丘陵山地土壤水分时空变化及其模拟

论文摘要

土壤水分是作物生长、植被恢复以及生态环境建设的主要限制性因素。如何提高降雨的资源化水平,充分利用有限的水资源,降低农业生产的需水量和耗水量已成为一个国际性的课题。近年来,随着地统计学、分形理论、小波分析等新技术的应用,土壤水分的时空变异及农业生态系统水分运移模型等方面均取得了大量的研究成果,为农田水分优化管理与调控技术提供了基础。但是,这些研究成果主要集中在半干旱、半湿润气候带的华北平原和黄土高原,而在南方季节性干旱的丘陵山地研究较少。丘陵山地具有独特的水文过程,不同水文要素间相互影响相互作用导致土壤水分空间变异的复杂性,也影响到普适论的应用,已经成为研究的热点和难点之一。重庆区域面积的90%以上为丘陵山地,耕地面积的的50%左右为15°以上的坡耕地,该区也是我国水土流失和季节性缺水最严重的地区之一。因此,在重庆地区开展丘陵山地土壤水力特性和水分变异的研究,对重庆山区农业水资源调控、降水资源的集约利用、季节性干旱问题的解决具有重要科学和现实意义。以为区域水资源优化调控提供科学依据为出发点,围绕重庆地区土壤水力特性与土壤水分的时空变异规律,在重庆不同区县采集30个土壤剖面90个土壤样品,通过室内测定土壤的质地、有机质、土壤水分特征曲线、扩散数据探讨13个传递函数模型在重庆地区的适用情况,筛选出重庆地区的最佳点状模型和参数传递函数模型,然后利用筛选出的传递函数结合现有土壤普查资料、土壤质地数据推求重庆地区土壤水力参数,并分析土壤水力参数的空间变异。为深入分析重庆丘陵山地土壤水分时空变异状况,利用重庆地区169个土壤水分动态监测站点3个土层（0-10cm、10-20cm、20-40cm）的54756个动态监测资料（2006年、2007年3月-10月每隔5日1次）探讨土壤水分的时空演变规律及其内蕴稳定性。主要研究结果如下:（1）土壤持水能力差异大:土壤质地粗,土壤释水快,持水性能低;部分土壤质地粘重,有效水范围窄,易干旱。土壤水分特征曲线通过常用的幂函数表示土壤水分随压力的变化特征,土壤水分在低压力下下降速度较快,在5×105Pa后高压力段下降非常缓慢,接近平缓。当土水势由-0.10～-1×105Pa降至-1～-5×105Pa段,再降至-5～-10×105Pa段,比水容量有10-1个数量级降至10-2个数量级,再至10-3个数量级。在土水势低于-5×105Pa时,土壤的释水量低,是土壤容易发生旱灾的重要原因。土壤扩散系数随土壤水分变化表现出在低水分含量时,其值较低,当含量接近饱和时,其值急剧增加,可用指数形式D=aθeb表达,非饱和导水率的变化也表示出相同的变化规律,壤质土壤较高的持水能力和低土壤基质势较高的非饱和导水率,能提高土壤水分的有效性。设定l=0.5,采用Van Genuchten方程拟合土壤水分特征曲线和土壤扩散率的水力参数,结果发现:土壤质地越粗,θr和θs的值就较低,a、n值反而较大;饱和导水率变异大,难以如实的反映当地的实际情况。土壤颗粒组成、容重、有机质、孔隙率影响土壤持水性能。砂粒与各压力下水分含量显著负相关（P＜0.01）,粘粒与各压力下土壤水分显著正相关（P＜0.01或P＜0.05）,有机质与＜0.33×105Pa压力下水分含量显著正相关（P＜0.05）,容重、孔隙率的相关性不显著,但在低压力段正相关,高压力段负相关。土壤的砂粒、粘粒是影响土壤持水能力的重要因素。（2）EPIC和神经网络传递函数模型可用来预测该区水力参数,水力参数空间变异存在尺度效应。土壤水力参数空间变异的研究是进行土壤水分时空变异分析的前提条件,利用SOILPAR软件的12个传递函数模型和RETC模型估计了土壤田间持水量和萎蔫含水量,并采用IRENE软件中的SB、RMSE、EF、MBE、FB、MAE和1∶1线性方程的坡度（Slope）、截距（intercept）对模型的性能进行分析,结果发现:相对于其他传递函数,在重庆地区更适合用EPIC和RETC软件中的神经网络模型来估测土壤水力参数和特定压力下的土壤水分。