典型岩溶石漠化区土壤剖面水分和温度动态规律及传输特征
发布时间：2022-01-23 11:02
针对岩溶石漠化地区土壤含水量（Soil Water Content,SWC）和土壤温度（Soil Temperature,ST）的野外连续监测及相关研究较少,为深入探讨岩溶石漠化地区SWC和ST的动态变化规律及其耦合特征,在云南省蒙自市岩溶断陷盆地的典型高原石漠化地区择点,对气象因素和10 cm,40 cm,80 cm深度SWC,ST进行了一整年连续监测,结合多元统计和水热传输理论进行了分析。结果表明:（1）高原石漠化地区不同深度的SWC在非集中降雨期浅层大于深层,集中降雨期深层大于浅层。降雨停止后SWC迅速衰减至初始状态,浅层土壤干湿交替迅速,集中降雨有利于深层SWC补给;（2）基于多元统计的冗余分析（Redundancy Analysis,RDA）讨论了SWC和ST的影响因素,结果表明SWC的影响因素主要为降雨、日累计辐射、气温和蒸散发,ST的影响因素主要为气温,降雨对于SWC的方差解释率仅为39.5%,而气温对于ST方差解释率为77.4%;（3）在土壤物质与能量传输方面,越靠近地表的土壤在热传导方面作用越明显、热储存作用越弱,0—40 cm深度的土壤基本为向下传热层,40—80 ...
【文章来源】：水土保持研究. 2020,27(05)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
蒙自市岩溶断陷盆地及研究区位置示意图
图2为剖面上SWC和ST一整年不同深度Kriging插值结果。多数时间土层深度越深则SWC越低,夏秋季(110～260 d)集中降雨期则有足够长的时间允许土壤水分入渗补给深层土壤,使得深层SWC超过表层,降雨停止后SWC迅速衰减至初始状态(图2A)。表层10 cm土壤由于受大气温度和太阳辐射直接影响而ST变化较为剧烈,40 cm和80 cm处ST较为稳定。此外,春冬季ST均为深层更高,而夏秋季则表层更高,ST存在季节性差异(图2B)。图中等值线向右倾斜的趋势可反映出土壤水分和热量传输过程引起的SWC和ST延迟响应特点。SWC及ST受诸多气象因素的直接或间接影响,各影响因子并非独立变量。在数据中心化和标准化处理基础上采用RDA进行分析。其中潜在蒸散发量(Potential Evapotranspiration,ET)利用太阳辐射、风速、气温等数据基于Penman-Monteith公式计算。气象因素与SWC和ST的RDA排序结果见图3,图中矢量箭头之间的夹角余弦值为相关系数,夹角小于90°表明正相关,夹角越小相关性越大;夹角等于90°表明两变量完全不相关;夹角大于90°表明为负相关。排序轴(约束轴)是一种虚拟轴,表示环境变量的线性组合,反映一定的环境因子梯度。根据排序轴可计算各环境变量对于相应变量方差的解释率和贡献率。
气象因素与SWC的排序结果表明:(1) 降雨量与表层10 cm的SWC相关性小于40 cm,80 cm,降雨对于深层SWC影响更大。产生这种现象的原因在于深层土壤初始SWC较低,在降雨集中期则迅速增加(图3A),从而表现出与降雨的强相关;(2) 气温、蒸汽压和空气湿度与SWC正相关,尤其与10 cm的SWC相关性较大,上述变量实际上受控于气候季节性变化,不一定直接引起SWC变化,属于间接相关。气象因素与ST之间的相关分析(图3B)表明:(1) 多数气象因素与ST均为正相关,仅大气压与ST负相关,实际上蒸汽压、气压与气温之间有直接关系,大气压与ST的负相关以及蒸汽压与ST的正相关均为气温与ST之间关系的间接表现;(2) 气温与10 cm的ST相关性大于40 cm和80 cm,表明深层ST对于气温变化的响应慢于浅层。图3中有一些气象因素环境变量并不直接引起SWC和ST变化,故采用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)得到主环境变量为雨量、潜在蒸散发(ET)、日累计辐射(太阳辐射)和气温,然后基于约束排序法RDA分析主环境变量对于所有SWC和ST变化的解释率。过程中对于主环境变量按照重要性排位,依次加入分析后获得的校正R2减去上一次的校正R2,此时分配的R2所占比例即为当前环境变量的解释率。根据排序结果,前两轴对于SWC累计拟合方差解释率为99.85%,对于ST为99.93%。4个主环境变量的解释率以及与前两个排序轴的相关系数见表1,降雨量对于SWC的解释率为39.5%,气温对于ST的解释率高达77.4%,降雨量和气温分别为SWC,ST的主控因素。
