青藏高原中部BJ站土壤湿度不同时间尺度的变化

青藏高原土壤湿度的时空变化在高原能水循环中起着重要作用。利用GAME-Tibet期间观测的青藏高原中部BJ站2001年1月1日~2005年12月31日00:00~230:0逐时高分辨率土壤湿度资料,分析了4~210 cm深度土壤湿度的日、季节和年际等不同时间尺度的变化特征。结果表明:(1)4 cm深度土壤湿度日变化显著2,0~210 cm深度土壤湿度日变化微弱;土壤湿度日振幅随土壤深度的增加逐渐衰减,但在210 cm深度又出现增加的趋势;4 cm、20 cm、60 cm、100 cm1、60 cm和210cm深度土壤湿度的平均日振幅分别为0.97%、0.22%、0.03%、0.01%、0.01%和0.03%。(2)根据土壤湿度在时间尺度和垂直剖面上的变化特征,将土壤湿度年内的变化过程划分为积累期(3~8月)、衰减期(8~12月)和相对稳定期(12~3月)3个阶段。(3)2001~2005年,BJ站4 cm、20 cm、60 cm、100 cm和160 cm深度土壤湿度8月的平均值表现为线性增加的趋势,210 cm深度土壤湿度8月的平均值则呈现出线性减小的趋势;湿季,土壤湿度显著地受到降水的影响,干季,土壤湿度主要受土壤温度的影响。     

西峰黄土高原麦田土壤水分的垂直分布

利用西峰1989~2005年冬小麦生长期的土壤水分含量,分析了麦田土壤水分的旬月变化特征、垂直分布特征和土壤水分含量与降水量的关系,以及冬小麦生长期土壤总含水量与冬小麦产量间的关系。结果表明:西峰土壤水分含量具有明显的时间变化特征,8~11月与次年3~7月的实测土壤水分变化先增加再减少;垂直变化明显,0~40 cm为多变层,40~110为缓变层,110~200 cm为稳定层;垂直分布有明显的规律性,表现为旱季深层水分有向上传输的延迟,雨季水分有向下渗透的延迟;其年际变化振荡比较明显,呈多波动年际变化,冬小麦千粒重与生长期内土壤平均含水量呈正相关,相关系数为0.75,达到α=0.01置信度相关水平。     

灌溉农田土壤湿度的时空变化特征

为了探讨现代土壤墒情监测手段在业务监测实践中的应用方法,利用中国气象科学研究院固城生态与农业气象试验基地的业务和试验资料,对灌溉农田土壤湿度的时间变化特征和空间关系进行了分析。结果表明,灌溉农田的土壤湿度呈一年的周期性变化;浅层(0-50cm)土壤湿度时空波动显著,且各层的变化存在不一致性,60cm以下土层湿度时空变化很小,0-50cm土层的平均土壤湿度能较好地反映0-200cm土层的土壤水分状况,对土壤湿度的监测应集中在浅层50cm内,并需要逐层测量;浅层土壤湿度变异明显,大田中两点各层土壤湿度的相关性一般随两点距离增加而减小,单个测点的土壤湿度测值的代表性差,因此在自动土壤水分仪器布点时,要获得地段的平均土壤湿度信息,必须设置多个观测重复;表层5cm的土壤湿度变化剧烈而迅速,不能正确反映作物根系主要分布层的土壤水分状况,而表层10cm的土壤湿度与作物根系主要分布层的土壤湿度具有很好的联动性,可以较好地反映作物生长的环境土壤水分状况,因此,在应用微波遥感监测土壤墒情时,其对地表的探测深度需要达到10cm以上才能获得关于作物根系主要分布层的土壤水分状况信息,相应地,在土壤墒情微波遥感监测中,需要采用5GHz以下的频率。     

