长江源区不同植被覆盖下土壤水分对降水的响应

土壤水分是连接气候变化和植被覆盖动态的关键因子,以长江源区北麓河一级支流左冒西孔曲典型小流域为研究对象,通过观测降水特征、植被覆盖情况、土壤特性、土壤水分变化、入渗过程以及蒸散发和凝结,分析了不同植被覆盖下土壤水分变化与降水之间的响应关系.结果表明:研究区内高寒草甸土壤水分对降水的响应存在十分明显的滞后现象,滞后时间较长;当植被退化较为严重时,20 cm深度范围内土壤水分对降水有一定响应,深层土壤比较干燥,对降水的响应微弱;在保持其原有植物建群和较高覆盖度时,土壤持水能力增强,深层土壤含水量明显提高,土壤水分变化剧烈,对降水的响应深度达到40 cm以下.较高的植被覆盖能有效改善土壤物理结构、提高土壤有机质含量,促进降水入渗.植物根系导致的较大孔隙优先流运动以及根系吸水作用影响了土壤水分对降水的响应和土壤水分的空间分布.不同植被覆盖度下,土壤水分的蒸散发与凝结具有明显差异,高覆盖度的高寒草甸土壤,蒸散发量较小,凝结水量较大.     

小灌区农田土壤水分析

对山西省小灌区农田土壤水分在时空分布及其影响因素进行了分析.结果表明:大气降水、农田灌溉、作物蒸腾和田间土壤蒸发是影响土壤水分变化的主要因素.农田土壤水分分布随着作物的种类而变化.     

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。     

平原地区采煤沉陷区非饱和带水分特征及影响因素研究

基于安徽淮北市某矿采煤沉陷区,建立野外原位试验场,通过监测沉陷区非饱和带土壤水势、水位、降水量变化,并结合野外采集的土样测试结果,就地下水位、蒸发、降水、以及开采沉陷过程等因素对比分析沉陷区与非沉陷区土壤水分变动。结果表明:降水、蒸发条件的改变对非饱和带土壤水分分布影响较大,而在降水、蒸发条件基本相同的情况下,沉陷区30 cm以下非饱和带土壤含水率规律呈现先减小后增大,该现象主要是由于采煤后地面沉陷对土壤产生一定的扰动,竖直方向上裂隙增加,土壤持水率下降,沉陷稳定后,相对地势较低的沉陷区开始汇水使得土壤含水率上升。     

毛乌素沙地风沙滩区降水入渗响应研究

为研究毛乌素沙地地下水浅埋区降水入渗补给滞后响应时间,确定补给滞后的影响因素,为该地水文生态保护与地下水资源评价提供科学依据,以陕北毛乌素沙地风沙滩区为研究区,基于原位试验数据和相关分析法,分析土壤含水率和地下水位对降水入渗的响应机制,运用土壤水均衡分析探讨降水入渗响应与各影响因素的关系式。结果表明,小雨型降水土壤含水率响应深度为0~10cm,中雨型为10~90cm,大雨型与暴雨型均>90cm。最大响应深度z与降水量P显著线性相关。在地下水位一定的前提下,随着前期累计降水增大,当前降水入渗响应深度也增大,前期累计降水对当前降水入渗的影响时段在144 h以内。雨后土壤水分与地下水补给均存在滞后。入渗响应滞后时间与土壤深度呈正比,与降水强度和土壤初始导水率的差成反比。     

贵州喀斯特区域土壤水分时空分布特征

基于贵州喀斯特区域2011-2015年53个自动土壤水分观测站0~100 cm的逐日土壤水分、降水、气温资料,分析了不同农业气候区土壤水分时空分布特征、变异系数以及土层之间的相关关系。得出以下主要结论:（1）各区土壤水分的范围总体相差较小,据 0~100 cm层土壤水分相对小值区的分布形态,可分为持续性土壤干旱区、季节性土壤干旱区、土壤湿润区。（2）依据各区土壤水分的变异系数相对大值区的时空分布形态类似可分为变异一致区、季节变异区及持续变异区。（3）通过10~50 cm对其下层土壤水分的关系研究发现,温暖湿润区、温和湿润区、高寒区研究土层（10~50 cm）与其下层（20~90 cm）土壤水分相关系数均>0.60,其余各区土层只与其下20~40 cm土层相关系数较大,而对其下更深土层相关系数较小;从滑动日数来看,各区10~50 cm土层与其下10~20 cm、30~50 cm、60~100 cm层最大相关系数的滑动日数随深度的增加而增加,分别为3~10日、10~20日、20~30日。（4）通过对比各区土壤水分与其变异系数分布特征发现,土壤水分的低值区发生的层次及时间与变异系数大值区基本相对应,土壤水分的变化除与降水、气温直接关系外,还可能与土质及环境等其他要素有关。      