【参考文献】：
期刊论文
[1]云南岩溶区降水变化的气候特征[J]. 丁文荣,曾学梅. 水资源与水工程学报. 2019(01)
[2]断陷盆地生态环境地质分异及石漠化演变机理的研究途径[J]. 李强,蒲俊兵,黄妮,杜红梅,祁向坤,王力,杨慧. 地球科学进展. 2017(09)
[3]喀斯特断陷盆地石漠化演变及治理技术与示范[J]. 曹建华,邓艳,杨慧,蒲俊兵,朱同彬,蓝芙宁,黄芬,李建鸿. 生态学报. 2016(22)
[4]景观格局与水土流失的尺度特征与耦合方法[J]. 傅伯杰,徐延达,吕一河. 地球科学进展. 2010(07)
[5]喀斯特石漠化地区土壤含水量变化影响因素分析——以贵州省普定县为例[J]. 王思砚,苏维词,范新瑞,李灿,史雪廷. 水土保持研究. 2010(03)
[6]黔中典型岩溶石漠化地区土壤水分动态变化规律研究[J]. 范新瑞,苏维词,鄢贵权,曹欢. 水土保持研究. 2009(02)
[7]西南喀斯特石漠化过程对土壤水分特性的影响[J]. 李孝良,陈效民,周炼川,方堃. 水土保持学报. 2008(05)
[8]浅层包气带水汽昼夜运移规律及其数值模拟研究[J]. 曾亦键,万力,苏中波,Hirotaka Saito,王旭升,曹文炳. 地学前缘. 2008(05)
[9]喀斯特洼地表层土壤水分的空间异质性及其尺度效应[J]. 张继光,陈洪松,苏以荣,张伟,孔祥丽. 土壤学报. 2008(03)
[10]含水量变化对土壤温度和水分交换的影响研究[J]. 李慧星,夏自强,马广慧. 河海大学学报(自然科学版). 2007(02)
博士论文
[1]旱区土气界面水热传输机理及对包气带水热运移的影响[D]. 安可栋.长安大学 2016
[2]土壤水的监测技术方法与运移规律研究[D]. 贾志峰.长安大学 2014
[3]浅层包气带水—汽—热耦合运移规律及其数值模拟研究[D]. 曾亦键.中国地质大学(北京) 2012
[4]土壤中的相变传热传质研究及植物根系生长的仿真模拟[D]. 刘炳成.华中科技大学 2004
本文编号：3604216
【文章来源】：水土保持研究. 2020,27(05)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
蒙自市岩溶断陷盆地及研究区位置示意图
图2为剖面上SWC和ST一整年不同深度Kriging插值结果。多数时间土层深度越深则SWC越低,夏秋季(110～260 d)集中降雨期则有足够长的时间允许土壤水分入渗补给深层土壤,使得深层SWC超过表层,降雨停止后SWC迅速衰减至初始状态(图2A)。表层10 cm土壤由于受大气温度和太阳辐射直接影响而ST变化较为剧烈,40 cm和80 cm处ST较为稳定。此外,春冬季ST均为深层更高,而夏秋季则表层更高,ST存在季节性差异(图2B)。图中等值线向右倾斜的趋势可反映出土壤水分和热量传输过程引起的SWC和ST延迟响应特点。SWC及ST受诸多气象因素的直接或间接影响,各影响因子并非独立变量。在数据中心化和标准化处理基础上采用RDA进行分析。其中潜在蒸散发量(Potential Evapotranspiration,ET)利用太阳辐射、风速、气温等数据基于Penman-Monteith公式计算。气象因素与SWC和ST的RDA排序结果见图3,图中矢量箭头之间的夹角余弦值为相关系数,夹角小于90°表明正相关,夹角越小相关性越大;夹角等于90°表明两变量完全不相关;夹角大于90°表明为负相关。排序轴(约束轴)是一种虚拟轴,表示环境变量的线性组合,反映一定的环境因子梯度。根据排序轴可计算各环境变量对于相应变量方差的解释率和贡献率。
