何福红[1]2003年在《黄土高原沟壑区小流域水文性质的空间变异性》文中认为黄土高原沟壑区地形地貌复杂，小流域水文性质空间变异性大，正确认识和了解流域水文性质的空间变异性对黄土高原农业生产和退化生态系统植被恢复与重建有重要意义。为此，本文以黄土高原沟壑区典型小流域—王东沟为研究对象，通过大量的野外测定和室内分析，系统研究了流域土壤容重、土壤饱和含水量、田间持水量、萎蔫湿度、土壤入渗性能、土壤含水量和蒸散量的空间变异性，以期为该区农业生产、植被恢复和土地合理利用等提供科学的依据，同时为建立基于数字高程模型(DTM)为基础的流域水文模型积累基础资料。结果表明： 1．受地形地貌和土地利用等因素的综合影响，土壤物理性质在流域尺度内存在显着的空间变异，饱和含水量的空间变异性最大，土壤萎蔫湿度和土壤容重居中，田间持水量空间变异最小。在地貌上，土壤容重呈现出塬面＞梁顶＞沟坡＞梁坡，饱和含水量呈现出塬面＜沟坡＜梁顶＜梁坡，田间持水量和萎蔫湿度均呈现出沟坡＞梁顶＞塬面＞梁坡的趋势。在地形上，土壤物理性质具有明显的垂直分布规律，阴坡除土壤容重外，饱和含水量、田间持水量和萎蔫湿度均大于阳坡；同一坡度和坡向下，容重从坡下向坡上递增，饱和含水量、田间持水量和萎蔫湿度均从坡下向坡上递减。不同土地利用类型土壤物理性质也存在显着差异，容重以农地亚表层和草地较大，林地较小；饱和含水量和田间持水量以林地较大，农地亚表层和草地较小；萎蔫湿度则以林地较大，农地和果园地较小。 2．受土地利用和地貌的综合影响，土壤初始入渗率、稳定入渗率和前30min累积入渗量在流域尺度内呈中等变异性，均服从于正态分布。并依据土壤稳定入渗率将流域的土壤入渗特性分为4级。 3．受地形地貌、土地利用和时间等因素的综合作用，土壤含水量在流域尺度内具有较大的时空变异性。一般规律是：旱季之后，土壤含水量表现为沟坡＞梁顶＞塬面＞梁坡；雨季之后，土壤含水量表现为沟坡＞塬面＞梁顶＞梁坡。在坡面，随着坡度的增加，土壤含水量逐渐降低；阴坡的土壤含水量高于阳坡；而在同一坡度和坡向，土壤含水量从坡底向坡顶递减。在王东沟小流域内，土壤干层已成为一个普遍存在的水分现象。 4．受地形地貌和土地利用等因素的综合作用，蒸散量在流域尺度内具有较大的空间变异性。在地貌上，全年总蒸散量在流域尺度内呈现出塬面＞梁顶＞梁坡＞沟坡的趋势。在地形上，蒸散量也具有明显的垂直分布规律，随着坡度的增加，蒸散量逐渐减少；阳坡的蒸散量大于阴坡；而在同一坡度和坡向，蒸散量从坡底向坡顶递增。同一地形不同土地利用蒸散量也具有较大差异，果园的蒸散量最大，林地大于农地，草地蒸散量最小。 5．根据黄土高原沟壑区小流域水文性质的空间变化特点，初步探讨了王东沟小流域土地利用和植被建设的叁层立体模式，并指出在黄土高原沟壑区植被恢复和重建的过程中，林草植被恢复应以沟谷为先的原则。
段良霞[2]2017年在《黄土高塬沟壑区坡地水量转换的空间变异性》文中指出植被恢复措施有效地减少了黄土高原的水土流失,但大面积的植被种植也产生了一些负面影响,比如土壤干燥化。土壤水分是该区植被生长的关键限制性因子,对植被恢复和生态建设具有重要影响,同时坡面是黄土高原最基本的地貌单元,研究坡面土壤水分的分布特征及水量转换过程可以揭示土壤水分循环的驱动机制,从而可为土壤水资源的有效管理和植被恢复可持续性提供科学依据。本研究以黄土高塬沟壑区王东沟小流域为研究区,选取典型刺槐林坡面布设2条样线,并设置了8种植被类型(草地、沙棘、油松、侧柏、沙棘+油松、沙棘+刺槐、油松+刺槐、侧柏+刺槐)径流小区,通过定位监测和室内分析,结合经典统计、地统计学、状态空间模拟、时间稳定性分析、水量平衡和Hydrus-1D模型模拟等方法,研究了典型刺槐林坡面土壤水分的时空分布及时间稳定性特征,运用状态空间方程对土壤储水量进行了模拟,探究了实际蒸散及日蒸散的坡面分布特征,并定量分析了相同坡位8种不同植被恢复类型水量转化各分量(土壤储水量、地表径流量和蒸散量)的差异性,主要结论如下:(1)在刺槐林坡面上,0-1、1-2和2-3 m土壤含水量存在中等程度变异,且不同土层的土壤含水量之间存在显着性差异(P<0.05)。沿坡面方向,0-1、1-2和2-3 m土层土壤含水量变化相似,但1-2 m和2-3 m土层土壤含水量比0-1 m土层变异要小。对不同土层土壤含水量的半方差函数进行拟合,发现0-1、1-2和2-3 m土层土壤含水量的最优拟合模型分别为高斯模型、指数模型和指数模型,决定系数R2均在0.9以上。半方差函数表明,0-1 m土层土壤含水量呈现中等程度的空间依赖性,1-2和2-3 m土层土壤含水量则表现为较强的空间依赖性。土壤含水量受海拔高度、粘粒、粉粒含量、土壤容重和叶面积指数的显着影响(P<0.05),而受砂粒含量和饱和导水率的影响不大(P>0.05)。(2)运用状态空间方程实现了对不同土层深度土壤储水量的精确模拟。坡面土壤储水量有较强的空间自相关性,并与海拔高度、粘粒、粉粒含量和分形维数之间存在显着空间交互相关性。最优状态空间方程可解释98.8%土壤储水量的空间变异,而线性回归方程仅可解释64.2%的变异。