荒漠人工固沙植被区土壤水分的时空变异性

表层土壤水分具有高度的时间和空间变异性.研究的目的:(1)揭示沙坡头人工固沙植被区浅层土壤水分的时空变异性特征;(2)确定驱动土壤水分变异的主要环境因子.在人工固沙植被区内一个4500m2的网格样地上每隔10m设置取样点,在连续7个月的时间内 (2005年4～10月),每隔15d用时域反射仪测量各样点表层以下15cm和30cm深度的土壤容积含水量.结果表明,该区网格尺度上浅层土壤水分的分布具有明显的空间变异性,其变异性随着土壤水分含量的降低而减小;相对海拔是驱动土壤水分空间变异的主要环境因子,其作用在降雨后尤为显著,且其对土壤下层的影响比上层更明显;植被和土壤水分含量的相关性时间序列与相对海拔一致--降雨使其相关性增加;土壤质地(土壤粒径分布)和土壤水分含量的相关性时间序列特征与植被和相对海拔相反,且其对土壤上层的影响比下层更明显.因此,在沙坡头荒漠人工固沙植被区,降雨后的短暂湿润期,地形和植被是驱动浅层土壤水分变异的主要影响因子,而随着降雨之后土壤逐渐变干,土壤质地的影响变得更加明显.     

黄土丘陵沟壑区不同降水年型下土壤水分动态

采用定位监测法,对黄土丘陵沟壑区不同降水年型下旱农坡地、刺槐林、沙棘灌丛和白羊草地土壤水分的时空变化规律进行了分析.结果表明,降水年型对研究区不同植被类型土壤水分的季节变化和剖面垂直变化均有一定影响.旱农坡地平水年土壤水分的季节变化平缓;枯水年雨季前土壤水分缓慢减小,雨季后显著增加;丰水年则整体增加,且雨季后增加明显.刺槐林、沙棘灌丛和白羊草地平水年土壤水分的季节变化表现为整体降低;枯水年沙棘灌丛土壤水分先减后增,刺槐林与白羊草地呈“W”型曲线变化,两个最低值均出现在6月和8月;丰水年沙棘灌丛和刺槐林土壤水分的季节变化呈“V”型,白羊草地的波动较大,最低值出现在8月.旱农坡地枯水年的土壤水分活跃层和次活跃层深度较平水年下移,丰水年次活跃层消失;丰水年和枯水年,刺槐林和白羊草地土壤水分活跃层深度均较平水年下移,沙棘灌丛则上移.     

黄土丘陵小流域土壤水分时空分异与环境关系的数量分析

采用ＤＣＣＡ排序,研究了流域尺谍上土壤水分的时空分异类型及环境因子的关系。研究结果表明,丰水年土壤水分垂直的分布呈降低型、波动型和增长型３种类型,主要影响因子为土地利用与地形（地貌类型、坡度、坡位与海拔高度）;土壤水分的季节变化表现为三峰型、四峰同步型与四峰滞后型３种类型,主要影响因子为降雨与地形（坡度、海拔高度、坡向与坡位）。分析得出,降低型与波动型的土壤水分利用率较高;从丰水年到欠水年,降低型     

哈尼梯田景观水源区土壤水分时空变异性

哈尼梯田景观的稳定维持依赖于上游水源区对水资源的涵养,土壤水分的时空变异性是揭示水源区土壤水源涵养格局的重要指标。通过网格法采集水源区表层(0~20cm)土样162个(旱季81个,雨季81个),应用经典统计学和地统计学方法分析水源区旱、雨季土壤水分空间变异特征。结果表明:(1)以200 m的间距采样,旱季土壤水分变异系数(Cv)为18.50%,半变异函数结构比值为99.9%,变程为383 m;雨季土壤水分Cv为18.19%,半变异函数结构比值为99.9%,变程475 m。土壤水分均呈中度变异,表现出高度的空间自相关性。从旱季到雨季,土壤水分的空间结构参数存在差异,变程变化最明显;各向异性存在一致性但各向异性比值差异明显。(2)Kriging插值图表明,旱季土壤水分空间格局明显呈斑块分布,斑块破碎度较大,空间连续性较差。雨季呈阶梯状分布,空间连续性强,土壤水分变异的复杂程度变小。旱、雨季土壤水分格局总体变化趋势较一致,但旱季的格局更显著,基本与土地利用格局分布相一致。(3)旱、雨季土壤含水量及其变异受降雨量影响而存在相一致的变化趋势,但旱季土壤水分对降雨量的反应较敏感。(4)土地利用是导致土壤水分空间变异的主要因素,降雨会加强或减弱这种差异的趋势;土壤水分含量受海拔的影响大,受坡度的影响小。(5)土壤水分时空变异能够反映水源涵养格局,对识别水源涵养关键区,保护水源区生态安全格局,维持整个流域水源供给平衡,维持梯田景观的稳定性意义重大。     

