黄土坡耕地地表糙度的特征与建模研究

论文摘要

地表糙度是指在一定面积的地块上,由土块、团聚体大小、作物种植和人为土地管理或降雨击溅、径流冲刷等自然和人为因素共同作用而形成的凹凸不平的一种地表现象。由于它是影响地表径流量、流向和侵蚀产沙量的主要因素之一,因而受到人们极大关注。但是模拟地表糙度的空间分布特征难度很大,特别是缺少计算地表糙度的理想方法,因此目前该领域研究仍处于探索阶段,严重影响了人们对地表糙度在土壤侵蚀过程中作用的认识。鉴于此,本研究以黄土高原坡耕地普遍采用的人工锄耕、人工掏挖和等高耕作等耕作措施下形成的地表糙度为研究对象,首先采用激光扫描仪测定了地表糙度,然后利用GIS技术建立不同耕作措施下坡面微地形模型（Micro-DEM）,并结合分形分维理论分析不同耕作措施下坡面地表糙度的空间分布特征,最终建立了计算研究区坡耕地地表糙度的模型,旨在为深入揭示地表糙度在土壤侵蚀过程中的演化特征及其侵蚀响应规律提供科学依据。本研究得出的主要结果及结论如下:1.对采用激光扫描仪测定的不同耕作措施下地表糙度进行统计分析,结果表明:在等高耕作、人工掏挖和人工锄耕耕作措施下,坡面地表糙度的标准差Sd分别为0.031、0.042和0.014;偏度分别为6.378、8.587和-1.263;变异系数Cv分别为0.002、0.003和<0.001,均大于直线坡面的标准差（0.003）、偏度（0.498）和变异系数（<0.001）。这说明耕作措施明显增大了坡面起伏程度,对坡面高程的空间分布具有一定的影响。与直线坡面比较,等高耕作、人工掏挖和人工锄耕耕作措施条件下坡面相对高程呈偏正态分布特征,但是地表高程的变异系数均小于0.1,说明坡面高程的空间变异性较弱。因此,可以通过空间插值方法生成Micro-DEM。2.对利用GIS技术建立坡耕地Micro-DEM的插值精度进行分析,结果表明:径向基插值法、克里格插值法、局部多项式插值法和反距离加权插值法的均方根误差分别为46.6、24.6、21.0和18.0×10-3。这说明利用反距离插值法生成坡耕地Micro-DEM的误差最小,因此,该方法可以作为生成坡耕地Micro-DEM的方法。在此基础上,对不同耕作措施下坡面微地形特征进行分析,结果表明:（1）人工锄耕和人工掏挖耕作措施下,坡面微坡度的栅格统计数随着微坡度的变化呈先增大,后减小的趋势,且栅格统计数主要集中在10°～25°之间;等高耕作措施下坡面微坡度栅格统计数随着微坡度的增大而增大,其中微坡度大于40°的栅格数最多,占总数的21.21%。（2）对于人工锄耕和人工掏挖耕作措施下的坡面而言,微坡向栅格统计数的分布趋势依次为:南坡、东南、西南、西坡、东坡、西北、北坡、东北坡、平地,二者变化趋势较为相似;等高耕作措施下坡面微坡向主要分布在南坡和北坡,二者栅格数占总栅格数的76.07%,其余微坡向下栅格数较小。这说明不同耕作措施条件下,坡面微坡度和微坡向的空间特征具有一定的差异,这一特征可能对坡面地表糙度的空间特征产生影响。3.利用分形分维理论对不同耕作措施下地表糙度的空间特征进行分析,结果表明:直线坡面、人工锄耕、人工掏挖和等高耕作措施下坡面的分维数DSMV在2.13～2.87之间,渡越长度lSMV在1.01～1.36 m之间。在q取值为[-10,10]时,与直线坡面相比较,耕作措施下坡面地表糙度的多分形谱曲线呈明显的不对称特征,且其分形维数随着地表糙度的增大逐渐增大,而相应的渡越长度却减小。这些特征可以通过分形分维参数f （α）max、αmax、Δf（α）max、Δf（α）min、αmin和ωα等进行描述。并在此基础上,提出了计算黄土坡耕地地表糙度的模型,即SSR =ωa×f amax。4.对地表糙度在土壤侵蚀过程中作用的研究表明:（1）在人工锄耕和人工掏挖措施下,地表填洼量主要分布在1.00×10-5～1.00×10-4 m3之间。地表填洼量的Moran’s I系数普遍较低（小于或等于0）,这说明地表填洼量具有较强的空间异质性。随着坡度的增大,填洼量明显减小,坡度是影响填洼量大小的主要原因,但是对空间异质性的影响不明显。