纸坊沟流域坡面尺度土壤水分动态变化及其运移数值模拟

发布时间：2020-06-01 23:15

【摘要】：土壤水分是影响植被生存的重要因素。研究土壤水分分布状况及其动态变化和运移特征,有助于揭示植被、坡度等环境因素对土壤水分的作用机制,可为提高土壤水分利用效率、恢复植被和防治水土流失提供理论支持,对于改善干旱区生态环境有重要意义。本文以位于甘肃省平凉市的纸坊沟流域为研究对象,通过对不同坡度、不同植被覆盖类型的7个径流场0~160cm深度土壤水分进行观测,结合降雨、蒸散发等实测资料,从坡面尺度分析了土壤水分空间分布特征、空间自相关性及其主要影响因素,并开展了基于HYDRUS-3D的土壤水分运移数值模拟研究。首先,分析了径流场种植作物玉米、马铃薯不同生长期土壤水分空间分布特征,并利用典范分析法(Canonical Correspondence Analysis,CCA)排序等方法研究土壤水分的主要影响因素。其次,通过计算坡面不同深度的土壤蓄水量,分析了土壤蓄水量的时空变异性。同时,基于HYDRUS-3D进行了土壤水分运移数值模拟,得出0~160cm深度各土层土壤水分模拟值与实测值变化趋势基本一致,各层RMSE值均较小,AVRE值基本接近于1,模拟效果良好。本文主要研究结论如下:1.植被生长前期,长势缓慢,需水量较小;随植株生长发育,对土壤水分的需求逐渐增大。拔节一抽穗—灌浆阶段,是玉米生长发育过程中对土壤水分最敏感的阶段;结薯期,是马铃薯生长发育阶段需水量最大的时期。在植被不同生长阶段,同一土层土壤水分差异较大;受不同生长时期作物根系吸水量及吸收水分深度等影响,0~60cm深度土壤水分动态变化最为显著。2.土壤水分沿深度分布具有一定相似性,各径流场随土层深度增加呈现出先增加后减少趋势。沿坡向低坡度(5°、10°、15°)土壤水分呈先减少后增加趋势,高坡度(25°)呈先增大后减少趋势。3.坡度及植被覆盖类型对不同深度土壤含水率均有较明显影响,其影响主要发生在土壤浅层。相对而言,植被覆盖类型对土壤含水率的影响深度较坡度大,土壤水分坡底聚集效应在0~160cm剖面不明显。4.多因素方差分析及土壤水分变化环境因子CCA排序分析结果得出:对土壤水分影响作用的相对大小顺序为:坡度(29)植被覆盖类型(29)坡位。5.各土层不同时期土壤蓄水量变异系数介于0.11~0.20,土壤蓄水量处于中等变异。40~100 cm、100~160 cm深度土壤蓄水量均显著(p0.05)高于0~40cm深度土壤蓄水量,40~100 cm、100~160 cm深度土壤蓄水量无显著性差异。原因在于0~40cm深度土壤蓄水量受降水、蒸发和下渗等影响剧烈,使得该土层蓄水量远小于深层土壤蓄水量。不同时段、坡面不同深度范围土壤蓄水量均表现出明显空间自相关性,其结构方差大于75%,表明变量空间变异主要由结构性因素决定。土壤蓄水量自相关距离随土层深度先增加后减小。6.基于HYDRUS-3D的0~160cm深度土层土壤含水率模拟值与实测值变化趋势基本一致。根据误差计算结果分析,各层土壤含水率RMSE值均较小,AVRE值基本接近于1,模拟效果总体良好。由土壤含水率PRMSE值判断,0~40cm深度土层土壤含水率PRMSE值大于20%,40~160cm深度PRMSE值小于20%,表明深层土壤水分模拟效果优于浅层。
【图文】：

示意图,纸坊沟流域,取土,出水量

兰州大学硕士学位论文纸坊沟流域坡面尺度土壤水分动态变化及其运移数值模拟其计算公式如下： = （1.4）式中：为进口端恒定水头，5cm；为测定的出水量，g；为出水量的时间，，s；为试验土柱厚度，5cm；为试验土柱截面积，cm3。

示意图,纸坊沟流域,土样,出水量

兰州大学硕士学位论文纸坊沟流域坡面尺度土壤水分动态变化及其运移数值模拟其计算公式如下： = （1.4）式中：为进口端恒定水头，5cm；为测定的出水量，g；为出水量的时间，s；为试验土柱厚度，5cm；为试验土柱截面积，cm3。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S152.7

【参考文献】