土壤饱和导水率的多尺度预测模型与转换关系

运用联合多重分形方法研究不同土层土壤饱和导水率与土壤基本物理特性的多尺度相关性,建立不同土层土壤饱和导水率的多尺度预测模型,构建不同土层土壤饱和导水率之间的转换关系。结果表明:不同土层土壤饱和导水率与土壤基本物理特性的相关程度排序不同;在单一尺度和多尺度上,0~20 cm土层土壤饱和导水率与土壤基本物理特性的相关程度排序相同,20~40 cm土层土壤饱和导水率与土壤基本物理特性的相关程度排序不同;土壤饱和导水率多尺度预测模型的预测精度较高,0~20 cm土层和20~40 cm土层拟合值的均方根误差分别为0.035 0和0.029 0;0~20 cm土层和20~40 cm土层土壤饱和导水率转换关系的计算精度较高,拟合值的均方根误差为0.037 5。     

植被退化对高寒土壤水文特征的影响

在黄河源冻土严重退化地区,采用选择典型区域和样地进行实验和模型模拟的方法,对不同植被退化特征条件下高寒土壤的水分特征曲线、土壤饱和导水率、土壤入渗及土壤水分进行研究.结果表明:Gradner和Visser提出的经验方程θ=AS-B对该地区土壤水分特征曲线有良好的模拟性;不同植被盖度条件下土壤的饱和导水率和土壤入渗有明显的区别,表层0～10cm范围内,黑土滩的饱和导水率和入渗强度最强,30cm以下土层中土壤饱和导水率、入渗强度以及土壤含水量几乎不受植被的影响.随植被退化表层土壤含水量出现明显降低,退化越严重,水分流失越多,最多时能达到38.6%,植被根系最发达的10～20cm范围的土壤含水量流失对高寒草甸土壤环境影响最大,水分流失导致退化草甸恢复难度较大.通过比较研究,在黄河源地区考斯加科夫(Kostiakov)入渗公式f(t)=at-b更适用于该研究区域高寒草甸土壤水分入渗过程的研究.     

喀斯特白云岩地区不同土体构型土壤剖面持水导水性能研究

喀斯特区整体土层浅薄且分布不连续,土层和基岩构成了不同的土体构型剖面,而这些剖面的持水导水性能之间是否存在差异,目前尚缺乏清楚的认识。本文通过BEST单环入渗方法研究了喀斯特白云岩区三种土体构型土壤剖面（深厚土层剖面（DS）、浅薄土层剖面（SS）以及土石混合剖面（SR））的持水性能和导水性能。试验结果表明,不同土壤剖面的持水性能、导水性能主要受不同层次土壤颗粒组成特征及剖面构型影响。三种剖面表层土壤都具有较高的导水能力,以SR表层饱和导水率（Ks）最高,可达244.1 mm?h-1,而SS表层Ks为56.8 mm?h-1。DS除表层和风化层外,土壤黏重,导水能力较弱,但是体现出较高的持水能力;SS整体导水能力较弱,持水能力较好;SR土壤疏松,整体持水、导水能力均较好,土石层导水能力相对最差而持水能力最好。就土壤有效水含量而言,SR最高,DS和SS由于土壤较黏重,有效水含量相对较低。该研究结果可为喀斯特地区植被恢复位点的选择提供科学指导和理论依据。      

基于PCA-GWR的包气带不同土层饱和导水率的传递函数及其回归克里金估计

饱和导水率是重要的土壤水力学参数,对渗流和溶质运移研究起着至关重要的作用.土壤传递函数可以代替大规模采样和室内外试验间接预测该参数,但由于土壤的空间变异性以及方法的局限性等原因,以往的传递函数往往精度有限.本文以黄河下游沿岸兰考县闫楼乡包气带不同土层为研究对象,基于64个钻孔数据,将土壤粒径分布（黏粒、粉粒和砂粒含量）、土壤结构分形维数、干容重、总孔隙度、pH值、有机质和电导率等9个基本理化特性参数作为影响因素,基于逐步回归、主成分回归和主成分-地理加权回归（PCA-GWR）三种方法,分别对研究区包气带不同土层的饱和导水率进行回归分析,比较精度后基于PCA-GWR对饱和导水率进行地理加权回归克里金插值.结果显示,除表层粉土以外,PCA-GWR法的预测精度有显著优势.不同土层传递函数和饱和导水率分布的差异性表明,由于黄河下游地区快速多变的沉积过程、黄河的决口改道以及人类活动等因素,包气带土层相变剧烈,土壤饱和导水率在平面上亦具有明显的非平稳特征.而局部地质作用和人类活动是第二层粉土层回归克里金估计结果欠佳的深层原因.     

