腾格里沙漠东南缘不同固定程度沙地土壤表层水分时空变化遥感分析

土壤表层水分是固沙植被生长的主要水分来源,其时空变化格局决定了固沙植被的稳定性和演替方向。整合被动微波和光学数据的时空分辨率优势建立模型、反演土壤表层水分,可为不同固定程度沙地固沙植被稳定性评价提供科学依据。以腾格里沙漠东南缘为研究区,选取2003-2011年生长季(5-9月)AMSR-E土壤水分产品与MODIS数据,利用归一化植被指数NDVI、地表温度T_s,采用多元回归的方法,将空间分辨率为0.25°的AMSR-E土壤水分数据降尺度为每月的1 km平均表层土壤水分的时间序列数据,结合沙丘类型数据,分析了不同沙丘类型下土壤水分的时空异质性。结果表明:流动沙地的土壤水分空间分布与整个区域的差异性高于半固定沙地和固定沙地,而在极端干旱年份,研究区的整体分异不大,但同一类型间,固定沙丘空间差异明显高于半固定沙丘和固定沙丘;3种沙地类型表层土壤平均含水量在不同月份具有相似的变化规律,即土壤含水量5-9月呈抛物线形状,先下降后上升,7月达到最低,从同一月份不同沙地类型看,研究区表层土壤水分含量依次是固定沙地>半固定沙地>流动沙地;年际土壤水分在流动沙地和半固定沙地随降雨的变化而变化,而固定沙地基本不变。     

毛乌素沙地南缘不同活性沙丘土壤水分时空变化

以毛乌素沙地南缘风沙活动区典型的不同活性沙丘(流动沙丘、半流动沙丘、固定沙丘)为研究对象,于2011、2012年4-10月,每月2次,利用烘干法对3种沙丘迎风坡、丘顶、背风坡底部的0~100 cm深度土壤水分进行定位监测,分析了3种沙丘土壤水分时空变化特征。结果表明:土壤水分含量总体表现为固定沙丘>半流动沙丘>流动沙丘。3种沙丘平均土壤水分含量大体上都表现为秋季 >春季 >夏季。3种沙丘背风坡底部土壤水分含量最高,其次是迎风坡,丘顶最低,且迎风坡和丘顶两年平均土壤水分含量差距不大。表层0~10 cm土壤水分含量季节之间差异最大,随深度增加,土壤水分季节变异系数减小。沙丘各部位土壤水分含量垂直变异系数总体变化趋势为从春季到夏季增加,从夏季到秋季减小。土壤水分含量在0~100 cm的垂直变异系数与土壤水分含量为负相关关系,水分含量越高,土壤水分在0~100 cm之间的变化幅度越小。研究区3种沙丘土壤含水量变化水分可分为4个时期:4-5月为春季缓慢积累期,6-8月为夏季消耗期,9-11月为秋季积累期,12月到次年3月为冬季稳定期。总体上,天然植被对水分的涵养效果大于其消耗,本区降水可以维持不同活性沙丘的天然植被生长。     

民勤绿洲荒漠带土壤水分的空间分异研究

 通过野外试验和室内分析,对民勤绿洲荒漠带土壤水分的空间分异进行了研究。结果表明,在水平方向上,土壤水分的平均最大值基本出现在绿洲区,最小值出现在绿洲荒漠过渡带。在绿洲区,土壤含水量由表层向下逐渐递增;过渡带土壤含水量呈现出表层和底层低,中间层高的特点;荒漠区土壤含水量呈现出表层和底层高,中层低的特点。土壤水分特性的变异系数最大的是过渡带,最小的是绿洲。土壤水分含量各层最佳拟合模型不尽相同。水分含量的自相关性不强,受随机因素的影响较大。     

紫色土丘陵区小流域不同土地利用方式下土壤养分含量特征——典型农林复合生态系统案例分析

调查了川中丘陵区小流域典型农林复合生态系统土壤养分的时空分异，同时研究了不同土地利用方式下土壤养分含量的变化。结果表明：2002年与1999年相比，耕地土壤有机质含量，全量养分都有相应的增加，速效养分有一定程度的降低。土壤养分含量剖面分异明显，随深度的增加大多数呈明显的下降趋势。但全钾的变化比较特殊，不同深度土壤全钾含量没有明显的变化。不同台位林地的土壤养分含量存在明显的差异，林地土壤有机质、氮素含量随高度的增加而增加，但磷、钾含量却有随高度的增加而降低的趋势。不同土地利用方式之间土壤有机质、全氮、全钾含量差异显著。土壤有机质含量在几种土地利用方式之间的比较是：水田〉林地〉旱坡地〉草地，土壤全氮含量水田〉林地〉旱坡地〉草地，全钾含量水田〉草地〉林地〉旱坡地。     

