积雪覆盖条件下土壤液态含水率空间分布

为了揭示季节性冻土区积雪覆盖条件下土壤垂直剖面各层次液态含水率序列的复杂性变化过程,基于(2013年11月-2014年4月)实测的田间数据,分析了裸地、自然降雪、积雪压实和积雪加厚覆盖处理条件下5、10、15、20、40、60、100、140、180 cm土层土壤液态含水率的变化过程,采用变异系数、方差等指标评价其时间序列的离散程度,同时利用小波变换信息量系数(wavelet transform information cost function,WT-ICF)值对含水率序列的复杂性进行识别验证。结果表明:冻融期,积雪覆盖阻碍了土壤与环境之间的水汽传输与能量交换过程,裸地处理条件下土壤含水率变幅最大的层面出现在20 cm土层处,其含水率变幅为18.31%,自然降雪、积雪压实和积雪加厚条件下其最大变幅层面分别为15、15、10 cm,层面逐渐上升;裸地处理条件下20 cm土层处的离散程度最大,随着积雪覆盖厚度的增加和密度的增大,序列离散程度最大的层面逐渐上移,其变异系数依次为6.0189%、6.1367%和6.8546%,波动性增强;小波变换信息量系数能够精确的测算各土层土壤含水率的复杂度,裸地、自然降雪、积雪压实和积雪加厚处理条件下其复杂性活跃层依次为21、18、14和10 cm,积雪的存在导致了环境因子对于土壤的影响区域减小,复杂性活跃层向地表移动。该研究揭示了北方寒区冻融期土壤水分迁移的复杂性特征,对于合理预测春播期土壤墒情,精准、高效的利用土壤水资源具有指导意义。     

冻融期积雪覆盖下土壤水热交互效应

为了研究季节性冻土区土壤水热时空分异特征,揭示冻融过程中的水热相互作用机理及其复杂性。在松嫩平原黑土区,以野外实测试验数据为基础,分别建立裸地、自然降雪、积雪压实和积雪加厚覆盖处理条件下20 cm土层土壤含水率和温度的耦合模型,并通过对比模型的预测效果研究土壤水热变化的复杂程度,采用差异性分析和基于小波变换的分形理论方法定量研究含水率与温度序列的变异波动性和分维指标,进而验证不同覆盖处理条件对于土壤水热空间变异复杂性的影响。结果表明:冻结期,积雪阻碍了环境因素对于土壤水热迁移过程的影响,土壤含水率和温度的耦合效果较好,并且预测值与实测值能够较好的吻合,裸地、自然降雪、积雪压实、积雪加厚处理条件下的相对误差分别为0.42%、0.31%、0.13%和0.06%,随着积雪厚度的增加和密度的增大,含水率和温度的差异性减弱,复杂程度逐渐降低;融化期,积雪覆盖区的融雪水入渗抑制了土壤温度稳定提升,含水率出现骤然升高的现象,自然降雪、积雪压实、积雪加厚条件下的含水率变化分别为14.31%、15.90%和16.91%,土壤温度变化范围分别为-5.9~5.3、-3.6~6.9和-3.1~3.8℃,二者的互作效应减弱,并且随着积雪覆盖量的增加,土壤的水热时空迁移复杂程度逐渐增强。同时,采用基于小波变换的分形理论研究土壤含水率和温度的时间序列复杂性精度较高、结果可靠。该研究对于揭示冻土区土壤水热迁移动态规律,准确预测春播期土壤温度和墒情,合理高效地利用松嫩平原的土壤水资源具有重要的理论价值和现实意义。     

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。     

基于SHAW模型的青海湖流域土壤温度模拟

土壤温度与地气间能量交换、水分循环密切相关，影响着植被生长乃至区域生态安全。本文首先分析了青海湖流域2018年10月至2020年7月实测的不同深度土壤温度变化特征，然后结合2018年10月至2019年8月土壤温度对SHAW模型进行了率定，并根据2019年9月至2020年7月观测数据对率定参数进行了验证，在此基础上探究了植被和土壤参数对土壤温度变化的影响。结果表明：(1)伴随深度增加，土壤温度的变化幅度逐渐减小，5 cm深度逐日平均土壤温度的极差达到25.50℃，而35 cm深度极差为20.19℃，均远低于相同时期气温的极差(36.32℃)；(2)率定期各层土壤温度的纳什效率系数(NSE)均高于0.94，均方根误差(RMSE)由表层(1.91℃)至深层(0.86℃)逐渐减小，模型模拟精度随着土层深度增加而提高；验证期各评价指标略低于率定期，但各层NSE均超过0.93,RMSE由浅层的1.98℃降低至最深层的0.98℃，说明SHAW模型可以模拟青海湖流域土壤温度的动态变化；(3)土壤温度变化与叶面积指数、土壤容重均呈负相关关系，饱和导水率、孔径指数和进气势分别降低60%、40%和30%以后...     

