基于SHAW模型的黄土高原半干旱区农田土壤水分动态模拟

黄土高原半干旱区土壤蒸发强烈,准确地掌握土壤水分动态对于旱地农业水分管理至关重要。应用基于物理基础的一维水热耦合SHAW（The Simultaneous Heat and Water）模型,模拟了陕西子洲岔巴沟流域1964～1967年土壤水分和土壤蒸发的动态特征,以及神木六道沟流域2006年坡地和梯田土壤水分变化。结果表明,除表层土壤水分模拟结果偏差较大,其他土层模拟值与实测值基本吻合,模拟期土壤水分模拟的相对平均绝对误差（Relatively Mean Absolutely Error,RMAE）为5.2%～11.4%。1964～1967年土壤累积蒸发量模拟值与实测值平均相对偏差为0.8%～6.1%,土壤蒸发的模拟值与实测值较为一致。因此,SHAW模型可以用于黄土高原半干旱区农田土壤水分动态规律研究。     

SHAW模型模拟积雪覆盖下土壤热过程的不确定性分析

为探究SHAW(Simultaneous heat and water)模型中输入参数不确定性在模拟积雪覆盖条件下土壤热过程中对输出结果造成的影响以及关键影响因素，以松嫩平原黑土区东北农业大学试验场为研究区域，运用SHAW模型模拟积雪覆盖条件下6个不同深度土层热过程动态变化情况，并结合拉丁超立方取样(Latinhypercubesampling,LHS)方法，采用标准秩逐步回归探究参数不确定性对土壤冻结深度和温度输出不确定性的影响。结果表明：SHAW模型能够反映土壤冻融规律，6个深度土层温度的模拟值与实测值平均绝对误差小于2℃，选取的参数对土壤温度的输出敏感性较弱，而初始积雪厚度对土壤冻结深度的输出起主导作用。总体而言，SHAW模型基于LHS抽样和标准秩逐步回归方法可用于模拟积雪覆盖条件下土壤热过程模拟研究。     

科尔沁沙坨地-草甸地冻融期地温与最大冻结深度的变化规律

[目的]探究科尔沁沙坨地—草甸地土壤温度与冻结深度的变化规律,为合理指导该区农工生产和建设提供支持。[方法]基于2007—2015年冻融期人工观测数据,对比分析科尔沁沙坨地与草甸地冻融期多年土壤温度与最大冻结深度变化规律。[结果]研究区100cm处沙坨地与草甸地多年土壤温度的标准差变化规律基本一致,草甸地要小于沙坨地,但融解后期由于草甸地融解期历时较长,其标准差大于沙坨地;同时考虑土壤温度和土壤水分对最大冻结深度的影响时,沙坨地在200cm处和草甸地在140cm处的R2分别为0.959和0.788。[结论]研究区内沙坨地先冻结与先融解,沙坨地最大冻结深度较草甸地深,同时考虑土壤温度与土壤水分的最大冻结深度的拟合优度最好,沙坨地与草甸地中最大冻结深度与土壤温度和土壤水分均呈负相关关系。     

科尔沁沙地不同土地利用类型土壤入渗特征比较研究

[目的] 探究科尔沁沙地不同土地利用类型土壤入渗特征的差异,为干旱—半干旱区包气带水分与物质运移等相关研究提供科学参考。[方法] 利用双环入渗仪野外实测和室内土壤物理性质分析相结合的方法,研究了科尔沁沙地具有代表性的8种土地利用类型(樟子松林地、小叶锦鸡儿林地、白柠条林地、撂荒草地、草甸草地、疏林草地、玉米农田以及裸沙地)土壤入渗特征及其影响因素,同时采用Kastiakov模型、Horton模型、Philip模型和G-P综合模型对其水分入渗过程进行了拟合,比较其拟合优度。[结果] ①不同土地利用类型土壤入渗特征存在显著差异,初始入渗率变化范围为1.595～12.020 mm/min,由大到小依次为：裸沙地>白柠条林地>玉米农田>樟子松林地>小叶锦鸡儿林地>草甸草地>撂荒草地>疏林草地;15 min入渗率变化范围为0.617～3.690 mm/min,由大到小依次为：裸沙地>白柠条林地>樟子松林地>小叶锦鸡儿林地>玉米农田>撂荒草地>草甸草地>疏林草地;土壤稳定入渗率变化范围为0.576～3.495 mm/min,由大到小依次为：裸沙地>白柠条林地>玉米农田>小叶锦鸡儿林地>樟子松林地>撂荒草地>草甸草地>疏林草地; ②不同土地利用类型入渗率与土壤容重、细砂含量呈极显著负相关,与中砂含量呈极显著正相关;稳定入渗率与非毛管孔隙度呈显著正相关; ③各模型对科尔沁沙地土壤入渗过程的拟合优度依次为：Horton模型>G-P综合模型>Kastiakov模型>Philip模型,其中Horton模型决定系数最高且相对误差最小,能更准确地模拟科尔沁沙地土壤入渗的实际情况。[结论] 科尔沁沙地不同土地利用类型土壤入渗特征存在差异,土壤性质对其入渗特征影响显著;Horton模型在科尔沁沙地拟合度较高,可应用此模型来估算水分入渗过程。     