海拔高度和粘粒含量的双因素状态空间方程对土壤储水量的模拟精度最高,并能对B样线土壤储水量进行有效的模拟。因此,由地形和土壤性质建立的状态空间方程可用于黄土高塬沟壑区坡地不同土层深度土壤储水量的模拟。(3)运用Spearman秩相关和相对差分方法分析了坡面土壤储水量的时间稳定性特征。浅层(0-1 m)土壤储水量随时间变异较大,而深层(2-3 m)土壤储水量在空间上变异较大。土壤储水量时间上的变异性随着土层深度的增加在降低,而空间上的变异随土层深度的增加在增强。Spearman秩相关系数表明深层土壤的时间稳定性特征较浅层土壤更强。通过比较最小平均相对差分(MRD)、相对差分标准差(SDRD)、时间稳定性指数(ITS)和平均绝对偏差误差(MABE)四个指标确定各层土壤储水量的时间最稳定性点,发现ITS指标所确定的时间最稳定性点能最好的预测平均土壤储水量。将ITS确定的时间最稳定性点应用于B样线验证,能解释土壤储水量91%以上的空间变异。土壤储水量的时间稳定性与海拔高度、饱和导水率和植被叶面积显着相关(P<0.05),而与土壤质地未达到显着相关关系(P>0.05)。(4)在刺槐林坡面上,2014和2015年的实际蒸散量均值分别为424.4和474.2 mm,2014年坡面实际蒸散量存在弱变异(7.5%),而2015年则为中等程度变异(10.4%)。球状模型可很好地反映坡地实际蒸散的空间变异结构,该模型在2014和2015年的决定系数分别为0.95和0.96。运用Hydrus-1D模型对日蒸散量进行模拟,年内6-8月的日蒸散量普遍高于5月及9-10月日蒸散量,坡面日蒸散量呈中等程度变异,变异系数在47.79%-56.28%之间变化。蒸散量与海拔高度、砂粒含量和叶面积指数呈现显着相关关系(P<0.05),而与粘粒、粉粒含量、土壤容重和饱和导水率未达到显着相关性(P>0.05)。(5)对陡坡地8种植被类型下水量平衡各组分(土壤储水量、地表径流量和蒸散量)的差异性进行定量研究,发现在8种植被类型中,无论是浅层(0-2 m)还是深层土壤(2-5m),草地的土壤含水量和土壤储水量均表现为最高。草地和沙棘均可有效减少地表径流量,而侧柏和侧柏+刺槐小区的径流流失量较大。土壤水分和蒸散量在不同植被类型下变化较大,只有草地径流小区的土壤水分处于盈余状态。因此,黄土高塬沟壑区最优植被恢复类型的选取要考虑植被的水量平衡情况。
张晓明[3]2007年在《黄土高原典型流域土地利用/森林植被演变的水文生态响应与尺度转换研究》文中研究表明黄土高原地区水资源短缺,生态环境脆弱,特别该区土壤侵蚀不断加剧,恶化了区域生态环境,严重制约社会、经济的发展。目前,随着大规模水土保持生态建设,研究该区流域土地利用/森林植被变化的水文生态过程和协同变化规律,对于黄土区土地利用规划和管理及生态环境建设工程具有重要理论参考意义。本文以黄土高原具有长期实验基础的多尺度耦合流域为研究对象,采用3S技术、景观生态学测度方法及成熟的水文观测方法,结合多年水文气象观测资料,分析土地利用/森林植被演变及其驱动力,探析降水时空分布的异质性;研究流域土地利用/森林植被变化的理水减沙机理,解析多尺度流域耦合的水文生态对土地利用变化的响应机制。借助WEPP模型提取研究区代表性典型流域单元并对其径流及侵蚀产沙进行模拟;基于分形理论测算典型流域单元地形地貌特征分形维数,建立流域水沙运移与地貌形态耦合关系;根据自相似原理,在考虑降雨异质性基础上建立流域泥沙输移比的尺度转换模型;结合流域地形地貌、土地利用格局、降水信息,建立了描述时空变异性、多变量的耦合水文模型,探讨流域不同时、空尺度上水沙运移的转换方法。论文主要研究结果如下:研究区次降雨面与次降雨雨强分布的均匀性较差,中心站、出口站或流域内任一点的暴雨中心发生概率<25%,次降雨的相关域为7 km,相对本研究试验流域降雨表现出空间异质性。从时空变化、土地资源数量变化、土地利用程度变化、土地利用类型转移等方面,对试验流域土地利用/森林植被格局演变进行了分析,根据提取的流域土地利用景观格局指数,分析了流域景观格局动态演变过程。流域增加植被覆盖和改善土地利用格局后,年径流和输沙减少趋势具有尺度性,随年降雨量的变化,不同面积流域的径流减少率或呈线性减小、或呈单峰凹型抛物线变化、或保持在一定水平不变;输沙量减少率均呈单峰凹型抛物线变化,谷底值及对应降雨量值随面积尺度不同而不同。流域森林植被每增加五个百分点,则输沙模数可减少20%。研究了不同类型场暴雨的降雨特征值与流域洪水径流和输沙的关系,分析了不同雨型下降水过程、洪水径流过程和输沙过程的尺度分异规律,洪峰流量与洪水含沙量随尺度的协同变化规律,以及洪峰与沙峰的时滞关系。从模拟生成的气候数据精度、坡面细沟侵蚀机理方程解析验证和坡面、小流域径流侵蚀产沙模拟的校准验证等方面,探讨了WEPP模型在黄土高原地区的适用性和推广使用时注意事项。基于WEPP模型划分了研究区代表性典型流域单元并进行了径流和侵蚀产沙模拟,结果显示流域坡面径流均占流域出口径流量的98%以上,坡面侵蚀泥沙产量在坡面沉积不足3%,坡面侵蚀产沙的输移量最大约74%沉积于沟道,而流域出口泥沙输移量均来自于坡面产沙量。基于WEPP模型提取的25个代表性典型流域单元,根据分形理论计算了其地貌特征分形维数,并构建了地貌信息维数与侵蚀产沙耦合模型。基于自相似原理,分析了研究区流域泥沙输移比分形特征,并在流域年均泥沙输移比影响因素分析的基础上,构建了泥沙输移比尺度转换模型,探讨了其适用范围为500km2以下的流域。综合降雨特性、土地利用/森林植被格局和地形地貌特征,建立不同尺度流域耦合水文模型,分析了其尺度转换的条件。
