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。     

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.     

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。     

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．     

元阳梯田水源区旱冬瓜水分来源

旱冬瓜(Alnus nepalensis)是元阳梯田水源区的优势树种之一,其作为一种速生树种被发展为当地居民重要的薪炭林和经济林,树种的生长发育和地理分布受到水分制约,其吸收水分和水分利用的变化将会直接影响森林生态系统的水循环。该研究于2014年5－11月间进行,研究时段内累计降雨1262 mm,地下水δD 值在－71‰~－53‰范围,δ18 O 在－10.6‰~－7.0‰范围,受环境因子的影响很小,基本上保持常年稳定。土壤水是可供树种直接吸收利用的水源,基于氢氧稳定同位素技术,对比元阳梯田水源区旱冬瓜树种茎干水δD 和其林地不同深度土壤水δD 的同位素组成情况,结合不同深度土壤含水量,定性分析判断旱冬瓜对土壤水的利用,结果表明旱冬瓜旱季利用的土壤水主要分布在40 cm 土层附近,而雨季利用的土壤水范围较广,分布在0~60 cm 的土层。利用多元线性混合模型 IsoSource 软件定量分析旱冬瓜对土壤水和地下水的利用,结果表明：旱冬瓜水分来源分布较广,各土层土壤水和地下水均有贡献,雨季旱冬瓜主要利用0~60 cm 深土壤水,其中雨后旱冬瓜绝大部分水分来源于0~10 cm 的土壤水分,利用比例为66％~73％;其它时间主要利用40~60 cm 的土壤水,贡献率高达73％;旱季旱冬瓜的绝大部分水分来源于地下水,对地下水的利用比例为18％~68％,同时,40~60 cm 的土壤水也是其重要的水源。从不同时间尺度考察旱冬瓜对土壤水和浅层地下水的需求,更加准确地认识元阳梯田水源区不同森林类型优势树种的水分来源,为梯田森林生态系统经营与维护以及梯田的可持续发展提供了理论依据。     

元阳梯田水源区土壤水分动态变化规律研究

近几年云南大部分地区受旱情困扰, 但元阳梯田却未受影响, 这与梯田水源区土壤水分运移特征息息相关。为探究该区土壤水分运移特征, 选取乔木林地、灌木地和坡耕地三个标准径流小区, 测定并分析不同坡位(上部、中部、下部)及不同深度(10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、60 cm、100 cm)的土壤容积含水率。结果表明: 土壤水分变异系数随土层深度的增加而减小; 乔木林地、灌木地、坡耕地三种土地利用类型对土壤水分的影响表现为: 雨季差异不显著而旱季差异显著; 乔木林地和坡耕地的储水量以60 cm 为界分为两层, 而灌木地则明显分为10 cm(6 mm-12 mm)、20-60 cm(49 mm-110 mm)、100 cm(169 mm-210 mm)三层, 且土壤储水量与土壤深度的相关度最高; 土地利用类型与土层深度的交互作用对土壤含水率的影响较大; 越往深层, 林地的保水效果越好。因此, 元阳梯田水源区的森林不仅能为梯田提供长流水, 而且在提高土壤水分利用率、维持梯田可持续发展上具有十分显著的作用。     

喀斯特典型坡地旱季表层土壤水分时空变异性

基于网格(10 m×10 m)取样,用地统计学方法研究了桂西北喀斯特地区典型灌丛与草灌两种植被类型坡地(90 m×120 m)旱季(2011年10月至2012年3月)表层(0—16 cm)土壤水分含量的空间变异特征。结果表明:整个采样期灌丛坡地的土壤水分含量明显要高于草灌坡地,两种类型坡地的表层土壤水分含量均属于中等程度的变异(10%Cv100%),且灌丛坡地的变异系数大于草灌坡地。两种植被类型坡地的土壤水分含量与降雨量的波动变化趋势相同,而与土壤水分变异系数的变化趋势整体相反。土壤水分含量均具有明显的空间依赖性和空间结构。两种类型坡地土壤水分的变程与块基比的变化趋势都大致相反,灌丛坡地土壤水分的变程与土壤水分含量均值的变化趋势在采样前期和中期趋势相反,在采样后期趋势相同,而草灌坡地土壤水分的变程与土壤水分含量均值的变化趋势大致相同。两块样地土壤水分的变异系数、变程与块基比均随土壤水分含量的变化有一定的季节变化规律,说明平均土壤水分含量对土壤水分空间格局的主导作用是持续存在的,结合研究目标可以有效指导后续的土壤采样。虽然两块样地表层土壤水分含量整体沿坡面自上而下呈递增趋势,但土壤水分含量最大值均分布在样地下坡位右侧地段,这主要与该地段坡度较缓、土壤厚度较大且碎石含量较低有关。     

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.     

