关中平原黄土中第1层古土壤发育时的土壤水分研究

根据关中平原西安地区和宝鸡地区调查和实验分析资料,研究了该区黄土中第1层红褐色古土壤发育时的土壤有效水含量、重力水分布、水循环和水分平衡等问题。结果表明,该层古土壤CaCO_3与元素Sr迁移深度达到了4.2m,位于古土壤黏化层底界之下的风化黄土层发育厚度为2.2m,淋滤裂隙发育深度为3.9m,Fe_2O_3含量较高的红色铁质黏土胶膜迁移到了土壤黏化层底界之下约1m深处的黄土中,迁移到了4.2m深处的CaCO_3结核中方解石结晶良好。这些指标显示,在西安和宝鸡地区该层古土壤发育的最温湿阶段,土壤重力水带分布深度至少达到了4.2m,当时该区4.2m深度范围内土层水分充足,在植被生长季节和每年绝大部分时间里土层平均含水量一般为22%左右,在蒸发与植被吸收、树冠截留以及地表径流损失之后剩余的可利用有效水含量为14%左右,当时土壤水分充足,没有土壤干层发育,能够满足茂盛森林植被发育的需要。西安和宝鸡附近S_1古土壤发育时的最湿润时期土壤重力水带分布深度比现今大2m左右,土壤水是酸性的。在关中平原S_1古土壤发育时,土壤水分的收入量大于支出量,土壤水分为正平衡,土壤水循环正常,每年雨季一般有较多的水分通过土壤入渗补给地下水,这也是当时土层含水量高的原因。关中平原与洛川等地2003丰水年的重力水分布深度与含水量证实了S1古土壤发育时的土壤水研究结果是可靠的。多项指标显示,在S_1古土壤发育的最温湿阶段,夏季风气团能够频繁越过秦岭山脉到达关中平原地区,秦岭南北均为亚热带气候,这表明当时秦岭失去了温带与亚热带气候分界线的作用。S_1古土壤发育过程经历了5万余年的漫长时间,在最温湿阶段之外的其它阶段,发育森林草原等植被是可能的。本项研究确定的土壤古水分水指标对国内外的研究有重要应用价值。     

黄土高原区域尺度土壤干燥化的空间和季节分布特征

为掌握黄土高原土壤干燥化程度的空间分布特征,定量评价雨季前、后土壤干燥化程度,于2013年在黄土高原南北方向布设一条样带（N=86）,获取雨季前、后0~5 m剖面土壤含水量。采用地统计学方法分析了土壤干燥化指数的空间分布规律及变异特征。结果表明:在黄土高原地区,土壤干燥化程度存在明显的纬度地带性,且雨季前土壤干燥化指数的空间变异程度高于雨季后;经过雨季降水的补给,土壤干层在一定程度上得到修复,且中部地区的修复效果明显优于南部及北部地区;土壤干燥化指数剖面分布特征在雨季前、后的差异主要表现在浅层0~2.3 m土层,这主要归因于降水对浅层土壤水分的补给。     

冻结季沱沱河源多年冻土区活动层土壤水分含量分析

活动层含水量是表征多年冻土区气候、水文和生态过程的关键参数。长期以来,由于受多年冻土区活动层水分实测样点数量稀少的限制,各类基于遥感反演、模式模拟乃至数据融合和同化等手段生产的土壤水分空间数据均存在着较大的误差。2020年10—11月在青藏高原腹地（沱沱河源区）测定了 1 072组活动层土壤含水量数据并进行分析,探讨了该时段该区域活动层土壤水分的空间差异,并与全球陆面数据同化系统数据产品（GLDAS-Noah）和欧洲中期天气预报中心发布的第五代再分析资料（ERA5-Land）进行了对比分析。结果表明,在该区域平均厚度为2.72 m的活动层内,土壤质量含水量（总含水量）约为14.0%,活动层土壤含水量与植被发育情况存在正相关关系。除高寒沼泽草甸类型外,高寒草甸与高寒草原类型的活动层含水量随深度的增加呈现出先减小后增大的变化趋势。不同坡位类型的活动层含水量呈上坡位>下坡位>中坡位>平坡位,阳坡水分高于阴坡且两者活动层剖面水分变化相似。多年冻土区浅表层0~350 cm深度范围内的土壤含水量大于区内融区同深度的土壤含水量,两者土壤剖面水分分布均呈现出先增大后减小再增大的特征。该区域的GLDAS-Noah同化水分产品与实测数据对比的误差在10%以内,比ERA5-Land再分析土壤水分数据更为准确,但两种数据产品对土壤剖面上的水分垂直分布情况描述均与实测数据有较大差异。该研究结果可以为数据同化系统的模式冻融参数化方案优化及遥感水分产品研发提供科学依据。     

