有无遮蔽条件下季节性积雪分层物理特性对比分析

【目的】融雪径流是干旱内陆河流重要的补给组成。季节性积雪对环境变化极为敏感,研究影响季节性积雪积累与融雪过程的关键因素并进行调控,对变化环境下流域安全与水资源可持续利用具有重要意义。【方法】通过对新疆天山北坡乌鲁木齐河流域试验区2017年11月—2018年2月有无遮蔽条件下(林冠下、开阔地)季节性积雪层分层物理特性进行观测,分析季节性积雪层分层物理特性差异特征。【结果】①观测期开阔地气温略高于林冠下气温,而林冠下相对湿度高于开阔地;②林冠下积雪平均深度小于开阔地,分层积雪中深霜层与粗粒雪层深度比例较大;③林冠下与开阔地分层积雪密度垂直廓线变化特征基本一致,雪层密度从新雪层向下逐渐增大,至粗雪层(开阔地)与中粒雪层(林冠下)达峰值;④林冠下与开阔地分层雪温和分层液态含水率均自新雪层至深霜层呈上升趋势;⑤林冠下与开阔地雪水当量变化趋势基本一致,且开阔地雪水当量值明显大于林冠下。【结论】雪表温度是显著影响林冠下及开阔地积雪液态含水率的因素。     

秸秆覆盖对季节性冻融期土壤水分特征的影响

以北方高寒区典型城市哈尔滨市为研究区域,通过冬季大田试验(试验周期2013-11-01—2014-04-30),设置自然无覆盖、覆盖秸秆厚度5、10、15 cm 4个处理,分别测定不同处理下20、40、60、100、140、180 cm深度土壤液态含水率以及气象数据,分析季节性冻融期秸秆覆盖对土壤水分变化特征的影响。研究结果表明:秸秆覆盖使0~60cm土层内液态含水率增加或减小的时间拐点发生延迟,随着秸秆覆盖厚度的增加其延迟效果越明显,但土壤冻结期的延迟效果比冻土融化期明显;秸秆覆盖阻碍了冻土融化初期融雪水入渗,使自然无覆盖处理液态含水率在20、40、60 cm土壤深度出现短暂的峰值,而在冻土融化末期秸秆覆盖抑制了土壤水蒸发,使各秸秆覆盖处理液态含水率在20、40、60 cm土壤深度又高于自然无覆盖。秸秆覆盖可有效平抑冻融期0~60 cm土层土壤液态含水率的变化幅度,且随着土壤深度的增加其平抑效果具有减弱趋势;积雪融水和秸秆覆盖的双重作用能够有效增加土壤墒情,但其增墒能力随着土壤深度的增加而降低,不同秸秆覆盖处理对0~60 cm土层的平均增墒能力由大到小排序依次为:15、10、5 cm。     

半干旱黄土区典型林地土壤水分消耗与补给动态研究

通过对半干旱黄土丘陵沟壑区几种典型林地生长季土壤水分进行动态监测,研究不同林种对土壤水分消耗和补给的影响。结果显示,土壤总含水率大小依次为草地、沙棘、河北杨、油松、山杏,并且这一次序主要来源于120 cm深度(相对稳定层)以下的差异;不同林地及草地土壤含水率季节变化表现基本一致,3—8月波动下降,8—10月持续上升;各林地及草地土壤水分在0~60 cm内变化活跃,60~120 cm内由上至下逐渐趋于稳定,120~200 cm内保持相对稳定;林种、土壤深度、月份3种因素单独作用和交互作用均造成土壤水分差异显著;水分补给期后各林地土壤水分仍处于一定亏缺状态。     

不同地表条件下季节性冻融土壤入渗能力的预报模型研究

基于田闻入渗试验,以数理统计理论为基础,对5种不同地表条件下季节性冻融土壤入渗能力预报模型进行了探索研究.研究表明,不同地表条件下,不同影响因子对不同地表条件地块土壤入渗能力的影响显著性有所差异,0～10 cm土层土壤含水率对入渗能力的影响是最显著的;其次为5 cm土层深度处土壤温度,裸地土壤温度对入渗能力的影响不显著;冬小麦地和人工草地土壤入渗能力受气温的影响较显著,休闲裸地和玉米秸秆覆盖地次之,地膜覆盖地土壤入渗能力受气温的影响不显著.建立的0～10 cm土层土壤含水率、5 cm土层深度处土壤温度和气温三因子线性模型具有一定可行性,避免了考虑因素单一的缺点.     