湿润和干旱条件下喀斯特地区洼地表层土壤水分的空间变异性

在桂西北喀斯特洼地,用地统计学方法研究了旱季初期湿润和干旱条件下表层（0—5和5～10cm）土壤水分的空间结构及其分布特征．结果表明,表层土壤水分存在明显的空间异质性和各向异性,呈现差异显著的斑块状分布格局．湿润条件下,土壤水分具有中等和较强的空间相关性,变程分别为33．15n,和15．75m,其中0～5cm层具有明显的趋势效应;干旱条件下,土壤水分则呈现出强烈的空间相关性,而且相似斑块的空间尺度有所减小,变程最小仅为8．22m;在平均含水量较低时（干旱条件）其变异程度较大,实际应用中应根据平均含水量水平采取不同的取样设计．实验区表层土壤水分空间变异及其分布格局的显著差异,主要是受地貌、平均含水量（降水）和地形等因素的影响．     

喀斯特峰丛洼地不同土地利用方式土壤水分对降水特征的响应

为了明确喀斯特峰丛洼地不同土地利用类型土壤水分对降水的响应, 采用定位观测法, 选择顺坡种植桂牧1号、顺坡种植玉米、封育、刈割除根、火烧、刈割6种喀斯特峰丛洼地最典型的土地利用方式, 分析了这6种土地利用方式下土壤水分动态变化。结果表明: 研究区2011—2013年的降水量可分为枯水年(2011年)、丰水年(2012年)和平水年(2013年)三种降水年型。枯水年土壤水分年均含量表现为种植桂牧1号>封育>刈割>火烧>刈割除根>种植玉米, 平水年和丰水年均表现为封育>刈割>种植桂牧1号>火烧>刈割除根>种植玉米。封育和桂牧1号土地利用方式在各降水年型下均具有较高的水分含量, 而种植玉米土壤含水量则最低, 其次为刈割除根。降水年型对土壤水分变异系数的影响表现为枯水年>丰水年>平水年的趋势。不同土地利用方式在枯水年、丰水年和平水年三种降水年型中, 土壤水分变化趋势各有特点, 主要受近期降水和土壤蒸发的影响。封育和桂牧1号土壤水分含量高, 两种土地利用方式能显著改善土壤水分状况, 积蓄一定的水分。     

湿润和干旱条件下喀斯特地区洼地表层土壤水分的空间变异性

在桂西北喀斯特洼地,用地统计学方法研究了旱季初期湿润和干旱条件下表层(0～5和5～10 cm)土壤水分的空间结构及其分布特征.结果表明,表层土壤水分存在明显的空间异质性和各向异性,呈现差异显著的斑块状分布格局.湿润条件下,土壤水分具有中等和较强的空间相关性,变程分别为33.15 m和15.75 m,其中0～5 cm层具有明显的趋势效应;干旱条件下,土壤水分则呈现出强烈的空间相关性,而且相似斑块的空间尺度有所减小,变程最小仅为8.22m;在平均含水量较低时(干旱条件)其变异程度较大,实际应用中应根据平均含水量水平采取不同的取样设计.实验区表层土壤水分空间变异及其分布格局的显著差异,主要是受地貌、平均含水量(降水)和地形等因素的影响.     