黄土高原非植物生长季节水热状况与生态功能

[目的]对黄土高原非植物生长季节水分状况与利用潜力进行分析,为该区生态环境建设中的水资源高效利用提供参考。[方法]根据分布在黄土高原地区的气象站观测数据和定位试验结果,分析研究区非植物生长季节的水热状况。[结果]研究区大部分地区植物经历春季萌发和秋季枯死过程,土壤经历冻融过程,最大冻土深度186cm,并有一定量的降雪,最大降雪深度30cm,非生长季节降水平均占全年降水的7.7%。陕西省北部的典型定位观测点的土壤冻结时间达3月之久,有利于土壤水分的保持。[结论]黄土高原非植物生长季节水热过程较弱,但是在水资源短缺条件下,能够明确非植物生长季节的水热过程,提高这一时段的水热资源利用效率对退化生态系统的恢复有重要意义。     

基于分布式水文模型的阿伦河流域降雨-径流计算

[目的]为黑龙江省西部半干旱区季节性地表径流计算提供科学的方法,并推求该区雨季各月的径流系数。[方法]基于对阿伦河流域下垫面的实际调查,对土壤垂直剖面模型化,利用GIS构建研究区DEM及河网,以运动波理论的基础方程式构建降雨—径流计算方法,以对观测流量的数值模拟检验模型实用性。通过对2012和2013年5—10月降雨—径流计算结果的分析,分别推求了各月径流量和径流系数。[结果]模型计算精度可以达到误差基准允许的范围之内(0.03);7,8月的月径流系数在0.5以上,计算时段内的径流量分别占各年总降水量的34.2%和34.7%。[结论]构建的降雨—径流数值模型,量化了计算时期内各月的径流系数,适用于对研究区降雨—径流过程的计算。     

基于SWAT模型和SUFI-2算法的石羊河流域月径流分布式模拟

[目的]揭示石羊河流域径流量对土地利用变化的响应机制,为旱区水资源的合理配置和优化利用提供理论依据。[方法]利用石羊河流域DEM、气象、土壤、1995与2000年2期土地利用等数据,结合RS和GIS技术,构建SWAT分布式水文模型。基于SWAT模型及SUFI-2算法,对石羊河流域1980—2009年的月径流过程进行模拟。[结果]流域内1995与2000年土地利用均以耕地、林地、城乡工矿居民用地面积显著增加,草地、水域、未利用地减少为主;影响SWAT模型模拟效果前3位的参数分别是CN2,Alpha_Bf,Timp;校正期和验证期月流量的模拟值和实测值拟合较好,其Nash Suttcliffe系数Ens和相关系数R2均大于0.8,相对误差|Re|均小于10%。[结论]采用SUFI-2算法的SWAT模型在石羊河流域月径流模拟中具有一定程度的适宜性。     

区域尺度农田水盐动态模拟模型—GSWAP

由于土壤和水文气象等因子的空间变异性,区域尺度的农田水盐动态难以应用小尺度-维模型进行模拟.该文将-维农田水文模型(soil-water-atmosphere-plant model,SWAP)与Arclnfo进行紧密结合,构建了区域尺度的农田水盐动态模拟模型-GSWAP.该模型利用GIS强大的空间数据分析与处理功能,可高效地进行模型数据的前后处理与分析.模型将研究区划分为多个均质单元进行模拟,并以RS反演的表土含水率和ETa为观测资料,运用遗传算法确定各单元等效土壤水力参数.该文以内蒙河套灌区永联试验区为背景,对GSWAP模型进行了应用分析.结果表明,应用GSWAP模型可高效地进行区域农田水盐动态模拟,实现数据输入输出、可视化显示与空间分析,且永联试验区的模拟结果具有合理性.     