气象因素与SWC的排序结果表明:(1) 降雨量与表层10 cm的SWC相关性小于40 cm,80 cm,降雨对于深层SWC影响更大。产生这种现象的原因在于深层土壤初始SWC较低,在降雨集中期则迅速增加(图3A),从而表现出与降雨的强相关;(2) 气温、蒸汽压和空气湿度与SWC正相关,尤其与10 cm的SWC相关性较大,上述变量实际上受控于气候季节性变化,不一定直接引起SWC变化,属于间接相关。气象因素与ST之间的相关分析(图3B)表明:(1) 多数气象因素与ST均为正相关,仅大气压与ST负相关,实际上蒸汽压、气压与气温之间有直接关系,大气压与ST的负相关以及蒸汽压与ST的正相关均为气温与ST之间关系的间接表现;(2) 气温与10 cm的ST相关性大于40 cm和80 cm,表明深层ST对于气温变化的响应慢于浅层。图3中有一些气象因素环境变量并不直接引起SWC和ST变化,故采用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)得到主环境变量为雨量、潜在蒸散发(ET)、日累计辐射(太阳辐射)和气温,然后基于约束排序法RDA分析主环境变量对于所有SWC和ST变化的解释率。过程中对于主环境变量按照重要性排位,依次加入分析后获得的校正R2减去上一次的校正R2,此时分配的R2所占比例即为当前环境变量的解释率。根据排序结果,前两轴对于SWC累计拟合方差解释率为99.85%,对于ST为99.93%。4个主环境变量的解释率以及与前两个排序轴的相关系数见表1,降雨量对于SWC的解释率为39.5%,气温对于ST的解释率高达77.4%,降雨量和气温分别为SWC,ST的主控因素。
【参考文献】：
期刊论文
[1]云南岩溶区降水变化的气候特征[J]. 丁文荣,曾学梅. 水资源与水工程学报. 2019(01)
[2]断陷盆地生态环境地质分异及石漠化演变机理的研究途径[J]. 李强,蒲俊兵,黄妮,杜红梅,祁向坤,王力,杨慧. 地球科学进展. 2017(09)
[3]喀斯特断陷盆地石漠化演变及治理技术与示范[J]. 曹建华,邓艳,杨慧,蒲俊兵,朱同彬,蓝芙宁,黄芬,李建鸿. 生态学报. 2016(22)
[4]景观格局与水土流失的尺度特征与耦合方法[J]. 傅伯杰,徐延达,吕一河. 地球科学进展. 2010(07)
[5]喀斯特石漠化地区土壤含水量变化影响因素分析——以贵州省普定县为例[J]. 王思砚,苏维词,范新瑞,李灿,史雪廷. 水土保持研究. 2010(03)
[6]黔中典型岩溶石漠化地区土壤水分动态变化规律研究[J]. 范新瑞,苏维词,鄢贵权,曹欢. 水土保持研究. 2009(02)
[7]西南喀斯特石漠化过程对土壤水分特性的影响[J]. 李孝良,陈效民,周炼川,方堃. 水土保持学报. 2008(05)
[8]浅层包气带水汽昼夜运移规律及其数值模拟研究[J]. 曾亦键,万力,苏中波,Hirotaka Saito,王旭升,曹文炳. 地学前缘. 2008(05)
[9]喀斯特洼地表层土壤水分的空间异质性及其尺度效应[J]. 张继光,陈洪松,苏以荣,张伟,孔祥丽. 土壤学报. 2008(03)
[10]含水量变化对土壤温度和水分交换的影响研究[J]. 李慧星,夏自强,马广慧. 河海大学学报(自然科学版). 2007(02)
博士论文
[1]旱区土气界面水热传输机理及对包气带水热运移的影响[D]. 安可栋.长安大学 2016
[2]土壤水的监测技术方法与运移规律研究[D]. 贾志峰.长安大学 2014
[3]浅层包气带水—汽—热耦合运移规律及其数值模拟研究[D]. 曾亦键.中国地质大学(北京) 2012
[4]土壤中的相变传热传质研究及植物根系生长的仿真模拟[D]. 刘炳成.华中科技大学 2004
本文编号：3604216
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