多年冻土区活动层土壤水分对不同高寒生态系统的响应

土地覆被变化对土壤水分的影响是生态水文学和流域水文学研究的关键问题,基于长江源典型多年冻土区不同高寒草地土壤水分的观测,结合降水、生物量（包括地上和地下）和土壤理化性质,研究了活动层土壤水分变化对不同高寒生态系统的响应. 结果表明：高寒草甸生物量、土壤养分含量均比高寒草原高,且对降水响应更为强烈,致使高寒草甸土壤水分变异性弱于高寒草原. 在土壤完全融化阶段,高寒草甸土壤活动层存在一个低含水层（50 cm左右）和两个相对高含水层（20 cm和120 cm）,但高寒草原土壤水分在活动层剖面上有随深度逐渐增大的一致性趋势;在秋季冻结过程中,高寒草甸土冻结起始日滞后于高寒草原土3~15 d;在春季融化阶段,高寒草原土更高的含冰量需要更多的融化潜热. 此外,表层土壤中（0~20 cm）,高寒草甸土比高寒草原土有更大的持水特性,而在活动层中下部则呈现完全相反的结果,不同高寒生态系统的演替改变了土壤的水热迁移过程.     

国内气候适宜度模型中水分适宜度模型的改进与应用

农作物生长发育离不开光、温、水等气象条件,基于气候适宜度的气象条件定量评价方法是判定气象条件对农作物适宜程度的方法之一。基于国内气候适宜度方面的研究和应用现状,指出了目前国内气候适宜度模型中水分适宜度模型存在的不足,在此基础上对水分适宜度模型进行改进,水分适宜度模型包括降水适宜度模型和土壤水分适宜度模型,水分适宜度取降水适宜度和土壤水分适宜度二者的大值。改进后的降水适宜度模型考虑了农作物的需水量及降水的有效性和降水过多的影响;改进后的土壤水分适宜度模型采用农田0～20 cm区域土壤相对湿度与农作物不同生育阶段适宜的土壤相对湿度进行比较,减少了以往土壤水分模型中因涉及因子过多带来的不便,并用河北省冬小麦不同年度的气象条件对改进后的模型进行检验应用。得出如下结论：应用改进后的水分适宜度模型计算的水分适宜度,能够反映冬小麦生长期间实际的水分状况;通过改进后的水分适宜度模型计算的综合适宜度反映了实际气象条件对冬小麦的影响,并且综合适宜度与冬小麦产量呈正相关,通过了0.05显著性水平检验,相关性优于模型改进前的。     

青藏高原多年冻土和季节性冻土区土壤水分变化及其与降水的关系

使用地面观测数据对欧洲空间局(ESA)发布的气候变化倡议(CCI)土壤水分产品进行精度校准,结合青藏高原及其周边降水气象站数据,分析土壤水分动态变化及其与降水的关系。结果表明:(1)校正后的CCI主被动组合产品所反演的青藏高原土壤水分获得了更高的精度,且显示1986~2016年暖季土壤水分在多年冻土区的逐年变化更为稳定。(2)高原土壤水分空间分布与降水分布高度一致,降水是该地区土壤水分的重要调节因子。多年冻土区暖季土壤水分与降水的相关性较低,而季节性冻土区较高,原因是多年冻土的存在可能有利于维持土壤水分的稳定性。多年冻土对于土壤水分有着重要的调节作用,气候变暖所导致的多年冻土退化,会降低土壤水分的调节能力,进而影响到青藏高原生态系统和水文循环。     

长江源多年冻土区典型小流域水文过程特征研究

基于长江源风火山多年冻土区典型小流域2004-2007年的观测资料,运用回归和统计分析方法,探讨了气温、地温、降水、土壤水分与径流的响应关系.结果表明:5-9月为研究流域的水文过程活跃期,该时段的径流量占全年总径流量的85%;径流过程中存在春汛和夏汛,夏汛洪峰值明显高于春汛.径流过程中不同时段具有不同的影响主导因子,春汛期主要是65 cm以上的土壤温度和水分起主导作用;夏季枯水期40 cm以上土壤水分与径流是负相关,深层地温和土壤水分起主导作用;夏汛期气温、降水起主导作用;秋季枯水期的影响因子依次为土壤温度、水分及气温.多年冻土区降水大部分冻结在土壤中或者用来补充土壤水分的亏缺,不能直接产流,只有在春汛和夏汛期间与径流保持一定的相关关系.     