基于传递函数模型进行土壤水力参数空间变异的分析发现:θr在0-20cm和20-40cm可分别采用指数模型和直线模型进行拟合,其块金值为分别为0.41和0.87;采用球状+指数套合结构模型对2个层次拟合的参数均为正值,R2在0.87以上,存在小尺度变异。0-20cmθs用直线模型进行拟合,20-40cmθs在整个空间存在漂移,局部稳定性用直线模型进行拟合,R2为0.77;0-20cm和20-40cmθs的块金值分别为0.34和0.71,均不为0,存在小尺度变异。0-20cmα直线模型拟合参数的纯块金值非常接近0;20-40cmα及lnα不具备空间结构特征。0-20cm和20-40cm的n及ln（n）在整个空间发生了漂移,未呈现良好的空间结构,但ln（n）存在局部稳定性,可用球状模型拟合。（3）土壤水分的季节分配、剖面分布、空间格局多为中等程度变异,但仍为平稳时间序列。土壤水分时间稳定性分析是进行土壤水分空间分析的基础,采用Pachepsky et al提出的稳定性指数方法利用重庆地区2年的监测数据分析了采样点的时间稳定性指数,结果发现不同土壤层次的时间稳定性指数的幅度为0.22-0.34,表层时间稳定性指数最高,稳定性最差;采用柯尔莫哥洛夫-斯米诺夫方法对间隔5d、10d、15d的采样频率下的时间稳定性进行分析,发现高间隔频率仍具有时间稳定性。采用非相关参数的spearman相关参数发现3-5月各采样时间间的相关性高于水分剧烈波动6-9月的相关性。土壤水分时间稳定性的存在有助于区域水分平均值代表站点的选择,发现采样点黑水、木洞的水分最能代表重庆地区水分的平均值,间隔5天、10天、15天的监测频率下,区域水分平均值的代表监测样点发生变化。土壤水分动态的研究是定量理解植被对水分胁迫响应、土壤养分循环的水文控制、植物水分竞争等生态系统动态的关键。利用2006年-2007年每隔5天的土壤水分监测数据,研究了重庆代表墒情站点的木洞地区土壤水分的动态。结果表明:在湿润气候条件下,干旱年份（06年）,土壤水分的年内变异越大;平水年（07年）土壤水分的年内变异较小。其季节动态可划分3-5月蒸发消耗期,6-9月剧烈波动期。土壤水分的随机动态特征为,06年各层土壤水分概率分布的峰值出现在80%左右,07年出现在90%左右,无论在枯水年、平水年各层土壤水分峰值出现的位置随着土壤深度的增加。各层土壤水分垂向变异并非完全随着土壤深度的增加而增加,不同时间尺度下土壤水分的剖面分布分为4种构型即:稳定型、增长型、波动型、降低型。根据各层季节变异的方差和变异系数,0-40cm土壤水分的垂直层次相应可以分为0-10cm活跃层和10-40cm次活跃层。土壤水分的剖面分布具有相似的变点分布及周期性特点,0-10cm的变点分布最多,土壤各层的互谱系数接近1,层次间水分的上、下运行因果关系明确。平面变异上,土壤水分的结构系数C0/C+C0在50%左右,中等变异,即空间自相关部分引起的空间变异占整个空间变异的50%以上。土壤水分的空间分布格局采用普通克里格法插值法,可反应土壤水分分布格局季节动态的时间稳定性;以地形为辅助变量的回归克里格方法,其预测的0-10cm、10-20cm、20-40cm土层土壤水分平均误差分别比普通克立格法降低了0.35%、24.29%、17.71%,而均方根误差则分别比普通克立格法降低了0.51%、11.35%、11.40%,显著提高了预测精度,其空间插值更能反映土壤水分随地形的变化规律。土壤水分的时空动态与土壤水分库容关系密切,通过对丘陵山地土壤库容各组分的分析发现,丘陵山地土壤的通透库容变异超过了70%,为强变异;总库容、有效贮水库容、无效贮水库容的变异幅度为10%-50%,为中等程度变异。