陕北黄土高原土壤水库动态特征的评价与模拟

论文摘要

黄土高原土壤水分状况是制约该区生态恢复的关键,也是维持农业持续发展的决定性因素。本文以延安市宝塔区的高坡村、淳化县泥河沟流域和米脂县泉家沟流域为观测区,通过对不同土地利用方式下土壤水分的定位监测,采用定量与定性、模型模拟与实测对比相结合的方法,系统分析了陕北黄土高原土壤水库的特征,取得了以下主要结论:黄土高原深厚的土层,使得土壤水库具有巨大的库容,但受到降水入渗补给的影响,经常呈现出有库无水的状态。受土壤含水量变化及测量误差的影响,实测各层土壤含水量呈现波动变化,以层土壤含水量波动变化最小值对应深度作为土壤水库的调节深度,陕北黄土高原阳坡果园和阳坡刺槐林土壤水库的调节深度最小,阴坡草地和农地土壤水库调节深度最大,其余坡向和土地利用类型土壤调节深度介于此二者之间;土壤水库的调节能力以阴坡农地和荒草地最大,为1194.96mm,阳坡果园和刺槐林最小为597.48mm,其他坡向和土地利用类型介于此二者之间。受地带性、土地利用、坡位、坡向、土地利用年限和土地利用强度等多种因素的影响,坡面土壤水库呈现不同的蓄水特征。在地带性方面,由南向北,土壤储水量明显减少;在土地利用方面,农地和荒草地土壤储水量明显高于果园和刺槐林地;在坡向上,阳坡、半阳坡明显低于阴坡和半阴坡;同一坡向,坡上部含水量低于坡中部低于坡下部;土地利用年限增加,储水量降低,刺槐林16龄林地,200cm以下土壤明显干化;同时植被密度也直接影响着土壤储水量,随密度增加,储水量降低。土壤水库储水量受降水、蒸发等因素的影响,在年内和年际间呈现波动变化;应用时间序列理论,果园、刺槐林、草地和农地土壤水库储水量趋势项均值分别为250.16mm、295.02 mm、284.75 mm和355.86 mm;土壤水库季节项变化规律与土壤水库储水量动态变化规律均为:秋冬季土壤水分缓慢累积阶段、春末夏初土壤水分强烈消耗阶段和夏季土壤水分波动阶段;土壤水库调节着区域降水与蒸散耗水,年内为上半年供给植物生长耗水,储水减少,下半年接受降雨入渗补给,蓄存降水;年际间2003年和2005年土壤水库得到降水入渗补充,储水量增加,2002年、2004年和2006年土壤水分消耗,实测果园、刺槐林、草地和农地土壤水库最大调节量分别达到245.38mm、328.18mm、284.78mm和261.62mm。根据植物从土壤中吸取水分的难易程度,将土壤水分划分为无效水、难效水、中效水、易效水和饱和水。坡面果园、刺槐林、农地和荒草地土壤水分的有效性由南向北递减,表现为淳化大于延安大于米脂;在不同坡向上,土壤水分有效性表现为阳坡最差、阴坡最好,半阴坡、半阳坡和峁顶介于二者之间。年内土壤水分的有效性与季节同步,1月土壤水分整体较高,随土壤水分的蒸散消耗,有效性逐渐降低,难效水范围逐步扩大,6月份表层0~40cm呈现无效水,后期受降水补给影响,土壤水分有效性得到一定恢复。以各层土壤中根系所占份额作为权重,求得各种土地利用类型土壤水分生态位,各种土地利用类型土壤水分生态位适宜度在淳化最高,米脂最低,延安介于二者之间;在各坡向间土壤水分生态位适宜度阳坡最低、阴坡最高,半阴坡、半阳坡和峁顶介于二者之间;在不同土地利用中,以农地土壤水分生态位适宜度最高,刺槐林较高,草地和果园相对较低,各种土地利用土壤水分生态位适宜度在7月达到最低,随后降雨入渗补给,其土壤水分生态位有了一定提高;坡面刺槐林林龄越长,土壤水分生态位适宜度越低,林木的生长受到一定的限制;林分密度越大,土壤水分生态位适宜度越低。应用线形扰动理论,构建土壤水库储出水量线形扰动模型,将降水量和参考作物蒸散量的随机项作为输入,模拟土壤储水量的随机项,叠加土壤水库储水量的趋势项和周期项,构成土壤水库储水量对降水和蒸发的响应;根据降雨、参考作物蒸散量与土壤水库储水量间的互相关关系,确定出土壤水库线形扰动模型各输入的记忆长度为12个时段,即6个月。经验证线性扰动模型可较好的描述土壤水库储水量。利用模型对2006年土壤水库储水量进行预测,经分析模型预测精度除个别时段误差稍大外,其余时段模型模拟值与实测值间偏差很小,模型可较好的预测土壤水库储水量变化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的意义
• 1.1.1 水资源短缺是生态失衡的根源
• 1.1.2 生态环境建设的关键在于水资源
• 1.1.3 加强土壤水库调度是水资源高效利用的根本
• 1.1.4 持续发展核心在于合理利用水资源
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 土壤水库的概念
• 1.2.2 土壤水库补给量研究
• 1.2.3 土壤水库耗水量研究
• 1.2.4 土壤水库特征研究