黄土区人工林地土壤水分对气候特征的响应

选取南小河沟流域油松、刺槐、侧柏人工林地覆盖为研究对象,对2003—2012年作物生长季土壤含水率进行连续观测,利用Duncan法对比分析土壤含水率在不同年份、月份、深度的差异性,同时研究不同人工林地土壤含水率与标准化降水蒸散指数（SPEI）、温度、降水量之间的响应特征.结果表明：土壤水分随着土层深度的增加而逐渐降低,并长期维持在较为稳定的范围内,3种树种在不同深度差异性上体现出不同,油松林地体现在20,60 cm,呈现3个等级变化趋势,〖JP2〗刺槐林地的差异性表现为0~20 cm与40~100 cm,侧柏林地的不同土层含水率在40 cm深度时出现了差异;土壤含水率与气温、降水量、SPEI的相关性随土壤深度的增加而变弱,其中与气温呈负相关,与降水量、SPEI为正相关,并且温度、降水量和SPEI对刺槐林地土壤含水率影响最大.     

压砂地和裸地对比条件下地温与含水率变化差异性分析

为探明压砂地和裸地土壤温度与含水率变化的差异性,以室外模拟降雨试验为基础,同时对自然无降雨条件下的压砂地和裸地温度进行观测,对比分析了压砂地和裸地地温、含水率变化规律及两者之间的相互关系。结果表明:自然无降雨条件下对照组压砂地0～50 cm各土层温度比裸地高0.5～4.5℃,10 mm降雨条件下压砂地5 cm处地温比裸地低0.5～4.0℃,10～50 cm处地温比裸地高0.5～3.5℃;10 mm模拟降雨条件下,压砂地和裸地0～15 cm处土壤含水率变化幅度较大,15～50 cm处含水率变化幅度较小,裸地蒸发速率大于压砂地;分别对压砂地和裸地的土壤温度与含水率进行皮尔逊相关性分析,结果表明不同土层含水率和温度之间存在相关关系,对土壤温度和含水率呈显著相关的土层采用回归分析法建立了函数关系,依据该函数,可通过土壤温度推测水分状态。     

不同积雪覆盖条件下冻融土壤水分运动规律研究

积雪覆盖作为中国北方高寒黑土区土壤冻融期最普遍的上边界条件,直接影响土壤水分分布、迁移过程及土壤温度、冻结深度、冻结速率等。通过野外试验,对哈尔滨地区的季节性冻融黑土在裸地、自然积雪、压实积雪、加厚积雪4种不同覆盖条件下的土壤水分迁移规律进行动态观测。从时间、空间角度分析土壤含水率变化,结果表明:积雪厚度和密度都可以很大程度上影响积雪对土壤的保护作用,在仅考虑积雪自身沉降造成密度增大的情况下,积雪厚度越大保护效果越好,土壤含水率对气温变化的响应及土壤解冻时间依次延后,延后程度随土壤深度增加而增大;当人为改变积雪密度时,相较于单纯增加积雪厚度,密度大的积雪可以更好地保护土壤,使气温对土壤的直接影响更小。当遇到冬季降雪量较小的情况时,可以考虑采用人为压实积雪的方法,加强对土壤的保护作用。     

季节性冻土的水热作用机制研究——以古尔班通古特沙漠南缘为例

【目的】阐明新疆干旱区冻融土壤的水热耦合关系,建立在冻结融化过程中土壤水热耦合模型。【方法】以土壤水动力学、冻土物理学和统计学为理论基础,利用土壤水分与温度测量系统对不同土层深度土壤的温度和湿度进行测量,比较土壤含水率和温度随时间与深度的变化情况,研究了新疆典型干旱区细土平原区与沙漠交错带的冻融土壤水热迁移规律,分析不同土层深度土壤在冻结期、融化期的水热变化特征。【结果】土壤冻结融化过程中,各层土壤的液态含水率、温度均与环境温度的变化趋势基本一致,但随着土层深度增加,土壤温度和含水率的变化趋势均在逐渐减弱;深层土壤的液态含水率在冻结融化过程中基本不随环境温度升降发生变化,浅层5、20 cm土层的温度和含水率之间具有耦合效应。【结论】季节性冻土的水分和温度之间具有耦合效应。     