牧压梯度下高寒杂草类草甸土壤持水能力及影响因素分析

以祁连山南麓坡地夏季牧场高寒杂草类草甸为研究对象,进行了封育对照（CK,禁牧）、轻度放牧（LG）、中度放牧（MG）和重度放牧（HG）下土壤持水能力及影响因素的分析. 结果表明：牧压梯度下0～10 cm层土壤最大持水量和毛管持水量均在LG最大,土壤自然贮水量LG略小于HG;而在10～20 cm和20～40 cm持水量均在HG最大,说明放牧对表层土壤的持水能力影响比深层更明显. 0～10 cm层土壤容重随牧压强度增加而增大,较深层次土壤容重基本一致,表明放牧对较深层土壤容重造成的影响远小于表层. 牧压梯度下植被地上地下生物量、枯落物、地表半腐殖质随放牧强度增大而减少;0～10 cm土壤有机质含量在MG最大,CK最小,10～20 cm和20～40 cm层土壤的有机质含量CK最大,说明不同土层有机质含量对牧压梯度的响应有所不同. 土壤持水量与多种因素有关,主要受到地下生物量、有机质和容重等因素的影响,表明随放牧强度增大,践踏使土壤表面硬度增加,土壤空隙度减少,同时家畜过度采食使地面植被覆盖降低而增加土壤水分的蒸发. 这些综合作用下引起放牧地土壤持水能力降低.     

包气带增厚区土壤水力参数及其对入渗补给的影响

为探讨包气带深部增厚区土壤水力参数变化对入渗补给过程的影响,采用压力膜仪对河北正定深部包气带(8.0~21.0 m)10个原状土样进行水分特征曲线测试,利用RETC软件中Mualem-van Genuchten导水率模型对其拟合,获取含水率与非饱和导水率的关系曲线,并根据达西法对其进行分析讨论.结果表明:场地包气带深埋区的非饱和导水率为25~240 mm/a.当某一埋深历史水位下降速度越快,该埋深处相同含水率情况下土壤非饱和导水率越大,说明对应土层的入渗补给强度越大;因包气带厚度增大使原来位于饱水带的层状非均质土层转变为包气带,潜水位波动下降过程中深部包气带土层因排水压密作用,使得土壤水力特性发生变化,进而影响垂向入渗补给过程.      

基于分层假设的Green-Ampt模型改进

传统Green-Ampt入渗模型由于假设过于简化而限制了计算精度,针对这一问题,在分层假设的基础上对模型进行了改进:将均质入渗土壤分为饱和层、过渡层和干土层,采用Richards模型分析了不同入渗条件下各层的厚度以及各层内含水率和导水率的变化规律,结果表明,入渗条件一定时,过渡层占湿润层(包括饱和层和过渡层)比例会随湿润层厚度的增加线性减小,积水深度和土壤初始含水率分别会影响这一线性关系的纵轴截距和斜率,而土壤饱和导水率则对其没有明显影响;过渡层内土壤含水率分布为椭圆形曲线,而导水率随深度增加线性减小。在此基础上,通过引入湿润层的等效导水率并相应给出锋面吸力的计算方法,对传统Green-Ampt模型进行了改进。结果显示,改进后模型计算精度显著提高。     

沧州市土壤湿度变化特征分析

利用沧州市19处土壤墒情监测站的2003～2010年的监测资料,分析了沧州市土壤质地和水分物理常数分布特征,以及土壤相对湿度的时空分布特点及其受降水量、蒸发量的影响规律。结果表明:沧州市土壤质地多为壤土,有少数砂土和粘土,部分区域土层深度不同,土质不一样;土壤凋萎系数6%～7%之间;土壤田间持水率在26%～30%之间;土壤容重1.35～1.55 g/cm2之间;土壤相对温度随土层增大而增大;土壤相对温度汛初最小,汛末最大;降水量多,蒸发量小年份土壤相对湿度大,反之则相对湿度小。     