长白山阔叶红松林表层土壤水分空间异质性的地统计学分析

采用时域反射仪对长白山原始阔叶红松林3块50 m×50 m样地表层土壤（0～7.5 cm）水分进行测定,应用地统计学的理论与方法对表层土壤水分的空间异质性进行分析.结果表明：研究区3块样地表层土壤水分变异系数分别为24.32%（样地1）、24.11%（样地2）和23.60%（样地3）,均属于中等变异性;该区表层土壤水分的理论变异模型为球状模型,具有高度的空间异质性,其空间异质性以空间自相关部分为主;表层土壤水分的结构比分别为57.9%（样地1,属中等相关性）、83.3%和90.0%（样地2和3,属强烈的空间相关性）;研究区表层土壤水分的变程在5.5～13.1 m,与贝叶斯方法估计的变程相差不大;通过克立格插值估计,研究区表层土壤水分含量的平均值分别为49.3%（样地1）、52.8%（样地2）和42.6%（样地3）.     

小流域土壤水分空间异质性及其与环境因子的关系

以丹江口库区五龙池小流域为研究区域,利用双向指示种法将观测期(2008年4-10月)划分为不同干湿时段;运用前向选择法和Monte Carlo检验法对显著影响不同时段土壤水分空间格局的环境因子进行筛选;利用冗余分析排序法分析不同时段土壤水分格局与环境因子的关系;运用偏冗余分析定量分离环境、空间及其交互作用对土壤水分变异的影响.结果表明:观测期土壤水分被划分为7个子类,分别属于干旱、半干旱、半湿润和湿润4个时段;在干旱期,土地利用类型是影响土壤水分空间格局的主控因子,土层厚度、相对高程、剖面曲率、土壤容重和土壤有机质的影响也达到显著水平;在半干旱期,土层厚度起主导作用,土地利用类型、地形湿度指数、土壤容重和剖面曲率显著影响土壤水分;在半湿润期,地形湿度指数的影响最大,土地利用、坡向正弦值的作用显著;在湿润期,地形湿度指数和坡向正弦值是主要影响因子,相对高程、汇水面积的影响显著.不同干湿期土壤水分的空间分布与环境空间的生态梯度格局吻合较好.从干旱期到湿润期,环境因子独立作用不断减小,但始终处于主导地位,空间位置独立作用总体变化不大且一直维持在较低水平,环境-空间位置交互作用的贡献逐渐增大.     

喀斯特山区洼地表层土壤水分的时空变异

研究用地统计学方法在桂西北典型喀斯特洼地研究了表层土壤水分（0～15cm）的时空变异特征及其分布格局。结果表明在取样时段内洼地表层土壤水分总体不高（15．0％～27．5％）,呈现弱至中等变异特征,并且中等变异一般与含水量较低相对应。洼地表层土壤水分的半变异函数参数及其影响因素产生一定的季节变化;块金值、基台值和变程的变化范围分别是0．01～2．74,2．04～7．52和6．0～36．8。块金值和基台值的变化大致与平均含水量呈相反变化趋势;变程在采样初期和中期与土壤水分的变化趋势相反,在后期变化趋势相同,结果说明平均含水量对表层土壤水分的时空变异具有持续主导作用,结合研究目标可以有效指导后续的土壤采样。在剔除趋势效应后,表层土壤水分呈明显的斑块或条带状分布,样块土壤水分不仅具有空间分布的差异而且具有明显季节变化,其中旱、雨季的土壤水分分布特征明显不同。在喀斯特山区特殊地貌中,土壤平均含水量、地形、微地貌（石丛）和人为管理等因素是造成洼地表层土壤水分时空变异及其分布差异的主要影响因素。     

