藏东南典型小流域土壤饱和导水率和土壤容重空间分布

选取藏东南地区的典型小流域,通过网格法在流域的阴坡和阳坡分别采集表层(0-10cm)和底层(20-30cm)环刀土样,研究土壤饱和导水率和土壤容重在流域内的空间分布。结果表明:不同土层相比,表层土壤的饱和导水率以及土壤容重均低于底层值;阴坡和阳坡相比,阳坡的平均土壤饱和导水率和土壤容重高于阴坡,且其变异程度更大;沿坡长方向,土壤饱和导水率从坡顶到坡底呈增大趋势而土壤容重呈减小趋势;土壤饱和导水率与土壤容重之间呈显著负相关(P0.05)。     

砂壤质褐土水力特性与物理性质的空间尺度效应——消除趋势波动分析法

土壤水力特性与物理性质的空间异质性及其之间的关系在不同尺度上会有不同表现。采用消除趋势波动分析法对土壤水力特性(田间持水量、萎蔫系数和饱和导水率)和物理性质(机械组成、容重和有机碳含量)进行尺度分析。结果表明,只有在一定尺度范围内才能进行土壤水力特性空间变异分析和尺度转换(外推)。过小的尺度范围内不能摆脱空间相关的束缚,尺度太大时不能抓住主要控制因子,因此无法进行尺度外推。所研究砂壤质褐土田间持水量、饱和导水率、容重和有机碳含量可外推尺度范围较大,分别为55~155、50~125、50~125和50~135 m;砂粒、粉粒和黏粒含量的可外推尺度范围较小,为50~85 m,因此在进行空间尺度转换前应先确定其尺度外推范围。     

应用土壤质地预测干旱区葡萄园土壤饱和导水率空间分布

田间表层土壤饱和导水率的空间变异性是影响灌溉水分入渗和土壤水分再分布的主要因素之一,研究土壤饱和导水率的空间变化规律,有助于定量估计土壤水分的空间分布和设计农田的精准灌溉管理制度。为了探究应用其他土壤性质如质地、容重、有机质预测土壤饱和导水率空间分布的可行性,试验在7.6 hm2的葡萄园内,采用均匀网格25 m×25 m与随机取样相结合的方式,测定了表层(0～10 cm)土壤饱和导水率、粘粒、粉粒、砂粒、容重和有机质含量,借助经典统计学和地统计学,分析了表层土壤饱和导水率的空间分布规律、与土壤属性的空间相关性,并对普通克里格法、回归法和回归克里格法预测土壤饱和导水率空间分布的结果进行了对比。结果表明:1)土壤饱和导水率具有较强的变异性,平均值为1.64 cm/d,变异系数为1.17;2)表层土壤饱和导水率60%的空间变化是由随机性或小于取样尺度的空间变异造成;3)土壤饱和导水率与粘粒、粉粒、砂粒和有机质含量具有一定空间相关性,而与土壤容重几乎没有空间相关性;4)在中值区以土壤属性辅助的回归克里格法对土壤饱和导水率的预测精度较好,在低值和高值区其与普通克里格法表现类似。研究结果将为更好地描述土壤饱和导水率空间变异结构及更准确地预测其空间分布提供参考。     

灰色关联及非线性规划法构建传递函数估算黑土水力参数

土壤水分特征曲线和饱和导水率是重要的水力参数,为了简便准确获取这些参数,以松嫩平原黑土区南部为研究区域,采集136个采样点土样用于测定不同土层土壤水分特征曲线、饱和导水率以及土壤理化性质,并运用灰色关联分析确定影响土壤水力参数的主要土壤理化性质,采用非线性规划构建土壤分形维数、有机质、干容重、土壤颗粒组成与土壤水分特征曲线、饱和导水率之间的土壤传递函数,并通过与现有土壤传递函数对比分析进行精度验证。结果表明:1)土壤分形维数是估算土壤水分特征曲线模型参数和饱和导水率的主要参数之一,同时,干容重和有机质含量也在不同土层土壤传递函数中起到重要的作用;2)通过验证分析,不同土层各参数平均绝对误差接近于0,均方根误差值也都较小,其中在不同土层土壤传递函数估算的土壤含水率均方根误差分别为0.022、0.017cm~3/cm~3;3)对比分析其他已存的土壤水分特征曲线和饱和导水率的土壤传递函数,该文构建的土壤传递函数均方根误差值均较小,决定系数值都在0.66以上,表明估算精度较高,均好于其他方法估算精度,具有良好的区域适应性。综上,所构建的土壤水分特征曲线和饱和导水率土壤传递函数可以用于松嫩平原黑土区土壤水力参数估算。     

