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。     

黔中典型喀斯特地区土壤水分时空特性分析

土壤水分是岩溶山区植被恢复和生态环境建设的关键性限制因素.利用黔中喀斯特普定石漠化研究基地的采样分析数据,用回归模型分析了不同利用类型(坡面、洼地)0～50cm土壤水分的动态变化规律;探讨了土壤水分空间变化的影响因子.结果表明,坡面和洼地土壤水分呈现弱变异特征,其中坡面土壤水分变异程度相对较大,变程分别是30.4～24.5和30.4～26.2.在剖面上,两者的垂直变异趋势大致相反,坡面土壤水分变异系数随土层的加深而增大;而洼地由于受外界自然条件的干扰相对较小,变异系数随着土层深度的增加而减小,而且其中的不同土地利用类型都是在40～50cm处达到最小.研究显示,植被覆盖度提高后土壤总体上朝着有利于水分保蓄和植被恢复的方向转变.      

黄土高原北部坡面尺度土壤饱和导水率分布与模拟

为探明黄土高原北部坡面土壤饱和导水率(K_s)空间分布特征,为土壤水文过程模拟与预测提供理论依据,采用经典统计学和地统计学的空间变异分析方法,分析了坡面尺度土壤K_s的空间变异特征,并用一阶自回归状态空间模型对K_s的空间分布进行了模拟.研究区坡面尺度K_s的变异为中等程度变异,具有中等程度空间依赖性,变程为42 m.K_s与容重、砂粒、粉粒和黏粒含量在不同滞后距离下均具有自相关关系和交互相关关系.容重和土壤颗粒是影响坡面K_s空间分布的主要因素.状态空间模拟结果表明,基于容重和土壤颗粒的状态空间方程可以很好地解释坡面K_s的变异状况(R2>0.9).一阶自回归状态空间模型可用于田间条件下坡面尺度K_s分布特征的预测.     

古尔班通古特沙漠树枝状沙丘土壤水分时空变异特征

认识沙漠土壤水分的时空变异性,是揭示沙漠生态系统生态-水文格局的基础。利用中子土壤水分仪的实测数据,对古尔班通古特沙漠树枝状沙丘土壤水分时空变异进行了系统分析。研究表明:① 沙丘不同部位土壤水分随时间具有一致性变化规律,上层土壤和下层土壤的变化趋势有所不同。0~1 m土层坡顶>坡中>坡脚,1~2 m土层坡脚>坡中>坡顶。② 土壤水分具有明显的季节变化和分层变化特征。春季是古尔班通古特沙漠土壤水分最丰富、变化最迅速的时期;0~40 cm、40~140 cm、140~200 cm土层土壤水分变异系数分别为13.56%、5.35%和0.80%,与不同土层水分来源和消耗以及植物根系分布相对应;不同土层土壤水分的变异强度要大于不同部位土壤水分的变异强度。③ 植被和地形对土壤水分的空间分异作用明显,沙丘坡脚处以及荒漠灌木梭梭根区始终存在土壤水分相对富集区。     

四川西昌“3·30”火烧区响水沟火后泥石流成灾机理

2020年3月30日,西昌市经久乡发生森林大火,响水沟流域植被被林火大面积烧毁,同年雨季,响水沟流域内多条沟道暴发泥石流,其中1#、2#、3#沟毗邻居民房屋和耕地,影响较为严重。通过野外调查、遥感解译和室外试验,以响水沟1#、2#、3#沟为研究对象,分析了不同林火烈度下,渗透特征、坡面侵蚀和沟道侵蚀的差异,从而揭示响水沟火后泥石流的成灾机理。结果表明,林火是泥石流暴发的重要诱因,火后泥石流的降雨阈值会明显降低。林火干扰导致坡面土壤的渗透系数表现出不同程度的降低,林火烈度越严重的区域,渗透系数越小,降雨更大比例地转化为坡面径流参与到坡面侵蚀。随降雨次数的增多,轻度、中度、重度火烧区域的坡面土壤侵蚀深度均增加;中度、重度林火烈度的侵蚀深度差异不大,且明显高于轻度区域,说明当林火烈度达到中度时,坡面土壤便会受到较大程度的侵蚀。地形条件相似的沟道,林火烈度越严重,泥石流侵蚀能力越强,最终体现于沟道两岸崩滑体数量越多,沟道宽度和深度越大。     