白一茹[4]2012年在《黄土丘陵区枣林土壤性质时空特征研究》文中进行了进一步梳理黄土丘陵区生态环境脆弱，植被生长受到影响，研究区域枣树生态经济林土壤性质的时空特征有助于促进该区域植被生态建设及水土资源高效利用。本文分析了枣树林土壤全氮、有机碳、饱和导水率、容重、土壤含水量等理化性质的时空变异特征，探讨保墒措施对土壤水、热过程和枣树生长的影响，以及枣林与其它植被土壤性质的分布特征和差异，得出以下主要结论：（1）枣林坡面土壤全氮、全磷、有机碳、电导率、饱和导水率、粘粒和砂粒含量表现为中等变异性。pH、粉粒含量、容重、总孔隙度、毛管孔隙度和饱和含水表现为弱变异性。坡位对枣林坡面土壤全氮、有机碳、pH、容重、总孔隙度、毛管孔隙度、饱和含水量、饱和导水率、粘粒、粉粒、砂粒含量有显着影响（P <0.01），而对全磷和电导率影响不显着。土壤性质的空间分布的半方差模型可以用指数和球形模型来描述，除饱和导水率和粉粒含量外，其它土壤性质均表现出中等空间依赖性。交叉验证表明坡面土壤性质测定值与模拟值差异较小，其克里格空间分布图能精确反映土壤性质空间分布规律。（2）枣林坡面的表层土壤水分的变异系数基本达到0.1以上，表现出中等变异性，随着土壤含水量的增加，变异系数表现出明显递减的趋势。通过累积概率函数、平均相对偏差和spearman秩相关系数等时间稳定性分析得出，30cm深度土壤含水量的时间稳定性比10cm深度下的好，可以选择研究区域的代表性测点来估计整个区域的平均土壤含水量。（3）秸秆和砾石覆盖具有保墒和调节温度的作用。秸秆覆盖量越高，保墒效果越好。秸秆覆盖处理的土壤温度日变化幅度小于不覆盖处理，秸秆覆盖能够调节耕层土壤温度，有利于作物生长发育。降雨过程中砾石覆盖处理下的土壤含水量随时间增加的速率明显高于秸秆覆盖处理，说明砾石覆盖比秸秆覆盖更有利于降雨的入渗。砾石覆盖和秸秆覆盖处理的枣果含水量、VC含量、总糖含量和可溶性固形物显着高于不覆盖处理，说明覆盖措施有利于红枣的生长发育。（4）植被类型对土壤性质有显着影响（P<0.01），全氮和有机碳的大小顺序为：谷子>苜蓿>枣树>柠条，全磷的顺序为：苜蓿>谷子>枣树>柠条。土壤pH值在垂直方向上随深度增加而增大，全氮和有机碳含量均随土层深度增加而逐渐减小，在垂直分布上表现出明显的表聚性特征。不同植被类型土壤粒径分布曲线变化幅度大，表现出明显的非均匀特性。土壤粒径分布的广义维数D(q)为典型反S型递减函数，多重分形谱α-(α)为不对称的上凸曲线。植被类型对土壤粘粒、粉粒、砂粒含量和粘粒域的分维数有极显着影响（P<0.01）。（5）不同植被类型的土壤含水量均呈现出明显的季节变化特征，其变化趋势与降雨量密切相关，前期降雨量与土壤平均含水量呈显着正相关（R2=0.6198，P<0.01）。谷子地的土壤水分最高，而变异系数最小，说明谷子地的土壤水分较充足且稳定。随着土层深度的增加，不同植被类型的土壤水分表现出先增加后降低的变化趋势。土壤表层0~40cm为土壤水分活跃层，40~160cm为主要的土壤水分利用层，160~200cm为土壤水分调节层。
周淑梅[5]2013年在《黄土高原丘陵沟壑区不同尺度小流域次降雨水文过程模型研究》文中研究说明小流域地表水文过程与水资源理论、地表生态、土壤侵蚀密切相关。黄土高原丘陵沟壑区水土资源流失备受关注。小流域是水土保持综合治理的基本单元，研究小流域水文过程模型为流域水土保持、水资源优化配置和洪水预报等提供辅助工具。本论文以黄土丘陵沟壑区为研究区，研究建立不同尺度小流域次降雨水文过程模型。在桥子西沟小流域（W1-b，1km~2），重点研究小流域降雨入渗、产流、汇流过程模型的构建、率定及验证；在罗玉沟（W100，100km~2）、吕二沟（W10，10km~2）、桥子东沟（W1-a，1km~2）和桥子西沟（W1-b，1km~2）流域，应用水力几何理论研究多尺度流域产流过程测量方法。论文主要得出以下初步结论：（1）提出了修正NRCS-CN模型的方法，引入流域稳定入渗修正NRCS-CN模型，得到MCN模型。根据桥子西沟小流域降雨–径流过程观测数据，采用初损量观测值和计算值，计算得到流域稳定入渗率分别为4.8mm h~(-1)和4.2mm h~(-1)。根据计算得到的流域稳定入渗率，应用MCN和NRCS-CN模型估算流域径流过程。结果表明，稳定入渗率取值4.8mm h~(-1)或4.2mm h~(-1)时，MCN模型模拟流域入渗、径流的效果均优于NRCS-CN模型，对较大的入渗、径流事件更为明显；MCN模型采用稳定入渗率4.8mm h~(-1)的模拟结果优于采用稳定入渗率4.2mm h~(-1)的模拟结果。