喀斯特木论自然保护区旱季土壤水分的空间异质性

采用经典统计学和地统计学方法,分段研究了喀斯特木论自然保护区典型峰丛坡地和洼地旱季表层土壤水分（0～5 cm和5～10 cm）的空间异质性.结果表明：研究区旱季表层土壤水分仍然较高,总体上具有良好的半方差结构;坡地和洼地0～5 cm和5～10 cm土层土壤水分的空间分布均符合指数模型,同一立地条件下两土层土壤含水量具有相似的空间结构和分布格局,相同土层不同立地条件下的差异明显;坡地土壤水分含量的空间相关性中等且连续性好,具有明显的斑块分布格局,其Moran I值的变化相对缓慢;洼地土壤水分含量具有强烈的空间自相关,但变程很短,其Moran I值的波动较大,斑块比较破碎.地形、微地貌、降雨、人为干扰特别是植被是保护区土壤含水量空间变异的重要影响因素,保存完好的原始森林对土壤水分空间异质性具有良好的调控作用.     

基于氢氧稳定同位素的哈尼水稻梯田湿地水源补给分析

湿地生态系统的发育和维持受水文过程尤其是补给水源稳定性的影响和控制。为探明哈尼水稻梯田湿地水源的时空稳定性及其补给关系,在2015年5—10月的水稻生长期(雨季),对不同海拔田水、降水和地下水进行采样并测定其氢氧稳定同位素。结果表明:在水稻生长期内,降水同位素δ~(18)O雨量效应明显,相关系数为-0.94;地下水同位素δ~(18)O海拔效应梯度为-0.1‰/100 m;田水同位素δ~(18)O值的同位素效应不显著;梯田田水的主要补给水源是降水和地下水,其中水稻生长初期(5—6月)田水的补给为雨季到来之前的田水和降水,水稻生长中期(7—8月)为降水补给,水稻生长末期(9—10月)为地下水补给;在整个水稻生长期内,绝大部分区内梯田以降水补给为主,少部分梯田则一直以地下水补给为主,这两种不同补给水源的梯田在空间上呈镶嵌分布格局并形成水源相互补给关系。正是由于田水补给水源在时间上形成的3个补给时期和在空间上呈现的2个补给类型的镶嵌格局,才使得梯田区形成了稳定的水源补给时空格局,这是哈尼水稻梯田湿地持续千年的关键原因。     

黄土丘陵沟壑区小流域土壤水分空间变异

采用经典统计学和地统计学相结合的方法探讨了黄土丘陵沟壑区小流域土壤水分(0~300 cm)水平和垂直方向的空间变异特征,以及土地利用和地形因子对其影响规律。结果表明:(1)土壤水分的垂直变化表现为先降低后增加;变异系数为11.22%~21.05%,具有中等程度变异,土壤水分平均值与变异系数之间呈显著负相关。(2)梯田的层状分布和微地形的存在削弱了土壤水分在水平方向上的空间相关性;水平方向变程范围在19~102m,增加采样密度能增加土壤水分的空间结构信息;(3)土壤水分在垂直方向上存在强烈或中等程度的空间自相关;垂直方向的变程的范围为0.67~2.64 m;(4)不同环境因子基台值的变化格局与平均土壤含水量相反,水分的增加对基台值有一定的平滑效应;不同土地利用类型对土壤水分垂直变异影响程度依次为荒草地林地退耕地耕地,而坡位则表现为梁沟谷。     

喀斯特峰丛洼地旱季土壤水分的空间变化及主要影响因子

基于动态监测样地(200 m×40 m)的网格(10 m×10 m)取样,用地统计学方法研究了喀斯特峰丛洼地4类典型生态景观类型旱季表层土壤(0—10 cm)水分的空间变化,通过主成分分析和相关分析,探讨了其生态学过程和机制。结果表明,沿严重、重度、中度和轻度的干扰递减梯度,喀斯特峰丛洼地产生了农作物(Ⅰ)→人工林(Ⅱ)→次生林(Ⅲ)→原生林(Ⅳ) 的4类典型生态景观格局变化,土壤水分显著提高,变异系数逐渐增大;4类生态景观类型的土壤水分均具有良好的空间自相关性,正负空间自相关距离反映了性质不同的两大斑块,Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ下半部斑块的半径为50 m,拐点在坡地和洼地的分界处,Ⅱ的下半部斑块的半径为75 m,拐点是土地利用方式的转折点;不同景观类型空间变异特征不同,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的半变异函数分别符合指数模型、高斯模型、指数模型和球状模型,基台值(C0+C)升高,变程缩小,系统的空间总变异增强,其中Ⅰ和Ⅳ的\[C0/(C0+C)\]值分别为48.3%和39.4%,空间相关中等,Ⅱ和Ⅲ的\[C0/(C0+C)\]值≤25%,空间相关强烈;Kriging等值线图清楚表明Ⅰ和Ⅳ土壤水分呈凸型分布,Ⅱ呈单峰分布,Ⅲ呈凹型分布。主成分分析显示除海拔和坡位始终是影响4类生态景观类型土壤水分的主导因子外,不同景观类型的其他主导因子不同,且同一因子在不同景观类型与土壤水分的正负作用关系和相关程度也不同。因此,应根据4类典型生态景观类型土壤水分的空间变化及主要影响因子制定相应的水资源合理利用和管理策略。     

