黄土高塬沟壑区坡地水量转换的空间变异性

发布时间：2018-02-03 14:16

本文关键词： 坡面植被类型水量平衡土壤水分蒸散黄土高塬沟壑区　出处：《西北农林科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：植被恢复措施有效地减少了黄土高原的水土流失,但大面积的植被种植也产生了一些负面影响,比如土壤干燥化。土壤水分是该区植被生长的关键限制性因子,对植被恢复和生态建设具有重要影响,同时坡面是黄土高原最基本的地貌单元,研究坡面土壤水分的分布特征及水量转换过程可以揭示土壤水分循环的驱动机制,从而可为土壤水资源的有效管理和植被恢复可持续性提供科学依据。本研究以黄土高塬沟壑区王东沟小流域为研究区,选取典型刺槐林坡面布设2条样线,并设置了8种植被类型(草地、沙棘、油松、侧柏、沙棘+油松、沙棘+刺槐、油松+刺槐、侧柏+刺槐)径流小区,通过定位监测和室内分析,结合经典统计、地统计学、状态空间模拟、时间稳定性分析、水量平衡和Hydrus-1D模型模拟等方法,研究了典型刺槐林坡面土壤水分的时空分布及时间稳定性特征,运用状态空间方程对土壤储水量进行了模拟,探究了实际蒸散及日蒸散的坡面分布特征,并定量分析了相同坡位8种不同植被恢复类型水量转化各分量(土壤储水量、地表径流量和蒸散量)的差异性,主要结论如下:(1)在刺槐林坡面上,0-1、1-2和2-3 m土壤含水量存在中等程度变异,且不同土层的土壤含水量之间存在显著性差异(P0.05)。沿坡面方向,0-1、1-2和2-3 m土层土壤含水量变化相似,但1-2 m和2-3 m土层土壤含水量比0-1 m土层变异要小。对不同土层土壤含水量的半方差函数进行拟合,发现0-1、1-2和2-3 m土层土壤含水量的最优拟合模型分别为高斯模型、指数模型和指数模型,决定系数R2均在0.9以上。半方差函数表明,0-1 m土层土壤含水量呈现中等程度的空间依赖性,1-2和2-3 m土层土壤含水量则表现为较强的空间依赖性。土壤含水量受海拔高度、粘粒、粉粒含量、土壤容重和叶面积指数的显著影响(P0.05),而受砂粒含量和饱和导水率的影响不大(P0.05)。(2)运用状态空间方程实现了对不同土层深度土壤储水量的精确模拟。坡面土壤储水量有较强的空间自相关性,并与海拔高度、粘粒、粉粒含量和分形维数之间存在显著空间交互相关性。最优状态空间方程可解释98.8%土壤储水量的空间变异,而线性回归方程仅可解释64.2%的变异。海拔高度和粘粒含量的双因素状态空间方程对土壤储水量的模拟精度最高,并能对B样线土壤储水量进行有效的模拟。因此,由地形和土壤性质建立的状态空间方程可用于黄土高塬沟壑区坡地不同土层深度土壤储水量的模拟。(3)运用Spearman秩相关和相对差分方法分析了坡面土壤储水量的时间稳定性特征。浅层(0-1 m)土壤储水量随时间变异较大,而深层(2-3 m)土壤储水量在空间上变异较大。土壤储水量时间上的变异性随着土层深度的增加在降低,而空间上的变异随土层深度的增加在增强。Spearman秩相关系数表明深层土壤的时间稳定性特征较浅层土壤更强。通过比较最小平均相对差分(MRD)、相对差分标准差(SDRD)、时间稳定性指数(ITS)和平均绝对偏差误差(MABE)四个指标确定各层土壤储水量的时间最稳定性点,发现ITS指标所确定的时间最稳定性点能最好的预测平均土壤储水量。将ITS确定的时间最稳定性点应用于B样线验证,能解释土壤储水量91%以上的空间变异。土壤储水量的时间稳定性与海拔高度、饱和导水率和植被叶面积显著相关(P0.05),而与土壤质地未达到显著相关关系(P0.05)。(4)在刺槐林坡面上,2014和2015年的实际蒸散量均值分别为424.4和474.2 mm,2014年坡面实际蒸散量存在弱变异(7.5%),而2015年则为中等程度变异(10.4%)。球状模型可很好地反映坡地实际蒸散的空间变异结构,该模型在2014和2015年的决定系数分别为0.95和0.96。运用Hydrus-1D模型对日蒸散量进行模拟,年内6-8月的日蒸散量普遍高于5月及9-10月日蒸散量,坡面日蒸散量呈中等程度变异,变异系数在47.79%-56.28%之间变化。蒸散量与海拔高度、砂粒含量和叶面积指数呈现显著相关关系(P0.05),而与粘粒、粉粒含量、土壤容重和饱和导水率未达到显著相关性(P0.05)。(5)对陡坡地8种植被类型下水量平衡各组分(土壤储水量、地表径流量和蒸散量)的差异性进行定量研究,发现在8种植被类型中,无论是浅层(0-2 m)还是深层土壤(2-5m),草地的土壤含水量和土壤储水量均表现为最高。草地和沙棘均可有效减少地表径流量,而侧柏和侧柏+刺槐小区的径流流失量较大。土壤水分和蒸散量在不同植被类型下变化较大,只有草地径流小区的土壤水分处于盈余状态。因此,黄土高塬沟壑区最优植被恢复类型的选取要考虑植被的水量平衡情况。
[Abstract]:The paper studies the spatial - temporal distribution and temporal stability characteristics of soil moisture in the loess plateau . The results show that the soil moisture content in the soil layer of 0 - 1 , 1 - 2 and 2 - 3 m is more than 0 . 9 . The results show that the soil moisture content in the soil layer is 0 - 1 , 1 - 2 and 2 - 3 m . The temporal stability characteristics of soil water storage in different soil layers can be predicted by using the state space equation . ( 3 ) The temporal stability of soil water storage is higher than that of shallow soil . The temporal stability of soil water storage is 424.4 and 474.2 mm , and the actual evapotranspiration in soil water storage is moderately variable ( 7.5 % ) . ( 5 ) A quantitative study on the difference of soil water content , surface runoff and evapotranspiration was carried out on 8 planting types in steep slope . It was found that the soil water content and soil water storage capacity were the highest in 8 planting types , whether the shallow layer ( 0 - 2 m ) or deep soil ( 2 - 5m ) , the soil moisture content and the soil water storage capacity of the grassland . The soil moisture and evapotranspiration varied greatly under different vegetation types , and only the soil moisture of the grassland runoff plot was in the surplus state . Therefore , the selection of the optimal vegetation restoration type in the loess plateau gully region should take into account the water balance of the vegetation .

【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S152.7

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