（2）根据桥子西沟流域降雨–径流过程水文数据及流域DEM、土壤和土地利用等空间数据，分别采用反算法（Back Calculation，BC）和事件分析法（Event Analysis，EA）计算NRCS-CN模型初损率。反算法和事件分析法确定初损率分别为0.1和0.17。初损率分别取0.1、0.17和0.2时应用NRCS-CN模型预报流域产流量。误差分析和图形拟合评价结果表明，桥子西沟流域NRCS-CN模型初损率适宜取值为0.1。（3）采用水力几何关系幂函数模型和对数函数模型拟合罗玉沟（W100）、吕二沟（W10）、桥子东沟（W1-a）和桥子西沟（W1-b）四个流域出口量水堰流量―流速关系。应用确定性系数（R~2）和模型效率系数（E）分别评价模型拟合效果及验证效果。通过分析W100、W10和W1-a叁个流域模拟结果探查流域尺度对两种模型参数取值的影响。结果表明幂函数参数k（单位流量流速）与流域尺度呈负相关关系，参数m（流速变化率）随流域尺度的变化趋势与参数k相反。对数函数参数e（流速变化率）与流域尺度相关性不显着，参数d（单位流量流速）与流域尺度呈负相关关系；通过分析W1-a和W1-b两个流域模拟结果研究流域土地利用方式对两种模型参数取值的影响。结果表明W1-a流域幂函数参数k显着大于W1-b参数k（P<0.001），两流域参数m无显着差异。W1-b流域对数函数参数e比W1-a参数e偏大，但无显着差异（P<0.05）。W1-a流域对数函数参数d显着大于W1-b参数d（P<0.05）。分别采用不同研究流域观测数据验证两种函数模型，验证结果均可以接受，在流速取值更为广泛的条件下，幂函数模型模拟效果优于对数函数模型。（4）应用GIS工具将桥子西沟流域划分成11个坡面，通过一条沟道连接。以流域1987–2006年降雨过程数据为输入，应用NRCS-CN模型计算流域坡面产流过程。采用自行设计的概念模型法对各坡面产流进行汇流演算，得到流域出口径流过程。通过考察径流深、洪峰流量和洪峰出现时间叁个水文变量评价模型效果。径流深预测的绝对误差变化范围为-0.08–7.4mm，均值为0.35mm，相对误差变化范围为8%–~(-1)03%，均值为~(-1)%。洪峰流量预测的绝对和相对误差最大值分别为~(-1).85m~3s~(-1)和-63%，均值分别为-0.02m~3s~(-1)和10%；洪峰出现时间预测的绝对和相对误差最大值分别为0.99h和~(-1)09%，均值分别为-0.09h和~(-1)7%。此外，洪峰流量和洪峰出现时间模拟结果的线性拟合斜率分别为1.09和1.04。模型的确定性系数（R~2）分别为0.99和0.97。径流模拟结果的线性拟合斜率和确定性系数分别为0.83和0.78。计算得到了各水文变量拟合的均方根误差（RMSE）、模型效率系数（E）和整群剩余系数（CRM），结果表明模型对洪峰流量模拟效果最好，其次是洪峰出现时间和径流深。（5）提出一种通过测量流速根据流速-流量关系确定流量的新方法。通过求解水力几何（Hydraulic Geometry）关系幂函数反函数，建立以流速为自变量、流量为因变量的流速–流量幂函数模型。将模型应用于罗玉沟（W100）、吕二沟（W10）、桥子东沟（W1-a）和桥子西沟（W1-b）四个流域出口量水堰流速–流量关系模拟。根据模型确定性系数（R~2），幂函数模型拟合优度依次为W100、W1-a、W10和W1-b。根据模型效率系数（E），幂函数模型模拟效率依次为W1-a、W100、W10和W1-b。模型验证结果表明，水力几何关系幂函数反函数模型能够用于测量流域流量，建立了一种通过测量流域出口流速而非水深确定流量的新方法。本论文研究结果有助于理解黄土高原小流域水文循环过程，为研究流域水资源优化配置、土壤侵蚀和泥沙运移等提供辅助工具。
刘庆新[6]2009年在《黄土高原丘陵沟壑区已治理小流域土壤质量评价》文中指出黄土高原是我国乃至世界水土流失最为严重的地区之一,经过30多年的综合治理,其生态环境发生了很大的变化。小流域尺度土壤质量演变能在很大程度上反映生态恢复程度,对于评价流域生态环境治理效果,制定科学的流域治理规划设计具有重要的意义。本论文以安塞纸坊沟流域和定西高泉沟流域为对象,从资料收集、野外调查和室内土样分析(物理、化学和酶活性指标)入手,采用方差分析、相关性分析、因子分析、逐步回归分析等方法,系统研究了黄土高原丘陵沟壑区已治理小流域土壤质量的基本特征、空间分布、相关性、指标体系和综合评价。主要结论如下:(1)两流域土壤机械组成均以粗粉粒最多(50%～60%),粗砂粒最少(0.5%～4%)。质地粗化度高泉沟(3.74)>纸坊沟(3.26); 0.01～0.25mm微团聚体占80%以上,<0.01mm微团聚体占10%左右;特征微团比高泉沟(12.80%)>纸坊沟(9.50%);团聚度纸坊沟(44.20%)>高泉沟(24.28%);>0.25mm水稳性团聚体和容重随土层深度的增加而增加,而总孔隙度则减小。>0.25m水稳性团聚体、容重和总孔隙度分别为:高泉沟(39.95%)>纸坊沟(6.43%)、纸坊沟(1.29g/cm3)>高泉沟(1.28g/cm3)、高泉沟(51.84%)>纸坊沟(51.03%)。