切沟中土壤水分的空间变化特征

切沟侵蚀不仅破坏土地资源，而且影响下游地区环境。目前的土壤侵蚀预报模型没有包括切沟侵蚀，因此研究切沟中土壤水分空间变化是建立切沟侵蚀模型的基础，也是恢复植被的基础。在陕西省安塞大南沟流域选择一个切沟，从1998-2000年连续 3年在 4～10月间对切沟不同部位土壤水分状况进行了观测。分析结果表明，切沟中浅层土壤水分空间分异规律明显，沟顶土壤水分状况较好，土壤容积湿度达到10．3％。沟坡则较差，但沿沟坡向下到沟底，土壤水分不断增加，分别为 6．3％、6．4％和10．4％。沟坡陡崖的土壤水分条件最差，接近凋萎湿度，容积含水量仅为4.6％～5.9％。沟底土壤湿度有所好转，为 7．7％。从雨季开始到结束，整体上土壤水分呈下降趋势，但随降雨事件发生波动。季节变化比较明显的是土壤水分条件好的部位，如沟顶、沟坡底部和沟底。尤以沟底变化最大。沟坡陡崖土壤湿度随季节没有任何变化。从1998-2000年，随降水量减少，切沟所有部位土壤湿度持续下降，即使在水分条件较好的沟顶和沟坡下部，土壤湿度也仅为 8．1％～8．8％，其它部位则都接近于凋萎湿度。土壤水分亏缺相当严重。切沟不同部位土壤水分的季节和年际变化主要受降雨入渗补给影响，而沟底则与径流的产生有关。因此应进一步研究不同降雨类型与径流产生、以及土壤湿度变化的关系。     

青藏高原坡面冻土土壤水分空间变异特性

为深入揭示坡面冻土水分运移规律及其主要影响因子,以青藏高原巴颜喀拉山北坡为例,结合冻融变化过程,研究不同地形条件冻土土壤水分空间变异特征,利用分类回归树模型（CART）和典范对应分析（CCA）识别影响坡面冻土土壤水分空间异质性的主控因子及其相互作用关系。研究结果表明:①受坡面地形与冻融过程影响,冻结期坡面冻土土壤水分侧向流动减弱,以垂直迁移为主,上坡位含量高于下坡位,反之,融化期上坡位含量则低于下坡位。②影响坡面冻土土壤水分的主要环境因子为高程、土壤质地、土壤温度和植被覆盖度,但在不同冻融阶段下其影响因子存在差异,在冻结状态下主要因子为高程、土壤质地和土壤温度,其相对贡献率分别达到19.97%、19.45%和9.56%;在融化阶段下主要因子为高程、植被覆盖度和土壤质地,其相对贡献率分别为37.4%、14.9%和10.7%。③ 0~20 cm浅层深度上影响坡面冻土土壤水分的主要因素为坡度、高程和植被覆盖度,其相关系数分别高达0.941 2、0.903 9和0.563 1;中下层深度上其主要影响因素较为复杂。     

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.     

