科尔沁沙地土壤水分特征曲线传递函数的构建与评估

为了快速准确的获取某一区域的水力性质,该文以科尔沁沙地典型沙丘-草甸相间地区为研究区,在对该区49个不同地貌类型采样点土壤水分特征曲线与土壤基本物理化学特性参数测试分析的基础上,采用函数参数非线性规划法构建了土壤干容重、粒径分布、有机质、pH值、电导率值等基本参数与水分特征曲线之间的传递函数,并进行了精度评估与分析。结果表明:1)研究区土壤水分特征曲线的坡度陡峭,不同地貌类型与土地利用方式下,土壤水分特征曲线有较大差异,相同负压下,土壤持水量按照流动沙丘-半固定沙丘-固定沙丘-农田-草甸的顺序递增;土壤的供水能力按照流动沙丘-半固定沙丘-固定沙丘-草甸-农田的顺序递减;2)利用土壤基本物化特性参数通过函数参数非线性规划法建立了研究区土壤水分特征曲线的传递函数,干容重和砂粒含量是预测土壤水分特征曲线模型参数的主要变量,增加土壤的理化指标可以提高预测精度,然而有机质含量、pH值、电导率值对本区土壤水分常数的影响并不大,对水分特征曲线模型3个参数的影响略微增加;3)通过对传递函数的检验与精度评估分析,各参数的平均误差均在0附近;饱和含水率、残余含水率的均方根误差分别为0.017、0.023;土壤水分常数的相关系数在0.95附近,饱和含水率、残余含水率的误差比的几何标准偏分别为1.04、1.27。表明所建土壤水分特征曲线传递函数的精度较高,可用于该区土壤水分特性研究。该研究可为该区水分、溶质运移、水-热-盐耦合运移模拟提供技术支持和理论保证。     

科尔沁沙地流动沙丘土壤水分空间变化特征分析

应用地统计学原理,分析了科尔沁沙地流动沙丘不同部位和深度土壤水分的空间变化特点。结果表明,流动沙丘土壤水分空间分布呈现明显的空间异质性,土壤水分在流动沙丘的不同坡面和同坡面的不同区域呈现明显的不均匀分布特征,表层(0~40 cm)和浅层(40~100 cm)土壤水分是此空间差异的主要来源,其空间分布变异性明显高于深层(100~200 cm)土壤;半方差分析结果也显示出表层和浅层土壤水分的空间异质性组成主要由随机因素引起,具有相对较小的变程,而深层土壤水分主要受到其自身土壤物理组成性质的影响,具有较强的空间自相关性,具有较大的变程,二者空间分布特点存在明显差异。流动沙丘土壤水分空间分布特点的明确,对阐述固沙先锋植物的侵入和定居格局具有现实的指导意义,也为人工固沙植被的建立提供理论指导。     

青海湖克土沙区不同类型沙丘土壤水分的动态变化

对青海湖湖东克土沙区的土壤水分变化特征及其与降雨之间的关系进行了分析,结果表明:固定沙丘土壤水分随深度的变化较小,采取措施(人工植被+麦草方格沙障)的流动沙丘在不同深度上的变异最大;从0—80cm平均水平看,土壤含水量为固定沙丘>流动沙丘>采取措施的流动沙丘;三种沙丘土壤水分与降雨的时间变化都基本一致,可以分为冻结滞水期(12月—翌年3月)、水分补偿期(4—7月)和失水期(8—11月)三个阶段,土壤含水量以夏秋季最高;降水对0—80cm的土壤水分都有影响,对上层土壤的影响更显著,采取措施的流动沙丘主要影响深度为60cm,固定沙丘为20cm;在流动沙丘上种植人工植被以及布设麦草方格沙障,可以抑制表层土壤水分蒸发,提高表层土壤含水量,在植被恢复前能够有效减少风蚀,对于植物初期生长具有积极意义。     