典型岩溶山坡土壤剖面水分对降雨响应过程研究

为揭示岩溶石山山坡降雨入渗补给机制,选取典型岩溶石山山坡土壤剖面为研究对象,于2015年7-10月期间对不同深度土壤水分进行高分辨率连续监测,研究典型场雨条件下土壤剖面水分对降雨的响应过程,分析土壤剖面水分的动态变化规律及其可能影响因素。研究结果表明:土壤剖面水分对降雨的响应受前期土壤含水量、降雨量、降雨强度的影响,还与土壤所处的地形地貌有关;表层土壤水分对首次次降雨响应的滞后时间与前期土壤含水量有关,响应时间在0.5~4.75 h之间,旱季响应时间比雨季长;降雨阈值是引起土壤水分降雨响应的重要条件,旱季6 mm降雨量是土壤水分响应的降雨阈值。当降雨量补充土壤水分亏缺后,土壤剖面水分对降雨响应迅速,响应时间最小为0.25 h,不同深度土壤水分对降雨的响应时间一致,说明下层土壤水分可能受到优先流或侧向径流补给影响。土壤含水量的变化幅度随土层深度的增加而减小,不同深度土壤水分变化主要受土壤-大气界面、土壤-植被、土壤-基岩界面控制下的气候条件、植被蒸散发和介质渗透性差异影响。      

黄土高原南北样带不同土层土壤水分变异与模拟

为掌握黄土高原区域尺度土壤水分的时空分异特征及其影响因素,在黄土高原布设一条南北方向样带（N=86）,动态监测0~5 m剖面土壤含水率。采用经典统计学方法分析了土壤蓄水量的分布规律、变异特征及影响因素。结果表明:不同土层土壤水分均呈中等程度变异,并由南向北递减,样带0~5 m剖面平均土壤蓄水量为735 mm;随着土层深度的增加,土壤水分在空间上的变异增强,而在时间上的变异减弱,表明深层土壤水分具有较强的时间稳定性特征。干燥度、黏粒、归一化植被指数和坡度是影响区域土壤水分空间分布的主要因素,可作为一定置信水平上预测区域土壤水分空间分布状况的预测变量。     

野外非饱和土壤中溶质运移的试验研究

通过在野外3×6m2面积上均匀入渗条件下非饱和土壤溶质运移试验,同时对8个点定时取样,得到170cm深度内土壤溶液浓度和含水量剖面分布.据此研究了小区域范围内土壤水分和溶质的运移特征,讨论了土壤水分和盐分分布的空间变异性和统计特征.研究结果表明,在本试验条件下,土壤溶液浓度剖面的空间变异性远大于土壤水分剖面.单一测点的取样结果不能代表区域的溶质运移特征.区域上溶质浓度的平均结果能反映溶质运移的基本规律.由于土壤结构等因素的影响,不动水体含量占土壤含水量的24%～39%.     

青藏高原高寒草甸区土壤水分的空间异质性

通过网格(10m×10m)取样,用地统计学方法研究了青藏高原高寒草甸覆盖区域(110m×90m)浅层剖面(0~40cm)土壤水分的空间异质性特征。结果表明:在高寒草甸覆盖区0~30cm深度范围内,土壤水分均存在高度空间异质性,其中87.3%~74.9%的空间异质性是由空间自相关部分引起的,主要体现在201m以下尺度,10m以下随机因素对空间异质性作用较小;30~40cm土壤水分空间异质性由10m以下尺度随机因素导致的占42.3%,而自相关部分的空间异质性(57.7%)体现在10~87.2m尺度。随土层深度的增加,分维数D有逐渐增大的趋势,说明随深度增加高寒草甸区土壤水分自相关空间异质性程度在降低,而随机因素导致的空间异质性程度在增加。从4层的C₀/(C+C₀)值来看,10~20cm这一层的值最小,表明在这一层的系统变量的空间自相关性程度最高。说明高寒草甸区0~30cm土层的土壤水分含量是受降水、植被发育、根系分布、土壤特性和人为干扰等影响,其空间异质性主要受自相关因素控制,而30cm以下的土壤水分受自相关因素和随机因素共同控制。     