黄土高原北部土地利用变化对长期土壤水分平衡影响模拟

为探明土地利用变化对黄土高原长期土壤水分平衡的影响,利用校验的Hydrus-1D模型模拟黄土高原北部神木六道沟小流域1981—2050年农耕地—苜蓿草地—天然草地情景下0~4 m土壤水分变化过程,量化土壤储水量、深层渗漏和蒸散发等水文变量的演变特征。结果显示:①农耕地期间年降水的88%为蒸散发消耗,11%为渗漏损失。②苜蓿草地种植后6 a内,蒸散发大幅增加至年降水的108%,土壤水分负平衡,0~4 m土壤储水量以52 mm/a的速率降低;至7~13 a,年降水几乎全部被蒸散发消耗。③苜蓿草地转变为天然草地后,蒸散发量下降31%,土壤水分以45 mm/a的速率逐渐补给,之后年降水量的92%用于蒸散发,8%为渗漏消耗,土壤水分处于相对稳定状态。研究表明不同土地利用方式下的土壤水分平衡模式具有显著差异,种植高耗水植被可造成土壤水分负平衡,导致土壤干燥化,进而对土壤水分补给产生负面效应,改变植被类型可使土壤干层得到有效改善。     

黄土区坡地土壤水分运动与转化机理研究进展

土壤水分是作物生长、植被恢复以及生态环境建设的主要限制性因素.从降雨入渗及再分布、土壤水量转化以及土壤水分动态变化等几方面概述了黄土区坡地土壤水分运动与转化研究进展,认为应该把坡面土壤—植物—大气作为一个物理上的连续统一体,以大气水、地表水、植物水和土壤水相互转化过程和机制为基础,研究坡面土壤—植被—大气界面水分运动和转化规律,为植被恢复重建提供理论依据.     

地下水浅埋区土壤水的矿化度变化规律及其影响因素浅析

土壤水的研究对农田水利、水文地质、生态与环境等都具有很重要的意义 ,本文概略介绍了在黄河三角洲地区开展包气带水分运移试验研究过程中 ,野外获取土壤水的方法及设备。在对水样分析结果进行总结的基础上 ,对试验点土壤水的矿化度变化规律及其影响因素进行了初步的分析。主要结论为 ,在地下水浅埋区 ,地下水与土壤水矿化度变化关系密切 ;蒸发作用与蒸腾作用对土壤水矿化度的影响效果是不同的 ,蒸发作用使上层土壤水的矿化度加大 ,而植被在其生长期降低土壤水的矿化度 ;地下水、植被和土壤性质是影响土壤水矿化度的重要因素     

Evaluation of diffuse and preferential flow pathways of infiltrated precipitation and irrigation using oxygen and hydrogen isotopes

Subsurface-water flow pathways in three different land-use areas (non-irrigated grassland, poplar forest, and irrigated arable land) in the central North China Plain were investigated using oxygen (¹⁸O) and hydrogen (²H) isotopes in samples of precipitation, soils, and groundwater. Soil water in the top 10 cm was significantly affected by both evaporation and infiltration. Water at 10–40 cm depth in the grassland and arable land, and 10–60 cm in poplar forest, showed a relatively short residence time, as a substantial proportion of antecedent soil water was mixed with a 92-mm storm infiltration event, whereas below those depths (down to 150 cm), depleted δ¹⁸O spikes suggested that some storm water bypassed the shallow soil layers. Significant differences, in soil-water content and δ¹⁸O values, within a small area, suggested that the proportion of immobile soil water and water flowing in subsurface pathways varies depending on local vegetation cover, soil characteristics and irrigation applications. Soil-water δ¹⁸O values revealed that preferential flow and diffuse flow coexist. Preferential flow was active within the root zone, independent of antecedent soil-water content, in both poplar forest and arable land, whereas diffuse flow was observed in grassland. The depleted δ¹⁸O spikes at 20–50 cm depth in the arable land suggested the infiltration of irrigation water during the dry season. Temporal isotopic variations in precipitation were subdued in the shallow groundwater, suggesting more complete mixing of different input waters in the unsaturated zone before reaching the shallow groundwater.