黑河流域土壤退化研究

在黑河流域干旱土纲中采集5个典型土壤剖面以研究该地区干旱土壤的演化。同时，为了了解土壤养分含量、土壤干旱化和土壤盐化的变化趋势，测定了高台县西北盐池地区主要盐土类型各剖面中的盐分含量和流域内主要土类中水分含量的分布。结果表明，干旱区内陆河流域土壤的退化主要表现为干旱化、盐渍化和土壤肥力的退化。在流域内干旱化随流域上中下游降水量和干燥度的变化而变化，土壤随距河流的距离及地下水位的高低而变化。流域内土壤从潜育土向雏形十、干旱雏形土和干旱土的方向变化。盐渍化与土壤水分含量和地下水位有关，并与水分的蒸发有密切的关系。在一定范围内，距水源越远，盐分含量一般越高。土壤肥力的退化表现为土壤有机质含量降低，阳离子代换量降低等理化性质的退化，这一退化过程是其它过程的综合反映。质地的退化虽受风沙化的影响，但与土壤的形成母质有一定的关系。     

石羊河流域土壤水分和电导率的空间分布特征

土壤水盐空间分异特征是土壤盐碱化防治与改良的重要依据,也是盐碱地资源开发利用的重要基础。在流域尺度上,综合石羊河流域林地、草地、耕地、盐碱地、荒漠等不同土地利用类型土壤水盐分异特征的研究较少,难以支撑新时期变化环境下盐碱地的改良与利用需求。运用地统计学与传统统计学方法,对石羊河流域土壤水分和电导率的空间分异特征进行了研究,并分析了不同土地利用类型对土壤水盐分布的影响。结果表明：石羊河流域土壤含水量呈现西南高、东部和西部低的趋势,在剖面上由表层的8.75%向深层的10.19%逐渐递增。土壤电导率呈现东南和西南部低、东北和西北部高的趋势,中、重度盐碱化土和盐土的面积占流域总面积的56.55%。不同土地利用类型中,林地土壤平均含水量最高（21.08%）,其次为耕地（15.60%）、盐碱地（12.40%）、草地（6.98%）和荒漠（1.60%）。盐碱地土壤平均电导率最高（8.55 dS·m-1）,其次为草地（1.28 dS·m-1）、荒漠（0.51 dS·m-1）、耕地（0.48 dS·m-1）和林地（0.18 dS·m-1）。土地利用类型对土壤水盐的垂直分布有显著影响,且土壤水分含量与海拔、...     

甘肃南小河流域土壤水分扩散率单一参数模型的建立及应用

非饱和土壤的水力性质是进行土壤中水分与污染物运移模拟的物理参数,其中土壤水分扩散率是定量模拟土壤水分流动和溶质运移的最重要的参数之一。通过对甘肃省南小河沟流域不同地貌、不同土地利用方式的土壤分层取样,采用水平土柱吸渗法测定各地类的非饱和土壤水分扩散率;运用土壤水分扩散率的单对数模型和双对数模型对试验结果进行分析。结果表明:单对数模型参数具有明显的线性相关,可以建立表征描述南小河沟各地类的土壤水分扩散率的单一参数的单对数模型;进一步从全流域及划分地类后得到的模型参数B与A的关系分析表明它们具有较好的线性关系,可对模型进一步简化为单一参数模型。分析单一参数模型B的统计特征表明:参数B随着地貌类型的变化具有一定的变化特征,可作为土壤水分扩散率空间变异的变异系数。因此,可以用参数B作为反映地貌类型的指标,应用于区域土壤水分扩散率的估计中。     