利用热脉冲技术研究石子覆盖对土壤内部蒸发的影响

地表覆盖能够减少土壤蒸发,对土壤保水、保墒有重要意义.本文基于显热平衡原理,探究了石子覆盖对近表层土壤内部蒸发的影响.应用热脉冲技术测定的热参数和土壤温度得到土壤内部蒸发速率、显热通量、土层上下部显热通量差、潜在汽化热和显热贮藏量变化.与裸土相比,石子覆盖以后近表层显热贮藏量无明显变化,t检验3 ～9 mm、15 ～ 21 mm、27～33 mm p值分别为0.439、0.100和0.096,均大于0.05,显热通量减小,t检验3 mm、15 mm、27 mm p值分别为0、0、0.005,均小于0.05,土层上下部显热通量差明显减小,t检验3～9 mm、15 ～ 21 mm p值均为0＜0.05,27 ～ 33 mm p值为0.059＞0.05,潜在汽化热增加,t检验3 ～9 mm、15 ～ 21 mm、27 ～33 mm p值均为0＜0.05,因此用于土壤蒸发的能量减小,致使土壤蒸发速率降低,t检验3～9 mm、15～21 mm p值均为0＜0.05,27 ～ 33 mm p值均为0.100 ＞0.05.土壤蒸发速率变化趋势与土壤显热通量差变化趋势一致:与裸土相比,石子覆盖以后土壤蒸发速率和土层上下部土壤显热通量差的峰值出现的时间滞后,3～9 mm、15～21 mm峰值出现的时间均滞后两天.因此石子覆盖以后土壤蒸发的变化主要表现在土壤蒸发速率减小且蒸发速率峰值出现时间滞后.     

基于SHAW模型的北疆地区不同滴灌年限棉田冻融期土壤水热盐动态模拟研究

为探究SHAW(Simultaneous heat and water)模型在北疆地区长期膜下滴灌棉田冻融期土壤水热盐动态模拟的适用性,本研究选用滴灌起始年限为1998年(21 a)的棉田土壤水热盐实测数据对SHAW模型进行率定,以滴灌起始年限为2006年(13 a)、2008年(11 a)、2012年(7 a)和荒地(0 a)的水热盐实测数据进行验证。模型率定结果表明,随土壤深度增加土壤温度的模拟效果越好;土壤水盐的模拟效果先增强后减弱。模拟土壤温度Nash系数(NSE)、均方根误差(RMSE)和R²分别为0.713 ~ 0.993、0.209 ~ 2.498 ℃ 和0.911 ~ 0.994;模拟土壤水分NSE和RMSE分别为0.824 ~ 0.967和0.009% ~ 0.032%;模拟土壤盐分NSE和RMSE分别为0.609 ~ 0.844和0.001 ~ 0.012 g/kg。模型验证结果表明,随滴灌年限增加模拟效果越好,模拟除荒地20 ~ 60 cm土层土壤温度NSE小于0.600,滴灌7、11和13 a地块各层土壤温度NSE均大于0.600,RMSE介于0.143 ~ 3.213 ℃;滴灌0、7、11和13 a地块模拟的各层土壤水分NSE均大于0.670,RMSE为0.009% ~ 0.057%;滴灌0、7、11和13 a地块模拟的除120~140 cm土层土壤盐分NSE小于0.600,其他各层土壤盐分NSE均大于0.616,RMSE为0.000 ~ 0.016 g/kg。总体而言,SHAW模型适用于北疆地区冻融期长期膜下滴灌棉田的一维土壤水热盐模拟。     