滩涂围垦农田土壤饱和导水率的影响因素及转换函数研究

确定苏北沿海滩涂围垦农田耕层土壤饱和导水率的影响因素,构建适合该区的土壤转换函数,是研究该区田间土壤水盐运动和盐渍化防控的重要前提。本文在该区典型地块实测土壤饱和导水率和相关土壤基本理化性质,探讨了该区土壤饱和导水率的剖面分布特点,对影响饱和导水率的土壤基本性质进行了主成分分析,并建立了用于该区饱和导水率间接估算的土壤转换函数。结果表明:滩涂围垦农田土壤饱和导水率随剖面深度增加呈表土层高、亚表层低、底土层又升高的趋势,20~40 cm土层饱和导水率最小,介于2.75~6.73 cm·d-1,属低透水强度;土壤容重随剖面深度增加表现出与饱和导水率相反的变化特点。除了容重、孔隙度、质地等物理因素外,土壤肥力、盐分等化学性质也是影响饱和导水率的重要因素;影响滩涂围垦农田土壤饱和导水率的因素可由持水特性、盐碱状况、养分特征和土壤质地4个主成分反映,其累计贡献率达78.17%。在Vereecken转换函数中引入土壤盐分后可提高预测精度,修正函数Vereecken_1是最适合滩涂围垦农区土壤、具有最佳预测精度的转换函数。本文构建的土壤转换函数,可通过较易获得的砂粒、黏粒、容重、盐分和有机质对耕层土壤饱和导水率进行较高精度的预测,其结果可为滩涂盐渍化农区田间尺度土壤饱和导水率间接估算以及水盐运动数值模拟提供支持。     

坡面尺度土壤特性的空间变异性

通过对20m长坡面土壤特性空间变异性的经典统计学分析,结果表明:(1)在同一土壤剖面内,各级粒径含量呈弱变异性,而有机质含量随土层深度的增大而逐渐降低,呈中等变异性;(2)土壤干容重的空间变异性较小,呈弱变异性,但土壤饱和导水率的空间变异性较大,呈中等变异性;(3)水分特征曲线具有一定的空间变异性,比水容量空间变异性较大,呈中等变异性。坡面土壤饱和导水率和干容重的等值线图表明,土壤饱和导水率的变化趋势并不仅仅取决于土壤干容重的相对大小,可能与有机质含量、黏粒含量以及根系分布情况等也有一定的关系。     

黄河三角洲滨海盐渍土饱和导水率的研究

通过对黄河三角洲滨海盐渍土饱和导水率的研究, 结果表明: 原状土的饱和导水率随着土壤剖面深度的增加呈现出表土层高、中间土层低、底土层又升高的趋势; 扰动土与原状土的饱和导水率差异较大, 土壤饱和导水率与土壤容重呈负相关、而与孔隙度、结构系数、团聚度等均呈正相关。原状土的饱和导水率能反映田间水分运动以及孔隙状况, 对研究土壤水量平衡和水土保持有重要的意义。扰动土的饱和导水率对于土壤理化性质的理论研究有一定参考价值。     