喀斯特峰丛洼地区坡地不同土地利用方式下土壤水分的时空变异特征

基于典型喀斯特峰丛洼地坡面土地利用方式试验火烧、刈割、刈割除根、封育、种植桂牧1号、种植玉米(面积分别为20m×70m)控制性试验建设,通过网格法(5 m×5 m)采样,用经典统计学和地统计学方法,分析了6种土地利用方式下(火烧、刈割、刈割除根、封育、种植桂牧1号、种植玉米)表层土壤水分在不同季节的空间变异特征。结果表明:喀斯特峰丛洼地土壤含水量均很高,雨季显著大于旱季,雨季为火烧封育、刈割除根玉米、桂牧1号刈割,旱季为刈割、火烧、刈割除根桂牧1号、封育玉米,均呈中等至强度变异,且含水量越低变异越大;不同土地利用方式土壤水分的自相关函数均呈由正向负方向发展的相同趋势,但拐点不同,且旱季大于雨季,不同土地利用方式旱季、雨季土壤水分的最佳拟合模型不同,但均呈中等或强烈的空间相关性,变程为6.8—213 m,且旱季大于雨季;同一土地利用方式旱季、雨季表层土壤水空间格局相似,不同土地利用方式空间格局则不同,因此在该区域进行植被恢复和生态重建时应采取不同的水资源利用策略。     

Soil moisture ecological environment of artificial vegetation on steep slope of loess region in North Shaanxi Province, China

By means of fixed-point monitoring and comparative analysis, soil water deficient situation, soil moisture dynamic variation laws, soil aridization and soil water compensation features under condition of different artificial vegetations were studied on 35–45° steep slope of loess region in North Shaanxi Province, China. The results showed that soil water was extremely deficient under condition of perennial artificial vegetation on steep slope, soil water storage (0–10 m) was only equal to 26.2%–42.0% of the field capacity in dry years, and in rainy years it was also only equal to 27.0%–43.3% of the field capacity. The order of soil water deficit was Caragana microphylla > locust > alfalfa > Chinese arborvitae > poplar > Chinese pine > wild land > apricot > Chinese date > farm land. Annual variations of soil moisture with the same vegetation were weakened with soil depth increasing, and occurred mainly in 0–200 cm soil layers. In the same growth season, all CVs (coefficients of variation) of soil moisture under condition of different vegetations were bigger and concentrated comparatively in 0–120 cm soil layers, but difference of CVs in different vegetations was small. Below 120 cm soil layers, CVs were smaller, but difference of CVs in different vegetations was bigger. Permanent dry soil layers always occurred under condition of perennial vegetation on steep slope, but the difference of soil aridization intensity was obvious among different vegetations and growth years. Soil water compensation and recovery depths in rainy seasons were 1.0–1.4 m, but the soil water storage increment and compensation degree in different vegetations were dramatically different. Soil water compensation depth in the same vegetation in rainy years was over 60 cm more than that in dry years, while the soil water storage increment in 5 m soil layers increased over 3 times. Under natural precipitation, the soil water deficit in artificial vegetation on steep slope cannot be ameliorated, and the soil aridization also can't be relieved.     

咸阳地区近年苹果林地土壤含水量动态变化

利用人力钻采样法和烘干称重法, 研究了咸阳地区2002-2008年间苹果林地6 m深度范围土壤含水量的动态变化、土壤干层的等级、土壤干层水分恢复、动力机制与消耗过程。资料表明, 咸阳地区干旱年苹果林地土壤含水量较低, 发育了长期性土壤干层。2003和2007丰水年苹果林地土壤干层中的水分得到了显著恢复, 经过当年的水分补给, 土壤干层已经消失。丰水年土层中重力水含量较高, 并能到达2 m深度以下。持续时间较长的重力水的存在是土壤干层水分恢复的驱动力, 但干层水分恢复的直接动力是薄膜水的水膜压力。在年降水量800 mm或更多的条件下, 不论黄土厚度有多大, 土层水分完全能够满足人工林生长的需要。咸阳地区干旱年苹果林地土壤水分不足, 土壤水分收入量小于支出量, 土壤水分为负平衡, 没有剩余的水分通过入渗补给地下水;丰水年苹果林地土壤水分充足, 土壤水分收入量大于支出量, 土壤水分为正平衡, 有剩余的水分通过入渗补给地下水。在年降水量为800 mm左右的丰水年, 该区补给的土壤水分可维持苹果林地在3 a内不会出现长期性干层, 3 a之后一般还会出现长期性土壤干层。     

