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。     

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.     

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。      

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。     

坡度作用下土壤水分时空异质性研究

国内外对于坡度作用下土壤水分空间异质性尚无定论,且国内时间异质性研究尚很缺乏,以野外水文山实验流域为研究对象,选取偏干和偏湿年份分析了土壤水分的时空异质性。空间异质性的研究表明,土壤水分的主要趋势是60cm大于30cm,但在有的时间段30cm含水量也会超过60cm;总体而言从坡顶到坡脚土壤含水量依次增加,但是在某种特殊情况下也会发生变化。即土壤水分在空间上的分布结构在时间上具有一定的稳定性,并且降水量越多坡度的作用表现得越明显。时间异质性的分析表明,土壤水分的时间变异表现出明显的季节性差异,并且坡面不同位置的变异性不同,偏干年份的年内变化类似于正弦曲线。     

库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面粒度特征

对库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘特征断面上下层（0~5cm、5~10cm）沉积物采样分析结果表明,沙丘粒径与分选参数及其分布随沙丘形态、发育程度和植被生长状况发生变化。抛物线形沙丘丘体迎风坡下凹背风坡上凸,丘顶始终处于侵蚀亚环境。在顺风向断面,平均粒径从迎风坡脚到丘顶变粗,从丘顶到背风坡脚又变细,且这种变化在高大沙丘上更为明显;分选性在迎风坡为中等和较好,丘顶较差,顺风向到背风坡脚逐渐由中等变为较好;粒径频率曲线在丘顶双峰正偏,除迎风坡脚单峰正偏外,其余部位均单峰近对称。在垂直于风向的两翼断面,平均粒径在成熟沙丘由翼顶向两侧坡脚趋于变细,而在欠成熟沙丘无明显的变化趋势。翼间平地沉积物受植被等影响,平均粒径偏细但分选性差,偏度为正偏和极正偏,峰度为尖锐和非常尖锐。受不同时期风况的影响,成熟抛物线形沙丘上下层粒度参数在沙丘断面的分布较欠成熟沙丘一致。     

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。     

喀斯特峡谷区不同经济林地土壤水分变化特征——以贵州花江示范区为例

选择喀斯特高原峡谷关岭—贞丰花江示范区为研究对象,在2018年5-9月采用土壤水分传感器对0~40 cm土层的土壤含水率进行监测,以分析花椒地、金银花地、火龙果地3种不同经济林地土壤储水量的季节变化特征及土壤含水量的剖面变化特征。结果表明:（1）3种经济林地土壤储水量随着降雨的季节变化明显,与降水随时间的变化趋势一致,但在时间上滞后于降水量。在观测期内不同经济林地0~40 cm土层土壤储水量表现为火龙果地（478.97 mm）>金银花地（372.64 mm）>花椒地（322.15 mm）;（2）随着土层的加深,含水率总体呈增加趋势,观测期火龙果地、金银花地、花椒地的土壤含水率分别为35.97%、27.36%、23.55%,整体变异系数分别为9.64%、19.53%、24.27%,火龙果地为弱变异,花椒地和金银花地为中等变异。火龙果地的持水效果最好,金银花地和花椒地次之,因此在贵州省花江喀斯特高原峡谷区的石漠化治理过程中可适量种植火龙果以达到生态恢复效果,并推动当地产业发展。      

青藏高原风火山流域坡面尺度活动层土壤水热时空变化特征

以风火山流域某阴坡坡顶、 坡底和阳坡坡底活动层土壤水热及气象资料为基础, 对青藏高原多年冻土区不同地形条件下的土壤水热时空变化特征进行了分析。结果表明： 在融化阶段, 除表层5 cm外, 阴坡坡底各深度土壤开始融化日期均比坡顶早, 比阳坡坡底晚; 阴坡坡脚各深度土壤含水量均大于坡顶和阳坡坡底。在冻结阶段, 开始冻结日期在阴坡坡底均比坡顶早, 但比阳坡坡底晚; 阴坡坡底各深度土壤含水量均高于坡顶相应土层的含水量, 在20 cm、 100 cm、 160 cm深处高于阳坡相应土层的含水量, 但在5 cm、 50 cm深处, 稳定冻结后两者的含水量差异较小。在整个冻融过程中, 阴坡坡底土壤温度对气温变化的响应弱于坡顶及阳坡坡底, 但其土壤水分对降水的响应强于坡顶及阳坡坡底。植被生长发育受水分和热量条件的制约, 不同地形条件下水热时空变化差异将影响植被空间分布特征。在未来气候变暖情况下, 上坡位植被可能因为水分胁迫而退化, 出现荒漠化现象, 而下坡位由于受侧向流的影响, 土壤水分对降水的响应强烈, 植被不会发生显著退化; 在不同坡向之间, 同一坡位阳坡植被退化程度可能大于阴坡。     

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.      

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.     