滇中高原不同土地利用类型土壤水氮变化试验研究

【目的】研究不同土地利用类型土壤水氮变化特征及其相关性,为滇中高原农田红壤土水肥流失和治理提供科学依据。【方法】通过2018年6—10月自然降水条件下标准径流小区的试验数据分析,对林地、园地、荒草地、坡耕地和裸地土壤水氮各指标进行测定,并分析其相关性,其中裸地作为对照。【结果】在土壤深度方向上,土壤含水率随土层深度的增加而增大;5种地类土壤全氮的量均值分别为1.67、0.76、0.70、0.52和0.67 g/kg。土壤硝态氮在0～100 cm土层平均量最高园地为13.39 mg/kg,最低裸地为5.13 mg/kg;林地、坡耕地、荒草地土壤铵态氮量随土壤深度先减少后增加。在时间上,土壤含水率呈波动性变化;土壤全氮量在6—10月平均值最大为园地(0.92g/kg),最小为坡耕地(0.50 g/kg);林地、荒草地、坡耕地土壤硝态氮量随时间延长逐渐减小;园地和裸地土壤铵态氮量随时间延长减少。土壤含水率和土壤铵态氮量与土层深度呈极显著相关关系(P0.01),土壤硝态氮和土壤铵态氮与时间的相关系数分别为-0.440,P=0.028和-0.442,P=0.027,变化呈显著相关关系。【结论】滇中高原农田红壤土壤水分垂直运移规律为随土壤深度增加而增大,不同土地利用类型土壤氮素时空差异较大,土壤全氮的量与土壤深度和时间相关性不显著(P0.05)。     

中国东北地区季节性积雪导热系数及温度变化特征分析

积雪作为一种重要的下垫面,其热力学性质对周围环境的影响至关重要。利用中国东北地区天然积雪在不同密度(0.30、0.35、0.40、0.45 g/cm^3)下的雪温数据,分析积雪温度的变化特征,研究不同温度(-5、-10、-15、-20、-25℃)、不同密度(0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60 g/cm^3)下的积雪导热系数变化规律。结果表明:雪的导热系数随密度的增加而逐渐增大,二者之间存在良好的指数相关关系;在不同密度下雪导热系数对温度的响应呈现明显的差异,密度为0.40~0.45 g/cm^3时,导热系数随温度的升高而增大,密度为0.50~0.60 g/cm^3时,温度在-15~-25℃的雪导热系数随温度的降低而增大;在温度观测期间,雪温与气温变化趋势一致,且均低于0℃,在一天的不同时段,表面雪层会出现冷暖中心,0~20 cm浅层雪层的温度变化剧烈,雪温变化幅度自雪面向下逐渐减小,雪温振幅与积雪深度之间存在良好的负指数相关关系。深层雪温达到极值的时间滞后于表面雪层约4 h。在相同深度的雪层中,雪层温度随密度的增加呈现减小的趋势。     

科尔沁沙地南缘不同林草措施土壤抗冲性及其与物理性质的关系

【目的】研究水蚀风蚀交错区土壤抗侵蚀特性对不同林草措施的响应。【方法】采用室内抗冲槽原状土冲刷和土壤物理性质分析相结合的方法,研究了科尔沁沙地南缘不同林草措施土壤抗冲特性及其与物理性质的关系。【结果】土壤冲刷过程中,不同林草措施下出现产流后的4 min之内变化较大,随着冲刷试验的进行逐渐降低,并逐渐达到相对稳定状态;不同林草措施土壤冲刷过程平均径流含沙量表现为荒草地>花生地>灌木林地>樟子松林地;不同林草措施土壤抗冲性变化与土壤冲刷过程含沙量呈反比,随冲刷时间延长,总体来说与冲刷时间越长,抗冲性能越强的规律相符合,且这种变化规律不受林草措施变化而改变。径流结束时不同林草措施下的土壤抗冲性表现为花生地<荒草地<灌木林地<樟子松林地。土壤抗冲性与土壤体积质量极显著负相关,与土壤孔隙度显著正相关,土壤抗冲性指数与砂粒极显著负相关、与粉粒和黏粒正相关,但均不显著,与土壤持水性并无显著性关系。【结论】林草措施能够显著提高土壤抗冲性能,以樟子松效果最强。     

