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陕北黄土高原土壤水库动态特征的评价与模拟

王健  
【摘要】: 黄土高原土壤水分状况是制约该区生态恢复的关键,也是维持农业持续发展的决定性因素。本文以延安市宝塔区的高坡村、淳化县泥河沟流域和米脂县泉家沟流域为观测区,通过对不同土地利用方式下土壤水分的定位监测,采用定量与定性、模型模拟与实测对比相结合的方法,系统分析了陕北黄土高原土壤水库的特征,取得了以下主要结论:黄土高原深厚的土层,使得土壤水库具有巨大的库容,但受到降水入渗补给的影响,经常呈现出有库无水的状态。受土壤含水量变化及测量误差的影响,实测各层土壤含水量呈现波动变化,以层土壤含水量波动变化最小值对应深度作为土壤水库的调节深度,陕北黄土高原阳坡果园和阳坡刺槐林土壤水库的调节深度最小,阴坡草地和农地土壤水库调节深度最大,其余坡向和土地利用类型土壤调节深度介于此二者之间;土壤水库的调节能力以阴坡农地和荒草地最大,为1194.96mm,阳坡果园和刺槐林最小为597.48mm,其他坡向和土地利用类型介于此二者之间。 受地带性、土地利用、坡位、坡向、土地利用年限和土地利用强度等多种因素的影响,坡面土壤水库呈现不同的蓄水特征。在地带性方面,由南向北,土壤储水量明显减少;在土地利用方面,农地和荒草地土壤储水量明显高于果园和刺槐林地;在坡向上,阳坡、半阳坡明显低于阴坡和半阴坡;同一坡向,坡上部含水量低于坡中部低于坡下部;土地利用年限增加,储水量降低,刺槐林16龄林地,200cm以下土壤明显干化;同时植被密度也直接影响着土壤储水量,随密度增加,储水量降低。 土壤水库储水量受降水、蒸发等因素的影响,在年内和年际间呈现波动变化;应用时间序列理论,果园、刺槐林、草地和农地土壤水库储水量趋势项均值分别为250.16mm、295.02 mm、284.75 mm和355.86 mm;土壤水库季节项变化规律与土壤水库储水量动态变化规律均为:秋冬季土壤水分缓慢累积阶段、春末夏初土壤水分强烈消耗阶段和夏季土壤水分波动阶段;土壤水库调节着区域降水与蒸散耗水,年内为上半年供给植物生长耗水,储水减少,下半年接受降雨入渗补给,蓄存降水;年际间2003年和2005年土壤水库得到降水入渗补充,储水量增加,2002年、2004年和2006年土壤水分消耗,实测果园、刺槐林、草地和农地土壤水库最大调节量分别达到245.38mm、328.18mm、284.78mm和261.62mm。 根据植物从土壤中吸取水分的难易程度,将土壤水分划分为无效水、难效水、中效水、易效水和饱和水。坡面果园、刺槐林、农地和荒草地土壤水分的有效性由南向北递减,表现为淳化大于延安大于米脂;在不同坡向上,土壤水分有效性表现为阳坡最差、阴坡最好,半阴坡、半阳坡和峁顶介于二者之间。年内土壤水分的有效性与季节同步,1月土壤水分整体较高,随土壤水分的蒸散消耗,有效性逐渐降低,难效水范围逐步扩大,6月份表层0~40cm呈现无效水,后期受降水补给影响,土壤水分有效性得到一定恢复。以各层土壤中根系所占份额作为权重,求得各种土地利用类型土壤水分生态位,各种土地利用类型土壤水分生态位适宜度在淳化最高,米脂最低,延安介于二者之间;在各坡向间土壤水分生态位适宜度阳坡最低、阴坡最高,半阴坡、半阳坡和峁顶介于二者之间;在不同土地利用中,以农地土壤水分生态位适宜度最高,刺槐林较高,草地和果园相对较低,各种土地利用土壤水分生态位适宜度在7月达到最低,随后降雨入渗补给,其土壤水分生态位有了一定提高;坡面刺槐林林龄越长,土壤水分生态位适宜度越低,林木的生长受到一定的限制;林分密度越大,土壤水分生态位适宜度越低。 应用线形扰动理论,构建土壤水库储出水量线形扰动模型,将降水量和参考作物蒸散量的随机项作为输入,模拟土壤储水量的随机项,叠加土壤水库储水量的趋势项和周期项,构成土壤水库储水量对降水和蒸发的响应;根据降雨、参考作物蒸散量与土壤水库储水量间的互相关关系,确定出土壤水库线形扰动模型各输入的记忆长度为12个时段,即6个月。经验证线性扰动模型可较好的描述土壤水库储水量。利用模型对2006年土壤水库储水量进行预测,经分析模型预测精度除个别时段误差稍大外,其余时段模型模拟值与实测值间偏差很小,模型可较好的预测土壤水库储水量变化。


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