SWCC测定过程产生的容重变化对SWCC参数的影响

土壤水分特征曲线（SWCC）测定过程本身会引起很大的容重变化。随着容重的增大,土壤的持水特性也发生改变。为了明确这种容重变化对土壤水分特征曲线的影响,本研究以4种原状土壤为例,用离心机法测定了不同定容重下的土壤水分特征曲线,分析了容重变化对Brooks-Corey和van Genuchten模型参数的影响。结果表明：土壤的容重越大,相同吸力下所对应的有效饱和度就越大,水分特征曲线就越平缓。4种土壤的参数A和α均随容重的增大而减小,可用幂函数表示。黑垆土和土娄土的λ、n随容重的增加而增大,可用线性函数描述,有别于黄绵土和红壤。从总体上看,无论扰动与否,土壤水分特征曲线测定过程引起的容重变化对粉质粘壤土和粉质粘土的影响情况一致。与van Genuchten模型相比,Brooks-Corey模型参数与容重具有更强的关系性。本研究有益于土壤水分特征曲线测定过程中容重影响因素的修正。     

生物质炭对旱作农田土壤持水特性的影响

为确定添加生物质炭对旱作农田土壤持水特性的影响,在隆中黄土高原典型旱作农田区设置相关定位试验,对不同生物质炭输入水平的土壤容重、土壤孔隙度、土壤水分常数及土壤水分特征曲线进行测定。结果表明,生物质炭的添加能够减小土壤容重,增加土壤孔隙度。随着生物质炭输入水平的增加,土壤容重的减小及土壤孔隙度的增加幅度加大。生物质炭达到50t/hm~2时土壤结构变化最为明显,0—5,5—10,10—30cm土层中土壤容重相比对照分别减小7.01%,9.91%,16.60%,土壤毛管孔隙度分别增加19.47%,21.02%,29.94%;并且生物质炭的施入可以增加土壤饱和含水量、土壤田间持水量、土壤有效水分含量。随着生物质炭输入水平的不断加大,各水分常数呈现出上升趋势,但当生物质炭输入水平达到40t/hm~2后涨幅空间开始减小。说明生物质炭的添加能够提高旱作农田的持水性能,但输入水平达到40t/hm~2后,土壤持水性能趋于稳定。     

科尔沁不同类型沙丘土壤水分时空变化特征及其环境影响因子

为了深入探究半干旱地区沙丘土壤水分时空变化特征及其与环境因子关系，以科尔沁沙地为研究区，综合运用原位观测、数值模拟和冗余分析等方法，对沙丘土壤水分的时空变化特征、变异性、水平衡及其与环境因子的定量关系进行研究。结果表明：沙丘土壤水分在垂直剖面呈现出由半流动沙丘"镜像S "形逐渐过渡为阴坡固定沙丘" S"形的趋势，在时间尺度上呈"正态分布"形；半流动、半固定和阴坡固定沙丘土壤水分变异性随深度的增加逐渐减弱，半阳坡固定沙丘呈"S"形分布，最大变异系数为75.45%，均属中等变异；半流动和半固定沙丘水分主要消耗于深层渗漏，分别占总水量的57.35%和54.56%，半阳坡固定和阴坡固定沙丘水分主要消耗于植被蒸腾，分别占总水量的77.15%和54.88%；沙丘土壤水分影响因子具有差异性，容重、砂粒含量、粉粒含量和饱和导水率是影响半流动、半固定和半阳坡固定沙丘土壤水分的主要环境因子，而有机质、砂粒含量、粉粒含量和饱和导水率是阴坡固定沙丘土壤水分的主要影响因子。研究表明，半阳坡固定沙丘小叶锦鸡儿易消耗深层土壤水，造成土壤干燥化，草本和半灌木有利于深层土壤水分保持。     

麦田土壤水分时空变异特性及CA-Markov模型模拟预报

为揭示农田土壤水分时空变异特征,精准预测土壤墒情,该研究以河北省太行山山前平原井灌区典型麦田为例,在监测土壤水分的基础上,采用时间稳定性指数法、空间自相关性评价法研究土壤水分时空分布规律,构建了适用于模拟预报田间水分时空变化的CA-Markov 模型,并将该模型的模拟预报效果与HYDRUS 模型进行比较。结果表明：随着土层深度的增加,土壤水分等值线由密变疏,变异系数逐渐减小。随着小麦生育期的推移,前期监测的土壤水分稳定性高于后期;在土壤较湿润的情况下,土壤水分空间相关性较强,土壤水分全局Moran''s I 指数随小麦生育期的推移呈现先增大后变小的规律。CA-Markov 模型模拟预报的各土壤相对湿度等级面积误差的平均值为1.61%,比HYDRUS 模型模拟预报的面积误差平均值（10.86%）小9.25个百分点; CA-Markov 模型对研究区4月下旬、5月上旬的土壤水分干旱等级预测的空间分布Kappa 系数分别为 89.31%、91.46%。该模型可综合考虑麦田墒情的时空变化及随机特性,模拟预测土壤墒情的精度较高、效果良好,可以作为麦田水分管理的重要工具。     

