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《中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心)》 2013年
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坡面土壤水分时空变异的试验研究

贾玉华  
【摘要】:土壤水是陆地水资源的重要组成部分,它作用于不同时空尺度下的水文、地貌、气象和生态等各种自然过程。土壤水分含量的变化是各种尺度下水文循环和水量平衡的关键过程。坡面是黄土高原典型的地形单元,它既是雨养农业的载体,又是土壤侵蚀的主要发生地。以坡面为尺度研究土壤水分的变化,有助于明确黄土高原土壤水分与植被的相互作用机制,可为该地区水土流失防治和植被恢复提供理论支持,并为黄土高原覆被变化的效应评价提供参考。 陕西省神木县六道沟小流域地处黄土高原水蚀风蚀交错区,属于黄土高原向毛乌素沙地过渡的生态脆弱区域。2003-2004年,在一个远离侵蚀沟、坡度为12-14°、坡向为西北方向的完整坡面上,建成四个大小为5m×61m的试验小区。试验小区分别设计为柠条(Caragana Korshinskii Kom.)林地、苜蓿(Medicagosativa Lin)草地、撂荒地和农地,每个小区安装了11根水平间距为5m、深度为340-580cm不等的中子管。本文利用2010-2012年观测到的土壤水分数据,研究了坡面土壤水分的时空变异规律,取得了以下试验成果: 1四个小区土壤水分在垂直方向的变化趋势不同,水平方向的变化趋势相似 通常认为,土壤水分随时间的变化主要发生在0-100cm的深度,该深度也是植物根系主要部分集中分布的范围。通过垂直(0-100cm)和水平两个方向上土壤水分空间分布特征的研究,结果表明:(1)柠条林地和苜蓿草地剖面土壤上湿下干,农地土壤上干下湿,撂荒地土壤含水量剖面分层性不太明显;(2)柠条林地深层土壤在坡底和坡脚偏干,撂荒地坡下部不同深度土壤均偏湿,其它两个小区土壤含水量随坡位波动较大;(3)垂直方向各小区土壤水分的强相关关系仅表现在相邻深度之间,水平方向上各测点的剖面土壤含水量多数具有强相关关系,小区土壤水分分布格局在垂直和水平方向均呈现一定的相似性;(4)在所考虑的三个因素中,对平均土壤含水量的影响作用按相对大小排序依次是植被类型>剖面深度>坡位。 2土壤水分空间格局的时间稳定性分析表明,最稳定的测点是低估小区平均值的测点,小区尺度上苜蓿草地土壤水分的时间稳定性最高 运用时间稳定性研究方法,对不同小区0-100cm深度范围的土壤贮水量进行分析,结果显示:(1)频率分布图中大多数测点,尤其是累积概率为0.5的测点,在极端干湿条件下都不能保持相同的位置;(2)基于相对偏差分析,最稳定的测点是低估小区平均值的测点,将最稳定点的测值校正后预测小区均值效果最好;(3)通过各种方法选取的代表小区土壤水分均值的测点倾向于坡中或坡上的位置,为随机取样策略的调整提供了一种新的思路:(4)苜蓿草地土壤水分时间稳定性显著高于其它三个小区,植被恢复方式影响土壤水分时间稳定性可归因于植被盖度和地上生物量的差异。 3考虑土壤深度,影响土壤水分时间稳定性的因素按重要性排序依次为:植被类型、土壤深度和湿润指数 通过对土壤水分时间稳定性随剖面深度(0-100cm)变化规律的研究,结果发现:(1)Spearman秩相关分析显示,柠条林地与农地剖面土壤水分时间稳定性随深度增加而增加,苜蓿地先增加后减小,撂荒地在前三个测定日期不具有时间稳定性特征,之后时间稳定性随深度呈增加趋势;(2)通过相对偏差法对每小区各个深度鉴定了四种类型的代表性测点:极干点、极湿点、均值点和最稳定点;极端干湿点在多个连续深度保持其代表性,而且其时间稳定性随深度增加;(3)选定的三个影响土壤水分时间稳定性的因素在重要性上依次为:植被类型、土壤深度和湿润指数;在所选取的土壤属性中,饱和导水率和容重对平均相对偏差及其标准差分别具有显著的影响,土壤有机碳对平均相对偏差标准差也具有显著的影响。