     

非饱和黄土土-水特征曲线与渗透系数Childs & Collis-Geroge模型预测

我国黄土厚度大,黄土地区地下水位深,降雨量少,黄土多处于非饱和状态,土-水特征曲线是非饱和黄土应力状态、强度及渗透性研究的基础。以陇东高原马兰黄土为试验对象,采用张力计法测定原状土样的土-水特征曲线,采用三种理论模型对试验数据拟合,其中Gardner模型简单、参数少,但Fredlund & Xing模型拟合效果最好。基于已测得的土-水特征曲线,采用Childs & Collis-Geroge预测非饱和渗透系数的模型,计算得到非饱和黄土渗透系数与基质吸力或含水率的关系,发现黄土从饱和到非饱和,其渗透系数急剧降低,黄土非饱和渗透系数与基质吸力或体积含水率的关系均可用指数函数表示。本文对典型黄土土-水特征曲线的研究及渗透性的预测为黄土工程问题,如降雨入渗的边坡稳定性评价、非饱和地基湿陷变形计算等提供理论基础。     

全吸力范围生物炭−黏土混合土的土−水特性

土−水特征曲线在研究非饱和土的水力与力学特性中发挥着重要的作用。生物炭具有多孔结构、高比表面积和强吸附的特性。将生物炭改性土应用于垃圾填埋场上覆盖层,因受自然环境因素的影响会使其水力特性发生改变。为了研究全吸力范围内生物炭掺量对生物炭−黏土混合土保水特性的影响,利用蒸汽平衡法（吸力范围 3～368 MPa）、滤纸法（吸力范围 0 ～40 MPa）和压力板法（吸力范围 0～1.5 MPa）控制土样的吸力,测定吸力平衡后土样的含水率和饱和度,得到全吸力范围内生物炭−黏土混合土的土−水特征曲线。试验结果表明：（1）3种吸力测试方法很好地表达了生物炭−黏土混合土全吸力范围内的土−水特征曲线。（2）生物炭能够影响黏土的保水性,但在一定的吸力范围内,生物炭−黏土混合土的保水性还与孔隙结构和孔隙中水的形态相关。（3）通过压力板法测得,试样的进气值随着生物炭掺量的增加而减小。当吸力值小于进气值时,曲线出现水平段,土样始终处于饱和状态,生物炭掺量越大,试样的保水性越好。（4）由生物炭−黏土混合土微观孔隙结构以及生物炭在黏土中的分布形态来解释生物炭改性黏土的保水能力随生物炭掺量的变化关系。     

Desert riparian forest colonization in the lower reaches of Tarim River based on remote sensing analysis

The ecological water conveyance project that pipes water from Daxihaizi reservoir to lower reaches of Tarim River has been implemented ten times since 2000. After ecological water conveyance, restoration has taken place for vegetation along the dried-up lower reaches of the Tarim River. The changes of vegetation fluctuated yearly due to ecological water conveyance. In order to reveal the detailed process of vegetation changes, remote sensing images from 1999 to 2010 were all classified individually into vegetated and non-vegetated areas using the soil-adjusted vegetation index threshold method. Then inter-annual changes of vegetation over a period of 12 years were obtained using a post-classification change detection technique. Finally, spatial–temporal changes distribution of vegetation cover and its response to ecological water conveyance were analyzed. The results indicate: (1) vegetation area increased by 8.52 % overall after ecological water conveyance. Vegetation between 2003 and 2004 increased dramatically with 45.87 % while vegetation between 2002 and 2003 decreased dramatically with 17.83 %. (2) Vegetation area gain is greater than vegetation loss during 1999–2000, 2001–2002, 2003–2004 and 2009–2010 periods. Although vegetation restoration is obvious from 1999 to 2010, vegetation loss also existed except for the periods above. It indicates that vegetation restoration fluctuated due to ecological water conveyance. (3) Spatial distribution of vegetation restoration presented “strip” distribution along the river and group shaper in the lower terrain area, while spatial distribution of vegetation loss mainly located in the upper reaches of river and area far away from the river. (4) Vegetation restoration area had a positive relative with total ecological water conveyance volume. The scheme and season of ecological water conveyance had also influenced the vegetation restoration. The vegetation change process monitoring, based on continuous remote sensing data, can provide the spatial–temporal distribution of vegetation cover in a large-scale area and scientific evidences for implementing ecological water conveyance in the lower Tarim River.     