三江平原退化湿地土壤物理特征变化分析

针对不同退化程度的湿地土壤物理特征的变化进行了分析。首先对退化湿地土壤剖面特征进行了阐述,然后分析了退化湿地土壤的温度特征变化、电导率状况变化、土壤的水分特征变化和土壤容重变化。研究表明,不同退化程度的湿地土壤具有不同的土壤物理性质,在未退化湿地→轻度退化湿地→中度退化湿地→重度退化湿地→已垦湿地(农田)的湿地退化研究样带上,湿地土壤温度呈现逐渐升高的变化趋势、土壤电导率呈降低变化、土壤水分呈降低趋势、土壤容重则呈现升高的变化规律。土壤表层与下层相比较,土壤表层温度、含水量与容重均高于土壤下层;在电导率的变化中,除了未退化湿地土壤的下层高于表层以外,其它退化状态的湿地土壤均为表层高于下层。另外,对退化湿地土壤的各物理特征在空间距离上的退化过程进行模型模拟,发现指数增加(或分解)模型能够较好地模拟出湿地土壤物理特征的空间退化过程。本研究将有助于理解退化湿地土壤物理特征的变化规律和查明湿地的退化机理,为退化湿地的恢复与重建研究奠定科学基础。     

土壤容重对膜孔灌水氮分布和运移转化的影响

为揭示土壤容重对膜孔灌条件下土壤水分分布特征和氮素运移转化的影响,通过土壤容重室内试验,利用非线性回归法对试验资料进行分析,研究提出了湿润体内土壤含水率及其变化量和变化率、土壤硝态氮及其转化量和转化率、土壤铵态氮及其转化量和转化率与土壤容重和运移转化时间的经验公式。结果表明：经验公式的相关系数均大于0.8200,标准误差很小,且通过0.05的显著性检验,可以反映膜孔灌条件下不同土壤容重的土壤水分分布特征和氮素运移转化规律。该研究为提高膜孔灌水氮利用效率提供参考。     

荒漠绿洲过渡带土壤饱和导水率的空间变异特征

土壤饱和导水率(saturated hydraulic conductivity,Ks)是影响土壤水文过程的重要参数,反映了土壤的入渗性能与持水能力。为探究荒漠绿洲过渡带土壤Ks的空间分布特征及影响因素,基于网格法(2 km×2 km)在黑河中游荒漠绿洲过渡带不同景观类型布设27个样点,获取0—30 cm土层基本物理性质,并利用Hood-IL 2700入渗仪测定土壤Ks。采用经典统计学和地统计结合的方法分析土壤Ks空间分布特征及其影响因素,建立Ks的土壤传递函数。结果表明:(1)土壤Ks变异系数为1.21,属强变异,Ks和土壤水分(SW)、有机质、黏粒(clay)、粉粒含量呈极显著负相关(P0.01),与容重(ρ_b)、砂粒含量呈极显著正相关(P0.01)。(2)土壤水分半变异函数最佳拟合模型为指数模型,容重、黏粒含量均为球状模型,容重、土壤水分和黏粒的最佳采样距离分别为0.38～0.77,1.86～3.72,1.41～2.83 km。(3)建立的传递函数为log Ks=-2.914+2.772ρ_b-0.09SW+0.068clay,容重、土壤水分和黏粒含量可作为模拟区域饱和导水率空间分布状况的预测变量。研究结果为荒漠绿洲过渡带土壤水分运移及模拟提供重要的数据支撑。     