地表覆盖对土壤热参数变化的影响

覆盖条件下土壤热性质的研究对于包气带水热运移及覆盖技术的应用均有重要意义。使用11针热脉冲探头对沙黄土不同深度(6 mm、18 mm、30 mm)的土壤热扩散率、热容量和热导率三个热参数进行测定,并进行地表覆盖(石子覆盖、秸秆覆盖)处理,旨在探究覆盖条件下表层土壤热性质动态变化过程及土壤热参数与水分的内在联系。结果表明:(1)相对于裸土,石子和秸秆覆盖条件下土壤热参数增大,且覆盖对于靠近表层土壤热参数的影响更加明显;(2)随降雨的发生,土壤热参数均增大,在两次降雨期间,土壤热参数逐渐减小,覆盖与裸土热参数差异逐渐增大;(3)三个热参数随降雨的发生,其动态变化过程表现不同,热容量对降雨的响应最为敏感,热导率次之,热扩散率开始减小的时间较热导率和热容量滞后,三个深度滞后时间均在48 h以上,而且覆盖以后热扩散开始减小的时间较裸土推迟(48 h以上)。土壤容重不变的情况下,在频繁干湿交替的过程中土壤水分为土壤热参数变化的最主要影响因素。覆盖条件下土壤热参数与土壤含水量关系研究表明:石子和秸秆覆盖条件下土壤热参数与土壤含水量的变化关系与裸土条件下一致,热导率与含水量呈幂函数增加的趋势,热容量随含水量线性增加,热扩散率随含水量增加先增后减,本研究所用沙黄土热扩散率峰值对应的含水量在0.20 cm3cm-3左右。由以上结果可以发现覆盖对近表层土壤热参数的动态变化有显著的影响,覆盖的保水效应直接影响土壤热参数的变化。     

基于SHAW模型的科尔沁草甸地冻融期土壤水热盐动态模拟研究

[目的]探讨季节性冻融期土壤水热盐动态变化及其机理,对干旱半干旱地区土壤盐渍化防护与治理提供一定的理论依据。[方法]以科尔沁草甸地为研究对象,利用2013年11月至2014年5月科尔沁左翼后旗阿古拉生态水文试验站草甸地试验点的水热盐观测资料,通过SHAW模型进行仿真模拟分析。[结果]模型对土壤热量和盐分的模拟结果较好,模拟期土壤水分模拟的标准偏差(root mean square error,RMSE)为0.02~0.07。受草甸地地下水位影响,模型对含水率的模拟结果偏差较大,但其标准偏差及平均偏差均处于允许范围内。[结论]将SHAW模型作为相关研究仿真模拟的优选模型,可以弥补人工观测数据间断或缺失的不足,可以被借鉴定量模拟预测农田在自然条件下的垂向一维冻土—非冻土系统内的水热盐迁移状况。     

应用SGS和LHS分析数字土壤质量评价中的不确定性

土壤信息不确定性在空间分析中的传递是数字土壤评价中的关键问题。本文提出使用序贯高斯模拟(Sequential Gaussian simulation,SGS)和拉丁超立方抽样(Latin hypercube sampling,LHS)相结合的方法(即SGS-LHS),来应对该问题,目的在于充分利用SGS和LHS各自的优点,互补各自的缺点,以提高不确定性传递分析的准确性和效率。这种方法(包括两种途径:SGS-LHS1和SGS-LHS2)和SGS、LHS一起被应用于香港农田土壤质量评价中,并进行了比较。结果表明:(1)SGS-LHS分析所得的不确定性结果与SGS接近一致,与LHS则有一定的差别,但差别不大;(2)SGS-LHS估计不确定性的准确性与SGS接近一致,且两者均高于LHS,尽管LHS估计的置信度区间平均宽度略显精确。     

基于SHAW模型的南疆典型灌区适宜盐分淋洗定额空间分布

明晰西北旱区休闲期土壤盐分淋洗定额的空间分布特征,对于水资源有效利用、土壤盐渍化防控具有重要意义。受制于土壤盐分、土壤质地的空间变异性,在某一点尺度获得的盐分淋洗定额难以全面反映区域的情况。该研究以南疆阿拉尔灌区为例,采用统计学和空间插值相结合的方法,确定灌区土壤盐分、土壤质地的空间分布特征,并通过划分模拟单元,建立基于SHAW（the simultaneous heat and water）模型的灌区尺度分布式模型,得到了不同灌水模式下适宜的盐分淋洗定额空间分布特征。结果表明：阿拉尔灌区土壤盐分呈现出\     