黄土丘陵沟壑区不同耕作措施下梯田土壤水分时空变化

通过对晋西黄土丘陵沟壑区王家沟流域梯田玉米生育期内土壤水分、年降水量、玉米产量等的测定,分析研究了不同耕作措施下梯田土壤水分的时空变化以及土壤水分生产效率。研究结果表明:在玉米生育期内土壤水分时间变化特征与降水量的年内分布有密切的关系,但土壤水分的变化滞后于降水量的分布;常规处理的土壤水分时间变差大,其次为起垄覆膜处理,丰产沟覆膜处理最小;常规处理土壤水分垂直变化最剧烈,表层失墒快,增墒也迅速,丰产沟覆膜处理则变化最缓和,失墒缓慢;丰产沟覆膜处理的土壤水分生产效率最高,常规处理最低,垄作覆膜处理居中。梯田系统微集流耕作措施蓄水保墒能力强,作物对土壤水分的利用效率高,抗旱增产效果明显。     

土壤冻结期湿度特征研究及其表层模拟

利用EM50数据采集系统,在新疆天山北坡呼图壁县军塘湖河流域采集冻结期和融雪期土壤湿度、土壤温度数据,利用SPSS 19.0,Excel,Surfer 8等软件处理采集到的数据,并对其进行分析、制图。另外利用表层土壤温度模拟土壤湿度变化。结果表明,土壤湿度存在垂直分布规律:冻结期,在土壤层的10,32,48cm处存在极小值;冻结期,土壤湿度日变化较小,融雪期,土壤湿度有显著变化,17:00—19:00时达到土壤湿度变化的峰值;利用表层土壤温度可以很好地模拟土壤湿度,在温度上升和下降阶段均有较好的模拟效果。     

黄丘区野外坡面土壤水分变化对次降雨过程的响应

土壤水分的垂直变化与空间变异特征对坡面降雨入渗和产流过程有重要影响。为了研究黄丘区降雨-土壤水分响应关系,在天水罗玉沟流域建立野外坡面小区,利用野外水分动态观测和人工模拟降雨试验,研究天然状态和90 mm/h降雨强度下的土壤水分变化规律。结果表明:天然状态下,土壤剖面土壤水分的垂直变化可以划分为速变层(0~20 cm)、活跃层(20~30 cm)、次活跃层(30~40 cm)和相对稳定层(40~100 cm),土壤水分的垂向分布存在分层现象,坡向分布存在显著的坡位差异(P0.05)。降雨过程中,降雨能明显增强土壤水分的活跃性,主要表现在0~30 cm土层范围内,随土层深度的增加,降雨对土壤水分活跃程度的影响逐渐减弱。0~30 cm土层土壤水分随降雨时间变化表现为3段式,即快速上升期、稳定期、略微下降期,深层次土壤水分在垂向的变化中表现为不均匀性,存在梯度性差异;除0~30 cm土层外,降雨仅增加各土层中的土壤水分,对各层间土壤水分在整体土层范围中土壤水分的占比影响较小,雨中坡位间土壤水分的分布差异更为显著(P0.01)。随着0~30 cm土层的土壤水分含水率的增加,产流速率呈增加并趋于稳定的趋势,产沙速率的变化趋势为产沙量达到高峰后逐渐减小并趋于稳定。     

旱塬地蓄水保土耕作技术措施的探讨

通过对旱塬地0～200cm不同层次土壤水分的定期观测,表明:旱塬地年内土壤水分动态,分为4个时期:晚春初夏强烈损失期;雨季恢复补充期;晚秋缓慢损失期;冬季早春相对稳定期。旱塬地土壤水分垂直分布分为3个层次,即水分速变层(0～20cm);水分活跃层(20～100cm);相对稳定层(100～200cm)。并在上述试验研究的基础上,对旱塬地蓄水保土耕作技术措施等进行了专题研究,表明:旱塬地向日癸与大豆带状间作,具有明显的水保及经济效益;旱塬地推行作物配方施肥技术,能够节约用肥,提高肥料利用率,促进作物增产。     

基于“3S”的土壤水分垂直分布变异性分析

以地统计学的半变异函数为理论分析工具,结合G IS和GPS技术,分析陕北王东沟小流域土壤水分在垂直方向的空间变异特征。结果表明:①对土壤水分在垂直方向的半变异函数曲线可用球状模型进行很好的拟合,其存在强烈或中等程度的空间自相关,变程范围为2~5 m。②草地的块金值和基台值较大,远远超出了其他几种植被,它在表层0~0.8 m的土壤水分含量变化也最为剧烈,波动很大;林地的块金值较小,但基台值很大,说明其土壤表层水分和深层水分的变化差异较大;坡耕地和梯田的土壤水分的分布变化比较小,半方差函数曲线变化也比较平缓,块金值和基台值都比较小。不同土地利用类型对土壤水分在垂直方向空间变异的影响呈现林地>草地>灌木>果园>农地的趋势。     