新垦红壤坡地土壤水分有效性研究

针对南方红壤地区降雨时空分布不均的特点,以未开垦的自然植被为对照,对桂西北环境移民示范区不同季节(早季和雨季)一次性降雨前1d及降雨后4h、2d、4d、6d及8d新垦蔗地(中坡、下坡、谷地）0-20cm,20-40cm、40-60cm3个土层的土壤水分含量进行了测定．结果表明,雨后谷地蔗地的土壤有效水分增量几乎与降雨量相同,而中坡蔗地与未开垦的自然植被土壤有效水分增量仅相当于降雨量于80％．雨季雨后0-60cm土壤层次中土壤有效水分分布均匀,早季主要集中在表层．雨季一次性降雨后各哩理及各土层土壤有效水分饱和度均有显著差异;而早季3个新垦蔗地间无明显差异,3个土层以表层土壤有效水分饱和度最高,亚表层与心土层差异不明显．无论雨季还是旱季,0-60cm土层土壤有效水分的消耗速率都以自然植被处理为最低,由于雨季正是作物生长旺季,其0-60cm土层土壤有效水分的消耗速率比旱季快,按照早季雨后8d土壤有效水分的平均消耗速率,15d内0-60cm土层的有效水分将消耗殆尽。     

黄土旱塬区苹果园土壤水分动态

选取黄土旱塬区盛果期果园,于2009-2013年对0～500 cm土层土壤含水量进行连续监测,了解其土壤水分动态变化规律.结果表明： 平水年,苹果园耗水主要发生在0～300 cm土层;年降水量小于400 mm时,果树主要消耗300 cm以下土层土壤水分;受年降水量和苹果耗水的共同影响,200～300 cm土层是土壤水分的最大波动层;苹果园4-6月底季节性干旱明显,土壤水分的蓄积主要发生在7-10月中旬,该期的土壤蓄水能有效缓解下一年的春季干旱.     

桂西北喀斯特峰丛洼地土壤物理性质的时空分异及成因

运用经典统计方法,以桂西北喀斯特峰丛洼地4个植被演替阶段(草地、灌木林、次生林、原生林)土壤表层(0～15 cm)和剖面为研究对象,采用冗余分析(RDA)方法分析土壤物理性质的时空分异成因.结果表明： 灌木林和原生林表土的粘粒(＜0.002 mm)和粉粒(0.002～0.05 mm)含量分别与其他3个演替阶段有显著差异;草地与次生林之间各粒级颗粒含量差异不显著;各演替阶段土壤砂粒(0.05～2.0 mm)含量均无显著差异;草地的容重与其他3个演替阶段差异极显著.草地粘粒含量随坡位升高而增加,其他植被类型为中坡位粘粒含量最高,且同一植被类型下不同坡位之间差异不显著.原生林0～30 cm土壤各层次间的粘粒含量变化幅度(14.55%)大于草地(7.12%)、灌木林(11.24%)和次生林(13.77%),人类干扰对表层土壤颗粒组成有很大影响.土壤物理性质主要受土壤有机碳和各演替阶段植被类型的影响,其中砂粒含量受裸岩率的影响较大.     

陕北黄土区雨季后山地枣林土壤水分动态变化研究

选取陕北延川县齐家山红枣试验基地枣林地、苹果林地和撂荒草地为研究对象进行土壤水分动态变化研究，结果表明：①不同坡位、不同坡向和不同整地方式的枣林地土壤水分存在显著差异；其中，研究区下坡位土壤水分最高，为14.19%；阴坡土壤水分最高，为14.19%；水平阶整地枣林土壤水分显著高于原状坡。②研究区不同植被类型间土壤水分垂直变化趋势基本一致。枣林地土壤水分最高，为11.49%；不同植被类型0~100 cm土壤贮水量依次表现为枣林地（144.76 mm） > 苹果林地（124.19 mm） > 撂荒草地（72.20 mm）。③不同植被类型土壤贮水亏缺度存在差异。雨季前，0~20 cm土层亏缺度最小，平均亏缺度表现为撂荒草地 > 枣林 > 苹果林；雨季后，土壤水分亏缺度表现为撂荒草地 > 苹果 > 枣林，除枣林地外均高于雨季前土壤水分亏缺度。④雨季后，研究区3种植被类型0~20 cm土层土壤水分亏缺加剧；20~100 cm土层中，枣林土壤贮水补偿度为正值，土壤水分得到补偿，但最高仅为22.95%，枣林土壤水分仍处于亏缺状态并未完全恢复；苹果林地土壤贮水补偿度则为负值，表明土壤水分亏缺进一步加剧；撂荒草地土壤水分补偿度基本维持在0左右，土壤水分亏缺没有持续恶化。     