Land Desertification Status and Developing Trend in the Heihe River Basin

黑河流域土地沙漠化程度与演变过程的空间分异显著,高台、临泽、金塔及额济纳旗等地,沙漠化土地占土地总面积的54.90％～64.30％,生态环境脆弱;民乐、肃南、高台、金塔及额济纳旗境内,严重沙漠化的流动沙丘所占比率较大,约占沙漠化土地面积的22.51％～35.07％,现代沙漠化强烈。近年来,中游地区沙漠化演进呈下降趋势,受气候干暖化和土壤潜在沙漠化环境影响,流域部分地区未来沙漠化将加剧扩展,但流域人类活动对流域沙漠化演变趋势有明显影响。     

黑河流域土地荒漠化及其变化趋势

黑河流域土地沙漠化程度与演变过程的空间分异显著,高台、临泽、金塔及额济纳旗等地,沙漠化土地占土地总面积的54.90%~64.30%,生态环境脆弱;民乐、肃南、高台、金塔及额济纳旗境内,严重沙漠化的流动沙丘所占比率较大,约占沙漠化土地面积的22.51%~35.07%,现代沙漠化强烈。近年来,中游地区沙漠化演进呈下降趋势,受气候干暖化和土壤潜在沙漠化环境影响,流域部分地区未来沙漠化将加剧扩展,但流域人类活动对流域沙漠化演变趋势有明显影响。     

地表径流对荒漠灌丛生境土壤水分空间特征的影响

土壤水分是干旱区多尺度生态水文过程的关键影响因素和驱动因子,其时空格局是生态、水文、气象、地形等自然过程研究的重要参数。笔者研究了降水径流事件后3种不同灌丛个体尺度土壤水分空间异质性特征,结果表明,珍珠灌丛个体尺度土壤水分空间分布特征表现为灌丛边缘>灌丛内部>灌丛间裸地,驼绒藜灌丛表现为灌丛内部>灌丛边缘>灌丛间裸地,而狭叶锦鸡儿灌丛不同微生境土壤水分差异不显著。珍珠和驼绒藜灌丛同一微生境土壤水分存在坡位梯度,珍珠灌丛3个微生境土壤水分均表现为上坡位大于下坡位,而驼绒藜灌丛边缘表现为上坡位小于下坡位,其他两个微生境无明显规律;狭叶锦鸡儿灌丛土壤水分无明显的坡位梯度。3种灌丛不同微生境土壤含水量随土层深度增加的变化不明显。这说明在降水径流事件中,不同斑块的反应差异引起了地表径流的形成以及随之发生的资源再分配,从而导致了景观内土壤水分的空间异质性。     

沙坡头固沙植被若干土壤物理因子的空间异质性研究

采用地统计学的理论和方法,对沙坡头人工植被表层土壤(0~15 cm, 15~30 cm)物理因子的空间异质性进行了研究。传统统计学分析结果显示:土壤水分、容重平均值在0~15 cm层小于 15~30 cm层,毛管持水量、空隙度在0~15 cm层大于15~30 cm层,各因子变异系数在0~15 cm层均大于 15~30 cm层。变异函数分析结果表明:土壤水分、土壤容重、土壤毛管持水量和空隙度在0~15 cm层具有明显的空间异质性,表层土壤水分有效变程最大为28.2 m,土壤毛管持水量有效变程最小为13.8 m,各因子自相关部分的空间异质性变化范围在85.3%~99.9%之间,显著大于随机部分的空间异质性。15~30 cm层土壤容重、毛管持水量、空隙度为线性模型。在 Krig ing插值分析的基础上,绘制了土壤属性各因子的等值分布彩图,清楚直观地表达了各因子在空间上的分布。此外还分析讨论了土壤空间异质性和植被的关系。     

干旱和半干旱区油蒿对土壤空间异质性的响应

空间异质性影响种群的分布和波动。在对数据进行归一化处理的基础上,应用地统计学方法研究干旱和半干旱区两个气候带内油蒿对土壤空间异质性的响应。结果表明：在中等尺度（500 m样线,间隔10 m取样）上,腾格里沙漠沙坡头固定沙地土壤水分的空间异质性大于毛乌素沙地芹河半固定沙地,相应地,沙坡头地段油蒿密度、有机质、全氮和有效磷含量的空间异质性大于芹河地段,因而认为,土壤水分的空间异质性决定油蒿密度的空间异质性,进而又反作用于土壤养分的空间异质性。结合油蒿生物量的空间异质性分析认为,土壤水分的空间异质性并不总是能够影响植物生物量的空间异质性。进一步分析表明,对于沙坡头地区,适当进行放牧或者其他干扰,将有助于增大土壤属性的空间异质性,以促进油蒿植被的持续存在。     