西安地区S4古土壤剖面中古水分指标与水环境研究

通过野外调查和实验分析,在西安蓝田安村黄土剖面S_4古土壤剖面中发现了具有指示当时土壤水分含量、地下水富集和水分循环的铁锰结核、针铁矿[α-FeO(OH)],在西安地区确定了风化淋滤黄土层和显著迁出了土壤黏化层的CaCO_3结核淀积层。针铁矿呈褐黄色薄膜分布于土体表面,含量可达3.3%。铁锰结核呈黑褐色球形,电镜下多呈结晶粒状,铁锰成分含量很高。针铁矿和铁锰结核富集层厚0.6m,形成于紧靠地下水的位置。通过研究提出了铁锰结核和风化淋滤黄土层及CaCO_3结核淀积层可作为恢复土壤古水分含量的重要指标。针铁矿、铁锰结核和风化淋滤黄土层的形成以及CaCO_3结核与红色铁质胶膜的迁移深度指示,在S_4古土壤发育时期,西安地区为亚热带气候,当时年平均气温为15~16℃,年平均降水量在900~1000mm之间。那时秦岭失去了亚热带与温带气候分界线的作用。在S_4古土壤发育时期,西安地区土壤重力水分布深度达到了3.3m,当时土壤水在经过蒸发与蒸腾消耗之后,3.3m深度范围内剩余的土壤平均含水量一般为25%左右,在针铁矿和与铁锰结核发育层位含水量接近饱和(50%左右)。当时土壤水分非常充足,水分循环正常,水分平衡为正,有较多水分补给地下水,适于茂盛森林植被发育。本文所确定的古含水量指标为国内外第四纪土壤含水量、水分存在形式与水循环研究提供了标准和方法。     

长江源区沼泽草甸多年冻土活动层土壤水分对模拟增温的响应

气候变化对高寒生态系统地气间水能循环过程产生强烈的影响, 因此, 气候变暖条件下的高寒生态系统水热过程和寒区流域水循环过程具有重要研究意义. 采用开顶式温室(OTC)对长江源沼泽草甸进行模拟增温试验, 分析了模拟增温对多年冻土活动层土壤水分的影响. 结果表明: 短期增温使得沼泽草甸生物量显著增加, 使得多年冻土活动层土壤冻结起始时间推迟、融化起始时间提前, 从而使融化期延长. 室外对比样地在65 cm深度存在明显的干层, 而OTC土壤水分随着深度加深不断降低. 增温使得多年冻土浅层土壤具有更高的含水量, 但并未导致表层土壤干化, 这与沼泽草甸土壤浅层密集的根系层和具有较强的持水和保水能力的有机质层有关.     

青藏高原高寒草甸土壤水分运移机制

查明青藏高原高寒草甸区土壤水分运移机制,对正确理解土壤水分迁移过程、提高高寒草甸重建效率具有重要指导意义。通过开展土壤剖面负压、地温观测等原位试验,结合气象资料,对土壤剖面地温、含水率及总水头特征进行分析。结果表明,土壤的冻结期起始于10月,解冻期起始于4月;地温最高值出现在植物生长旺盛期8月,最低值出现在1月;1～3月土壤水分呈固态,6～10月土壤水分呈液态,处于稳定变化阶段,4～5月、11～12月土壤水分呈固液转化态,含水率变化幅度较大,处于过渡阶段。随着气温升高及降水量增加,6～8月水热同季有利于高寒草甸生长,属于高寒草甸主要生长阶段;春季土层由表及深土壤解冻,冻土层滞水性能保障了返青期春旱牧草生长的水分需求;深秋季节的由表及深的土壤冻结,深层土壤水分随水汽发生的表聚作用保障了牧草生长的水分需求,也是高原生态系统能够维持稳定的原因之一。     

Statistical analyses and controls of root-zone soil moisture in a large gully of the Loess Plateau

Soil moisture variability and controls are little known in large gullies of the Loess Plateau which represent complex topography with steep slopes. This study analyzed spatial–temporal variability of soil moisture at the 0–20, 20–40, 40–60, and 60–80 cm depths in a large gully of the Loess Plateau based on root-zone soil moisture measurements for 3 years (2009–2011). The result showed that mean soil moisture, standard deviation (SD), and coefficient of variation, were highly dependent on depth; the highest mean value was observed at the 20–40 cm depth, while the lowest one was at the 0–20 cm depth. The SD increased with mean soil moisture for various depths as soil moisture was relatively wet; however, a transition that SD decreased with mean soil moisture occurred when soil moisture was relatively dry. Positive correlations exist between moisture contents over different depths, and that the relationships of the neighboring layers are relatively high with R ² from 0.70 to 0.76. Correlation analysis, principle component analysis, and stepwise multiple regression analysis showed that soil particle size distribution and topography (slope and elevation) were the main environmental factors controlling soil moisture variability in the large gully.     