基于GIS和GPS的土壤水分垂直空间变异性分析——以陕北黄土高原小流域为例

以地统计学的半变异函数为理论分析工具,结合地理信息系统GIS和GPS技术,分析研究了陕北王东沟小流域土壤水分在垂直方向的空间变异特征。结果表明:对土壤水分在垂直方向的半变异函数曲线可用球状模型进行很好地拟合,其存在强烈或中等程度的空间自相关,变程范围从2~5 m不等。草地的块金值和基台值较大,远远超出了其他几种植被,它在表层0~0.8 m的土壤水分含量变化也最为剧烈,波动很大;林地的块金值较小,但基台值很大,说明其土壤表层水分和深层水分的变化差异较大;坡耕地和梯田土壤水分的分布变化比较小,半方差函数曲线变化也比较平缓,块金值和基台值都比较小。不同土地利用类型对土壤水分在垂直方向空间变异的影响呈现林地草地灌木果园农地的趋势。     

陕北黄土极陡坡土壤水分对微地形的响应

土壤水分是陕北半干旱黄土区植被生长最主要的限制因子,然而受坡面微地形的影响,黄土坡面土壤水分存在异质性,从而影响林草植被精准配置。为此,本研究通过对黄土高原5类陡坡微地形土壤含水量(0~180 cm土层)的定位监测数据,分析研究不同降水年型条件下土壤水分的变化特征及其对微地形的响应。结果表明:1)降水年型对微地形土壤水分时空变化均有影响,枯水年切沟底土壤含水率季节变化平缓,雨季前下降趋势缓慢,雨季后增长趋势滞后;而丰水年切沟底土壤水分的变化呈V型变化;缓台、浅沟、塌陷和陡坎4种微地形枯水年土壤水分季节变化一致,呈M型变化;而丰水年土壤水分季节变化呈W型,2个最低值出现在5月和11月。2)垂直方向上塌陷、原状坡、陡坎土壤水分自上而下呈先减小后增大的趋势,缓台、浅沟、缓坡呈先增大后减小的趋势,黄土陡坡中的切沟底土壤水分含量最高。3)缓台、陡坎、原状坡的土壤水分速变层和活跃层在丰水年消失,在枯水年深度下移;塌陷、切沟、浅沟、和缓坡土壤水分速变层和活跃层在枯水年均下移。     

不同植被和土壤类型下土壤水分剖面的分异

为研究不同土壤类型下土壤水分的垂直分布特征及变异情况,在位于黄土高原水蚀风湿交错带的六道沟小流域选取坝淤土、黄绵土和风沙土3种土壤类型为研究对象,测定了0-600cm土壤水分含量,利用经典统计学方法进行分析。结果表明：坝淤土土壤水分剖面呈有规律的波动型变化,黄绵土剖面土壤水分基本呈微弱的波动型变化,风沙土土壤水分剖面变化类型属于降低型;植被覆盖为柠条或小叶杨时,不同土壤类型对0-100cm间土壤水分含量影响不明显,而对100-600cm土壤水分含量影响显著（P〈0.05）;柠条覆盖下0-600cm平均土壤水分均呈现：黄绵土〉坝淤土〉风沙土,小叶杨覆盖下0-600cm平均土壤水分均呈现：风沙土〉坝淤土〉黄绵土;对3种土壤类型而言,同一土壤类型下植被类型的不同主要对深层土壤水分的垂直分布产生影响,总体上,农地和草地下的土壤水分状况好于灌木和乔木。这对于指导干旱区农业生产以及植被恢复中水分的合理调控具有积极的意义。     