不同根系构型草本与灌木复合对土壤饱和导水率的影响因素分析及模拟

[目的] 探究不同根系构型草本与灌木复合时的根土性质的差异对土壤饱和导水率的影响,并综合考虑根系和土壤性质建立估算土壤饱和导水率的经验方程,为黄土高原植被恢复后的水文模型建立提供理论参考。[方法] 选取不同根系构型草本与灌木的混合样地,分别为柠条锦鸡儿加冰草(须根系)和柠条锦鸡儿加铁杆蒿(直根系)。采用双环刀法测定不同样地土壤饱和导水率。[结果] 样地类型和土层深度对土壤饱和导水率的影响达到显著水平,两者对土壤饱和导水率影响的因子贡献率分别为26%和52%。直根系铁杆蒿与柠条锦鸡儿混合样地的土壤饱和导水率高于须根系冰草与柠条锦鸡儿混合样地,并且不同样地的土壤饱和导水率随土层深度的增加均表现出降低的趋势。根长密度、团聚体以及土壤容重能够较好地模拟土壤饱和导水率,其拟合精度R²可以达到0.86。[结论] 直根系草本与灌木复合时较须根系草本与灌木复合相比具有更高的饱和导水率。在不同样地中,根长密度、团聚体以及土壤容重是影响饱和导水率的主要因素。     

重庆市四面山不同土地利用类型饱和导水率

[目的]探讨不同土地利用类型和土壤理化性质对饱对导水率的影响。[方法]采用定水头法测定四面山不同土地利用类型的饱和导水率,并运用回归分析,相关分析和主成分分析法分析其与土壤物理因子和有机质的关系,以及影响饱和导水率的主导因子。[结果]各土地利用类型的平均饱和导水率均高于荒地,其顺序为:林地农地草地,林地中天然林饱和导水率大于人工林;饱和导水率随土层深度的增加呈负指数递减规律;饱和导水率与容重呈幂函数关系,与孔隙度呈正相关,与黏粒含量呈负相关;有机质含量的提高对饱和导水率有积极的促进作用。[结论]影响饱和导水率的主导因子是容重、有机质、非毛管孔隙度和毛管孔隙度,其次,土壤机械组成对其也有一定影响。     

渝东北紫色土饱和导水率传递函数研究

为研究渝东北紫色土理化性质在垂直空间上的分布情况以及对饱和导水率的影响,进而建立饱和导水率与各理化性质间的关系函数,推求饱和导水率的传递函数,选择渝东北开州区、云阳县等7个区县内45个紫色土典型田块为研究区域,运用Excel 2013和Matlab 2015b软件统计分析后,利用多元非线性回归法推求并验证了渝东北紫色土饱和导水率传递函数模型和模型参数。研究表明:①研究区土壤饱和导水率变化范围在0.16～195.68 cm/d,变化范围广,空间变异系数大,变异性较强;同一采样点深度越大,饱和导水率越小;②土壤饱和导水率与有机质含量有显著的指数函数关系,与饱和含水量有较强的二次函数关系,与土壤容重和土壤颗粒的相关性不大;③本次试验建立的土壤饱和导水率传递函数模型及模型系数检验合格,预测值与实际测算值误差较小,精度良好,可用于渝东北紫色土饱和导水率的预测工作。     

六盘山华北落叶松坡面土壤饱和导水率空间异质性及其影响因素

为深入理解森林坡面土壤饱和导水率的空间变异,利用经典统计学和地统计学的方法研究六盘山华北落叶松人工林坡面不同土层土壤饱和导水率的空间异质性,并基于相关性分析揭示其空间变异的主要因素。结果表明:(1)随土层的加深,土壤饱和导水率逐渐增加,不同土层土壤饱和导水率的空间变异程度存在差异,表现为40—60 cm土层土壤饱和导水率为强变异,其他土层均为中等变异。(2)不同土层土壤饱和导水率的空间结构也存在差异,20—40,40—60,60—80 cm土层土壤饱和导水率表现为强烈的空间自相关性,0—20,80—100 cm土层土壤饱和导水率表现为中等空间自相关性。(3)坡面土壤饱和导水率与石砾含量、非毛管孔隙度、毛管持水量、田间持水量和毛管孔隙度显著相关。综上,研究坡面土壤饱和导水率具有较强的空间变异,石砾含量和土壤物理性质是影响研究坡面土壤饱和导水率空间分布的主要因素。     