不同土地利用变化情景下的洪汝河流域水文响应

[目的]研究洪汝河流域土地利用变化对水文过程的影响,为当地水资源的合理规划和利用提供依据和参考。[方法]本研究以土壤水体评价模型(soil and water assessment tool,SWAT)为基础,通过设计多种土地利用情景模式模拟洪汝河流域水文情景,首先利用数字高程模型(digital elevation model,DEM),土地利用数据、土壤数据以及日气象数据建立模型;其次选用2006—2008年的水文观测数据进行模型率定,并进行敏感性和不确定性分析;最后,设置4种土地利用情景模式进行水文模拟。[结果]退耕还林情景下径流减少4.23%;而在耕地增加,城镇用地增加和以城镇用地、林地草地增加为主的复杂土地利用变化这3种情景下,径流分别增加3.01%,4.91%和1.50%。[结论]退耕还林增加了可涵养水源的森林,使得径流减少,而增加耕地开垦或城市建设用地则会增加地表径流。     

不同降雨量及雨强条件下兰州南山人工侧柏林土壤水分入渗规律

[目的]降雨是干旱半干旱地区土壤水分的主要来源,将野外观测和模型模拟相结合研究降雨入渗规律,可以更系统地掌握土壤水分亏缺状况。[方法]通过定点观测,应用Hydrus-1d模型对兰州南山人工侧柏林土壤水分动态变化进行模拟,评估模型在干旱区的适用性,分析不同降雨条件下土壤水分响应状况和入渗机制。[结果] Hydrus-1d模型在兰州南山人工侧柏林有较好的适用性,且深层模拟效果更优。降雨量<30 mm时,10 cm处土壤含水量对降雨响应最为强烈,30,50 cm处受降雨影响相对较小且有明显的滞后,70 cm以下没有响应;降雨量>8.2 mm时存在湿润峰。模拟期内,最大入渗深度为70 cm,最大入渗量为23.7 mm,入渗深度随时间增加而入渗量和入渗速率却随时间延长而减小。降雨量与入渗量、入渗深度和入渗速率呈显著正相关(p<0.05)。降雨量<20 mm时,降雨强度对入渗量、入渗深度和入渗速率存在显著影响。[结论]使用Hydrus-1d模型可以较好地模拟兰州南山人工侧柏林土壤水分动态变化并计算入渗量、入渗速率和入渗深度,且分析发现降雨量对该地土壤水入渗过程的影响更显著。     

盐土改良肥对草甸盐土的改良效果和对甜菜经济效益的影响

[目的]研究甘肃省河西走廊盐土改良肥对草甸盐土改良效果和甜菜经济效益的影响,为该区甜菜产业可持续发展提供技术支撑。[方法]选择甘肃省酒泉市肃州区铧尖乡草甸盐土,采用田间试验方法开展研究。[结果]影响甜菜产量的原料依次是:盐土调控剂甜菜专用肥有机碳肥。盐土改良肥配方组合为:甜菜专用肥0.0586:盐土调控剂0.0623:有机碳肥0.8791。盐土改良肥施用量与草甸盐土孔隙度、团聚体、持水量、有机质、速效氮磷钾、甜菜农艺性状、经济性状和产量之间呈显著的正相关关系,与容重、pH值、全盐含量之间呈显著的负相关关系。经回归统计分析,盐土改良肥经济效益最佳施用量为39.64t/hm2,甜菜块根理论产量为96.68t/hm2。施用盐土改良肥与传统的抗盐丰盐碱土改良剂和沃丰隆盐碱土改良剂比较,施肥利润分别增加414.48,946.10%元/hm2。[结论]施用盐土改良肥,可以改善草甸盐土理化性质,提高酶活性和甜菜产量。     

基于主成分分析的片麻岩山地新栽幼树不同保水措施评价

[目的]探索北方退化干旱山地新栽幼树适宜的土壤保水措施,为北方干旱退化山地发展高效节水经济林产业提供科学依据。[方法]以2年生"绿岭"核桃嫁接幼树为试材,进行保水剂、秸秆覆盖和地膜覆盖等保水措施的不同组合处理,研究不同保水措施对土壤环境状况及新栽核桃幼树生长的影响,并采用主成分分析法对保水措施进行科学的综合评价。[结果]用土壤理化性质、土壤微生物数量和新栽幼树生长状况3个层次的17个指标构建了片麻岩山地新栽幼树保水措施的筛选模型,将原始数据标准化,提取出了4个主成分,可反映保水措施93.453%的综合效果。[结论]地膜覆盖是片麻岩山地新栽幼树最佳的保水措施。     