黄土高原小流域土壤水分及全氮的垂直变异

为了研究黄土高原土壤中水分及全氮垂直分布及变异情况,对陕北神木县六道沟小流域中苜蓿地、荒草地、农地、柠条地以及油松地5种不同植被类型下0～800 cm土层中土壤含水率和土壤全氮进行了测定和分析。土壤含水率在垂直方向上呈现出干湿交替的层状分布。植被类型影响土壤水分含量的垂直剖面分布;各植被类型下相对高湿层和低湿层出现的深度不同;不同深度土层平均土壤含水率不同。农地及退耕荒草地土壤水分涵养较好,垂直方向上含水率变化较大;人工植被苜蓿、柠条消耗土壤水分较多,土壤含水率变化相对平缓;油松地平均土壤含水率及变化幅度居中。研究区域中,土壤全氮含量水平较低,表层发生陡降后,在20 cm以下土层中仍以很小的变幅降低,变化平缓。柠条地土壤全氮含量高于其他植被类型。     

黄土丘陵区土壤水分时空变化特征对采煤沉陷的响应

神府-东胜煤田采煤沉陷区土壤水分补给以降水为主,土壤水分是维系该地区植被发育主要的限制因子。以大柳塔煤矿为例,利用中子仪对不同年份沉陷区及未采区不同坡位、层次土壤水分动态进行了对比研究。（1）未采区与沉陷区土壤水分在垂直方向均呈现先增大后减小态势,基于标准差和变异系数两个指标的定量方法,土壤水分在垂直方向划分为水分速变层、活跃层、稳定层。与未采区相比较,沉陷区土壤含水量均显著低于未采区。（2）土壤含水量由大到小顺序依次为5月、8月、6月、7月。（3）与未采区相比较,沉陷区坡顶、坡中处土壤水贮量损失均高于未采区,而坡底处土壤水贮量损失低于未采区。采煤沉陷造成土壤水分显著减小。     

保水剂对风沙土水分垂直入渗和含水量的影响

使用保水剂是有效利用和改良风沙土的重要途径。通过研究垂直入渗率、累积入渗量、渗吸持续时间、渗透系数4项入渗特征量以说明在5-7cm深度处层施保水剂对于风沙土水分垂直入渗的影响,测定入渗结束后土壤各层含水量以研究受试体系的水分垂直分布。结果表明,试验处理可使垂直入渗率在各时间点有不同程度减小,有3种保水剂处理累积入渗量均增加了42%左右(1%处理),渗吸持续时间增长了134%~390%,渗透系数减小了65%~85%,且4种变化趋势均随保水剂用量的增加而加剧。入渗结束后土壤水分垂直分布也发生明显变化：保水剂-土壤混合层含水量上升52%~178%,上层土壤含水量明显增加但下层土壤略微降低。研究表明,保水剂对风沙土水分垂直入渗和含水量影响十分明显。     

黄土丘陵区典型人工幼林土壤水分特征

为明确黄土丘陵区典型人工幼林土壤水分时空变化特征,采用ECH₂O土壤水分监测系统,基于标准径流小区坡面土壤水分观测方法,收集土壤水分及气象数据,分析了撂荒地与不同类型人工幼林土壤水分状况及时间稳定性。结果表明：(1)与撂荒地相比,人工幼林土壤含水量整体较低,且具有明显的季节性变化特征,变化趋势基本一致,均随降水量的增加(减少)而升高(降低);(2)不同类型人工林土壤水分垂直分布差异较大,相较于撂荒地,刺槐和油松在50 cm深度土层土壤含水量较低,在80—120 cm深度土层土壤含水量较高,丁香幼林土壤水分整体偏低;(3)油松和撂荒地土壤水分代表深度分别为：120 cm和80 cm,决定系数(R²≥0.9)和纳什系数(NSE≥-0.1)对该结果的评价显示土壤水分代表深度的选择均是可接受的,刺槐和丁香不同深度土层土壤水分差异较大。研究认为,在黄土丘陵区,人工幼林显著影响土壤水分垂直分布规律,土壤含水量整体呈低态势,相较于撂荒地,刺槐和丁香土壤水分变异性较大,油松较为稳定。     