宁夏河东沙地沙丘冻融过程的时空差异

中国的沙漠和沙地部分或全部分布在季节冻土区, 研究沙丘的冻融过程是讨论季节冻结期间沙丘风蚀和形态演变规律的条件之一。以宁夏河东沙地流动沙丘和沙障固定沙丘为研究对象, 通过野外观测和室内控制实验, 分析了沙丘的冻融过程及其控制因素。结果显示： 沙丘的冻结期在11月中旬至3月上旬, 流动沙丘各地貌部位的冻结时长和冻结层厚度均存在较大差异（背风坡面>迎风坡面>丘顶）, 背风坡脚的冻深最大。在季节冻结期内沙丘表层始终不发生冻结, 未冻层厚度的阈值约为10 cm且具有保护冻结层的作用, 流动沙丘迎风坡中在未冻层风蚀后, 地表冻结层融化再被风蚀, 如此循环过程造成其冻结层厚度远小于沙障固定沙丘的冻结层厚度。流动沙丘丘顶和背风坡面的冻结层厚度分别受短时（32 h）和较长历时（15 d）平均气温的影响。野外观测和室内控制实验均证明水分含量低于1.6%的沙丘沙不发生冻结, 冻结层硬度随含水率的增加呈幂函数递增（P<0.001）, 随温度降低呈缓慢递增。     

新疆古尔班通古特沙漠生物结皮的土壤理化性质分析

古尔班通古特沙漠是我国第二大沙漠,广泛发育着地衣、苔藓和藻类等生物结皮,其分布状况与其自身生理生态特点和所处沙丘部位的环境条件密切联系着.结合野外调查和实验室样品分析结果,讨论了沙丘不同部位土壤理化性质与生物结皮分布、发育的关系.结果表明:不同类型生物结皮在沙丘上的分布和发育状况是不同的,从沙丘顶部的流动或半流动沙面上到沙丘两坡的中部、下部以及丘间低地,生物结皮的分布依次为微生物种类、藻类结皮、地衣结皮和苔藓结皮,从沙丘上部、中部至沙丘底部及丘间,生物结皮的类型、厚度及发育程度呈增强态势.生物结皮在沙丘不同部位的发育特点和分异变化与沙丘不同地貌部位的土壤理化性状、地表基质稳定性等生态条件有着密切的关系.     

基于原位监测的浅层黄土斜坡水分运移规律分析

降雨诱发的浅层黄土滑坡是黄土高原重要的地质灾害类型之一.斜坡水分空间分布和变化趋势是导致斜坡失稳的重要因素,但基于此的剖面监测数据较少.依托延安黄土地质灾害野外观测基地,选择典型黄土斜坡,在坡面布设两条5 m深的水分探测纵剖面,观测在降雨过程中斜坡水分的空间特征.监测结果显示：1）降雨引起的土壤含水率变化深度有限,与降雨量成正相关关系;2）土壤含水率随时间变化表现出周期性特征,随深度增加,周期逐渐变长;3）斜坡水分在空间分布上存在明显的各向异性——垂向上表现为含水率的不均匀性与阶段性,而在斜坡的不同部位,受降雨影响坡顶-坡腰-坡脚含水率大致呈递减趋势,其中坡顶、坡脚的水分波动程度最大,坡脚的入渗深度最大.     

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.     

Spatial distribution characteristics of soil moisture in different types of sand dune in the Mu Us Sandy Land,adjacent to north of Chinese Loess Plateau

The distribution of soil moisture in arid and semiarid regions is a major environmental factor and is regulated by regional topography, vegetation and soil texture. Here, we present the results of a study of the spatial distribution characteristics of soil moisture in the Mu Us Sandy Land, which is the transitional area between the northwestern deserts and the Chinese Loess Plateau, in North China. Samples were taken from holes drilled to a depth of 4 m in 52 different microtopographic positions on different types of dune (bare dunes, shrub-covered dunes and tree-covered dunes). The sites were located in the northwestern margin, the central region and the southeastern margin. All samples were analyzed for moisture content and grain size distribution. The results show that: (1) for the same type of dune, the soil moisture content varies in different microtopographic positions. The soil moisture content on windward slopes is greater than on leeward slopes in the shrub-covered dunes and the tree-covered dunes, while this is the case in only some of the bare migratory sand dunes. In addition, the soil moisture content on leeward slopes is greater than on the corresponding windward slope. (2) The vegetation type and density have a large influence on the moisture content of sandy soils; specifically, the presence of shrubs and trees significantly affects the soil moisture content of windward and leeward slopes and the inter-dune lowland. (3) Soil moisture content is positively correlated with the clay and silt content of sandy soils. From northwest to southeast across the Mu Us Sandy Land, the silt and clay content increases gradually; however, in the case of dunes covered with planted trees, a peak in the content of fine-grained material occurs in the central region, while for shrub-covered sand dunes, the peak occurs in the southeastern margin. In addition, the correlation between soil moisture and soil grain size distribution of the three types of dunes varies from northwest to southeast. (4) The proportion of fine-grained material and the correlation between the content of fine-grained material and soil moisture are the two main factors influencing the soil moisture distribution of the different types of dune. A soil moisture concentration index can be used as a rough indicator of the distribution characteristics of soil moisture.     

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.     

Effect of Soil Moisture-Energy Distribution and Melting-Freezing Processes on Seasonal Shift in Tibetan Plateau

EFFECT OF SOIL MOISTURE-ENERGY DISTRIBUTION AND MELTING-FREEZING PROCESSES ON SEASONAL SHIFT IN TIBETAN PLATEAUtheNational(G19980 4 0 80 0 )andCAS’sKeyProjectforBasicResearchonTibetanPlateau (KZ951 A1 2 0 4 ;;KZ951 A1 4 0 2 ;;KZ951 B1 2     

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%.