雪盖影响下季节性冻土消融期的土壤温度特征分析

土壤温度的变化直接影响到季节性冻土的冻融过程,进而影响融雪径流的产流机制,且往往是春洪发生的关键之所在,故深入研究土壤温度的时空变化特征具有重要的现实意义.以天山北坡军塘河流域为研究区,采用定点对比连续观测的方法,利用2010年3月13日至4月1日融雪期观测到的雪盖和裸地两种不同下垫面的浅层(5,10,20,30,40 cm)土壤温度气温资料,对比分析各层深度的土温变化情况、雪盖对其产生的影响及其与近地面气温之间的关系.结果表明:雪盖对浅层土壤具有明显的绝热保温作用,由浅到深各层土温变化具有传递和延迟现象;土壤日温差也会随土层深度的增加而减小;近地面气温与土壤温度存在较高的相关关系,土壤温度日变化表现为单峰单谷型波动.     

积雪变化对东北农田黑土盐基离子及有效硅铝含量的影响

[目的] 为探究冬季积雪深度变化下东北农田黑土盐基离子及有效硅铝含量的季节性变化特征。[方法] 采用人工控制积雪深度的方法,通过测定除雪处理组(SR)、减雪处理组(SL)、自然积雪对照组(C)、增雪处理组(SA)的东北农田黑土环境因子(温湿度、含水率、pH、总有机碳)、盐基离子、有效硅以及活性铝,分析土壤盐基离子及有效硅铝的含量变化过程,以及两者对土壤环境因子的响应关系。[结果] 积雪深度的降低使季节性雪被覆盖下黑土受到积雪的保温作用减弱,0—30 cm土壤温度及湿度(未冻水含量)显著下降,使水盐运移过程中未冻水携带的HCO₃^-含量减少,土壤平均pH受HCO₃^-含量影响分别变化-0.06,-0.04,-0.02,0.01。土壤的碱性降低,低价阳离子对高价阳离子在土壤胶体吸附电位的置换能力增强,使得交换态一价阳离子(Na⁺、K⁺)含量升高,同时使交换态及碳酸盐态二价阳离子(Ca²⁺、Mg²⁺)含量降低。碳酸盐态二价阳离子与交换态Na⁺分别对TOC含量构成正向和负向的影响,使土壤平均总有机碳(TOC)含量随积雪深度的降低分别增长0.87,1.09,1.32,1.48 g/kg。盐基离子与土壤pH、TOC的相互影响关系使在积雪深度降低的条件下土壤pH与TOC含量降低,进而对土壤有效硅铝含量构成间接影响。TOC含量的降低削弱了土壤对低活性腐殖酸铝(Al-HA)的固持作用,pH的降低促进低活性铝向高活性交换态铝(Ex-Al)与单聚体羟基铝(Hy-Al)的转化,土壤铝毒性提升,同时促进有效硅的溶解,造成土壤硅的流失。[结论] 气候变暖引起的中高纬度地区季节性积雪覆盖面积减少将影响冬季东北地区农田黑土的物质能量分布状态,并由此改变生长季节农作物的生长发育环境,研究提示为冬季东北黑土区土壤矿质元素的季节性变化过程提供了一定的科学依据。     

12种林下地被植物水土保持功能研究

为了研究林下地被植物的水土保持功能,分别运用室内茎叶浸泡法、静水崩析法、双环刀法对12种地被植物的茎叶截留雨水能力、土壤抗蚀性和渗透性进行了测定。结果表明:茎叶截留雨水最强的为拂子茅（Calamagrostis brachytricha）和玉带草（Phalaris arundinacea var. picta）,超过自身质量的40%;玉带草、披针叶苔草（Carex lanceolata）和青绿苔草（Carex leucochlora）最大地提高了土壤抗蚀性;种植地被植物普遍地降低了土壤容重,提高了土壤的渗透系数,其中玉带草、狼尾草（Pennisetum alopecuroides）、拂子茅、青绿苔草、披针叶苔草、硫华菊效果极显著。青绿苔草、披针叶苔草、玉带草、拂子茅的综合水土保持功能较强,适合林下栽植。     

水土保持林有效覆盖率述评

水土保持林有效覆盖率是水土保持林建设的一个重要的宏观控制指标,确定水土保持林有效覆盖率对于制定水土流失区国土整治规划,促进植被恢复工作健康发展具有重要意义。就近年来有关水土保持林有效覆盖率研究中出现的一些问题,如盖度与覆盖率的区别等进行了进一步的分析和论证,希望提高人们对水土保持林有效覆盖率的认识,促进流失区水土保持植被恢复工作的健康发展。     