塔里木河中游沙漠化地区地下水位遥感监测

[目的]探讨沙漠化地区地下水位的分布状况及其对沙漠植被的影响,为塔里木河流域生态环境保护提供科学依据。[方法]利用MODIS卫星遥感数据,采用遥感—数学—模型学融合的研究方法,在实地考察塔里木河中游区域的地下水位、土壤水分和其他辅助资料的基础上,通过建立土壤水分和地下水位的线性方程,提出在土壤中存在毛细管补给条件时,简便、有效地监测沙漠化地区地下水埋深的监测模型,并在塔河中游沙漠化地区进行实地验证。[结果]该模型反演地下水位和实测地下水位之间的相关系数为0.896 9,误差较小。研究结果符合实际。[结论]在较大范围且地下水埋深不大于6m的沙漠化地区,利用MODIS多波段遥感模型监测并评价地下水位埋深的空间分布是可行的。     

内蒙古腰坝绿洲的土壤盐渍化特征

[目的]研究内蒙古阿拉善左旗腰坝绿洲土壤盐渍化特征及土壤盐分离子分布规律,为研究区农业生产发展及生态环境保护计策提出合理依据。[方法]通过在野外考察、GPS定点、样品采集和处理并借助Excel和SPSS软件,运用统计学方法研究了该区土壤盐离子含量、总碱度与土壤离子含量之间的关系、土壤含盐量以及盐离子间的相关性。[结果]灌区土壤pH值平均值为8.13,为碱性土,土壤盐分含量较高,其中0—10cm土壤盐离子含量最高,平均值达到4.49%。阳离子主要是Ca2+和K++Na+,阴离子主要是SO2-4Cl-HCO-3,CO2-3含量微小。0—10cm土层和10—60cm土层中SO2-4与Ca2+均有极显著正相关,相关性均大于0.95,因子分析中SO2-4与Ca2+,Cl-和K++Na+发生"聚类"现象。[结论]灌区盐渍化土主要为硫酸盐渍土,其次为氯化盐渍土,该盐渍土危害植被生长。     

Comparison of modeling approaches to quantify residue architecture effects on soil temperature and water

RZ-SHAW is a hybrid model, comprised of modules from the Simultaneous Heat and Water (SHAW) model integrated into the Root Zone Water Quality Model (RZWQM) that allows more detailed simulation of different residue types and architectures that affect heat and water transfer at the soil surface. RZ-SHAW allows different methods of surface energy flux evaluation to be used: (1) the SHAW module, where evapotranspiration (ET) and soil heat flux are computed in concert with a detailed surface energy balance; (2) the Shuttleworth–Wallace (S–W) module for ET in which soil surface temperature is assumed equal air temperature; and (3) the PENFLUX module, which uses a Penman transformation for a soil slab under incomplete residue cover. The objective of this study was to compare the predictive accuracy of the three RZ-SHAW modules to simulate effects of residue architecture on net radiation, soil temperature, and water dynamics near the soil surface. The model was tested in Akron, Colorado in a wheat residue-covered (both standing and flat) no-till (NT) plot, and a reduced till (RT) plot where wheat residue was incorporated into the soil. Temperature difference between the soil surface and ambient air frequently exceeded 17 °C under RT and NT conditions, invalidating the isothermal assumption employed in the S–W module. The S–W module overestimated net radiation (R_n) by an average of 69 Wm⁻² and underestimated the 3-cm soil temperature (T_s3) by 2.7 °C for the RT plot, attributed to consequences of the isothermal assumption. Both SHAW and PENFLUX modules overestimated midday T_s3 for RT conditions but underestimated T_s3 for NT conditions. Better performances of the SHAW and PENFLUX surface energy evaluations are to be expected as both approaches are more detailed and consider a more discretized domain than the S–W module. PENFLUX simulated net radiation slightly better than the SHAW module for both plots, while T_s3 was simulated the best by SHAW, with a mean bias error of +0.1 °C for NT and +2.7 °C for RT. Simulation results for soil water content in the surface 30 cm (θ_v30) were mixed. The NT conditions were simulated best by SHAW, with mean bias error for θ_v30 within 0.006 m³ m⁻³; RT conditions were simulated best by the PENFLUX module, which was within 0.010 m³ m⁻³.     