黄土高原关键带全剖面土壤水分空间变异性

土壤水分是黄土高原关键带水循环、地下水补给和植被恢复的关键因素。为揭示黄土高原关键带黄土整个剖面的土壤水分空间变化特征,通过土芯钻探的方式获取了黄土高原关键带5个典型样点（杨凌、长武、富县、安塞和神木）从地表到基岩的土壤水分样品,采用经典统计学和地统计学相结合的方法分析了剖面土壤水分的分布规律、变异特征及空间结构。结果表明:黄土高原关键带剖面土壤水分从南往北,土壤平均含水量由高变低;5个样点的土壤水分均为中等变异,随着深度由40 m增加到200 m,土壤水分变异性变弱,且样点之间的土壤含水量差异降低;地统计学分析表明样点的半方差函数能被理论模型较好地拟合（杨凌除外）,指数模型能够描述大部分样点深剖面的空间变异结构。相关结果有助于了解黄土高原深层土壤水分状况及分布规律,对于黄土高原土壤水资源估算和区域植被恢复具有重要价值。     

黄土丘陵小流域地形和土地利用对土壤水分时空格局的影响

采用1982～1985年和2002年两个时段的定点观测数据,系统分析了小流域尺度地形和土地利用类型对土壤水分时空格局的影响.结果表明:1)土壤水分变化特征为所有年份农地土壤水分都最大,灌木林地和荒草地较低,林地居中;不同坡向间以阴坡土壤水分最大;而不同坡位间以坡中部土壤水分最大.受降雨和植被耗水的影响,所有土地利用类型中土壤水分在整个生长期表现为降低型.2)在年尺度上表现为干旱年份土地利用类型和坡向对土壤水分的影响较大;而在湿润年份,其影响程度减弱;坡位在干旱和湿润年份对土壤水分的影响都较小.湿润年份,降雨量的增大弱化了地形和土地利用类型对土壤水分时空格局的影响;而干旱年份正好相反.3)在季节尺度上表现为在生长季节的中后期,土壤水分的变异格局主要受坡向影响;而在生长季节的中期,主要受土地利用类型影响;坡位在整个观测时段内影响都较小.4)在不同土壤层次方面特征为土地利用类型对0～20em层次影响较小,而对其他4个深度较大的层次(20～100cm)影响较大,并且5个层次中以40～60cm层次的差异最大;坡向对5个层次土壤水分的变异格局均有明显影响,并呈现随着深度的增加,其影响减弱的趋势;坡位对5个层次的土壤水分变异格局影响均较小.     

渭河流域西部季节冻融对浅层非饱和土壤水热变化的影响

以黄土高原渭河流域西部黄土丘陵沟壑区为研究区域,建立了野外观测场地,对该区域浅层非饱和土体冻融过程及水热运移规律对气候作用的响应过程进行了研究与分析。结果表明：气温对地温及地温变幅的影响随深度增加而迅速衰减,地温振幅随深度增加按指数规律衰减且温度波的相位随深度的增加而滞后,地表下200 cm深度以内地温振幅受气温影响较大。该区域裸露地表土壤的最大冻结深度在20～50 cm之间。在土壤冻结过程中,深层土壤未冻水逐渐向冻结层运移,导致深层含水量逐渐减少。不同深度土壤冻结系数随土壤深度的增加而减小,融化系数则相反。地表下50 cm深度以内的土体含水量受降水影响波动显著。土壤含水量与温度呈相似变化,地温峰值出现的时间总滞后于土壤水分,其变异程度均随土壤深度的增加而减小。     

基于指数滤波法估算沟道根区土壤水分

为更加有效获取黄土高原沟道地形根区土壤水分信息,基于表层（0~20cm）土壤水分观测值,采用指数滤波法在样带和沟道尺度对根区（20~80cm）土壤水分进行估算。结果表明,指数滤波法能够较准确估算沟道根区土壤水分,但随着土层深度增加估算误差逐渐增大。当有根区土壤水分初始值时,估算精度明显提高,但主要集中在时间序列前期。指数滤波法关键参数特征时长T的最优值（T_opt）随土层深度增加而增大,呈现每增加20cm,T_opt值较20~40cm增加1倍的变化规律。对于根区某一土层,不同空间位置（样带）和尺度T_opt交换使用没有明显降低土壤水分估算精度,表明指数滤波法对T_opt的空间敏感性较弱。需注意黄土高原区域尺度土壤性质具有极强空间异质性,指数滤波法在更大尺度上对T_opt的敏感性需进一步深入研究。     

