荒漠绿洲区人工梭梭林土壤水分空间异质性的定量研究

利用12×12m²样地中1×1m²、0～100cm剖面的土壤水分调查数据,采用地统计学原理与方法,研究了人工梭梭林(Haloxylon ammodendron)在栽植20a后的土壤水分格局的空间异质性程度、异质性组成、尺度以及与梭梭生长的关系.结果表明:人工梭梭林土壤水分空间异质性的96%～88%是由空间自相关因素引起的,随机因素起的作用较小.除60～80cm土层土壤水分的块金值与基台值比值较高(C₀/(C₀+C)=0.5),其它各层都较小(0.04～0.12),变程为1.57～2.97m.在较小(<2m)和较大(>8m)的尺度上,土壤水分的空间相关性较强.沿垂直剖面土壤含水量差异显著,10～20cm土层含水量最高(2.82%),其它各层较小(1.30%～1.67%).     

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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

黑河流域临泽盐碱化草地网格尺度多层土壤水分时空稳定性分析

定量分析半干旱环境下盐碱化草地类型土壤水分的时间稳定性,是开展土壤水分尺度时空转换的前提,同时也是水文研究的重要组成部分。基于"黑河遥感—地面同步试验"干旱水文试验区临泽草地加密观测区16个土壤水分剖面的逐日持续观测数据,利用平均相对偏差及相关系数方法,对网格尺度上多层土壤水分的时间稳定性进行了分析。初步表明:①在土壤水分监测点布设上,在相对长的时期内,能代表网络水平上平均土壤水分最优观测的点是存在的,最优观测点位置的选择需要先密后稀,并根据事先的加密观测结果进行稳定性分析,保留平均相对偏差接近于0且其标准差最小的点开展长期观测。②在90 m×90 m的网格尺度上,土壤水分的空间结构在40 cm深度以上各层的时间稳定性是类似的,但稳定程度不同,表层最不稳定。在40 cm以下基本上趋于稳定,空间异质性降低。③研究区所在环境下网格尺度土壤水分空间分布在时间上强烈相关,观测刚开始的几天与其它时期的相关性比较低,在平稳期相关性较好,不稳定性主要由降水或灌溉事件引起。同时,由于环境的复杂性及观测的误差,这种特殊类型土壤水分的时间稳定特征还需要进一步研究。     

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。     

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。     

土地利用对溶丘洼地土壤容重、水分和有机质空间异质性的影响——以南洞流域驻马哨洼地为例

为了探究溶丘洼地土壤空间异质性及其影响因素,本文以驻马哨溶丘洼地为研究对象,利用经典统计学和地统计学的方法,从不同土地利用、坡度、坡向、土壤深度分析土壤容重、水分及有机质的空间异质性。结果表明:（1）土壤有机质为强变异,变异系数为0.71,容重和水分变异系数分别为0.15、0.11,属中等变异,土壤容重和水分呈极显著负相关,和有机质呈显著负相关,相关系数分别为-0.609、-0.581;（2）块基比介于0.78~0.97,随机部分引起的空间变异程度较大,空间自相关较小,且模型拟合较好。（3）耕地土壤有机质、水分含量最低,容重最大,而灌木土壤反之;（4）北坡土壤容重高于南坡,变异系数小于南坡;而土壤水分、有机质低于南坡,变异系数高于南坡。从不同坡位、坡向的比较中,皆体现了土地利用对土壤空间异质性的影响。在土地利用作为主要因素的影响下,驻马哨洼地土壤水分、容重、有机质由随机部分引起的空间变异增加,空间自相关减小。      

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.     

古尔班通古特沙漠南部沙垄水分动态--兼论积雪融化和冻土变化对沙丘水分分异作用

2004年3月至2005年7月对古尔班通古特沙漠南部典型半固定沙垄土壤水分进行了系统监测,结合气象资料,特别是对冬季积雪和冻土资料的分析,认为该沙漠沙丘土壤水分时空变化规律在很大程度上受积雪融化和季节性冻土的影响.由于冬季稳定存在20~30 cm的积雪于春季融化,使得春季沙丘土壤含水率成为全年最高的季节,从而为早春植物的萌发生长创造了有利的条件.冬季1 m多深的冻土于早春时节由表及里开始消融,沙丘表面融化的雪水在坡面重力作用下,沿难以透水的冻土层上界自坡上向坡下发生迁移,在春夏季形成了垄间最高、坡部次之和垄顶最少的土壤水分空间格局.该研究具有生态学意义,可为古尔班通古特沙漠特殊环境条件下植被恢复与重建提供依据.     

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.      

冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析

冻结层的存在使得寒区有着与非寒区差别明显的水文循环过程,土壤冻融规律、水热盐运移、融雪水入渗等已成为众多学者的研究对象. 寒区低温条件下冻融土壤持水性质与非冻融土壤不同,其包气带冻结层往往具有弱透水性、蓄水保墒和隔热减渗的作用,使得寒区春季冻结层土壤的墒情较高. 以冻融土壤和非冻融土壤墒情对比监测为基础,选取地表以下100 cm的土壤为研究对象,在黑龙江大学呼兰校区设置冻融和非冻融对比监测试验场,同时段、同频率、同埋深（间隔 20 cm土层）进行土壤结构、水热及环境参数监测. 通过对比分析了不同埋深不同冻融阶段的墒情参数,量化了低温冻融条件下土壤墒情较非冻融土壤的高出部分,最后对冻土保墒的机理进行探讨与分析. 结果表明：冻结条件下土壤水分重新分布,在土水势的作用下由非冻结区向冻结区迁移. 初冻期地表土壤墒情达到最大,冻结期土壤最大墒情值随冻结锋面迁移分别在20、40、60 cm处达到最大,稳定冻结期和融化初期在80 cm处达到最大;土壤最大墒情值一般在冻结锋面前沿的10～20 cm处,较好地保持了土壤水分. 无论是从空间（不同埋深）还是时间（不同冻融阶段）角度分析,冻融土壤含水率均大于非冻融土壤,二者含水率的差值随埋深和冻融阶段的推移而加大,在稳定冻结期80 cm处达到最大,差值量可达6.4%～7.8%.