黄土丘陵区小流域土壤分离能力空间变异

发布时间：2017-09-20 19:04

  本文关键词：黄土丘陵区小流域土壤分离能力空间变异

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【摘要】：土壤侵蚀包括土壤分离、泥沙输移和泥沙沉积三大过程。土壤分离作为土壤侵蚀的初始阶段,是指在降雨击溅和径流冲刷作用下,土壤颗粒脱离土体,离开原始位置的过程,因而为泥沙输移和沉积过程提供物质准备。土壤分离过程发生在土壤表面,从而土壤属性对土壤分离过程影响较大。由于土壤是连续的时空变异体,具有高度的空间异质性,所以土壤属性在空间分布上的这种不均质性可能会引起土壤分离能力空间分布上的差异性,但是关于土壤分离能力的空间变异情况及其影响机制尚不明确,有待进一步研究。论文以黄土丘陵区纸坊沟小流域为研究对象,在浅沟发育坡面设置202个采样点,采集土壤分离样品606个,在流域上选择不同土壤类型、土地利用方式和植被类型相组合下的样点29个,采集土壤分离样品696个,同时测定每个采样点的土壤质地、容重、粘结力、水稳性团聚体、有机质、根重密度和枯落物密度。利用变坡试验水槽,借助经典统计学、地统计学、状态空间模拟等理论和方法,系统研究了浅沟发育、土壤类型和土地利用方式对土壤分离能力的影响,分析土壤分离能力和细沟可蚀性的空间变异及其影响机制,主要研究结果如下:(1)明确了浅沟发育坡面土壤分离能力的空间变异及其影响机制。浅沟发育坡面土壤分离能力变化范围为0.0004-1.25 kg m-2 s-1,均值为0.22 kg m-2 s-1,变异系数表明土壤分离能力在坡面尺度上属于强变异;坡面不同坡位土壤分离能力存在显著性差异,然而这种差异并不是由浅沟发育引起的,主要是由浅沟形成前坡面原本的土壤性状和后期的植被恢复造成的;地统计分析表明,土壤分离能力具有中等程度空间依赖性,采样间距对其空间结构影响显著,随着采样间距的减小,块金值在减小,而系统变异、变程和空间依赖性增大;土壤分离能力空间分布图表明,下坡土壤分离能力显著大于坡顶、上坡和中坡,因而成为水土流失治理的重点区域;土壤分离能力与粘粒、砂粒含量、土壤颗粒中值直径、容重、粘结力、水稳性团聚体和枯落物密度呈显著相关关系,主成分和最小数据组分析结果表明,土壤颗粒中值直径、容重和枯落物密度是影响坡面土壤分离能力的主控因子。(2)运用状态空间方程对2m和10m采样间距下土壤分离能力进行了较好的模拟。在2m采样间距下,土壤分离能力与砂粒含量和有机质呈显著正相关,与粘粒含量、容重、粘结力、水稳性团聚体和枯落物密度呈显著负相关;而在10m采样间距下,土壤分离能力仅与砂粒含量呈显著正相关,与粘粒含量、容重、粘结力、水稳性团聚体和枯落物密度呈显著负相关。2m采样间距下,各变量均存在显著空间自相关性,土壤分离能力同时与各变量(粉粒含量除外)存在显著交互相关关系;10m采样间距下,空间关系发生了变化,粉粒含量、有机质和枯落物密度的空间自相关性不显著,土壤分离能力仅与粘粒、砂粒含量、容重和粘结力存在显著交互相关性;在2m和10m采样间距下,使用相同的变量,状态空间方程在模拟土壤分离能力空间变异时均要优于经典统计的线性回归模型,尤其是在2m采样间距下的模拟结果更好,状态空间方程是一种模拟黄土高原坡面土壤分离能力的有效工具。(3)不同土壤类型和土地利用方式下土壤分离能力存在显著性差异。对于红胶土和黄绵土两种土壤类型,黄绵土土壤分离能力均值是红胶土的1.49倍;红胶土耕地的土壤分离能力最大,其值分别是灌木、果园和草地的5.57、5.85和34.08倍;黄绵土耕地也是最易侵蚀的土地利用类型,其土壤分离能力均值分别是果园、灌木、林地、草地和荒地的7.14、12.29、25.78、28.45和46.43倍;土壤分离能力主要受土壤属性、根系和耕作方式的影响,相关分析表明,土壤分离能力与水流剪切力、水流功率和粉粒含量呈显著正相关,与砂粒含量、粘结力、水稳性团聚体、中值直径、有机质和根重密度呈显著负相关;土壤分离能力可由水流功率、坡度、容重、中值直径、粉粒含量、粘结力和根重密度进行较好的模拟(r2=0.89,nse=0.89)。(4)细沟可蚀性受土壤类型和土地利用方式的显著影响。不同土壤类型下细沟可蚀性差异显著,黄绵土细沟可蚀性是红胶土的1.5倍;红胶土耕地的细沟可蚀性最大,其后依次为果园、灌木和草地;黄绵土耕地也具有最大的细沟可蚀性,其值分别是果园、灌木、林地、草地和荒地的9.31、11.68、26.32、29.10和42.41倍;粉粒含量、土壤粘结力、水稳性团聚体、有机质和根重密度对细沟可蚀性具有显著性影响,随着粉粒含量的增大,细沟可蚀性呈增大的趋势,而随着粘结力、水稳性团聚体、有机质和根重密度的增大,呈变小的趋势;WEPP模型预测方程对细沟可蚀性的模拟结果偏小,由粘结力、水稳性团聚体和根重密度组成的非线性方程可对细沟可蚀性进行较好的预测(R2=0.86,NSE=0.83)。(5)自1938-2010年,纸坊沟小流域细沟可蚀性经历了先迅速增大后逐渐减小的过程,表现出显著的年际变化。细沟可蚀性随年份呈开口向下的二次抛物线形状,其数值自1938年的0.047 s m-1迅速增加到1958年的0.192 s m-1,随后逐渐递减,到2010年细沟可蚀性降至0.039 s m-1。1938年流域细沟可蚀性整体较小,侵蚀严重区域仅零星分布;1958到1978年的流域细沟可蚀性普遍较大,特别是流域中上游地区;1987和1990年流域下游的细沟可蚀性较1978年变化不大,而上游的细沟可蚀性有所减弱;随着退耕还林(草)工程的实施,2000和2010年流域细沟可蚀性的格局发生了根本性变化,流域细沟可蚀性整体较小。细沟可蚀性受土地利用变化的影响较大,细沟可蚀性与耕地面积呈显著正相关,而与灌木和林地面积呈显著负相关。