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。     

汶川县生态系统服务对景观格局及其变化的响应

景观格局及其变化是影响生态系统服务供应与维持的主要原因之一,也是生态系统服务管理与景观空间配置优化的基础。基于30 m分辨率土地利用数据,统计汶川县2000—2015年多种景观格局指数和碳固定、水源涵养、土壤保持3种生态系统服务的变化,划分等级探究生态系统服务对景观格局及其变化的响应。研究结果表明:1)汶川县整体景观趋于破碎化、斑块形状复杂化,斑块异质性增加,且主要是在林地、草地和耕地之间转换;2)对于生态系统服务,碳固定在全域内有所减少,而大部分区域水源涵养和土壤保持呈增长趋势;3)不同生态系统服务对景观格局的响应存在差异,不仅表现在指标上,也体现在程度上,如碳固定对斑块形状指数(Landscape Shape Index,LSI)响应较为明显,而对蔓延度指数(Contagion Index,CONTAG)敏感性较差;4)并非所有景观格局变化均会引起生态系统服务变化,尺度也会对结果造成影响。本研究通过生态系统服务对景观格局的响应分析,可为区域景观管理的相关评估提供借鉴。     

华北农牧交错带农田-草地界面土壤水分的空间特征

利用经典统计与地统计学方法,对华北农牧交错带农田-草地界面不同采样粒度（1 m×1 m、2 m×2 m）0～50 cm土层土壤水分的空间异质性进行了分析.结果表明：研究区农田、草地、农田-草地界面土壤水分均属中等变异,草地土壤水分的变异系数较农田大;土壤水分的变异系数随土层深度的增加而逐渐增大,且1 m×1 m采样粒度下农田-草地界面土壤水分变异系数与土壤深度呈显著相关(P＜0.05);1 m×1 m采样粒度下,农田-草地界面各土层土壤水分的空间异质性明显高于邻近的农田和草地,表现为中度到强度的空间自相关性,变程在7.65～30.99 m,且具斑块分布格局;2 m×2 m采样粒度下,农田-草地界面各土层土壤水分的空间结构既有中到强度的空间自相关性,又有完全随机化的纯块金效应,变程在4.16～18.86 m;在农田-草地边界存在土壤水分的界面效应.     

黄土高原丘陵沟壑小流域土壤水分垂直分布变异特征及影响因子

以地统计学的半变异函数为分析工具,分析了黄土高原丘陵沟壑区小流域土壤水分在垂直方向的空间变异特征以及土地利用类型和地形等因子对其的影响.结果表明:1)球状模型可以很好地拟合土壤水分在垂直方向的半变异函数曲线,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;2)果园对土壤水分含量的影响主要表现在1～2 m深度,5月份含量最高,且分布均匀,8月份由于气温和叶面蒸腾作用,水分含量最低.坡耕地和梯田的水分含量都较高,垂直变化不明显,梯田的土壤水分含量最低月份是9月,比坡耕地晚1个月,这是因为所种作物的主要生长季节为9月份,这期间消耗水分较多而造成的.林地由于根系发达,对土壤水分垂直方向的变化的影响比较大,变化为先增大、再减小、最后再增大且分布趋于平缓.灌木林的土壤水分含量整体较低,主要变化深度范围集中在0～2 m;草地的土壤水分含量较高,垂直变化的深度范围集中在1 m以内;3)坡度、坡向地形因子和土壤水分的垂直方向变异特征没有呈现明显的相关性.     