半干旱区流沙固定初期不同植被类型的土壤湿度特征

利用科尔沁沙地奈曼生态网络研究站1983～1990年土壤水分定位观测数据,分析了不同类型植被土壤湿度的时间变化特征及其受降水的影响。结果表明:植被建立对沙地土壤湿度影响是显著的,与流动沙丘(多年平均土壤含水量3.56%,变异系数为0.074)相比,生长在沙丘顶和丘间低地的乔木树种小叶杨和樟子松,10～15年后平均土壤含水量分别为2.73%和3.08%,但在较短的时间尺度上变异较大,变异系数分别为0.127和0.347,下降最明显的是生长在沙丘顶部的灌木、半灌木,如小叶锦鸡儿和差巴嘎蒿 樟子松等植被区,平均土壤含水量均低于2.5%,变异系数分别为0.179和0.262。半干旱土壤湿度除了受植被影响外,降水也是主要控制因子。欠水年,土壤旱化现象严重,在固沙植被区,特别是沙丘顶部会出现暂时性土壤干层,并且不同类型植被区土壤湿度差异显著;丰水年,土壤水分好转,干层消失。     

库布齐沙漠半固定沙丘上2种草本植物的分布格局

采用空间点格局分析方法,对库布齐沙漠中典型半固定沙丘的沙地旋覆花、沙米2种主要草本植物的分布格局进行研究。结果表明:多年生植物沙地旋覆花在沙丘不同部位的分布数量变异较一年生植物沙米要大;沙丘上2种草本植物的总体分布格局基本上呈现群聚状态,并从沙丘上部到沙丘下部逐渐减弱,2种间相互关系从沙丘上部到沙丘下部基本表现为从相互促进转变为相互竞争的趋势。沙米作为流沙上的先锋植物,在沙丘从流动到固定过程中作用至关重要,建议在人工促进流沙固定的措施中,可以结合其他工程措施(如沙障等)进行人工沙米种子的撒播,以加速植被的恢复。     

库布齐沙漠植被恢复对风沙土壤碳通量与碳储量的影响

为阐明库布齐沙漠植被恢复过程中土壤碳通量的时空动态特征及主控因子，明确土壤有机碳含量和储量的变化趋势，本研究以流动沙地、半固定沙地、藻结皮固定沙地和地衣苔藓混合结皮固定沙地为研究对象，运用静态暗箱–气相色谱法对风沙土壤碳通量及水热因子进行观测，并对土壤有机碳含量和密度进行测定和计算。结果表明，生长季内风沙土壤碳通量变异较大，季节动态与土壤温度基本一致，且随植被恢复碳通量呈递增趋势：混合结皮固定沙地(210.28 mg/(m~2·h))>藻结皮固定沙地(177.45 mg/(m~2·h))>半固定沙地(117.34 mg/(m~2·h))>流动沙地(65.61mg/(m~2·h))；土壤碳通量与各层土壤温度均显著正相关，除流动沙地土壤碳通量与深层土壤含水量显著负相关外，其余样地碳通量均与表层土壤含水量显著负相关；风沙土壤有机碳含量和密度随植被恢复而递增：混合结皮固定沙地(1.32 g/kg,0.94 kg/m~2)>藻结皮固定沙地(1.03 g/kg,0.74 kg/m~2)>半固定沙地(0.45 g/kg,0.36 kg/m~2)>流动沙地(0.27...     

应用生态垫治理流动沙地机理研究

应用生态垫结合植物措施治理流动沙丘可达到立竿见影的效果。首先生态垫能够显著降低沙地0-15 cm的土壤温度,日均温可降低2.06-4.56℃,有利于沙地高温条件下减少土壤蒸发;在连续无降雨的情况下,生态垫下各层次的土壤含水量都高于流动沙丘裸地,尤其是15-30 cm含水量相对稳定,人工植被建立后,其保存率、生长量较流动沙地均有较大幅度的提高。生态垫结合生物措施可快捷、有效地恢复和重建流动沙地退化生态系统。     