• 1.2.5 土壤储水量评价
• 1.2.6 土壤水库动态
• 1.2.7 系统论在水文上的应用
• 1.3 存在问题与发展趋势
• 1.4 研究内容
• 1.4.1 土壤水分特征
• 1.4.2 土壤水分补给
• 1.4.3 土壤水分耗散
• 1.4.4 土壤水库储水量动态
• 1.4.5 土壤水分适宜性评价
• 1.4.6 土壤水库动态模拟
• 1.5 研究方法与技术路线
• 1.5.1 技术路线
• 1.5.2 试验方案
• 第二章 陕北黄土高原土壤水库特征
• 2.1 黄土高原土壤水库库容描述
• 2.1.1 土壤水库库容曲线
• 2.1.2 土壤水库计算深度确定
• 2.1.3 土壤水库的调节能力
• 2.2 土壤水库蓄水特征
• 2.2.1 不同土地利用土壤水库蓄水特征
• 2.2.2 不同地理位置土壤水库蓄水特征
• 2.2.3 不同坡位土壤水库蓄水特征
• 2.2.4 不同坡向土壤水库蓄水特征
• 2.2.5 不同利用年限土壤水库蓄水特征
• 2.2.6 不同利用强度土壤水库蓄水特征
• 2.2.7 土壤水分剖面特征
• 小结
• 第三章 坡地土壤水库来水特征
• 3.1 坡地降水特征
• 3.1.1 降水年际特征
• 3.1.2 降水月变化特征
• 3.1.3 实验研究区场降水特征
• 3.1.4 降水变化的距平分析
• 3.2 土壤水分入渗
• 3.2.1 入渗测定
• 3.2.2 不同土地利用类型的入渗特征
• 3.2.3 土壤水分入渗模拟
• 3.2.4 容重对土壤稳渗率的影响
• 3.2.5 天然降雨土壤入渗特点
• 3.3 不同土地利用对降雨的调控
• 3.3.1 植被截流作用
• 3.3.2 梯田对降雨的调控
• 3.3.3 不同植被盖度对降雨的调控
• 小结
• 第四章 坡地土壤水库耗水特征
• 4.1 蒸发能力与干旱指数
• 4.2 参考作物蒸散量
• 4.2.1 参考作物蒸散量计算
• 4.2.2 延安参考作物蒸散量
• 4.2.3 参考作物蒸散量影响因子敏感性分析
• 4.3 不同土地利用土壤水分耗散测定
• 4.3.1 土壤水分耗散量测定
• 4.3.2 果园土壤水分耗散量
• 4.3.3 刺槐林土壤水分耗散
• 4.3.4 坡面农地土壤水分耗散
• 4.3.5 坡面草地土壤水分耗散
• 小结
• 第五章 坡地土壤储水量动态
• 5.1 土壤储水量时间特征
• 5.1.1 土壤储水量动态
• 5.1.2 土壤储水量季节动态
• 5.2 时间序列分析
• 5.2.1 时间序列理论
• 5.2.2 土壤水分趋势项
• 5.2.3 土壤水分季节项
• 5.3 土壤水库的调蓄
• 5.3.1 土壤水库的年调蓄
• 5.3.2 土壤水库的年际调蓄
• 5.3.3 土壤水库耗散动态
• 小结
• 第六章 土壤水分适宜度分析
• 6.1 土壤水分有效性分析
• 6.1.1 土壤水分有效性分级
• 6.1.2 果园土壤水分有效性分析
• 6.1.3 刺槐林土壤水分有效性分析
• 6.1.4 农地土壤水分有效性分析
• 6.1.5 草地土壤水分有效性分析
• 6.2 土壤水分亏缺度评价
• 6.2.1 土壤水分亏缺度分析
• 6.2.2 延安坡面果园土壤水分亏缺度分析
• 6.2.3 延安坡面刺槐林土壤水分亏缺度分析
• 6.2.4 延安坡面农地土壤水分亏缺度分析
• 6.2.5 延安坡面草地土壤水分亏缺度分析
• 6.3 土壤水分生态位适宜度分析
• 6.3.1 生态位适宜度模型
• 6.3.2 果园土壤水分生态位适宜度
• 6.3.3 刺槐林土壤水分生态位适宜度
• 6.3.4 农地土壤水分生态位适宜度
• 6.3.5 草地土壤水分生态位适宜度
• 6.3.6 不同土地利用土壤水分生态位适宜度
• 小结
• 第七章 坡地土壤水库动态模拟
• 7.1 系统理论模型
• 7.1.1 线形扰动模型
• 7.1.2 线形响应模型的概念解释
• 7.2 系统响应模型的学习与训练
• 7.2.1 模型记忆长度的确定
• 7.2.2 模型的学习与训练
• 7.3 坡地土壤水库动态模拟
• 7.3.1 坡面果园土壤水库动态模拟
• 7.3.2 坡面刺槐林土壤水库动态模拟
• 7.3.3 坡面草地土壤水库动态模拟
• 7.3.4 坡面农地土壤水库动态模拟
• 小结
• 第八章 结论与结语
• 8.1 结论
• 8.1.1 土壤水库调节深度
• 8.1.2 土壤水库的来水特征
• 8.1.3 土壤水库耗水特征
• 8.1.4 土壤储水量动态
• 8.1.5 土壤水分适宜性分析
• 8.1.6 土壤水库动态模拟
• 8.2 主要进展
• 8.3 有待深入研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介