人工柠条林生物土壤结皮地表水文效应的季节转换

人工柠条林地表广泛分布的土壤结皮对地表水文过程有重要的影响。该研究以荒漠草原人工柠条林生物土壤结皮为研究对象,通过有无结皮处理下旱季和雨季表层土壤水文过程的监测以及土壤水文物理特性的分析,进一步在季节尺度上揭示生物土壤结皮地表水文效应的形成及其影响因素。结果表明:(1)人工柠条林表层土壤结皮层水分含量动态在旱季和雨季表现出了截然相反的格局,其持水效应在以小降水为主,土壤蒸发强烈的夏季体现最为典型,但是进入雨季结皮的相对持水效应弱化甚至丧失。(2)由于生物结皮活性的季节转换,人工柠条林表层土壤容重、饱和含水率、总孔隙度在季节尺度上发生了不同程度的变化。(3)无论是旱季还是雨季,生物结皮的存在都会降低土壤水分入渗性能,而无论有无结皮覆盖,雨季土壤水分入渗速率都低于旱季。     

哀牢山常绿阔叶林水源涵养功能及其在应对西南干旱中的作用

为了解云南哀牢山中山湿性常绿阔叶林在2010年初西南地区特大干旱中是否遭遇水分胁迫,及其水源涵养功能在应对干旱中的作用,测定了该森林土壤和主要树种在2010年旱季的水分状况,并对比研究了原生林和森林经砍伐烧垦后形成的毛蕨菜-玉山竹群丛的土壤持水、凋落物持水、水面蒸发和土壤水分季节动态。结果表明:常绿阔叶林主要树种在2010年初西南特大干旱中并未遭受水分胁迫(最旱月叶片凌晨水势高于-0.4 MPa)。虽然常绿阔叶林土壤含水量和地下水位在最旱月都达到了有观测以来的最低点,但主要根系分布区的土壤水势仍不低于-0.5 MPa,并高于毛蕨菜-玉山竹群丛。森林较好的水分状况和原生常绿阔叶林较好的水源涵养功能有关。常绿阔叶林的土壤总持水量尤其是非毛管持水量要显著大于毛蕨菜-玉山竹群丛,同时也大于云南地区的一些次生林和人工林。常绿阔叶林地表丰富的凋落物通过持水和抑制土壤蒸发也对水源涵养有一定作用。哀牢山常绿阔叶林良好的水源涵养功能,充足的土壤地下水储存弥补了旱季和特大干旱中降水的不足。结果指示原生林在水源涵养中不可替代的作用,以及加强原生林保护在提高区域抗干旱能力中的重要意义。     

祁连山地甘肃臭草斑块土壤水分与植被盖度空间格局

土壤水分是植被格局形成和演变的主要因素,土壤水分的空间异质性对于认识干旱区草原植物对环境的响应机制具有重要意义,而在较小尺度上,植被状况是土壤水分空间异质性的主要驱动因子.利用地统计学方法,研究了祁连山北坡甘肃臭草单优种群斑块浅层剖面(0 ～30 cm)土壤水分与植被盖度的空间异质性及其关系.结果表明:甘肃臭草斑块浅层剖面土壤水分和植被盖度均符合正态分布,各层土壤水分均存在高度的空间异质性,其中,80.93％～87.34％的空间异质性是由空间自相关引起的,植被盖度主要体现在4.09～6.91 m的尺度上,而由1 m以下尺度随机因素引起的空间异质性占12.66％ ～19.07％;甘肃臭草在斑块尺度上各层土壤水分的空间结构表现出明显的圈层结构和斑块状分布的特点,土壤水分高低值斑块呈镶嵌分布且具有较强的空间异质性;甘肃臭草通过生理整合影响并在一定程度上改变了小尺度上土壤水分的分布格局,从而实现了对土壤水分资源最大限度的利用,提高了种群在干旱生境中的适应能力和竞争力.     

典型喀斯特流域旱雨季交替下溶解硅的输送特征

河流溶解硅（DSi）作为营养物质对维持陆地、河流及海洋生态系统稳定性起到至关重要的作用。选取贵州典型喀斯特流域为研究对象,通过对DSi湿沉降过程,基流过程及降雨径流过程的动态变化进行全年监测分析,探讨DSi在旱雨季交替下的输送特征及河流DSi浓度变化引起的环境效应。结果表明：①湿沉降过程降雨量越大,DSi浓度越小,河流DSi浓度变化有明显的旱、雨季特征,雨季DSi浓度较高,旱季较低,地表水径流量及DSi浓度对降雨径流过程的响应比地下水明显。②DSi沉降通量及输出通量呈明显的旱、雨季差异,雨季DSi湿沉降通量占全年的69.5%,地表水雨季DSi输出负荷占全年的98.1%,地下水占51.4%。③流域硅酸盐岩风化过程不强烈,主要受到碳酸盐岩及蒸发岩控制。流域DSi浓度受人为水库影响明显,经过水库后河流中DSi浓度旱季下降29.0%、雨季下降70.9%。研究为全面认识硅在陆地生态系统中的生物地球化学循环提供科学依据。