基于HWSD的流域栅格土壤水分常数估算

在科研及实践工作中往往需要大量的、空间分辨率较高的凋萎系数、田间持水量和饱和含水量数据,大规模布点测定这些土壤水分常数难度较大,需要探索估算这几种常用土壤水分常数的新方法。以黑龙江省呼兰河流域为例,采用DEM数据提取流域边界,应用提取后的流域DEM从世界土壤数据库(HWSD)中提取流域土壤的砂粒、粘粒百分含量及USDA土壤质地分类数据,再应用这三种土壤属性数据估算流域各栅格的凋萎系数、田间持水量和饱和含水量。研究结果表明:应用HWSD可以估算出呼兰河流域0~30cm和30~100cm两种土层的凋萎系数、田间持水量和饱和含水量,空间分辨率可达到30″,为获取较高分辨率及深土层的区域土壤水分常数提供了一种新方法。     

青藏高原典型寒冻土壤对高寒生态系统变化的响应

高寒生态系统对全球变化非常敏感,以青藏高原腹地的长江黄河源区为研究区域,利用多期遥感TM数据和生态样带调查数据,提出生态综合指数方法.应用土壤结构、组成与水理特性等物理指标和土壤化学性质与养分含量指标,系统分析了青藏高原典型寒冻土壤如钙积寒性干旱土、简育寒性干旱土、草毡寒冻雏形土以及简育寒冻雏形土等对高寒生态系统变化的响应特征.结果表明:随着气候变化,主要高寒生态系统如高寒草甸、高寒草原以及高寒沼泽草甸等显著退化,寒冻土壤表层呈现明显粗粝化,草毡寒冻雏形土以及简育寒冻雏形土表层土壤细粒物质流失38.7%,土壤孔隙度和容重增加;高寒草甸土壤表层饱和导水率随综合生态指标值降低而急剧增大,当植被覆盖度<50%以后,土壤表层水分集聚现象不再存在,高寒草原土壤饱和导水率变化不明显;高寒草甸与高寒草原土壤的有机质和全氮含量均随生态指数减少而分别呈现抛物线和指数曲线形式减少.随着气候变暖和人类活动干扰的加剧,高寒草地生态系统变化将可能导致寒冻土壤环境持续退化并对高原草地碳循环产生重要的影响.     

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。     

基于CoupModel的青藏高原多年冻土区土壤水热过程模拟

近年来, 青藏高原多年冻土区生态环境呈现出逐年恶化趋势, 从而对多年冻土活动层水热过程造成显著影响. 此外, 如何构建更加有效、 针对寒区的陆面过程模式成为寒区研究的重点、 热点之一. 作为一种有效的参数估计方法, Bayes参数估计算法具有准确估计陆面过程模式参数的能力. 因此, 基于2005-2008年观测数据, 利用CoupModel模型对青藏高原风火山流域土壤水热运移过程进行模拟; 同时, 利用Bayes参数估计方法估计部分水热运移参数. 结果显示: 模型对土壤温度(ST)的模拟效果较好, NSE系数均在0.90以上; 也能够较好模拟浅层(0~40 cm)土壤水分, NSE值均达到0.80以上, 而对40 cm以下土壤水分的模拟结果较差. 模型也能够较准确模拟活动层土壤的冻结-融化过程. 模型对温度水分极值和40 cm深度以下水分的模拟存在一些偏差. 值得一提的是, 基于重要性采样MCMC方案的Bayes参数估计算法能够有效估计水热运移参数, 模型模拟结果得到极大的改进. Bayes算法能够广泛解决陆面过程模式参数估计问题.     

黄土高原西部土壤水分时空变化模拟研究——以安家坡流域为例

土壤水作为陆地水循环和水量平衡的一个重要组成部分,在土壤-植被-大气连续体物质与能量转化中起着重要的作用,成为陆面过程研究中的重要参量.选择黄土高原西部的安家坡流域,采用多点长序列观测方法,对该区域土壤水分的时空变化规律进行研究.结果表明:坡向和土地利用类型是小流域土壤水分变异的重要影响因素,得出了不同立地条件下土壤水分的剖面变化与时间的动态规律.在此基础上,利用土壤湿度指数结合主要影响因素预测土壤水分的时空变化,旨在为黄土高原大中尺度的土壤水分模拟提供思路.     