(2)有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾和CEC随土层深度的增加而减小,而CaCO_3和pH值则逐渐增加;乔木和灌木0～20cm土层有机质、全氮、碱解氮和CEC均高于农地,而pH值却相反。有机质、全氮、碱解氮、速效磷、全钾、CEC和电导率为高泉沟>纸坊沟,速效钾、CaCO_3和pH值为纸坊沟>高泉沟;相同土地利用现状的有机质、全钾、速效钾和电导率均为沟底>沟坡>梁峁;CaCO_3梁峁>沟坡>沟底;CEC、全氮、碱解氮、全磷、速效磷和pH值在流域空间范围内并无明显规律。(3)除过氧化氢酶活性外,脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和蛋白酶活性均随土层深度的增加而降低,且表层与下层间存在显着差异;脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性为高泉沟>纸坊沟,过氧化氢酶和蛋白酶活性为纸坊沟>高泉沟;乔木和灌木0～20cm土层蔗糖酶和碱性磷酸酶活性高于农地;蛋白酶活性在梁峁地最高,其他酶活性在流域空间范围内并无明显规律。(4)10项物理指标中,物理性粘粒与其他所有指标均呈显着或极显着相关;11项化学指标中,有机质除与电导率无显着相关外,与其他所有指标均呈极显着相关;全氮和碱解氮与其他所有指标均呈极显着相关;pH值和CaCO_3与其他所有指标均呈极显着负相关;过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和蛋白酶活性之间均存在极显着正相关;通径分析显示,有机质、碱解氮和全氮通过直接作用或彼此之间的间接作用成为影响5种酶活性的主要因素。(5)筛选出粘粒、物理性粘粒、团聚度、容重、有机质、全氮、全磷、速效磷、CEC、CaCO_3、脲酶和碱性磷酸酶12项土壤质量综合评价指标:建立黄土高原丘陵沟壑区土壤综合质量演算模型,为黄土高原丘陵沟壑区水土保持工作开展和农业生产提供理论指导。
贾小旭[7]2014年在《典型黄土区土壤水分布及其对草地生态系统碳过程的影响》文中认为土壤水分是黄土高原植被恢复和生态建设的关键因子，对生态系统关键过程具有重要影响。土壤水分的分布特征是气候、土壤、植被和地形共同作用的结果和体现，研究多尺度下土壤水分的分布及其与环境因素的关系可以揭示土壤水分的时空演变规律与驱动机制，为土壤水资源科学管理和可持续利用提供依据。黄土高原草地是我国草地的重要组成部分，系统研究土壤水分对草地生态系统碳过程的影响可为回答生态系统水分—植被互动关系提供依据。本论文结合野外调查和室内分析，研究了典型黄土区区域、样带和坡面尺度土壤水分的时空分布特征，阐明了土壤水分分布与环境因素之间的关系，并分析了土壤水分对草地生态系统生产力、土壤呼吸、碳氮分布以及植物多样性的影响，所取得的主要结论如下：1.典型黄土区土壤剖面水分具有明显的空间分布规律，水平方向由东南向西北递减，垂直方向先减小后增加。土地利用对土壤水分的数量和剖面分布具有显着影响，3种土地利用土壤水分含量依次为农地>林地>草地。典型黄土区0~5m土壤储水量平均值为719mm。土壤水分随着土层深度的增加，其变程总体上呈减小趋势，表明土壤水分空间依赖性随土层深度的增加而增强。降水、土壤孔隙度和坡度是影响典型黄土区土壤水分分布的主要因素。黄土高原南北样带土壤水分从南向北递减，0~5m土壤储水量平均值为735mm。土壤水分随着土层深度的增加，其在空间上的变异性增强，而在时间上的变异性减弱。干燥度、粘粒含量、海拔和坡度是影响南北样带土壤水分分布的主要因素。2.典型黄土区土壤干层具有明显的空间分布规律，干层厚度在西部和西北部地区较厚，在东南部地区较薄，干层内平均含水量由东南至西北方向递减。土地利用对土壤干层有显着影响，土壤干化程度依次为草地>林地>农地。典型黄土区土壤干层的空间分布格局是区域大尺度因子与局部小尺度因子共同作用的结果。南北样带土壤干层具有良好的时间稳定性特征，干层内平均含水量愈低、起始形成深度愈浅的样点时间稳定性愈强；气候愈干旱、土壤持水性能愈差干层内平均含水量时间稳定性愈强，愈可能形成永久性土壤干层。3.小流域典型坡面土壤储水量随着土层深度的增加，其在时间上的变异性降低，而在空间上的变异性增强，表明土壤储水量时空变异性的强弱具有深度依赖性。坡面尺度土壤储水量具有良好的时间稳定性特征，时间稳定性样点的数量随着土层深度增加而增多，表明土壤储水量时间稳定性随着土层深度的增加而增强。代表稳定性样点可以较准确的估算坡面尺度平均土壤水分状况（R2≥95%）。土壤质地、有机碳、海拔和植被对土壤水分时间稳定性具有重要影响，但其影响程度因两个坡面不同而有所差异，表明土壤水分时间稳定性对土壤、植被和地形的依赖因坡面不同而异。4.降水是影响区域尺度黄土高原草地生态系统净初级生产力的主要因素。不同草地类型对降水变化的响应敏感性不同，响应敏感程度依次为草甸草原>典型草原>灌丛草原>荒漠草原。生长季降水的季节分布（5~9月）与草地净初级生产力显着负相关，表明生长季降水分布愈均匀，愈有利于草地生产力的提高，尤其是在340~440mm降水区域。