黄土高原生态工程区土壤容重及饱和导水率的分布特征

土壤水力性质是影响水分运动、溶质运移以及流域水文模型模拟的重要参数。近年来,黄土高原实施的退耕还林(草)工程、治沟造地工程等重大生态工程,影响了该区域的地形地貌、土壤水力性质等。深入研究流域尺度土壤容重(Bulk Density,BD)与饱和导水率(Ks)的动态变化特征,对于理解重大生态工程影响下的水文过程演变规律具有重要意义。本研究以黄土高原重大生态工程影响的典型小流域为对象,采用80m×80m的网格布点(89个样点),分别于2016年9月(夏末)、11月(初冬)和2017年3月(初春)采集土壤表层(0～5 cm)环刀样品,分析BD和Ks的动态分布特征及其影响因素。结果表明:BD在0.93～1.61 g/cm3之间变动,Ks介于0.01～7.30 cm/min;BD呈弱变异性,变异系数(Coefficient of Variation,CV)为10%,而Ks呈强变异性(CV=166%)。坡面BD显著小于沟底(P0.05),而Ks则显著大于沟底(P0.05)。坡面林地和草地BD表现出显著的季节性差异(P0.05),而Ks在林地、灌木和草地之间均表现出显著的季节性差异(P0.05)。地形对流域内的土壤水力参数分布有显著影响,外界环境(温度)变化是决定BD和Ks呈季节性动态变化的重要因素。多因素方差分析表明土地利用类型对BD与Ks均有显著影响;采样时间对Ks有显著影响,对BD无显著影响。相关结果可为揭示重大生态工程区小流域土壤水力参数的动态变化规律及其主控因素提供数据支撑和理论参考,有助于小流域水文过程的模型模拟研究与精细调控。     

黄土高原坡地表层土壤饱和导水率和水分含量空间变异特征

表层土壤水分含量和饱和导水率对深层土壤水分的动态的变化具有重要的决定作用。在黄土高原坡地（50m×360 m）范围内进行网格（10 m×10 m）取样,用地统计学方法研究表层（0～30 cm）土壤饱和导水率和水分含量的空间变异特征。结果表明：1）坡地表层土壤密度变化规律为坡下位大于坡上位,土壤饱和导水率变异系数为0.37,属于中等变异强度;2）饱和导水率和自然对数化的饱和导水率在360 m尺度内均不具备空间结构特征,是纯随机变量,线性有基台模型适用于描述表层土壤水分的分布特征,水分分布存在明显的块金效应,并且随滞后距离的增加半方差变大;3）饱和导水率和水分含量从坡上位到坡下位均呈现波浪式变化,饱和导水率大的采样点土壤水分含量低,反之则高。     

基于地形属性使用回归, 克里格和人工神经网络方法估算饱和导水率空间分布

Several methods,including stepwise regression,ordinary kriging,cokriging,kriging with external drift,kriging with varying local means,regression-kriging,ordinary artificial neural networks,and kriging combined with artificial neural networks,were compared to predict spatial variation of saturated hydraulic conductivity from environmental covariates.All methods except ordinary kriging allow for inclusion of secondary variables.The secondary spatial information used was terrain attributes including elevation,slope gradient,slope aspect,profile curvature and contour curvature.A multiple jackknifing procedure was used as a validation method.Root mean square error (RMSE) and mean absolute error (MAE) were used as the validation indices,with the mean RMSE and mean MAE used to judge the prediction quality.Prediction performance by ordinary kriging was poor,indicating that prediction of saturated hydraulic conductivity can be improved by incorporating ancillary data such as terrain variables.Kriging combined with artificial neural networks performed best.These prediction models made better use of ancillary information in predicting saturated hydraulic conductivity compared with the competing models.The combination of geostatistical predictors with neural computing techniques offers more capability for incorporating ancillary information in predictive soil mapping.There is great potential for further research and development of hybrid methods for digital soil mapping.     

