黄土丘陵沟壑区土壤水分时空变异及空间模拟
文献类型：学位论文
| 作者 | 姚雪玲 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2012-11 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 傅伯杰 ; 吕一河 |
| 关键词 | 土壤水分 影响因子 稳定性 土壤干化 插值模型 soil moisture factors stability soil drying interpolation model |
| 其他题名 | A Dissertation Submitted to University of Chinese Academy of Sciences In partial fulfillment of the requirement For the degree of Doctor of Natural Science |
| 学位专业 | 生态学 |
| 中文摘要 | 土壤水分空间分布特征是土壤前期含水量模拟和小流域产流机制研究的重要 内容，也是半干旱地区进行生态建设的重要参考。黄土高原广泛存在的土壤干化 问题对人工生态系统的演化发育和可持续性构成严重威胁，但是土壤干化的形成 原因目前还存在争议。另外，黄土高原地区有大量的基于地面点观测的离散土壤 水分数据，然而在水文、农业、生态学研究和应用中，通常需要空间连续数据。 黄土丘陵沟壑区复杂地形的影响使得常规的基于离散点生成空间连续数据的插值 方法都不理想。 本研究在区域、小流域、坡面三个不同空间尺度范围内，分别探讨了降雨、植被、坡位对土壤水分空间分布的影响。分析了黄土丘陵沟壑区土壤水分的时空 稳定特征和各个环境因子对土壤水分的相对影响力，并在此基础上探讨了黄土高 原土壤干化的主导原因和适用于黄土丘陵沟壑复杂地形下的土壤水分空间插值方 法。研究方法是对不同空间范围内的样带和对比样地进行实地取样，用烘干法测 定土壤含水量，并对部分样地进行土壤水分的长期定点观测。得出的主要结论如 下： 1. 坡面上若为同种植被类型，人工乔、灌木林内土壤水分在不同坡位处分布均匀，草地土壤含水量在不同坡位处变异较大，然而并没有出现下坡位>上坡位的 分布规律；坡面上若分布有不同植被类型，土壤水分的空间差异主要表现在不同 植被类型之间，而不是坡位之间。植被对土壤水分的利用削弱或者掩盖了坡位对 土壤水分的影响。因此，在对黄土高原进行土壤水分空间格局模拟时，一些完全 基于地形属性的水文模型（如地形湿度指数模型）应慎用。 2. 小流域内，土壤水分表现出农田>荒草地>人工林地的规律，无论小流域位于半湿润还是半干旱气候背景下，这个规律都普遍存在。以未退耕的农田土壤水分作为参考，退耕10 年后的撂荒草地使土壤水分减少约5%，且主要集中在2m 以上；退耕30 年左右的人工刺槐林使土壤水分减少10%左右，深层土壤水分（0.8-4m）普遍接近当地萎蔫湿度。 3. 区域上，随着空间上降雨量减少188mm，各土地利用类型土壤含水量减少约3%-5%。若以空间变化推测时间变化，可以预估，随着黄土高原的气候旱化过 程，土壤也会随之干化。但是黄土高原气候干旱化是一个非常缓慢的过程，其对 土壤水分的影响非常缓和微弱，并且自然形成的干化并没有影响到生态系统的健 康发育和演替。相对而言，人工林在30 年内使深层土壤水分急剧减少10%以上，土壤水分普遍接近萎蔫湿度，直接威胁着人工林自身的持续生存和自我更新。我们认为，气候干化形成了土壤干化的大趋势，但是目前备受关注的对生态系统构成威胁的干化问题，主要还是由人工植被引起。 4. 对五种植被类型１ｍ深土壤水分进行的长期定点监测发现，20cm 以上土层 土壤含水量在降雨-蒸发的交替影响下繁频波动，时空格局稳定性较差。40cm 以下，随着深度增加，土壤水分的时空稳定性增强。在100cm 土层，各植被类型土壤含水量在整个雨季仅出现四次明显波动，土呈现出明显的稳定特征。通过对山峁上不同地形部位和植被类型下93 个采样点的土壤水分在雨季前后的变动情况进行调查，发现雨季使土壤含水量整体提高，然而各坡位点的土壤含水量高处仍高，低处仍低，空间分布格局并没有根本改变。相关分析结果也说明黄土高原土壤水分的空间格局具有显著的稳定特征。因此，黄土高原深层土壤水分的空间格局不仅仅是一种“瞬时”现象，而是具有一定稳定性和代表性的。这为土壤水分空间格局研究的现实意义提供重要支持。 5. 复杂地形下破碎的环境因子导致土壤水分的空间连续性较差，因此仅基于空间自相关的插值模型（回归克里格和反距离加权）在复杂地形下插值效果不理想。基于与环境因子异相关性的插值模型（多元线性回归）在复杂地形下插值精 度较好，但是土壤水分在不同植被类型边界和阴阳坡交界处出现突变，不符合土 壤水分在小范围内的流动渐变特征。结合了空间自相关和空间异相关的回归克里 格模型在充分体现出土壤水分随着环境因子变化的同时，又体现出土壤水分在小 范围内渐变的特点，具有较高的模拟精度，是一种适用于黄土丘陵复杂地形下的 更为理想的插值模型。 |
| 公开日期 | 2014-05-07 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/7185]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_城市与区域生态国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 姚雪玲. 黄土丘陵沟壑区土壤水分时空变异及空间模拟[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2012. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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