土壤水分对草地净初级生产力也有显着影响，且随着土层深度的增加，影响程度逐渐减弱。5.小流域典型坡面表层土壤水分和草地净初级生产力具有较强的空间自相关结构，且与环境变量之间具有显着的空间交互相关结构。基于饱和导水率的单因素状态空间模型具有较好的模拟效果，可用于田间条件下表层土壤水分分布特征的预测。基于粘粒+速效磷含量或速效磷+硝态氮含量的双因素状态空间模型可以解释草地净初级生产力的全部变异，可用于坡面尺度草地生产力空间分布特征的预测。6.土壤水分变化对草地碳固定和碳排放过程具有显着影响。增水显着提高了长芒草、苜蓿、自然恢复和退化苜蓿群落地上部净初级生产力和细根生物量，表明在草地生长前期供水的重要性。增水显着促进了各草地群落土壤呼吸速率，但未改变其季节变化特征。除长芒草群落外，水分添加显着增加了其他3种草地群落土壤呼吸的温度敏感性。土壤中δ13C和δ15N在苜蓿群落演替阶段随年限的增加逐渐增加，而在长芒草群落演替阶段逐渐降低，表明δ13C和δ15N在植被不同演替阶段随年限变化趋势不同。土壤储水量与δ13C和δ15N显着负相关，表明旱区草地生态系统主要过程是由水分驱动的。7.不同群落植物物种多样性对环境因素的响应不同。土壤水分和饱和导水率是影响草地生态系统物种多样性分布的主要因素；灌木密度、坡度和海拔是影响灌木林地物种多样性分布的主要因素。在充分考虑土壤和地形因素的条件下，尤其是土壤水分状况，种植合适密度的灌木对维持黄土高原北部植物多样性具有重要作用。本研究表明，在典型黄土区，气候条件、土壤性质和地形因子是影响区域和样带尺度土壤水分分布的主要因素，土壤性质、地形和植被对坡面尺度土壤水分时空分布具有重要作用，通过分析多尺度下土壤水分的分布特征可以揭示土壤水分的演变规律和驱动机制，为土壤水分模拟与预测和水土环境质量演变提供依据。土壤水分对草地生态系统生产力形成、碳氮循环以及植物多样性分布具有重要影响，通过分析生态系统基本过程以及植物多样性对水分变化的响应可以揭示生态系统水分—植被互动关系，从而为脆弱生态系统植被恢复和生态建设提供依据。
陈洪松[8]2003年在《黄土区坡地土壤水分运动与转化试验研究》文中进行了进一步梳理在严重土壤侵蚀和频繁干旱并存的黄土高原地区，由于水资源极端缺乏，因而如何合理、有效地利用土壤水资源就成为保证农作物和林草植被生理需水、改善生态环境的关键。针对当前该区植被恢复重建中存在的科学问题，以植被建设的关键性限制因素—土壤水分为出发点，通过室内外模拟降雨试验，研究了坡地降雨入渗、产流及土壤水分再分布规律，同时采用定位观测和采样分析相结合的方法，分析了坡地土壤水分的循环与转化特征，并初步建立了深层土壤干燥化程度的评价标准，取得的主要结论如下： (1)在防止土壤侵蚀的条件下，均质坡地的降雨入渗过程可以简化为一维。当初始含水量分布均匀时，降雨入渗过程中湿润锋面几乎平行坡面运移，湿润锋深度与时间的关系可用幂函数描述。当初始含水量较低时，入渗主要受控于基质势梯度的作用，上方来水对入渗几乎没有影响。 (2)植被覆盖度较高的荒草地，产流时间主要取决于初始含水量，两者的关系可用幂函数描述；裸地因降雨产生地表结皮，产流时间主要取决于降雨强度，两者的关系可用线性描述。裸地坡面覆盖杂草，能延缓产流时间、增加入渗，并促进土壤水分向深层的运移。 (3)在防止蒸发条件下，再分布过程中，土壤水分在重力的作用下有沿坡向下运移的趋势；在蒸发条件下，由于初始含水量一般较低，雨季量小且分散的降雨极易为强烈的蒸发蒸腾所消耗，侧向沿坡向下流难以发生，但在持续的降雨条件下，土壤水分在重力势和基质势梯度的作用下易沿坡向下运移。 (4)土壤水分沿坡面呈“波浪形”分布是坡面径流的波动性、上方来水(径流)的沿程入渗、侧向沿坡向下流以及坡面各处入渗性能和蒸发蒸腾作用的差异等综合作用的结果。雨季林草地坡中下部土壤水分含量较高的原因，可能主要与其蒸散较小且坡度较缓导致入渗水量较多有关；但是对于植被覆盖度较低的坡地(如裸地)，坡中下部土壤水分含量较高还与上方来水有较大的关系。 (5)土壤剖面水分的垂直变化具有明显的层次。基于标准差和变异系数两个指标，采用聚类分析，可将土壤剖面水分垂直变化划分为四个层次：速变层、活跃层、次活跃层和相对稳定层。与裸地相比，荒草地由于植被强烈的蒸腾作用，其土壤水分循环强度加剧，表现为活跃层、次活跃层以及蒸发蒸腾作用层深度增大。 (6)土壤水分的动态变化主要受降雨和蒸散过程的影响，具有明显的季节性。根陈洪松博士学位论文:黄土区坡地土壤水分运动与转化试验研究据年内降雨和水面蒸发量的相对大小，可将土壤水分的变化分为叁个主要时期:春季失墒期、夏秋增失交替期和冬季相对稳定期。干早年，夏秋以失墒为主，土壤水分处于负补偿;丰水年，夏秋以增墒为主，土壤水分处于正补偿。 (7)在以土壤水分消耗为主的时期，土壤蒸发时水分的整体移动性能较强，最大蒸发蒸腾作用层深度很快形成，并不是一个“由浅而深”的渐进过程。黄土高原地区雨、热同季，雨季降雨主要为蒸发蒸腾所消耗。干早年，土壤水分收支负平衡，入渗雨量全为蒸发蒸腾所消耗;丰水年，荒草地蒸散量和裸地蒸发量分别占同期降雨量的80%和60%以上。 (8)将土壤水分的几个主要指标与水分特征曲线相结合，从能量的角度初步建立了黄土高原地区深层土壤干燥化程度的评价标准。 (9)数值模拟研究表明，荒草地土壤水分收支基本平衡所需的年降雨量和雨季降雨量分别为747.6mm和570.0~，说明黄土高原地区深层土壤水分在干早年和平水年易收支负平衡。
