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。     

黄土高原退耕坡地土壤水分空间变异性研究

以神木生态观测站为例,利用经典统计学方法对黄土高原退耕坡地土壤水分在空间三维不同方向和不同位置的空间变异性进行了研究,并对空间变异的尺度和时间依赖性等问题进行了探讨,以便为坡地水分管理和植被恢复提供参考。研究结果表明土壤水分在垂直方向和水平方向(垂直于坡长方向)的平均变异程度为弱变异;而在东西方向(坡长方向)、二维平面和三维空间上为中等变异性;土壤水分沿坡长方向从坡顶到坡脚表现出先减小后增大的趋势,且在各坡位变异程度不一,呈现出变异程度为坡上>坡中>坡下的趋势;土壤水分沿南北方向表现为阴坡>山脊>阳坡的明显趋势,其变异程度为阳坡>阴坡;在40~200 cm土层深度内,土壤水分在垂直方向表现出先减小后增大的趋势,且在各土层的变异程度与各层平均土壤水分成明显的正相关。     

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.     

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。     

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。     

漓江流域表层土壤水分物理性质空间异质性

为了解漓江流域土壤水分空间变化特征及其影响因素,基于2'经纬网格,采用地统计学方法对该流域表层（0~10 cm）土壤水分物理性质的空间变异进行分析。结果表明:从空间结构比上,漓江流域表层土壤含水量、容重、最大和最小持水量均具有高度的空间自相关性（各指标空间结构比均大于0.87）,且其空间分布趋势基本一致,由流域上游向中下游逐渐变化。土地利用对流域表层土壤水分物理性质及其空间变异具有显著影响。受时间尺度和土地利用类型等因素的影响,漓江流域表层土壤含水量相比其他土壤水分物理性质,其空间异质性由随机引起的空间变异增加,空间自相关减小,为0.87;而土壤容重最大,为0.92。相关结果对于漓江流域土壤水分动态模拟与预测研究具有一定参考价值。     

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。     

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.      

黄土区切沟对不同植被下土壤水分时空变异的影响

为掌握切沟对土壤水分时空变异的影响,选取水蚀风蚀交错区两个典型切沟样点为研究对象。采用时间序列分析和经典统计学方法,从土壤水分时间变化特征和空间分布格局两方面探讨。结果表明:距沟道不同距离下土壤储水量差异明显。300 cm处样点可作为测定尺度下土壤储水量平均值。土壤水分在垂直方向上的变异受植被特征影响,沟道影响较小。坡面土壤储水量的空间分布呈现不同的分布格局。坡顶风速大,土壤水分蒸发快,坡中处土壤储水量最高,为949.9 mm,距切沟越近土壤水分快速散失,坡下土壤水分接近4%,亏缺严重。杏树地土壤储水量远高于柠条地,柠条地土壤储水量分布较为单一。土壤蒸发、植被、沟道等因素使得坡面土壤水分分布更加复杂。     

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.     

Soil conservation and sustainable eco-environment in the Loess Plateau of China

The Loess Plateau is well known to the world because of its thick loess and severe soil erosion. Loess is a highly erosion-prone soil that is considerably susceptible to water erosion. The Loess Plateau also has a long cultivation history, hence population growth, vegetation degeneration serious soil and water loss were obviously problems on Loess Plateau. This article analyzes several strategies of soil and water conservation on the Loess Plateau, such as terracing, planting trees, natural vegetation rehabilitation and construction of warp land dams. Different periods had different strategies of soil and water conservation and each strategy had its characteristics and effects. Finally, the research directions and future perspectives of the Loess Plateau were discussed, including the strategies of sustainable eco-environment of Loess Plateau in China.     

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.     

The rare earth element compositions of sediments from the loess tableland in the Liyang Plain,southern China: implications for provenance and weathering intensity

To identify the weathering intensity and to deduce the provenance of sediments (black-brown soil and loess) from the loess tableland in the Liyang Plain is of great importance for understanding the development and origin of civilization of this critical region in China. The geochemical results show similar REE distribution patterns among sediments sampled from the YC profile in the Liyang Plain, reticulated red soils from the Dongting lake area, Xiashu loess in Zhenjiang, and loess from the Loess Plateau in China. These similarities imply a single provenance, from dust storms. REEs, especially the LREE/HREE ratio and Eu anomaly, can trace weathering intensity. Higher LREE/HREE ratios, and remarkably Eu anomalies, are present in the top loess (L₀), Lower LREE/HREE ratios and insignificant Eu anomalies are present in black-brown soil (S₀*) from the Liyang Plain. These demonstrate that the black-brown soils have undergone a lower intensity of weathering than the loess of YC profile. Moreover, CIA values for sediments from the YC profile provide powerful evidence to support the above result. Comparisons of analyses of the REE contents of sediments from the YC profile, of reticulated red soils from the Dongting Lake area, Xiashu loess from the Yangtze River, and loess from the Loess Plateau, clearly show the weathering intensity decreases according to the following sequence: reticulated red soil from the Dongting Lake area > sediments of YC profile from the Liyang Plain, which formed from dust storms ≈ Xiashu loess from lower reach of the Yangtze River > loess from the Loess Plateau.     

陕北黄土区流域分水线土壤干层分布

陕北黄土区切沟密集,地形支离破碎,地形与植被共同作用下土壤水分状况较为复杂。通过长期定位观测深剖面土壤含水量,分析了流域分水线深层土壤水分时空动态及干层分布特征。研究结果表明:生长季0~3 m土层土壤水分亏缺,生长季后1.2 m以上土层亏缺水分得到补充,但该深度以下土壤水分含量未得到恢复,其中2.6~6.4 m深度范围缺水严重,流域分水线土壤水分含量出现明显的垂直分层现象;各观测点土壤含水量随深度的分布曲线、极值出现深度和干层深度范围不同,剖面干层随各分水线走向表现出不连续分布的特点;分水线干层平均起始深度为2.03 m,厚度为0.4~8 m,干层土壤含水量均值为9.03%,干层厚度与起始深度和干层土壤含水量均呈负相关关系。比较而言,陕北黄土高原干层发育严重程度较突出。相关研究结果可为流域土壤水资源分布及土壤水库功能评价提供理论依据。     

黄土高原丘陵沟壑区包气带土壤水运移过程

包气带土壤水运移过程是黄土高原生态修复中亟需回答的关键科学问题。环境同位素方法可获取其他方法难以获取的水文过程信息。通过对黄土高原丘陵沟壑区羊圈沟小流域降水、包气带0~150 cm土壤水和绣线菊（Spiraea salicifolia）木质部水等样品的同位素δD和δ18O进行测定。结果表明:羊圈沟小流域降水同位素组成受蒸发作用影响较大,呈现明显分馏效应。包气带土壤水、降水与木质部水同位素组成存在明显月份变化特征。降水是土壤水的主要补给来源,灌丛的水分利用来源主要为降水和土壤水,符合降水-土壤水-植被水的运移特征。灌丛木质部水和20~40 cm土壤水δD和δ18O最为接近,20~40 cm土壤水是灌丛水分利用的主要来源。研究揭示了包气带土壤水运移过程及植物水分利用来源,为土壤水运移过程、模型结构与参数识别等提供科学依据。