黄土高原区域尺度土壤水分空间变异性

土壤水分是黄土高原植物生长发育和生态环境重建的主要限制因子。为揭示黄土高原区域尺度深层土壤水分的空间变异性,在黄土高原共布点234个,采集深剖面土壤水分样品12198个。采用经典统计和地统计学相结合的方法系统分析了土壤水分的分布规律、变异特征及影响因素。结果表明:①黄土高原地区土壤水分在水平方向上表现出由东南向西北递减,在垂直方向上(0~500cm)表现出先减小后增加的分布特征;②土地利用对区域尺度土壤水分的数量及垂直分布规律具有显著影响;③土壤水分在不同土层深度(0~500cm)的变异系数、空间异质比等参数的垂直分布均呈先减小后增加趋势,这些参数在表达土壤水分变异的效果上具有一致性。相关结果对黄土高原区域尺度水土过程调控、生态水文过程研究具有一定参考价值。     

黄土高原沟壑区坡地土壤水分状态空间模拟

为掌握黄土高原沟壑区坡地土壤水分的空间分布特征及其影响因素,采用状态空间模型和经典线性回归方法对该区不同土层深度土壤含水率的分布进行模拟.结果表明,不同土层深度的土壤含水率呈中等程度变异,并与海拔高度、黏粒、粉粒、砂粒含量和分形维数具有显著的空间自相关和交互相关关系,可用于状态空间模拟分析.不同因素组合下的状态空间模拟效果均要优于线性回归方程,其中采用海拔高度、砂粒含量和分形维数的三因素状态空间方程模拟精度最高(R2=0.992).状态空间模拟方法可用于黄土高原坡面尺度不同土层深度土壤含水率的预测.     

Parameter estimation for a karst aquifer with unknown thickness using the genetic algorithm method

The combination of ecological fragility and agricultural activity in the loess hilly–gully regions of western China has received broad environmental concerns. In this region, rainfall and soil moisture can fatally influence crop production under dry land farming. In this study, field experiments were conducted, from March 2001 to September 2005, to demonstrate the variation of soil moisture and fertilizer contents at different depths in slope and terraced lands, and to evaluate the ecological impacts and economic benefits in the terraced land of Loess Plateau. The results of both field test and Grey model (GM) calculation show that the terraced land, as compared to the sloping land, in the agricultural area of the Loess Plateau tends to store and retain much water, promoting more favorable interactions between water and fertilizer. During the months from March to June of the year with less rainfall, the water supply for crop growth is mainly derived from the deep storage of soil moisture accumulated from July to September of the previous year. The field experiments indicate that the crop yield of the 3-year-old terraced lands was 27% higher than that of the sloping lands with slopes greater than 10°, and that the crop yield can increase by 27.07 to 52.78% in the following cultivation years. In particular, potato was found to be more drought-resistant than winter wheat, thus it is more suitable for the arid and semi-arid Loess Plateau regions.     

花江喀斯特峡谷地区不同小生境土壤水分的动态研究

对花江流域喀斯特石质山地人工造林地不同小生境（土面、石槽、石沟）的土壤物理性质和土壤水分动态变化规律进行了研究。研究结果表明:石沟的水分状况最好,土面的居中,石槽的最差;一年中不同小生境出现高墒期、低墒期的时段不一致;不同小生境水分胁迫频繁发生,但出现的次数、程度、持续时间各不相同;在持续干旱期,三种小生境中,失水最快的是石槽,其次是石沟,最后是土面,7天内损失水量分别为17．30％,14．49％,13．87％;土面、石槽、石沟出现轻度胁迫的时间分别为6d、6d、7d,土面、石槽在7天后出现中度胁迫。花江喀斯特峡谷地区不同小生境一般持续放晴7天就可能出现水分胁迫,这个数据可以作为生产上植物补水时间的依据。总体而言,石沟的土壤水分状况优于土面和石槽。针对不同小生境的水分动态特征,提出了树种选择、配置和林地土壤水分管理的建议。