黑土区农田尺度田间持水率的空间变异性研究

【目的】探究黑土区农田田间持水率的空间变异性机制。【方法】利用传统统计学和多重分形方法量化了田间持水率的空间变异强度,分析了造成田间持水率空间变异性的局部信息;利用联合多重分形方法确定了田间持水率与土壤基本物理特性在多尺度上的相关性。【结果】研究区域田间持水率具有多重分形特征,随土层深度增加,田间持水率的空间变异程度先降后增;田间持水率的大值数据对0~5 cm和10~15 cm土层田间持水率空间变异性的贡献较大,小值数据对5~10 cm和15~20 cm土层田间持水率空间变异性的贡献较大;单一尺度上,与田间持水率相关程度最高的土壤基本物理特性在0~5 cm土层是黏粒量和土壤体积质量,在5~10 cm和10~15 cm土层是粉粒量和黏粒量,在15~20 cm土层是土壤体积质量和粉粒量;多尺度上,与田间持水率相关程度最高的土壤基本物理特性在0~5、5~10和10~15 cm土层是黏粒量和粉粒量,在15~20 cm土层是土壤体积质量和粉粒量。【结论】黑土区农田田间持水率的空间变异程度为弱变异,田间持水率与土壤基本物理特性的相关程度在单一尺度和多尺度上有所差异。     

基于最大有效持水率的区域土壤墒情监测点布设方法

【目的】准确获取区域土壤墒情,有效提升农业用水管理水平,支撑现代农业发展。【方法】基于经典统计学和地统计学方法,以土壤最大有效持水率为关键参数,构建土壤墒情监测点的优化布设方法,并以北京市大兴区冬小麦田为例进行验证。【结果】试验区土壤最大有效持水率在土层深度为0～20、20～40、40～60、60～80 cm以及0～40、0～80 cm的均值都表现为中等程度变异;0～40、0～80 cm土层深度的空间区域合理监测数分别为6个和4个,且确定了监测点的位置坐标;优化布设点监测值与全区域61个监测点实测平均土壤墒情相比,误差均在10%以内。【结论】基于最大有效持水率的区域土壤墒情监测点布设方法能够在保证区域土壤墒情监测精度的情况下,大幅减少监测点布设数量。     

豫北潮土灌区土壤肥力特征与作物产量的关系研究

【目的】了解豫北潮土水浇地土壤肥力特征及其与作物产量的关系,为建立豫北潮土区水浇地合理耕层评价指标提供基础数据支撑。【方法】本研究对豫北潮土区62个样点进行了抽样调查,调查指标包括:耕层深度、犁底层厚度、土壤体积质量、紧实度、土壤p H值、土壤电导率、土壤有机质、速效磷、速效钾以及耕作方式、播种、灌水、施肥。【结果】豫北潮土区田整体耕层深度16.8 cm,犁底层厚度11.2 cm;低产田耕层深度在15.2 cm,犁底层厚度11.9 cm,高产田耕层深度20.0 cm,犁底层厚度9.8 cm;高、中、低3种产田耕层土壤的平均紧实度分别为1 725、1 449、1 831 kPa,土壤的平均土壤体积质量分别为1.46、1.51、1.53 g/cm~3,pH值分别为8.47、8.39、8.39,有机质量分别为12.34、11.81、10.67 g/kg,速效磷量分别为16.05、12.84、10.89 mg/kg,速效钾量分别为156.69、157.20、120.56 mg/kg,养分主要分布于0～40 cm土层土壤;产量与耕层深度及耕层土壤速效钾、有机质、速效磷均呈显著正相关关系,与犁底层厚度、土壤紧实度及耕层土壤体积质量均呈显著负相关关系;产量与深层土壤pH值显著负相关,与深层土壤速效钾、有机质显著正相关。【结论】豫北潮土区影响作物产量的主要因素为耕层深度、犁底层厚度以及耕层土壤速效钾、有机质量,对作物产量的贡献大小为耕层深度>犁底层厚度>速效钾>有机质。     