基于灰色关联度的TOPSIS模型的“丹治”工程生态效益评价

[目的]量化评价"丹治"工程(丹江口库区及上游水土保持工程)在"十二五"期间实现的总体生态效益,为中国水土保持工程决策和生态效益评价提供新的思路。[方法]基于灰色关联理论,结合熵值法和层次分析法(AHP)确定评价指标的权重。构建了灰色关联度的TOPSIS评价模型,并采用项目区"水土流失面积"对结果进行了验证。[结果]"丹治"工程初期,水保措施尚未完善,发挥的作用相对较小,生态效益较低;随着各项功能措施的逐步发挥,水土保持生态效益大幅度提升,与初期相比"十二五"末期的生态效益总体增长3.48倍。[结论]"丹治"工程项目区总体生态环境逐步向良性发展,与项目区实际情况相吻合,表明基于灰色关联度的TOPSIS模型对水土保持工程效益评价有较强适用性和可靠性。     

水土保持规划中低空遥感数据的获取及应用

[目的]为实现水土保持规划设计的高精度、高效率及现时性要求,探求低空遥感技术在水土保持规划设计中的应用基础和前景。[方法]选取陕西省榆林市横山区鲍家寺景区进行低空遥感试验,通过建立数字高程模型(DEM)和数字正射模型(DOM),从3个方面比较分析低空遥感数据的优势,并进一步探索了低空遥感成果在水土保持规划前期基础信息获取阶段的基本应用。[结果]低空遥感不但具有灵活性好,时效性好,数据精度高等基础优点,而且借助其他地理信息系统软件可方便、快捷提取地形现状信息和水土保持治理现状信息等水土保持规划基础资料,大大提高工作效率,能满足水土保持规划设计的要求。[结论]低空遥感数据应用于水土保持规划设计具备广阔前景。     

不同耕法及秸秆还田对土壤水分运移变化的影响

[目的]探讨不同耕法与秸秆还田方式下,旱地草甸土土壤水分随深度运移的变化,为今后生产中因地制宜制定科学合理的耕作与培肥技术提供理论依据。[方法]采用田间定位试验,研究3种耕法免耕、浅翻、深翻与3种秸秆还田方式覆盖还田、浅翻还田、深翻还田条件下,作物生长不同时期、不同深度土层土壤含水量、田间持水量和容重的变化。[结果]土壤水分的年际间变化与降水量和降水变率有一定的关系。秸秆不还田条件下,连续2 a免耕,年际间土壤含水量随深度变化的特征曲线基本一致,0—20 cm耕层田间持水量降低13.62%,而浅翻与深翻分别增加11.32%和27.98%;耕翻深度对20—30 cm土层水分的影响较大,随作物生长和地表覆盖度增加,40 cm以下土层含水量的变化减弱。秸秆还田条件下,0—20 cm耕层浅翻还田与深翻还田田间持水量分别增加16.24%,5.08%,而土壤容重降低0.12,0.09 g/cm~3。[结论]同一耕法有秸秆还田处理土壤水分含量高于无秸秆还田,降水量越少,差异越明显。与免耕和免耕覆盖比较,翻耕与翻耕还田均增加了作物生长期间土壤含水量,提高了作物抗旱能力,产量有增加趋势。     

西藏中南部侵蚀沟形态无人机航测与传统地面测量的对比分析

[目的]分析无人机和传统地面方法测量侵蚀沟形态的差异,研究无人机影像提取西藏地区侵蚀沟形态的适宜性,以期准确、快速获取西藏地区沟蚀参数,为该地侵蚀沟快速调查与防治提供基础资料。[方法]选取6个研究地点20条侵蚀沟,对实地测量与无人机正射影像提取的沟长、沟宽进行对比分析。[结果]与实地测量相比,影像提取侵蚀沟沟长的平均偏差集中在2%～5%;沟宽的平均偏差集中在0～40%,其中实测沟宽范围在400～1 000 cm时,提取值和实测值的偏离程度最低。在6个研究地点中,影像提取值的偏离程度和侵蚀沟所处位置没有明显的关系。沟缘土质、沟缘线附近的植被及放牧对沟缘的踩踏是影响侵蚀沟形态提取的主要因素。[结论]无人机遥感可为西藏地区沟蚀监测提供便捷、可靠的数据源。