黄土丘陵沟壑区土壤水分垂直分布研究

以黄土丘陵沟壑区燕沟流域为研究对象,对流域内2006年不同类型土壤水分垂直变化进行了分析.结果表明,在实验设计条件下,不同层次的土壤水分变幅较大,坝地、梯田和坡地各层土壤含水量变化与降雨量的季节性变化呈现出较一致的趋势,而苹果地除0-100 cm外,100-200 cm随着降雨量的季节性变化出现较大波动;不同类型土地的土壤含水量变化程度不同,同一类型土地的土壤含水量变化幅度也有差异,10 cm处土壤含水量变异系数最大,随着土层深度的增加变异系数逐渐递减.根据土壤含水量变异系数分析,将不同类型土壤含水量垂直变化划分为速变层、活跃层、次活跃层和相对稳定层4个层次;并建立了不同类型土地各层土壤含水量变异系数回归方程.     

半干旱黄土区土壤水分垂直分布规律的研究——以甘肃省兰州市孙家岔流域为例

以甘肃省兰州市孙家岔流域为研究对象,使用1982~1983年、2011年实测土壤水分资料,利用地统计法分析了该流域土壤水分的垂向变异特征。结果表明,球状模型对丰水年不同土地利用（梯田、荒坡、坡耕地、乔木林地）土壤水分的垂向分布拟合为极显著。在平水年球状模型仅对梯田、乔木林地的实验变异函数拟合较好,而对坡面地区的坡耕地和荒坡的拟合并不显著。枯水年梯田和林地的空间变异对模型仍然有一定的吻合,而坡耕地和荒坡土壤水分空间分布变异中有较大的随机性,即使在雨季时空间自相关也很弱。不同水文年下不同土地利用的土壤水分垂向变化表现出明显的季节变化趋势,变程为1.687～3.404 m,在该自相似范围内测得土壤特性的变异程度基本一致。     

半干旱黄土区土壤水分垂直分布规律的研究——以甘肃省兰州市孙家岔流域为例

以甘肃省兰州市孙家岔流域为研究对象,使用1981-1983年、2011年实测土壤水分资料,利用地统计法分析了该流域土壤水分的垂向变异特征.结果表明,球状模型对丰水年不同土地利用(梯田、荒坡、坡耕地、乔木林地)土壤水分的垂向分布拟合为极显著.在平水年球状模型仅对梯田、乔木林地的实验变异函数拟合较好,而对坡面地区的坡耕地和荒坡的拟合并不显著.枯水年梯田和林地的空间变异对模型仍然有一定的吻合,而坡耕地和荒坡土壤水分空间分布变异中有较大的随机性,即使在雨季时空间自相关也很弱.不同水文年下不同土地利用的土壤水分垂向变化表现出明显的季节变化趋势,变程为1.687 ～3.404 m,在该自相似范围内测得土壤特性的变异程度基本一致.     

黄土区小尺度坡面土壤含水率时空变异性研究

土壤含水率在水平和垂直方向上均具有高度的时空异质性,关于水平方向变异的研究取得了很大进展,而对垂直方向变异的研究较为缺乏。为掌握土壤含水率在剖面上的垂直变异特征,采用经典统计、地统计及分形分析相结合的方法,研究了黄土高原典型坡地剖面土壤含水率的时空变异性。结果表明:不同测定时间下的剖面土壤含水率均服从自然对数正态分布,在空间上均表现为中等变异性,沿土层深度方向的变化趋势均为增长型,且这种变化规律具有时间稳定性;剖面土壤含水率在整个研究区域尺度、微尺度上的半方差函数均可用指数模型进行很好地拟合,均表现出强烈的空间依赖性,并且这种规律几乎不随时间的变化而变化;不同测定时间下剖面土壤含水率在整个研究尺度上均表现出有限的自相似性,在小于2.00 m的间距尺度下具有稳定的自相似性,大于2.00 m间距尺度的自相似性比较微弱,分维数的大小与控制土壤含水率的主要过程有关;不同测定时间下剖面土壤含水率的空间自相关性基本一致,即当滞后距离小于3.20 m时为空间正自相关,大于3.20 m时为负自相关,等于3.20 m时为不相关,而在剖面土壤含水率之间的相关性达到了极显著水平。