土地利用方式对喀斯特峡谷区土壤水稳性团聚体的影响

【目的】全面评价土地利用方式对喀斯特峡谷区土壤结构退化的影响。【方法】采用空间代替时间的方法,开展了不同土地利用方式对土壤水稳性团聚体分布特征及稳定性的研究。【结果】①不同土地利用方式均以>0.25 mm粒径水稳性团聚体为主,其量变化、MWD、GMD均表现为林草间作地>荒草地>退耕还草地>耕地;②在不同土层中,不同土地利用方式土壤水稳性团聚体量总体上随粒径的减小呈先增加后减少再增加的变化趋势,其中0~20 cm土层,土壤各粒级水稳性团聚体量分布及稳定性差异具有一定显著相关性,20 cm至母质层差异不显著;③5 mm粒径团聚体成为土壤团聚体从微团聚体向大粒径团聚体团聚化过程中关键的临界点;④GMD可以作为喀斯特峡谷区整个剖面土壤水稳性团聚体稳定性评价指标。【结论】林草间作模式能够增强喀斯特峡谷区土壤结构的稳定性,对防止土壤结构退化具有重要作用。     

滴灌方式对南疆沙区成龄红枣土壤水分的影响

【目的】确定南疆沙区红枣适宜的滴灌制度和滴灌方式。【方法】以7 a生矮化密植骏枣树为材料,设置枣树根部1个滴头灌水和多点滴灌灌水2种滴灌方式,每种方式设置3个灌水量(900、1 050、1 200 mm),进行了田间小区试验。【结果】多点滴灌方式下,不同灌水量土壤剖面水分分布有显著规律,表现为50 cm以上土层同层水平距离20 cm土壤含水率小于水平距离40 cm,50 cm以下土层则相反。110 cm土层以下单点滴灌土壤水分显著高于多点滴灌,110 cm以上土层单点滴灌土壤水分显著低于多点滴灌。受灌水量和滴灌方式的影响,同一处理不同土层土壤水分随时间推移其变化规律并不一致。【结论】单点滴灌与多点滴灌土壤水分分布规律差异显著,但耗水量无显著差异。     

不同灌溉控制指标对冬小麦生长及耗水特性的影响

【目的】探究冬小麦适宜的计划湿润层深度和土壤含水率控制下限的组合模式,为冬小麦田间用水管理及自动灌溉控制决策提供理论依据。【方法】以冬小麦为研究对象,采用大田试验,设置3个土壤含水率控制下限(L:40%,M:50%,H:60%)和3个计划湿润层深度(60、80、100 cm),共9个处理(T60L、T60M、T60H、T80L、T80M、T80H、T100L、T100M、T100H),研究了不同计划湿润层深度与土壤含水率控制下限对华北地区冬小麦生长发育和水分利用的影响。【结果】计划湿润层深度及土壤含水率控制下限的不同改变了处理间灌水定额及灌水次数,计划湿润层深度过高或土壤含水率控制下限过低均不利于冬小麦植株的生长发育。随着计划湿润层深度(60~100 cm)和土壤含水率控制下限(40%~60%)的增大,冬小麦花前及花后的干物质累积量呈先增大后减小的趋势。产量随土壤含水率控制下限增高呈增加趋势,当计划湿润层深度为80 cm时,产量相对最高,同时耗水量也越多,而计划湿润层深度为60 cm时耗水量最少。计划湿润层深度越低,土壤含水率控制下限越高,冬小麦水分利用效率则越高。T60H处理的水分利用效率最大,为19.96 kg/(hm²·mm),比最小值T100L大21.0%。【结论】本试验条件下,计划湿润层深度为60 cm,土壤含水率控制下限设置为土壤有效含水率的60%时,冬小麦节水高产效果相对最优。     

黑土区玉米地土壤温度的时空变异性研究

【目的】研究农田土壤温度的时空变异机理。【方法】以哈尔滨市向阳试验基地一块面积为96 m×96 m的农田为研究对象(共设置32个测点),利用传统统计学与地统计学方法,分析了黑土区玉米地不同生育时期土壤温度的空间变异性。【结果】随生育时期变化,不同深度的土壤温度平均值先增后减;不同深度土壤温度的空间变异性均为弱变异,不同深度土壤温度变异程度的变化趋势有所差异,5 cm深度变异程度的变化趋势不明显,10 cm和25 cm深度先增后降,15 cm和20 cm深度逐渐降低;土壤温度的空间相关范围在10、15、20 cm和25cm深度先增后减,土壤温度在玉米灌浆期5 cm深度与拔节期10 cm深度具有中等空间相关性,其他生育时期及不同深度具有强烈的空间相关性,5 cm和15 cm深度空间相关性变化趋势不明显,10 cm和20 cm深度先增后减,25 cm深度先减后增。【结论】土层深度和时间对研究区域土壤温度的空间变异性具有明显影响。