【关键词】：坡面 小流域 土壤分离 细沟可蚀性 空间变异 黄土丘陵区
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（教育部水土保持与生态环境研究中心）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S157.1
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-9
• ABSTRACT9-16
• 第1章 绪论16-43
• 1.1 选题背景及意义16-17
• 1.2 国内外研究进展17-42
• 1.2.1 土壤分离能力影响因素17-27
• 1.2.2 土壤分离能力预测27-28
• 1.2.3 细沟可蚀性影响因素28-34
• 1.2.4 土壤分离能力空间变异34-42
• 1.3 存在不足42-43
• 第2章 研究内容与方法43-55
• 2.1 研究区概况43-44
• 2.2 研究目标44
• 2.3 研究内容44-45
• 2.3.1 浅沟发育坡面土壤分离能力空间变异44
• 2.3.2 不同土壤类型和土地利用方式对土壤分离能力的影响44
• 2.3.3 不同土壤类型和土地利用方式对细沟可蚀性的影响44-45
• 2.3.4 小流域细沟可蚀性时空变异45
• 2.4 研究方法45-55
• 2.4.1 试验设计45-48
• 2.4.2 土壤分离能力试验48-51
• 2.4.3 细沟可蚀性计算51-52
• 2.4.4 土壤理化性质测定52-54
• 2.4.5 技术路线54-55
• 第3章 浅沟发育坡面土壤分离能力空间变异55-70
• 3.1 材料与方法56-58
• 3.2 土壤分离能力描述性统计分析58-62
• 3.2.1 土壤分离能力及影响因素的统计特征值58
• 3.2.2 不同坡位和浅沟部位土壤分离能力差异58-62
• 3.3 土壤分离能力空间变异特征62-66
• 3.3.1 地统计学分析62-64
• 3.3.2 土壤分离能力空间分布特征64-66
• 3.4 土壤分离能力影响因素66-68
• 3.4.1 相关分析66
• 3.4.2 主成分与最小数据组分析66-68
• 3.5 本章小结68-70
• 第4章 浅沟发育坡面土壤分离能力状态空间模拟70-87
• 4.1 状态空间模拟方法70-72
• 4.2 土壤分离能力变异程度72-73
• 4.3 土壤分离能力自相关和交互相关分析73-78
• 4.3.1 自相关分析73-76
• 4.3.2 交互相关分析76-78
• 4.4 土壤分离能力状态空间模拟78-83
• 4.4.1 2m采样间距下状态空间方程78-81
• 4.4.2 10m采样间距下状态空间方程81-83
• 4.5 状态空间模拟与线性回归模拟比较83-86
• 4.6 本章小结86-87
• 第5章 土壤类型和土地利用方式对土壤分离能力的影响87-102
• 5.1 材料和方法87-89
• 5.1.1 样点布设和样品测定87
• 5.1.2 数据处理和统计分析87-89
• 5.2 不同土壤类型下土壤分离能力的差异89-90
• 5.3 不同土地利用方式下土壤分离能力的差异90-92
• 5.3.1 红胶土上不同土地利用方式下土壤分离能力的差异90
• 5.3.2 黄绵土上不同土地利用方式下土壤分离能力的差异90-92
• 5.4 小流域土壤分离能力空间变异影响因素92-98
• 5.4.1 水动力学参数92-94
• 5.4.2 土壤属性94-97
• 5.4.3 根系97-98
• 5.5 土壤分离能力模拟98-100
• 5.6 本章小结100-102
• 第6章 土壤类型和土地利用方式对细沟可蚀性的影响102-117
• 6.1 细沟可蚀性的计算102-108
• 6.2 不同土壤类型下细沟可蚀性的差异108-109
• 6.3 不同土地利用方式下细沟可蚀性的差异109-111
• 6.3.1 红胶土上不同土地利用方式下细沟可蚀性的差异109
• 6.3.2 黄绵土上不同土地利用方式下细沟可蚀性的差异109-111
• 6.4 细沟可蚀性空间变异影响因素111-114
• 6.5 细沟可蚀性模拟114-116
• 6.6 本章小结116-117
• 第7章 小流域细沟可蚀性时空变异117-124
• 7.1 数据与方法117-118
• 7.2 细沟可蚀性空间分布及其变化118-120
• 7.3 细沟可蚀性年际变化120-121
• 7.4 土地利用变化对细沟可蚀性的影响121-123
• 7.5 本章小结123-124
• 第8章 主要结论、进展及有待进一步研究的问题124-127
• 8.1 主要结论124-125
• 8.2 主要进展125-126
• 8.3 有待进一步研究的问题126-127
• 主要参考文献127-150
• 作者简介150-151

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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