（2）在降雨过程中产流量的变化为先增大,后趋于平缓的过程,与降雨时间呈对数关系;产沙量的变化为先增大,后减小并逐渐保持稳定的过程;地表产流时间大小依次为直线坡面<人工掏挖<人工锄耕<等高耕作。与直线坡面相比较,耕作措施可以明显减小坡面产流量和产沙量。其中等高耕作可减小产流量为38.17%,人工锄耕为17.88%,人工掏挖为9.43%;产沙量减少分别为65.6%、36.3%、23.4%。（3）地表糙度对坡面汇流特征具有明显的影响,主要包括对产流路径,空间分布特征的影响。汇流密度与地表糙度呈显著的线性负相关关系。这说明地表糙度具有明显的水土保持效应。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 地表糙度的定义
• 1.2.2 地表糙度的特征
• 1.2.3 地表糙度的测量
• 1.2.4 地表糙度模型
• 1.3 地表糙度模型在土壤侵蚀研究中的作用
• 1.3.1 地表糙度与溅蚀的关系
• 1.3.2 地表糙度与土壤入渗的关系
• 1.3.3 地表糙度与填洼量的关系
• 1.3.4 地表糙度与坡面产汇流的关系
• 1.4 问题与展望
• 第二章 地表糙度测量与分析
• 2.1 研究内容
• 2.2 试验设计
• 2.2.1 试验土壤
• 2.2.2 地表糙度的模拟
• 2.3 研究方法
• 2.3.1 地表糙度的测量
• 2.3.2 探索性数据分析
• 2.4 微DEM 的建立
• 2.4.1 数据预处理
• 2.4.2 点云数据集的空间配准
• 2.4.3 微DEM 的生成
• 2.5 地形因子提取与分析
• 2.5.1 微坡度提取与分析
• 2.5.2 微坡向提取与分析
• 2.6 小结
• 2.6.1 地表糙度的测定
• 2.6.2 微DEM 的生成
• 2.6.3 微地形因子的分析
• 第三章 坡耕地地表糙度的特征与分析
• 3.1 研究内容
• 3.2 地表糙度特征与分析
• 3.2.1 方差分析与检验
• 3.2.2 半方差函数
• 3.2.3 多分形分析
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 地表相对高程的概率分布特征
• 3.3.2 地表糙度的分形特征分析
• 3.4 小结
• 第四章 坡耕地地表糙度模型
• 4.1 研究内容与方法
• 4.2 地表糙度模型构建
• 4.3 模型检验
• 4.3.1 人为管理措施下地表糙度计算
• 4.3.2 降雨条件对地表糙度的影响
• 4.4 小结
• 第五章 地表糙度在土壤侵蚀中的作用
• 5.1 研究内容
• 5.2 研究方法
• 5.2.1 填洼量提取
• 5.2.2 Moran's I 系数
• 5.2.3 地表糙度对坡面产流、产沙特征的影响研究
• 5.2.4 汇流密度
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 坡耕地地表填洼量分布规律
• 5.3.2 不同耕作措施下坡耕地地表坑洼空间分布特征
• 5.3.3 坡面填洼量空间自相关分析
• 5.4 地表糙度对坡面产流、产沙特征的影响
• 5.4.1 地表糙度对坡面产流特征的影响
• 5.4.2 地表糙度的坡度效应
• 5.4.3 地表糙度对坡面产沙特征的影响
• 5.4.4 地表糙度对产沙影响的坡度效应
• 5.5 地表糙度对产汇流的影响
• 5.5.1 地表糙度对产流时间的影响
• 5.5.2 地表糙度对汇流的影响
• 5.6 小结
• 第六章 结论
• 6.1 地表糙度的测定与分析
• 6.1.1 地表糙度的测定
• 6.1.2 微DEM 的生成
• 6.1.3 微DEM 分析
• 6.2 地表糙度特征与分析
• 6.2.1 地表糙度的统计特征
• 6.2.2 地表糙度的分形特征
• 6.3 坡耕地地表糙度模型
• 6.4 地表糙度在侵蚀中的作用
• 6.4.1 地表糙度对填洼量的作用
• 6.4.2 地表糙度对坡面侵蚀的影响
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介