黄河源区多年冻土活动层土壤水文过程季节变异分析

为从整体上认识多年冻土活动层土壤水文过程季节变异特性,以黄河源区巴颜喀拉山北坡冻土剖面为例,结合大气降水、冻土土壤水分、冻土层上水的野外观测,采用HYDRUS-1D软件冻融模块进行模拟分析,分析冻融作用对活动层土壤水文过程的影响,研究结果表明:(1)冻土层上水位与土壤水热之间存在着相互影响、相互作用的关系,依据活动层土壤温度变化,基于冻融过程,多年冻土活动层土壤水分与冻土层上水位可划分为冻结稳定、快速融化、融化稳定和快速冻结4个阶段。(2)降雨入渗是坡面尺度下活动层土壤水文过程的主要驱动力,活动层冻融锋面是主要限制性因素,受冻融过程影响,冻结期降雨减少,土壤冻结,土壤储水能力下降,土壤水分下渗停止,坡面侧向流动减弱,土壤水分和冻土层上水位处于下降趋势;融化期降雨增多,土壤融化,土壤储水能力上升,土壤水分下渗强烈,坡面侧向流动增强,土壤水分和冻土层上水位处于上升趋势。(3)受坡面地形影响,上坡活动层厚度大于下坡,上坡冻融锋面变化较下坡平缓,上坡土壤水分和冻土层上水位的变化幅度相对下坡较为平缓,而上坡土壤水分相对下坡含量较低,下坡冻土层上水位相对稳定。     

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。     

青藏高原唐古拉地区暖季土壤水分对地表反照率及其土壤热参数的影响

为了研究青藏高原暖季土壤水分对冻土区地表热状况的影响,选取2010-2012年5-9月在青藏高原唐古拉气象场获取的气象及其活动层数据,分析了表层土壤水分对地表反照率以及土壤热参数的影响.结果表明：唐古拉站暖季表层土壤含水量集中在0.15～0.27之间,地表反照率值集中在0.14～0.24之间,日平均土壤热导率的波动范围在0.9～2.0 W·m^-1·K^-1之间,土壤热容的波动范围主要集中在0.8×10⁶～1.8×10⁶ J·m^-3·K^-1之间,而土壤热扩散率则主要集中在0.6×10^-6～2.2×10^-6 m2·s^-1之间.土壤水分对地表反照率影响较大,随着土壤水分的增长,地表反照率呈现出明显的减小趋势.土壤水分对地表反照率的影响还受到植被生长周期的影响,土壤水分和地表反照率之间的关系在植被枯萎期和生长期有明显的差异性.唐古拉地区土壤热参数也明显受到土壤水分变化的影响,随着土壤水分的增加,土壤热导率、热容和热扩散率都为增大趋势,但是土壤水分对土壤热导率的影响较为显著,而对土壤热扩散率的影响则不显著.     

高寒草地植被覆盖变化对土壤水分循环影响研究

土地覆盖变化对流域水平衡的影响是流域水学和生态水学研究的关键问题之一。以黄河源区两个典型小流域为研究对象，通过对流域不同植被类型与植被覆盖土壤的水分含量、入渗过程、蒸散发特征的测定，研究了高寒草地植被覆盖变化对土壤水分循环的影响．结果表明：广泛分布于青藏高原河源区的高寒草甸草地，植被覆盖度与土壤水分之间具有显的相关关系，尤其是20cm深度范围内土壤水分随植被盖度呈二次抛物线性趋势增加；在保持其原有的植物建群和较高覆盖度时，土壤上层具有较高持水能力，降水通过表层向深层土壤的渗透速度缓慢，且具有较均匀的土壤水分空间分布，水源涵养功能明显；高寒草甸草地退化后的高山草甸土壤趋于干燥，持水能力减弱，即使进行人工改良以后，土壤水分含量与持水能力也不会有明显改善．保护河源区原有高寒草甸草地对于河源区水过程意义重大。     

