小流域土壤水分时空格局与环境因子的关系

论文摘要

土壤水是地表水资源的重要组成部分,是衔接四水转换与循环的核心,也是影响水土流失过程、植物生长和植被恢复的关键因子。其时空变异是多重尺度上地形、土壤、土地利用（植被）、气象（降雨）等综合作用的结果,但就某一具体地区而言存在主控因子。丹江口库区作为“南水北调”中线工程的水源区,是我国重要的战略水资源区,保证其水环境的安全具有十分重大的现实意义。本文以该区具有代表性的五龙池小流域为研究对象,初步揭示了小流域尺度土壤水分时空格局特征及其主控因子,并探讨了主控因子与土壤水分的时空关系,以期为该区生态建设、农业生产、土地持续利用和植被恢复提供科学依据。主要结论如下:第一,利用双向指示种法（TWINSPAN）将观测期划分为不同干湿时段;运用前向选择法（Forward Selection）及Monte Carlo检验法对不同时段土壤水分空间格局影响显著的环境因子进行筛选;利用冗余分析（Redundancy Analysis,RDA）排序法分析不同时段水分格局与环境的关系;运用偏冗余分析（Partial RDA）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:观测期可划分为6个子类,分别属于干旱、半湿润和湿润3个时段。干旱期土地利用和土层厚度是影响土壤水分空间格局的主控因子,相对高程、剖面曲率、土壤容重和有机质的影响显著;半湿润期地形指数、土地利用的影响最大,Sin（坡向）作用显著;湿润期地形指数和Sin（坡向）是主要因子,相对高程、汇水面积影响显著。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,空间独立作用总体变化不大且一直维持在较低水平,环境与空间交互作用比例逐渐增大。第二,土壤含水量在降雨后立即升高随后逐渐降低,空间异质性却正好相反。不同土层厚度供水持水能力的差异使其剖面含水量差异显著,其中,0～20 cm厚度的土壤剖面含水量较低,与降雨有相似的变化趋势,季节变异大;中等厚度（20～40cm）的土壤水分季节变化受降雨特征影响,剖面含水量居中,中等变异;较大厚度（＞40 cm）的土壤有较高的剖面含水量,季节变异小,相对稳定。土壤水分的剖面变异是降雨、蒸发蒸腾和渗漏综合作用的结果。不同时段土壤水分的剖面格局不同,在半湿润期呈增长型,湿润期呈波动型,半干旱期包括增长型和波动型。土层越厚其剖面贮水量越大,土壤剖面含水量与土层厚度呈显著正相关,相关系数在0.631～0.855之间。土层厚度与表层（0～15 cm）土壤水分相关不显著,但与中下层（20～55 cm）土壤水分显著相关,其原因是表层的土壤水分主要受局地物候和地形因子的影响,中下层植被根系分布的差异影响各层次土壤水分的入渗及蒸腾消耗。第三,不同土地利用类型间,农地土壤含水量最高,林地和灌木地居于中间水平,疏林地最低。一般土壤水分随降雨量的多少而升降,但农地在降雨后并不是立即呈现峰值,而是表现出一定的滞后性,属降水滞后型。相反,林地、疏林地和灌木地在降雨过后能很快达到峰值,属降水同步型。不同土地利用结构间以灌木地-农地-林地和林地-农地-林地-农地土壤水分最高,疏林地-农地最小,灌木地-农地与疏林地林地-农地位于中间。总体上,5种土地利用结构土壤水分从坡顶到坡底呈现稳步上升的趋势。土地利用结构的影响随降雨和植被的生长状况而异,在湿润季节土地利用结构对土壤水分空间格局影响显著,但其它时段无显著影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 基本概念
• 1.2.2 环境因子的时空影响
• 1.2.3 主控因子的时空变化
• 1.2.4 尺度效应与转换方法
• 2 研究区概况
• 2.1 地理位置
• 2.2 气象水文
• 2.3 地质地貌
• 2.4 土壤植被
• 2.5 土地利用现状
• 2.6 水土流失状况
• 2.7 社会经济状况
• 3 研究内容与方法
• 3.1 研究目标、内容与技术路线
• 3.1.1 研究目标
• 3.1.2 研究内容
• 3.1.3 技术路线
• 3.2 研究方法
• 3.2.1 样地的布设与观测
• 3.2.2 数据处理与分析
• 4 土壤水分时空格局与环境因子的关系
• 4.1 不同干湿时段的划分
• 4.2 不同干湿时段影响土壤水分空间格局的主控因子
• 4.3 环境因子对不同干湿时段土壤水分空间格局的影响
• 4.4 解释变量对不同干湿时段土壤水分格局的定量分离
• 4.5 小结
• 5 土层厚度对土壤水分时空格局的影响
• 5.1 不同土层厚度土壤水分的时间动态
• 5.2 不同土层厚度土壤水分的剖面格局
• 5.3 土壤水分与土层厚度的关系
• 5.4 小结
• 6 土地利用对土壤水分时空格局的影响
• 6.1 不同土地利用类型土壤水分的时间动态
• 6.2 不同土地利用结构土壤水分的空间格局
• 6.3 土壤水分格局与土地利用管理
• 6.4 小结
• 7 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附件:攻读硕士学位期间发表与投稿的论文