benefit
Assessment of Water Conservation in
Chaohu Basin
学 科、专 业：
自然地理学
研 究 方 向：
水土保持与环境效益评价
作 者 姓 名：
导师及职称：
程先富 教授
论文提交日期：
2013 年4 月
授予学位日期：
安徽师范大学学位评定委员会办公室
学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研
究成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的
说明并表示谢意，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人
已经发表或撰写过的研究成果。
学位论文作者签名：
签字日期：
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容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇
编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书。
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导师签名：
签字日期：
签字日期：
学位论文作者获学位后去向：
工作单位：
通讯地址：
巢湖流域土壤侵蚀与环境效益评价
安徽师范大学硕士学位论文
二○一三年四月
本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合安徽师范大
学硕士学位论文质量要求。
答辩委员会签名:
主席:(工作单位、职称)
巢湖流域土壤侵蚀与水土保持
环境效益评价
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国标”基础上，结合流域水土保持实际，以无植
被覆盖和人为保护措施条件下潜在土壤侵蚀量与前文考虑了植被覆盖和人为保
护措施的侵蚀量相比较，从基础效益、经济效益、社会效益和生态效益四个方面
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到结论如下：
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土壤侵蚀与水土保持科学重点研究领域与问题-冷疏影
2水土保持学报第18
卷　库的富营养化、野生动植物生境的破坏、洪水灾害的加剧等。三是土壤有机碳的含量、组分会因为土壤侵蚀和泥沙搬运而产生较大变化, 进而与全球生源要素(C 、N 、P 、S ) 循环乃至全球气候变化均有着紧密联系。土壤侵蚀已经成为限制当今人类生存与发展的全球性环境灾害, 严重制约着全球社会经济持续发展。在一些贫穷的国家和地区甚至威胁人类生存和发展。预防和治理土壤侵蚀、改善生态环境、建设美好人居环境, 已成为全世界普遍关注的重大环境问题和人类生存发展的重要问题。截止目前, 我国仍有近200万km 2土壤侵蚀面积需要治理, 工业化、城市化、西部大开发等大规模的基础设施建设还正在难以避免地产生新的土壤侵蚀。国家从经济社会可持续发展和国家生态安全的战略高度, 已将水土保持生态建设确立为21世纪经济和社会发展的一项重要的基础工程, 作为改善农业生产条件和生态环境、治理江河的根本措施。在西部大开发战略中, 把水土保持做为生态建设重要内容和西部大开发的切入点[2]。在国际上我们也必须或即将履行有关国际公约, 如《联合国气候变
(U N FCCC , 1992) 、(T he Kyo to P ro toco l , 1997) 等。保护土地生产能力并进而保证食化框架公约》《京都协议》
物和生态安全, 实现我国社会经济的持续发展, 预防和适应全球变化带来的各种影响, 争取环境外交主动权利等, 对土壤侵蚀与水土保持科学研究提出了多方面的需求。
2　土壤侵蚀与水土保持科学发展的自身需求
土壤侵蚀过程发生在地表各圈层相互作用最为强烈的地区。土壤侵蚀和水土保持过程既包含了多种复杂环境要素的相互作用和反馈, 也包含了地表地域单元间物质迁移、传输和相互作用。前者如侵蚀地貌, 侵蚀土壤发生演化, 地表径流和风沙活动, 大气中水气、粉尘, 近地表温度变化, 内陆和近海水体中营养元素的平CO 2、
衡, 人工植被的消涨, 耕地增减和区域食物平衡等。后者如流域上、中、下游和近海系统间的径流泥沙、化学污染物质传输, 生源要素(C 、丘陵、平原之间迁移转换, 草原农事活动和周边地区沙N 、P 、S ) 随泥沙和径流在山地、