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。     

河流功率梯度在泥石流空间易发程度调查中的应用:以金沙江流域为例

泥石流空间易发程度调查是开展地质灾害防范和制定生态修复计划的基础之一。目前单纯依靠野外调查并结合遥感观测,或以小流域为单元的泥石流模拟,均难以在大空间范围内高效、准确地识别潜在泥石流沟。鉴于泥石流是一种高能重力流,此次研究以金沙江流域为例,在假定物源供给无差异条件下,提出通过求算河流功率梯度（ω）来实现地表外动力活动强度定量刻画和泥石流空间易发程度调查的新方案,并将泥石流沟验证点数与ω值关系曲线的比降趋势突变位置作为阈值（1×10?4 W/m2）,提取出大约3.2万条长度超过200 m的高能河谷或泥石流易发沟谷。这些沟谷基本位于金沙江和雅砻江干流中下游,在大约30 km距离的缓冲区范围内密集分布,其数量与缓冲区宽度存在乘幂函数关系。在全球变暖背景下,未来发生极端气象事件可能性趋于增加,这些地带,尤其是梯级库区河段应做为泥石流灾害的重点防范区。研究的最终结果提供了金沙江流域泥石流易发沟谷的空间位置及ω值的点阵数据集,可供检索高能河谷的准确位置,也可作为相关地质灾害与地表过程研究的基础数据和资料。      

非饱和土毛细滞回内变量模型的修正

土-水特征关系是基质吸力和含水率之间关系。在反复干湿循环路径下土-水特征曲线呈现出毛细滞回特性。基于毛细滞回内变量理论和传统的土-水特征关系经验模型,提出了能模拟在任意干湿循环路径下土-水特征关系的修正模型。该模型比原模型增加了一个可逆参数,考虑了含水率的可逆变化,使扫描线在靠近边界线的时候斜率不会无限大,同时保留了原模型精度。通过与文献中的试验结果进行比较,修正模型可以更好地模拟非饱和土的土-水特征关系的循环滞回特性,并讨论了可逆参数的确定方法。     

Study of evaporation and recharge in desert soil using environmental tracers, New Mexico, USA

 The purpose of this study is to investigate the rates and mechanisms of recharge and evaporation in soils of a desert environment using two environmental tracers (chloride and oxygen-18). The profiles of chloride concentration and oxygen-18 enrichment in soil-water, together with the depth distribution of water content in soil, reveal information about long-term recharge and instantaneous evaporation processes without needing to know the physical properties of the soil. Three holes were hand-augured, in different desert settings in southeastern New Mexico. The chloride concentration profiles were used, with the chloride mass balance method, to estimate long-term recharge rates in these three holes as 0.5, 0.8, and 2.4 mm yr^–1. Analysis using a bimodal flow and transport model shows that possibly 85% of the recharge occurs via movement of water through preferred pathways in the root zone. Preferential flow was evident in all three sampling sites. Clay layers have a noticeable effect on the development of water content distribution and thus on oxygen-18 enrichment and chloride concentration profiles. The spatial variation in clay layering partly explains the variation in recharge rate estimates. Received: 13 October 1995 · Accepted: 15 November 1995     

Episodic gullying and paleomonsoon cycles on the Chinese Loess Plateau

Buried gullies exposed in road excavations along the margin of a loess tableland on the Loess Plateau of central China lie within a thick loess-paleosol succession that spans ≥780,000 years. Constraining ages for gully cutting and filling are provided by dates of loess and soil units cut by and capping the paleogullies. An episode of gully cutting begins at the onset of an interglaciation and ceases as the gullies begin to fill with colluvium and airborne dust during the transition to full-glacial conditions. The episodic cutting and filling of gullies implies a basic astronomical (orbital) control of gully evolution involving cyclic changes in dominant summer and winter monsoon climates, surface hydrology, and vegetation cover.