古尔班通古特沙漠南缘干季土壤水分含量空间异质性

土壤水分含量是荒漠植被发育的主要制约因子。对古尔班通古特沙漠南缘个体、群落、丘间地0~100 cm干季土壤水分含量的空间异质性进行分析。结果表明：（1）同尺度下,土壤水分含量随土层深度增加呈显著升高趋势,且表层土壤水分含量的变异系数高于其他土层。（2）个体尺度,梭梭树干基部周围土壤水分含量在垂直和水平方向存在格局分异。垂直方向,土壤水分含量随土层深度增加呈升高趋势。水平方向,随距树干基部距离增加,坡顶土壤水分含量呈升高趋势,坡中和坡底土壤水分含量呈降低趋势,但没有显著差异。（3）梭梭群落尺度上土壤水分含量异质性较强,且呈斑块状分布。（4）地形是影响丘间地尺度土壤水分含量空间分异的主要因素,形成坡底土壤水分含量最高、坡中次之、坡顶最低的空间分布格局。     

Flood hydrograph simulation in ungaged basins: modeling linear–nonlinear storage-discharge relationships in a semiarid mountain region

For the purpose of flood mitigation in a mountain region, this study aims to evaluate the degree of nonlinearity in the hydrologic storage-discharge relationship. The study area includes a mesoscale catchment, its headwater subcatchment, and its large-scale parent basin in the Zagros mountain region of southwestern Iran. Rainfall events are divided into two variable classes, Low Temporal (LT) and High Temporal (HT), based on their heterogeneity across time. For Low Temporal rainfall events, the mesoscale catchment and its headwater subcatchment show strong nonlinear behavior, but their responses tend to be less nonlinear for High Temporal rainfall events. Meanwhile, for High Temporal events, soil moisture has a dominant role in catchment response. On the other hand, a different perspective is drawn for the larger basin because a strong nonlinear response is obtained for all events regardless of temporal heterogeneities and soil moisture conditions, emphasizing the filtering effect of catchment extent on the rainfall–runoff process.     

基于DEM的水文物理过程模拟

基于数字高程模型,考虑流域空间的变异性,建立数字高程流域水系模型。产流子单元的划分、河网水系的生成及其空间拓扑关系的建立,是由计算机自动完成。计算TOPMODEL地形指数ln(a/tgβ)_i的空间累积分布曲线,并对其作无量纲化处理,推求各产流子单元的土壤蓄水容量分布抛物线参数B,构建数字水文模型。全球能量与水循环亚洲季风试验强化观测区—淮河史灌河流域实例研究表明:数字模型不仅可以很好地模拟流域出口断面的径流过程,而且能够模拟土壤水分的变化过程,还可十分方便地输出水文要素和状态变量的空间分布。这对充分利用现有观测信息进行水文数据的深层次挖掘奠定了基础。     

Assessing artificial neural networks coupled with wavelet analysis for multi-layer soil moisture dynamics prediction

Soil moisture simulation and prediction in semi-arid regions are important for agricultural production,soil conservation and climate change.However,considerable heterogeneity in the spatial distribution of soil moisture,and poor ability of distributed hydrological models to estimate it,severely impact the use of soil moisture models in research and practical applications.In this study,a newly-developed technique of coupled(WA-ANN) wavelet analysis(WA) and artificial neural network(ANN) was applied for a multi-layer soil moisture simulation in the Pailugou catchment of the Qilian Mountains,Gansu Province, China.Datasets included seven meteorological factors:air and land surface temperatures,relative humidity,global radiation, atmospheric pressure,wind speed,precipitation,and soil water content at 20,40,60,80,120 and 160 cm.To investigate the effectiveness of WA-ANN,ANN was applied by itself to conduct a comparison.Three main findings of this study were:(1) ANN and WA-ANN provided a statistically reliable and robust prediction of soil moisture in both the root zone and deepest soil layer studied(NSE >0.85,NSE means Nash-Sutcliffe Efficiency coefficient);(2) when input meteorological factors were transformed using maximum signal to noise ratio(SNR) and one-dimensional auto de-noising algorithm(heursure) in WA, the coupling technique improved the performance of ANN especially for soil moisture at 160 cm depth;(3) the results of multi-layer soil moisture prediction indicated that there may be different sources of water at different soil layers,and this can be used as an indicator of the maximum impact depth of meteorological factors on the soil water content at this study site.We conclude that our results show that appropriate simulation methodology can provide optimal simulation with a minimum distortion of the raw-time series;the new method used here is applicable to soil sciences and management applications.     