草原化荒漠带人工固沙植丛区土壤水分动态

研究土壤水分动态有助于在水文过程与生态格局之间建立定量的联系。以大型自动称重式蒸渗仪为试验设施,对草原化荒漠带固沙植丛区与无植被沙区土壤水分动态及蒸散发进行对比研究。结果表明,观测期内植丛区及无植被沙区土壤水分变化均与降水过程高度相关,油蒿与柠条植丛区总蒸散量大体相当,平均蒸散速率分别为1.31mm/d,1.22mm/d。受固沙植物种生育期差异与降水年内分配变化的综合影响,当经历连续30多天无雨期时,柠条植丛区土壤水分骤降,根系密集区土壤体积含水率降低至0.5%以下,平均蒸散速率由前期的2.2mm/d降至0.6mm/d。油蒿植丛区土壤体积含水率在1%左右变化,平均蒸散速率由1.8mm/d降为0.9mm/d,仍高于柠条植丛区达50%。无植被沙区土壤体积含水率保持在大于2%的水平,平均蒸发速率由1.1mm/d减小至0.4mm/d,平均为0.78mm/d,约为植丛区平均蒸散速率的60%。土壤深层渗漏量达113.4mm,占降水量的40.5%,渗漏速率平均为0.63mm/d。人工固沙植被有效地利用了这部分降水资源,使得植丛区土壤水分无深层渗漏。     

科尔沁沙地土壤水分动态分析及其概率密度函数模拟

基于Laio土壤水分动态随机模型(Laio模型),利用2006-2010年5~9月土壤水分连续监测数据及日降水资料,分析科尔沁沙地固定沙丘和沙质草地生长季根系层土壤水分动态及其与降水格局的关系,研究点尺度土壤水分概率密度函数,并对Laio模型涉及的13个参数进行了敏感性分析。结果表明:① 研究区年降水的季节分配极不均匀,主要集中在4~10月的生长季,占全年降水量的93%;0~5 mm降水事件占全年降水事件的73%,但其降水量只占全年降水量的25%;降水间隔期以0~10 d为主,占全年无降水期的38%,其频数最高,占全年间隔期频数的87%。② 固定沙丘和沙质草地根系层厚度分别为0~100 cm和0~70 cm,沙质草地根系层土壤水分显著高于固定沙丘;两类沙地7月份的土壤水分都显著高于生长季其他月份。③ 两类沙地生长季根系层土壤水分均服从正态分布;通过Laio模型得到了两类沙地生长季根系层土壤水分概率密度函数p(s),其峰值及峰值出现的位置和峰的阔度均与观测结果很接近,说明Laio模型能对科尔沁沙地土壤水分概率密度函数进行较好的模拟。④ Laio模型涉及的13个参数中,对p(s)最为敏感的参数是降水频率λ、平均降水量α、最大蒸散量E_max、水分胁迫点s*和凋萎系数s_w,主要影响p(s)曲线的峰值。     

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。     

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。     

土壤水分监测仪器野外对比测试分析研究

近年来,随着抗旱工作的全面深入开展,土壤墒情监测工作日益得到重视。鉴于目前我国土壤墒情自动监测工作起步较晚,部分省(自治区、直辖市)试点建设的墒情自动监测系统的监测数据准确性、稳定性不高等问题,水利部水文局组织对目前在国内应用的国内外主要土壤水分传感器开展了两期土壤水分监测仪器野外对比测试分析研究。根据两期比测研究成果,结合近年来土壤墒情监测工作经验,提出了比测技术方法、评估技术指标,初步分析了不同产品性能,并进一步探讨提出了提高土壤水分监测仪器产品质量和土壤墒情监测数据可靠性的建议。     

海北高寒草甸的季节冻土及在植被生产力形成过程中的作用

海北高寒矮嵩草草甸区植被下的草毡寒冻雏形土属季节性冻土,因温度低,冻土在年内的每个月均可发生.一般在11月中旬可形成稳定的季节冻结层,至翌年3～4月冻土层厚度最大可达230cm.从3月下旬到4月中旬开始,土壤开始消融,至6月下旬到7月上旬冻土全部消失.分析发现,季节冻土在高寒草甸植被生产力形成过程中有着积极的影响作用,主要表现在:1)季节冻土的存在和维持将给高寒植物生长提供良好的土壤水分,对植物初期营养生长发育有利,可弥补春夏之交时降水不足所引起的干旱胁迫影响;2)季节冻土的长时间维持,有利于植物残体和土壤有机质留存于土壤,并随土壤冻结和融化过程发生迁移,可提高土壤肥力;3)较高的土壤水分有利于土壤胡敏酸的形成,可保证植物生长所需的其它有机元素的供给;4)冻土层所形成较高的土壤水分使土体热容量加大,从而调节因气候异常波动引起的土壤温度变化;5)季节冻土的变化对植物地上年生产量形成有一定的影响作用,表现出从10月或11月开始,土壤冻结速率快,对提高植物地上年生产量有利.这也证实,在未来气候变暖的趋势下,土壤有机质将加快分解速度,土壤水分因受温度升高、冻结期缩短,其贮存能力降低;受温度升高的影响,地表蒸发能力加大,若降水仍保持目前的水平,土壤水分将明显减少,将导致高寒草甸植被生产力有下降的可能.