尘活动之间的关系等。水土保持是人类作用于地表生存环境的主要方式, 已经并将继续对地区性和全球性环境要素和环境过程产生多种深刻而广泛的影响。
土壤侵蚀的研究和地貌学、土壤学同源, 起源于19世纪末。土壤侵蚀学科也是地理学、土壤学、地貌学、沉积学、水力学、泥沙运动学、林学、农学、水利学等多学科交叉的新型学科和边缘学科。土壤侵蚀与水土保持学科已经形成为一门比较独立完整的学科体系。它以外营力对土壤的分离、搬运和沉积过程为研究对象, 揭示土壤侵蚀发生发展规律及其与环境要素的关系, 调查评价水土流失类型、面积和土壤侵蚀与水土保持对生态环境的影响, 开发水土流失治理和生态建设技术, 提出水土保持策略。
目前, 国际上一系列大型研究计划都将土壤侵蚀、水土保持及其环境效应作为重要研究内容[3], 其中包括:地中海土地荒漠化和土地利用变化研究(M editerranean D esertificati on and L and U se , M EDLU S ; ) , 全球变化陆地生态系统研究(Global Change and T errestrial Eco system s Co re P ro ject , GCT E ) , 土地利用与土地覆被变化(L and U se and L and Cover Changes ) 等。研究揭示地表各种过程之间的相互作用、地表各种地域单元之间的相互作用、人类活动与地理环境之间的关系, 并科学定量评估人为活动对自然环境影响, 这些均有赖于土壤侵蚀与水土保持科学研究的进步。土壤侵蚀与水土保持学科既是相对独立的, 又是大科学体系的一部分, 在现代科学体系中具有不可替代的作用与地位。
3　我国土壤侵蚀与水土保持学科研究的特殊性
我国水蚀和风蚀面积356万km 2(水蚀165万km 2, 风蚀191万km 2) [4]。长达5000年之久的农业生产历史, 在开发农业自然资源的同时, 也对生态环境特别是丘陵山区造成巨大的压力。目前, 我国人均耕地面积是世界人均耕地面积的1 3, 在今后一个时期内生态安全和食品安全之间的矛盾还会存在。这种状况将使我国推行可持续发展战略比世界其它国家更难。解决这一难题的关键是依靠科技创新, 通过科技的进步, 进一步认识我国土壤侵蚀基本规律, 提出符合国情的治理水土流失技术体系、对策与战略。我国水土保持工作的目标是同时达到改善生态环境、保证生态和粮食安全、提高农民收入和促进地区经济发展等多重目的, 也即实现生态效益、社会效益和经济效益的统一[5]。另一方面, 我国的土壤侵蚀、水土保持实际研究中还需要建立起完善的、全国性的监测网络体系, 既要为田间尺度水土保持措施布设提供支持, 又要为全国土壤侵蚀和水土保持状况的定期公告和中央及各级地方政府宏观决策提供数据支撑。因此, 必须在多种空间尺度上进行土壤侵蚀过程和预测模型的研究, 同时加强土壤侵蚀、水土保持研究与社会经济学科研究的交叉和融合。我国土壤侵蚀、水土保持科学研究的特殊性, 可为世界土壤侵蚀与水土保持研究增加新的内涵。
4　土壤侵蚀与水土保持科学研究中存在的问题
历经多年的努力, 我国土壤侵蚀与水土保持学者通过与地理学、地貌学、土壤学、水文水力学及农业科学等(C)
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, 2004 土壤侵蚀与水土保持科学重点研究领域与问题冷疏影1 , 冯仁国2 , 李锐3 , 刘宝元4 , 郑粉莉3 , 刘国彬3 , 王占礼3 , 杨勤科3 , 傅伯杰2 , 宋长青1...土壤侵蚀及水土保持的格 局与规律、水土流失及治理的环境效应评价理论与模型、水土流失治理的生态服务功能评价和不同尺度水土保持与生态 建设模式研究等重点研究领域。...黄土高原地区水土保持科学研究的重点领域_刘国彬_农学_农林牧渔_专业资料。中国水土...土壤侵蚀过程 、 机制及侵蚀模型 、 植被恢复的潜力及调控 、 大尺度土壤侵蚀...土壤侵蚀预报研究 的历 史,结了植被措施和工程措施 简总对水土流失 的调 控作用 机理 和水 土保 持效益等有关问题,土壤侵蚀与水土保持科学今后的研究方 向提...水土保持及土壤侵蚀动态机制研究现状及存在问题_吴淑芳...建国至今 , 针对该区水土 保持科学研究和水土流失...是水土保持领域多年来 探索的一个重要课题 , 已积累...21世纪中国水土保持科学的创新与发展_吴普特_农学_...持科 学的研究重点从土壤保持转变为水土资源的保护与...问题 不宜在 小范 围或 小尺度 侵蚀 预报上再下...关键词: 国家重点研发计划;脆弱生态修复;水土流失;...个核心科学问题开展研究工作, 将在抗土壤侵蚀植物...( 1 ): 1115. 中国水土保持科学, [4 ] 冷疏影...