水力侵蚀调控物理模拟试验相似律的初步确定

针对目前水力侵蚀调控模拟试验相似律研究中存在的问题，利用流体动力学及相似论的基本原理，探讨了黄土高原小流域水力侵蚀特点，确定了水力侵蚀模拟相似遵循的基本相似准则和比尺关系。分析及验证结果表明，黄土高原小流域沟道暴雨侵蚀水力输沙运动多数情况仍可视为紊流运动，遵循紊动水流输沙方程；侵蚀模拟试验不但需要满足几何相似、同时必须满足运动相似和动力相似；小流域水力侵蚀模拟应满足的基本比尺关系为几何相似、降雨相似、水流运动相似，侵蚀产沙运动相似、床面变形相似及土壤水运动相似等。     

黄土高原北部草地表层土壤水分状态空间模拟

为探明黄土高原北部草地表层土壤水分空间分布特征及其与环境因素的关系,该文用自回归状态空间模型和经典统计的线性回归模型对该区草地表层土壤含水率的分布状况进行了模拟。结果表明,状态空间方程可以应用于环境因素复杂的黄土高原水蚀风蚀交错区,其拟合效果优于线性回归模型。单因素中基于饱和导水率的模拟效果最佳（R2 = 0.936）;多因素模拟中以饱和导水率+海拔+凋落物模拟效果最佳（R2 = 0.976）,可以很好地解释表层土壤水分的变异状况。自回归状态空间模型可用于研究黄土高原北部水蚀风蚀交错区表层土壤水分与其他因素的空间关系。     

黄土丘陵区小流域土壤有效水空间变异及其季节性特征

基于213个样点土壤有效水数据,从流域、坡面和沟道三个尺度分析了黄土丘陵区典型小流域土壤有效水在春、夏、秋三个季节的空间变异特征。结果表明,土壤有效水均呈较强空间变异性,其中沟道土壤有效水均值和空间变异强度(标准差和变异系数)均显著高于坡面,坡面和沟道土壤有效水正态性明显好于流域尺度。不同尺度土壤有效水空间变异程度随均值发生变化,变异系数随均值增加呈指数递减趋势。流域和坡面尺度土壤有效水与坡向呈显著正相关关系且相关系数高于其与坡度和高程,而沟道尺度与各地形因子相关关系均较弱。土壤有效水空间变异呈现明显的季节性特征,秋季土壤有效水均值最高而空间变异性最低,夏季土壤有效水均值最低但变异系数最大。流域尺度夏季土壤有效水与高程相关系数显著高于春秋两季,而坡面尺度则相反。此外,土壤有效水抽样不确定性和估算误差随样点数量增加呈非线性递减变化趋势,当样点数超过20个时,增加样点数量的作用有限。     

Impact of land‐use changes on soil hydraulic properties of Calcaric Regosols on the Loess Plateau,NW China

Vegetation restoration efforts (planting trees and grass) have been effective in controlling soil erosion on the Loess Plateau (NW China). Shifts in land cover result in modifications of soil properties. Yet, whether the hydraulic properties have also been improved by vegetation restoration is still not clear. The objective of this paper was to understand how vegetation restoration alters soil structure and related soil hydraulic properties such as permeability and soil water storage capacity. Three adjacent sites with similar soil texture, soil type, and topography, but different land cover (black locust forest, grassland, and cropland) were selected in a typical small catchment in the middle reaches of the Yellow River (Loess Plateau). Seasonal variation of soil hydraulic properties in topsoil and subsoil were examined. Our study revealed that land‐use type had a significant impact on field‐saturated, near‐saturated hydraulic conductivity, and soil water characteristics. Specifically, conversion from cropland to grass or forests promotes infiltration capacity as a result of increased saturated hydraulic conductivity, air capacity, and macroporosity. Moreover, conversion from cropland to forest tends to promote the creation of mesopores, which increase soil water‐storage capacity. Tillage of cropland created temporarily well‐structured topsoil but compacted subsoil as indicated by low subsoil saturated hydraulic conductivity, air capacity, and plant‐available water capacity. No impact of land cover conversion on unsaturated hydraulic conductivities at suction > 300 cm was found indicating that changes in land cover do not affect functional meso‐ and microporosity. Our work demonstrates that changes in soil hydraulic properties resulting from soil conservation efforts need to be considered when soil conservation measures shall be implemented in water‐limited regions. For ensuring the sustainability of such measures, the impact of soil conversion on water resources and hydrological processes needs to be further investigated.