基于地统计学的甘肃臭草群落土壤水分空间异质性

土壤水分是植被格局形成和演变的主要因素,土壤水分的空间异质性对于认识干旱区草原植物对环境的响应机制具有重要意义.应用地统计学方法,对祁连山北坡甘肃臭草(Melica przewalskyi)退化草地土壤表层含水量的变异性进行研究.结果表明,臭草型退化草地浅层(0 ～30 cm)土壤水分符合正态分布,土壤含水量沿垂直方向逐渐增大,介于9.56％ ～11.21％.各层土壤水分的变异系数分别为12.97％ (0～10 cm)、8.8％ (10～20 cm)和14.09％ (20～30 cm),均属弱变异;0～ 30 cm土壤含水量具有高度的空间异质性,其中34.92％～42.71％的空间异质性是由空间自相关部分引起的,主要体现在16.87 ～ 69.14 m尺度上.在0～ 10 cm土层,引起土壤水分空间变异的主要因素是植被覆盖度的不同,而在10 ～ 30 cm土层,土壤水分空间变异性主要是根系分布的差异引起的.     

Spatial variability of soil moisture content and its relation to environmental indices in a semi-arid gully catchment of the Loess Plateau, China

The degree of spatial variability of soil moisture and the ability of environmental attributes to predict that variability were studied at the Da Nangou catchment (3·5 km²) in the semi-arid loess area of China. Soil moisture measurements were performed biweekly at five depths in the soil profile (0–5 cm, 10–15 cm, 20–25 cm, 40–45 cm and 70–75 cm) from May to October 1998 and from May to September 1999 using Delta-T theta probe. Results indicated that with increasing soil depth, the mean soil moisture content increases significantly for five layers and the coefficients of variation (CV) also increases with depth from 10–15 cm. It was observed that heavier rains and higher mean moisture contents are often associated with lower spatial variability (CV). Environmental attributes such as land use and topography play controlling roles in the spatial distribution of soil moisture content. However, the relative roles of these environmental indices vary with soil depth. The dominant controls on spatial variability of the time-averaged soil moisture changes from land use, aspect, relative elevation and hillslope position in the surface soil (0–5 cm) to relative elevation, hillslope position and aspect in the subsurface soil (10–15 cm, 20–25 cm), and to land use, relative elevation and slope gradient at larger depths (40–45 cm, 70–75 cm). The dynamic behavior of influences of different environmental indices on the layer-averaged soil moisture depends on several factors. In general, the correlation of soil moisture with slope gradient shows a more significant increase following a greater amount of antecedent precipitation (except for the extremely heavy storms), and declines afterwards. The relation of soil moisture with relative elevation and hillslope position exhibits an opposite trend. It was observed that the influence of land use corresponds to the difference in vegetative characteristics, with a stronger influence in June and August with a greater difference in vegetation. A significant influence of cos(aspect) was found during early spring and autumn with a rapid transient in solar irradiation. Finally, it was found that the sample size is adequate to estimate the catchment mean soil moisture at all five depths and on all 10 observations in 1999 (81 sites), while it is only enough for the upper soil layers (0–5 cm and 10–15 cm) in 1998 (26 sites).     

流域尺度土壤水研究进展

占全球粮食产量60%的旱作农业完全依赖土壤水,我国土壤水通量占降水总量的67.2%,传统水资源管理经常忽略土壤水。自李沃维奇首次使用“土壤水资源”的术语和Falkenmark提出“绿水”概念以来,土壤水的重要作用逐渐受到重视。本文介绍了土壤水研究理念和方法的演进,综述了土壤水尺度转换方法,讨论了流域尺度土壤水研究进展;指出目前国内在流域尺度的土壤水研究还局限于小流域尺度评价土壤水分时空分异和建立简单的预测模型,有必要发展较大的流域尺度的基于遥感和GIS的分布式水文模型;流域尺度土壤水评价和预测是流域水平衡和水循环的重要组成部分,也是流域水资源综合管理的主要内容。