小降雨事件对土壤水分及植物水势空间差异性的影响

本文以云南省蒙自市断陷盆地高原面上典型封闭式岩溶洼地小流域为研究对象,研究小降雨事件对土壤水分及植物水势的影响。结果表明:（1）在研究区内小降雨事件一般只能补给10 cm以上的土壤,因此在旱季（强降雨事件发生前）,土壤水分随着深度的增加整体呈变小的趋势;受洼地地形影响,整个土壤剖面（0 ~ 80 cm）的土壤水分存在从坡顶到洼地底部逐渐增加,苹果树叶水势逐渐升高的现象;受地质背景的影响,土石质坡地平均土壤水分比石质坡地土壤水分高2.67%,相对应的土石质坡地苹果树受干旱胁迫的程度要低于石质坡地。（2）通过观测对比发现,8天内12次的小降雨事件可以使0~10 cm土壤水分整体上略有升高,但并未能完全改变0~10 cm土壤水分洼地底部大于两侧坡地,而土石质坡地高于石质坡地的特征。（3）小降雨事件虽然只能补给0~10 cm的土壤水分,但由于坡地地区苹果树根系分布较浅（5~30 cm）,部分浅层分布的苹果树根系已能吸收到水分,另一方面小降雨事件具有降温、增湿,减少太阳辐射的作用,可以减小苹果树蒸腾作用,从而降低苹果树叶水势,因此推测小雨事件可以明显减轻苹果树受干旱胁迫的程度      

兰州新区黄土工程开挖边坡植被重建初期土壤水分初步研究

兰州新区位于黄土高原西段, 为典型干旱区, 道路修建形成了许多坡度大于30°的工程开挖边坡。在边坡上重建植被对改善局地景观和防治水土流失具有重要的作用, 而坡面土壤水分状况对植被重建影响重大。选择3种整地类型（条形坑、 圆形坑和原状坡样地）, 研究兰州新区黄土工程开挖边坡植被重建的初期土壤水分状况, 结果表明： 3种整地类型中条形坑的土壤水分条件最好, 与圆形坑、 原状坡样地土壤水分存在显著差异（P<0.05）。不同灌溉频率下原状坡样地0 ~ 20 cm土层土壤含水量较低, 20 ~ 50 cm土层土壤含水量较高。土壤含水量的变异系数随土层深度的增加而减小, 随灌溉频率的降低而增加。在边坡植被重建初期, 需把土壤水分维持在8.4% ~ 10.8%, 即田间持水量的38% ~ 49%, 才能保证植物正常生育生长。当栽植的植被根系长度大于10 cm时, 可考虑将喷灌频率从每天喷灌改为隔天喷灌, 否则植物有死亡的风险。研究结果可为类似的黄土边坡植被恢复和生态建设提供参考。     

黑河流域不同生境植物水分来源及环境指示意义

选择黑河流域三种典型生境类型(绿洲、 绿洲-荒漠过渡带、 荒漠), 通过分析其不同植物木质部水分与其土壤潜在水源稳定氢(δD)和氧(δ¹⁸O)同位素组成, 研究了不同生境中植物的水分来源情况. 结果表明: 荒漠生境中植物倾向于利用深层土壤水(>160 cm); 绿洲-荒漠过渡带中沙蒿和沙拐枣主要利用20~40 cm层位的土壤水, 梭梭可能的利用层位是60~80 cm, 花棒可能利用100 cm左右的水分, 柽柳则利用120 cm以下的土壤水; 绿洲植物吸水层位多集中在0~100 cm, 其中, 假苇拂子茅可能水源是20 cm左右的土壤水, 玉米则为20~40 cm, 柽柳和杨树的吸水层位为60 cm左右, 棉花则是利用80 cm左右的水分. 稳定性同位素估测各生境植物水分来源的结果与其土壤含水量的结果一致, 同一生境中吸水层位相似的植物间存在水分来源竞争. 不同生境中植物水分来源的深浅存在递变, 从深到浅表现为荒漠>过渡带>绿洲, 不同生境同种植物也存在同样变化, 说明植物稳定氢氧同位素组成可以用来指示干旱区绿洲化、 荒漠化过程.     