降雨、积雪以及土地利用复合影响下的额尔齐斯河流域土壤侵蚀分析

在我国西北高寒山区,冰冻圈环境导致土壤侵蚀过程更为复杂。因此,以新疆阿尔泰山额尔齐斯河流域为例,构建模型模拟典型流域降雨、融雪和土地利用变化(LUCC)综合影响下的土壤侵蚀过程,并揭示复合因素影响下土壤侵蚀的放大作用。为此采用InVEST模型分别对2000年、2005年、2010年和2015年土壤侵蚀空间分布进行了详细模拟,并建立了3种情景用于复合影响的分析,分别为降雨和土地利用变化、降雨和融雪变化以及降雨、融雪和土地利用变化对土壤侵蚀的复合影响。结果表明:(1)相较于2000年,2005—2015年3种情景土地利用分别发生1.67%,2.02%和4.19%的变化,使整个流域土壤侵蚀量比单一降雨侵蚀分别增加3.49%,3.02%和3.31%。(2)尽管2000—2015年降雪量仅占年降水量的30.49%,23.10%,38.46%和35.26%,但是融雪的出现致使流域土壤侵蚀量分别增加249.00%,88.00%,843.00%和566.00%,年平均侵蚀量增加了2 008.03万t,降雨和融雪情景下侵蚀量是单一降雨侵蚀量的4.2倍。(3)在融雪的背景下进一步考虑土地利用影响,2000—2015年土壤侵蚀量在此基础上又分别增加了2.99%,2.16%和3.50%。研究结果为寒区融雪影响土壤侵蚀提供了新的证据,为后续寒区水土保持提供了基础理论认知。     

砂土混合覆盖下的土壤水分蒸发特性及其因子分析

为明确不同砂土混合物覆盖对土壤蒸发过程的影响,基于土壤蒸发分阶段理论及微型蒸渗仪田间试验,深入探析了6种砂土混合覆盖模式(1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,分别为M1～M6)下的土壤蒸发动态变化及其作用机制。结果表明：土壤蒸发分阶段理论能够真实刻画砂土混合覆盖下的土壤水分蒸发状况,其累计蒸发量可用砂土混合比与蒸发时间进行定量表征。当砂土混合比≥0.8时,土壤蒸发过程仅存在2个明显阶段,抑蒸效果显著;当砂土混合比<0.5时,M3～M6处理的土壤蒸发稳定高峰期明显,且集中于前2.53～2.66天,水分主要散失历时则分别较M1增加6.49,6.49,6.49,7.09天;而当砂土混合比介于0.5～0.8时,覆盖层易诱发且能够更早地形成结构致密的覆盖干层,整体保墒效果反而凸显。受土壤蒸发阶段特性及覆盖模式的影响,蒸发第1阶段主要受下垫面净辐射通量供应的限制;而在蒸发第2,3阶段,砂层结构的作用凸显,土壤水力特性调控效应逐渐占优。总之,砂层结构恶化将加快土壤失水过程,增加农田水分的无效损失,当砂土混合比<0.5时,其抑蒸保墒功效将逐渐丧失,这对西北旱区砂田退化机理的揭示及压...     

融雪与降雨侵蚀条件下水土保持措施因子值对比研究

东北地区融雪条件下水土保持措施因子缺乏针对性研究。选择吉林梅河口吉兴径流小区2015年、2016年春季融雪侵蚀观测结果和已有降雨侵蚀数据,对比融雪与降雨条件下水土保持措施因子值、产流产沙次数、径流深、侵蚀模数,探讨了不同水土保持措施对降雨侵蚀和融雪侵蚀的防控效果。结果表明:融雪条件下P值范围为0.001~0.46,其中生态修复措施对于融雪侵蚀的防控效果最好,在融雪时期表现出周期短,融水量少的特点;水平坑措施对融雪侵蚀的影响主要体现在对融水的拦控上;融雪条件下耕作措施中地埂植物带侵蚀模数及径流深大于横垄。融雪侵蚀地区（尤其是坡耕地）在进行水土保持措施规划设计时,应兼顾降雨和融雪两种侵蚀类型。