佘冬立[9]2009年在《黄土高原水蚀风蚀交错带小流域植被恢复的水土环境效应研究》文中研究表明土地利用结构/覆被变化是全球变化研究的热点问题之一。土地利用结构变化引起如土壤水分、土壤养分等物质的循环发生变化。黄土高原是我国水土流失最为严重的地区,也是生态环境建设重点实施的区域之一。近年来该区开展了大量的水土流失治理和植被建设工作,特别是1999年国家在西部10省363县开展的“退耕还林还草”工程以来,对黄土高原土地利用格局及生态环境产生了强烈影响。本文针对黄土高原地区植被恢复的水土环境效应问题,以水蚀风蚀交错带为主要研究区域,选择神木六道沟流域退化生态系统为研究对象开展了试验研究,通过小区—坡面—流域尺度研究了土地利用及其格局与土壤水分、土壤理化特性、植被群落演替特征、生态水文循环特征和径流侵蚀的相互关系,得到了以下主要结果:1、混合的土地利用结构形成了土壤含水量高低不同的斑块镶嵌坡面格局,有助于坡面径流侵蚀的控制。小流域内土壤水分呈中等变异,且具有明显的空间结构,高斯模型可以较好的反映这种结构特征。干旱条件下,土壤水分保持较高的基台值和变程,而异质比相对较低,且它们随土壤剖面分布差异明显,表明土壤含水量的不同能改变土壤水分的变异程度及分布格局。建立了土壤水分空间回归预测模型,干旱条件下土地利用和土壤属性变量综合解释了78.7%-86.5%的土壤水分空间变异;而较湿润条件下增加了地形属性变量,叁者综合仅能解释58.2%-77.7%的土壤水分空间变异。模型的平均预测误差和均方根预测误差都较小,模型可用于研究区土壤水分的预测。2、通过不同土地利用空间配置成混合利用结构拦截和减少径流侵蚀,形成了土壤属性坡面斑块镶嵌格局。小流域内除土壤容重外,土壤理化性状呈中等的空间变异,且均具有中等的空间自相关,其变异性由土壤系统内部因素包括土壤质地、矿物、成土过程、地形特征和人类活动造成的外部因素包括施肥和耕作等共同控制。建立了土壤理化属性的多元回归预测模型,不同土壤属性模型的自变量不同,表明不同的土壤理化性状变异受不同的环境因子控制。分析认为合理配置土地利用形成斑块状结构和增加养分的投入可以有效地改善该地区的土壤质量。3、Kriging插值显示混合土地利用结构小区土壤表层水分和容重呈明显的斑块镶嵌格局,与土地利用结构一致,易于形成径流侵蚀的自我调控系统,其中M1小区(柠条-豆地-苜蓿)的年侵蚀模数最低,两年的减蚀率分别达到98%和94%。从侵蚀控制角度出发提出了土地管理策略:通过土地利用配置,提高土壤的空间变异性,形成水文单元镶嵌分布的径流侵蚀自我调控系统;通过农业措施可提高镶嵌结构下各斑块的土壤水分入渗能力,从而提高整个流域产流的土壤入渗能力阈值。4、种植的苜蓿7年内产量持续增加,而后逐渐降低,大约在种植10年左右后演替发育成顶级草地群落—长芒草群落。随着苜蓿生长年限的延长,土壤容重增加,苜蓿人工草地群落阶段对土壤水分消耗严重。但在演替后期,土壤水分是一个补给恢复过程。苜蓿人工草地退化一方面是由于与乡土物种之间的竞争引起,但更重要的因素是苜蓿生长对土壤水分的过渡消耗而形成的土壤水分胁迫。有效控制植物种群密度可以减少苜蓿草地的土壤水分消耗;通过改变土地利用方式,苜蓿草地与农作物、翻耕裸露进行轮作可以有效地恢复因苜蓿生长消耗的土壤水分。5、研究区柠条林冠层平均截留率为24.2%,稳定截留率约为12%。“漏斗”状结构的杏树林冠平均截留率为15.1%,稳定截留率约为10%。相对于农地小区,2007年长芒草、柠条、杏树和撂荒地的减蚀率基本都达到了80%。植被盖度和高度因子对坡面产流产沙的灰色关联度都大于0.5。土地利用类型和土壤性质对土壤水分含量具有重要的影响,各小区浅层土壤水分季节变化剧烈,随土壤深度增加土壤含水量变化减小。柠条和杏树林地剖面土壤水分的季节变化表现为“消耗-补偿”的过程,0-120cm土层储水量表现为:杏树林>沙黄土柠条>黄绵土柠条>硬黄土柠条>风沙土柠条,120-400cm土层由于受降雨的影响较小,土壤储水量未表现出明显的季节变化,其储水量表现为杏树>沙黄土柠条>硬黄土柠条>黄绵土柠条>风沙土柠条。黄绵土种植的4-6年生苜蓿土壤水分消耗大,而农地撂荒后演替发育的浅根系草本对浅层土壤水分的消耗比农作物对水分的消耗要多。6、水量平衡分析结果表明,两个生长季度平均下来,各小区土壤水分基本保持平衡,观测期末土壤储水均略有盈余,其中农地的盈余最高,为106.9mm,ET/P为71.0%。单个生长季各小区水量平衡具有一定的差异性,2008年黄绵土、风沙土柠条地和黄绵土生长的苜蓿(I)地蒸散量超过了同期降水量,ET/P分别为103.2%、102.5%和104.6%,观测期末土壤储水呈负平衡。