祁连山退化高寒草甸土壤水分空间变异特征分析

利用传统统计学方法和地统计学方法,对祁连山地区受到过度放牧影响而退化为以狼毒为优势种的高寒草甸的土壤水分垂直变异特征、水平空间异质性以及分布特征进行了系统分析. 结果表明：在垂直方向上,0~100 cm土壤水分含量随深度的增加而逐渐减少,土壤水分含量的变化速度随深度的增加也趋于减少;土壤水分分布的变异系数在浅层和深层土壤较大,在中层土壤较小. 在水平方向上,0~40 cm土壤水分具有中等空间变异性,其中10~20 cm土壤水分变异性主要受根系的影响,随机部分引起的变异性最大;而在其他土壤层,随着深度的增加土壤水分含量由随机部分引起的空间异质性程度减弱,由空间自相关部分引起的异质性程度增强. 整体上,土壤水分含量与微地形关系密切,与距离溪流的远近程度正相关,与高程分布负相关.     

季节冻土区风积沙土路基冻结过程中水热迁移数值分析

基于Harlan模型和Darcy定律,并考虑温度梯度对水分迁移影响、温度和含水量对水热参数影响以及各种环境气候因素的影响,建立了完全依赖气象资料和水热参数的风积沙土路基冻结过程中水热耦合迁移数学模型,采用全隐式有限差分格式和TDMA迭代法对内蒙古锡林浩特地区沙漠公路207国道K135+000处冻结期间路基水热迁移规律进行了数值模拟.结果表明:该地区道路冻结深度随时间近似线性变化,冻结速度达到2~3 cm·d^-1,最大冻深为3 m左右,冻融时间约为180 d;水分迁移主要发生在冻结锋面附近,从未冻区向冻结区迁移,且随着冻结锋面前移,迁移量逐渐增大;整个冻融期间最大冻深底部层位含水量变化较大,路面下0~50 cm范围内温度变化比较剧烈.     

Research on the effect of straw mulching on the soil moisture by field experiment in the piedmont plain of the Taihang Mountains

To reveal the influencing effect of the long-term straw mulching on the soil moisture, this paper employed the field experiment data in 2010 of a typical area of Taihang Mountains plain, observed the soil moisture dynamic regularities under different mulching patterns by virtue of depressimeter and neutron probe, analyzed the characteristics of soil water content and storage in different depths and seasons under the long-term straw mulching. The results showed that the long-term straw mulching can keep the soil moisture conservation of the deep, while decreased the shallow. (1) The long-term straw mulching can changed the type of soil water movement. If no straw mulching, the type is mainly evaporation-infiltration. And with straw mantle the type would change into infiltration. The number of zero flux plane would be reduced or absent. (2) The long-term straw mulching can increase the soil water reserves of the whole soil profile with the depth between 0 cm and 220 cm. But the soil water content of the layer from 30 cm to 80 cm decreased and the soil water content of the layer from 80 cm to 220 cm increased instead., The effect of soil moisture conservation on winter wheat is not obvious; (3) With no straw mulching, the depth of infiltration recharge by rainfall or irrigation is shallower than 80 cm. In a straw mulching, the influence depth is can extend to 120 cm; (4) With no straw mulching , there is a deep layer on the depth of 220 cm between March and June, while this layer will disappear with a long-term straw mulching.     

基于COMSOL Multiphysics的非饱和裂隙土降雨入渗特性研究

基于COMSOL Multiphysics软件对非饱和裂隙土降雨入渗特性进行数值模拟研究。通过将裂隙和基质分别离散成有限单元,建立了能充分模拟土中裂隙流、基质流以及裂隙-基质流量交换的离散裂隙-孔隙介质模型。结合"空气单元"的概念,对裂隙土的上边界进行模拟。该方法不仅能描述降雨初期雨水沿裂隙优先入渗的现象,还能描述当降雨量大于裂隙土入渗量时雨水沿地表流走的现象。通过对地表以下2 m深度内低渗含裂隙土体进行模拟,分析了裂隙的几何特征、基质的水力特性、前期水分条件以及降雨强度对非饱和裂隙土降雨入渗过程的影响。结果表明,在非饱和裂隙土中,存在两个主要的渗流过程:一是水沿裂隙优先流动;二是水不断从裂隙吸入基质中,基质吸收水的作用抑制了裂隙中优势流的发展。与裂隙的几何特征相比,基质的水力特性对非饱和裂隙土渗流的影响较大。增大基质的饱和渗透系数可能使由裂隙流主导的渗流过程转变为由基质流主导的渗流过程,而基质的非饱和特性与裂隙土的初始含水率改变了土体的储水能力,从而加速或延缓了降雨入渗至某一深度的时间。降雨强度对土体入渗速率和入渗量均有影响,当超过裂隙土的入渗能力时,多余积水沿地表流走,断面入渗率随...