毛乌素沙地南缘臭柏群落土壤水分空间分布特征

为对臭柏群落土壤水分空间分布特征进行初步研究,以毛乌素南缘神木大保当镇臭柏(Sabina vulgaris Ant.)群落为研究对象,选取10个样地利用环刀进行土壤取样,通过土壤烘干法测出土壤含水量与蓄水量并进行分析。结果表明:(1)在坡位影响下,各样地间的土壤含水量存在显著性差异(P0.05),含水量和蓄水量整体分别表现为沙丘下部沙丘中部丘间低地沙脊,沙丘中部沙丘下部丘间低地沙脊;(2)在坡向影响下,各样地的土壤含水量存在显著性差异(P0.05),含水量和蓄水量均表现为背风坡迎风坡;(3)在林内外植被影响下,各样地的土壤含水量存在显著性差异(P0.05),含水量和蓄水量均表现为草地臭柏沙地。表明臭柏群落对土壤水分空间分布有一定的影响。     

科尔沁沙丘-草甸相间地区表土饱和导水率的土壤传递函数研究

本研究以科尔沁沙地典型坨-甸相间地区为研究区,野外布设240个采样点,对流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、沙丘区杨树林、沙丘区耕地、低覆盖度草甸、高覆盖度草甸、草甸区耕地、撂荒地九种地貌类型下的表层土壤进行了采样,测定了这些样点的含水率、干容重、有机质、饱和导水率等理化特性参数,分析了不同地貌类型下表层土壤理化参数差异。选取Campbell、Cosby、Wosten1997/1999、Saxton四种土壤传递函数,对该地区表土饱和导水率进行了预测,结果显示这几种土壤传递函数预测值与实测值偏差较大,相关系数均小于0.3,由此可见这几种传统的土壤传递函数在本地区应用具有一定的局限性。在此基础上,选取土壤容重、有机质含量、饱和含水率、平均粒径、粒径标准偏差五种土壤特性参数作为输入变量,采用逐步多元统计回归、主成分分析及非线性回归分析相结合的方法,重新建立了预测本地区表土饱和导水率的土壤传递函数,结果显示预测值与实测值相关系数为0.648,该传递函数可应用于科尔沁沙地表层土壤饱和导水率的预测。     

古尔班通古特沙漠南缘固定沙丘土壤水分时空变化特征

土壤水分是维系古尔班通古特沙漠荒漠植被发育最主要的制约因子。为了研究古尔班通古特沙漠南缘固定沙丘土壤水分特征,于2012年12月4日至2013年11月4日,采用中子仪法对0~400cm沙层土壤含水率进行了原位观测,分析了沙丘不同部位土壤含水率的时空变化及不同发育阶段梭梭对其根区土壤含水率的影响。结果表明:(1)0~40 cm土层为土壤水分活跃层,40~200 cm土层为土壤水分次活跃层,200 cm以下土层为土壤水分相对稳定层;(2)西坡、坡顶和东坡的土壤含水率差异不显著,丘间地土壤含水率与西坡、坡顶和东坡均存在极显著性差异,且丘间地土壤含水率相对较高;(3)3—5月是土壤水分补给期,6—10月是土壤水分耗损期,11月—翌年2月是土壤水分稳定期;(4)不同发育阶段梭梭根区土壤含水率秋季均显著低于春、夏两季,壮年阶段梭梭根区土壤含水率各季都较低,青年阶段梭梭根区土壤含水率各季相差较大,壮年阶段梭梭和青年阶段梭梭根区土壤含水率春、夏季均存在显著性差异。     

不同植被类型沙地表层土壤水分变化特征

通过对沙坡头地区不同植被类型沙地土壤表层水分时空变化特征的研究表明，该区不同植被类型沙地土壤表层水分的分布均符合正态分布，降雨使表层土壤水分的空间变异性减小，空间自相关性减弱，分维数减小，空间自相关范围由干旱时的5m左右内变化扩大到几十米，土壤表层水分的空间依赖性增强；在土壤表层水分含量极低的情况下，土壤表层水分的空间变异性规律与土壤水分含量的变化规律一致；在土壤水分含量不是很低的情况下，其空间变异性与土壤表层水分含量变化趋势相反，流沙地、柠条地A、柠条地B、油蒿地、1956年人工固沙植被区土壤表层水分空间变异性与土壤表层水分含量关系发生改变的转折点，分别在土壤表层体积水分含量为1．5％，2．5％，3％，3％，4％左右。