(4)时间稳定性分析提高了对坡面土壤水分空间格局的认识。 4将四个小区看作一个整体,坡面土壤贮水量的空间变异主要由结构性因素引起,不同深度土壤贮水量在水平方向上的空间格局表现出巨大的差异 坡面四个小区累计44个观测点,构成一个24m×60m的土壤水分观测网,选取三个观测时间(2010年7月、2011年7月和2012年7月)、三个深度范围的土壤贮水量(0-100cm、100-200cm和200-300cm)进行空间变异分析,结果表明:(1)坡面土壤贮水量因观测时间和深度范围不同而有显著性差异,土壤贮水量为中等程度变异;(2)土壤贮水量半方差拟合以高斯模型为主,坡面不同测定时间三个深度范围的土壤贮水量均表现出明显的空间自相关性,并呈现中等的空间依赖性,土壤贮水量的空间变异主要是由结构性因素引起,坡面土壤贮水量空间自相关距离随深度减小,其变化范围为14.7–18.4m;(3)不同深度土壤贮水量的空间格局差异巨大,与设置小区和实施植被恢复具有直接的关系,土壤水分空间格局随时间变化发生了一定的改变,主要表现在干旱区域范围的明显扩展。 5植被影响下小区剖面土壤水分的状况逐年变差,10cm深度与其以下不同深度土壤含水量的时间序列呈高度相关性 利用0-340cm深度范围的土壤含水量进行时间动态分析,结果表明:(1)四种植被类型下小区剖面土壤水分状况逐年变差,与生长季潜在蒸散量连续3年增加有一定的联系;(2)四个小区中10cm深度与其下深度不等土壤含水量的时间序列呈高度相关性,柠条林地、苜蓿草地、撂荒地和农地可利用表层含水量预报的深度范围分别为20-70cm,20-90cm,20-50cm以及20-70cm;(3)土壤水分方差与其均值的相关关系受植被类型、观测深度和观测时间影响,并不总是呈现显著的正相关关系。 6观测期内,柠条林地、苜蓿草地和撂荒地剖面土壤干层的干燥化程度在加重,干层的厚度在加深 干层是黄土高原一种典型的土壤水文现象。利用各小区580cm深度范围(每小区3根中子管)的土壤含水量数据,分析四种植被类型影响下土壤干层的形成特征和发育动态,结果表明:(1)按照最大入渗深度和最大耗水深度,可以按照形成干层的功能将土壤剖面划分为降水补给层、干层和潜在干层;柠条林地的干层形成于土壤剖面100-580cm深度范围内;苜蓿草地干层上边界为120cm,下边界低于600cm;撂荒地土壤干层在160-440cm深度范围内;农地耗水深度高于最大入渗深度,不具有形成干层的条件;(2)用体积含水量的形式表示田间持水量,并将其值的60%作为土壤稳定含水量,确定神木试验区土壤干层的水分上限为12%,并确定了神木试验区黄绵土土壤干层严重等级的划分标准;(3)与2004年植被建立之初相比较,在本试验确定的干层范围内,柠条林地土壤水分平均下降率为44.5%,苜蓿草地为47.7%,撂荒地17.5%,其中柠条林地和苜蓿草地土壤水分平均下降率远远大于与其深度范围一致的农地,这一结果突出了土壤干层形成过程中林草植被所起的主导作用;(4)把农地作为对照可消除其它3个小区干层内的土壤蒸发量,以此得出植被建立后柠条林地、苜蓿草地和撂荒地土壤干层每20cm深度植被耗水8.82mm、9.68mm和2.58mm;3种植被形成干层的能力强弱顺序是:苜蓿草地>柠条林地>撂荒地;(5)土壤干层时间动态的研究结果表明,2010-2012年之间,柠条林地、苜蓿草地和撂荒地剖面土壤干层的干燥化程度在加重,干层的厚度在加深。试验期内,柠条林地形成了较稳定的极重度干层;苜蓿草地的重度干层和中度干层都在加深,后者达到了600cm以下;撂荒地形成了中度干层,其轻度干层处于发展阶段。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:S157.1

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