典型岩溶洼地土壤水分的空间分布及影响因素

在桂西北典型岩溶洼地的旱季和雨季,用地统计学结合GIS方法研究了洼地表层(0—16cm)土壤水分的空间分布特征及其影响因素。结果表明:土壤含水量受前期降雨量的影响,且旱季土壤水分对降雨量的反应较雨季敏感。土壤水分均呈中等变异且变异系数随着平均含水量的增加而减少。土壤水分的半方差参数显示土壤水分空间变异及其主导因素随旱、雨季而不同。此外,不同取样区域及取样时段内土壤含水量高低差别明显,分布格局及空间变异程度各异,这主要与当地环境和人为因素的综合影响有关。旱、雨季土壤水分均与前期降雨导致的土壤平均含水量变化呈相反趋势,且不同土地利用方式下的土壤含水量不同。土壤含水量还与土壤有机碳含量呈显著正相关,此外,地势及裸岩率也是造成洼地土壤水分变异及其分布差异的重要因素。下一步应根据旱季和雨季土壤水分分布及影响因素的差异,在岩溶洼地采取有针对性地土壤水资源利用及其水分管理策略。     

红壤坡地土壤水分时间序列分析

基于时间序列法,分析了2002—2004年3—9月茶园和农作区两种土地利用方式下土壤水分与降雨的相关关系.结果表明,降雨为不相关序列,而不同深度(10、30、50、70和90 cm)土壤含水量有高度自相关性,为自相关序列,相关时间域为30～45 d.降雨和土地利用方式是影响土壤水分与降雨相关关系的主要因素.降雨对土壤水分的影响强度由表层到深层不断减弱,其在土壤表层(10和30 cm)的有效性时间为7～8 d;在深层有效时间长短不一,但雨后2～3 d,降雨对土壤水分(0～100 cm)的影响最显著.旱季土壤含水量与降雨的相关时间比雨季短1～3 d,若持续5 d降雨量小于5 mm,土壤表层水分含量就会明显降低,可能引发季节性干旱.与农作区相比,降雨对茶园表层水分的影响较弱,但对深层水分的影响较强且持续时间长.     

黄土丘陵区坡面林-草边界土壤水分特征

研究了黄土高原丘陵区林-草边界上旱季和雨季土壤水分的空间分布变化特征.结果表明,旱季林地土壤水分的变异系数都小于草地,林地内各个层次土壤含水量差异不大,草地内各个层次土壤含水量差别较大;雨季林地土壤水分的变异系数都大于草地,林地内各个层次土壤含水量差别较大,而草地内各个层次土壤含水量差异不显著;林-草边界各个层次土壤水分的变异程度为弱变异或中等变异.林-草边界在旱季和雨季具有不同的影响域,旱季边界影响域为从林外0.4倍树高距离到林内0.4倍树高距离;雨季边界影响域为从林外0.4倍树高距离到林内0.8倍树高距离.因此,可将林-草景观划分为3个区：草地区,即由距林缘0.4倍树高距离处向草地方向延伸;林缘区,即由林外0.4倍树高距离到林内0.4倍树高距离(旱季)或0.8倍树高距离(雨季);林地区,即由林内0.4倍树高距离(旱季)或0.8倍树高距离(雨季)处向林内方向延伸.林-草边界水平方向上3个分区的土壤水分垂直分布呈现出不同的变化规律,而且旱季的规律特征与雨季相反.