用SWAP模型的模拟结果表明,土壤水分和储水量模拟结果与实测值具有很好的一致性;长芒草地水分收支基本平衡,苜蓿草地的水分支出是农地的1.38倍,其中苜蓿的蒸腾耗水量是农地绿豆的3.88倍,这是引起苜蓿草地群落过度消耗土壤储水而呈现负补偿的主要原因。可见,农地退耕还林还草后会增加SVAT系统水分支出,如果植被群落耗水过大很可能使土壤干化。植被恢复的水土环境效应研究从一定角度评价了水蚀风蚀交错带退耕还林(草)工程对环境的影响,同时也为进一步开展科学合理的植被恢复提供指导。本文在野外测定的基础上,对水蚀风蚀带小流域植被恢复的水土环境效应进行了研究,并主要就土地利用及格局改变下土壤水分、土壤水分物理-养分属性空间分异特性及其水土保持效应、人工建设植被的群落演替特征与土壤水分物理属性的耦合关系及不同生态系统水分循环过程和植被耗水规律等问题进行了较为深入的分析。希望本文对于不同景观尺度下土壤属性时空变异及SVAT系统水分循环的基础理论研究提供借鉴,对黄土高原以小流域为基本单元的生态环境建设具有实践指导意义。基于土地利用格局下土壤属性时空变异规律的生态过程模拟似应是这一领域今后研究的重点之一。
张永坤[10]2018年在《黄土区人工柠条地土壤水文性质的时空变异性》文中进行了进一步梳理黄土高原地处半湿润、半干旱和干旱气候区,水资源匮乏,水土流失严重,生态环境脆弱。植被建设是防治水土流失和改善生态环境最直接最有效的方法。柠条因其对干旱逆境的适应性,成为黄土高原人工植被建设的主要灌木类型,至2017年,黄土高原人工柠条种植已达1.33×10~6 hm~2。过去多关注人工柠条在减少水土流失、增加土壤养分和土壤团聚体等方面的作用,忽略了柠条大面积种植对不同尺度土壤水文性质的影响。本研究从小区、坡面和样带尺度研究人工柠条生长对土壤水文性质的影响,探求不同尺度土壤水文性质的时空变异性及其主要影响因素。以期为黄土高原人工柠条地的水循环机理研究提供理论支持,为合理高效利用水资源、植被恢复重建和生态环境可持续发展提供科学依据。本研究取得的主要结论如下:(1)小区尺度上,灌木下的饱和导水率明显高于灌木间区域,灌木冠幅边缘的饱和导水率一般最高且空间变异最大;土壤含水量随距离灌木中心距离的增加没有明显变化。小区内,饱和导水率最高的区域一般集中灌木周围;在灌木周围,根系密集的区域饱和导水率一般较高。研究结果发现,土壤有机质和土壤质地分别是影响小区尺度饱和导水率和土壤水分空间变化的主要因素。(2)坡面尺度上,坡度较缓坡面的土壤含水量整体呈下降趋势;土壤容重、饱和导水率、粉粒和粘粒含量无明显变化规律。土壤水分、容重、剖面平均粘粒和粉粒含量具有强空间自相关性;饱和导水率、表层粉粒和粘粒含量并不具有明显的空间结构特征。持续干旱会增加人工柠条地的土壤干燥化程度,极端降雨事件能补充0-200 cm土层的含水量。在坡度较缓的坡面上,柠条种植密度是影响坡面土壤水分空间变化的主要因素。(3)样带尺度上,从半湿润区到半干旱区,0-100 cm土层含水量均随降雨的减少而降低,并存在显着差异(p<0.05)。在半干旱区内,随降雨减少,不同样地100-300 cm土层含水量并未发生显着变化(p>0.05)。柠条细根的数量和剖面分布随降雨减少发生显着变化。半湿润地区样地的细根生物量明显高于半干旱地区。降雨是影响样带尺度土壤水文性质空间变化的主要因素。(4)土壤水分的时间变异方面,坡面土壤水分随土层深度加深,时间稳定性逐渐增强。对样点不同土壤深度的土壤水分进行时间稳定性分析,发现能够代表样点剖面平均含水量的时间稳定性最好的深度(代表性深度)一般在160 cm深度以下;根据代表性深度估算坡面平均含水量的预测误差明显高于根据代表性样点估算坡面平均含水量的预测误差,但仍满足预测精度要求。影响不同土层土壤水分时间稳定性的主要因素是土壤质地。(5)坡面浅层土壤水分空间格局(0–10、0–20、…、0–100 cm)和深剖面水分格局(0-300 cm)极为相似(p<0.01)。这为根据浅层土壤水分数据估算坡面深剖面平均含水量提供了可能性。坡面深剖面平均土壤含水量可以根据浅层土壤水分数据(100 cm深度内)确定的有限个时间稳定性样点(TSLs)进行预测。时间稳定性样点的最佳数量和浅层水分剖面的最佳深度随土壤水分条件变化而变化。在黄土高原的半干旱区,浅层水分剖面的最佳深度是0-40 cm;但在黄土高原的半湿润区,最佳深度为0-30 cm。该方法经检验适用于黄土高原地区。若将该方法应用于湿润区,时间稳定性样点的最佳数量和浅层水分剖面的最佳深度需要重新确定。
参考文献：
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[9]. 黄土高原水蚀风蚀交错带小流域植被恢复的水土环境效应研究[D]. 佘冬立. 中国科学院研究生院（教育部水土保持与生态环境研究中心）. 2009
[10]. 黄土区人工柠条地土壤水文性质的时空变异性[D]. 张永坤. 中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心). 2018
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