土壤水分的空间变差结构存在方向变异,不同库容的变异方向并不相同,可采用球状模型和指数模型模拟,R2均在0.6以上;土壤水库的各组分中仅20-40cm无效贮水库容的空间异质的61.88%是空间自相关索引起的,其他库容的空间异质中由空间自相关部分引起的占到75%以上,空间相关性较强。（4）多元时空模型可模拟生长季节土壤水分动态,剧烈波动时期模拟效果较差。采用多元线性模型的逐步筛选法建立3个土层的3个时空预测模型。模型0-10cm、10-20cm的截距与本层土壤水分平均值基本相等,20-40cm的截距为3.48,低于该层平均水分;各层模型R2修正值在0.5以上,即模型各要素能解释50%以上土壤水分的变化,预测模型的最优性、稳定性在3月、4月、5月较好,但是在6、8、9均较差,绝对无偏性在8月、9月模型的也较差。因此模型在土壤水分波动剧烈时期的预测性能较差。总之,重庆山丘陵山地持水能力变化大,比水容量小,有效水范围较窄,土层浅薄,抗旱能力差,土壤水分垂向运移速度快,是该区土壤易于发生季节性、区域性干旱的根本原因。土壤水分空间变异在大区域范围仍具有时间上的稳定性,3-5月生长季节,均受作物耗水量影响,土壤水分空间分布格局基本相同;6-9月受高温伏旱影响,土壤水分空间分布受地形的影响较大,甚至表现出随海拔的增加而增加的趋势,土地利用方法、降水季节分布不均和山地地形的影响也是诱发该区发生土壤水分季节性、区域性干旱的重要原因。因此,在重庆丘陵山地大力推行工程、农艺、生物、化控等措施相结合的集雨增效旱作农业技术,提高降雨转化效率,增强土壤水库在农田水分的调蓄是提高降水资源化效率的必然要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 土壤水力特性
• 1.1.1 土壤水力特性测定
• 1.1.2 土壤水力特性推求-传递函数
• 1.2 土壤水力特性时空变异
• 1.2.1 土壤水力特性时空异质性
• 1.2.2 土壤水力特性时空变异的影响因素
• 1.3 土壤水分时空变异
• 1.3.1 土壤水分空间变异特征
• 1.3.2 土壤水分时间变异及预测
• 1.3.3 土壤水分空间变异结构在时间上的稳定性
• 1.3.4 土壤水分时空变异的影响因素
• 1.4 结语
• 第2章 立题依据与研究方法
• 2.1 立题依据
• 2.2 研究方案
• 2.2.1 研究目标
• 2.2.2 研究内容
• 2.2.3 技术路线
• 2.3 研究区概况
• 2.4 试验材料与方法
• 2.4.1 样点布设与样品采集
• 2.4.2 土壤水力特性
• 2.4.3 Van Genuchten模型
• 2.4.4 土壤传递函数模型
• 2.4.5 土壤水分时空变异分析
• 2.4.6 土壤水分时空预测模型
• 第3章 皇陵山地土壤水力学特性及其影响因素分析
• 3.1 比水容量C（θ）
• 3.2 扩散率D（θ）
• 3.3 非饱和导水率K（θ）
• 3.4 影响因素
• 3.5 讨论
• 第4章 丘陵山地土壤水力学特性传递函数分析
• 4.1 模型评价及分析
• 4.1.1 拟合特征
• 4.1.2 最优性
• 4.1.3 绝对无偏性
• 4.1.4 稳健性
• 4.1.5 影响因素
• r的空间变异结构'>4.2 θ_r的空间变异结构
• s的空间变异结构'>4.3 θ_s的空间变异结构
• 4.4 α的空间变异结构
• 4.5 n的空间变异结构
• 4.6 结论
• 第5章 丘陵山地土壤水分的时空变异
• 5.1 土壤水分空间变异时稳性
• 5.1.1 时间稳定性特征
• 5.1.2 时间稳定性点选择
• 5.1.3 监测频率对监测点选择的影响
• 5.1.4 讨论
• 5.2 土壤水分的时间变异
• 5.2.1 年际动态
• 5.2.2 年内动态
• 5.2.3 随机分布特征
• 5.2.4 讨论
• 5.3 土壤水分的空间变异
• 5.3.1 土壤水分垂向异质性
• 5.3.2 土壤水分空间变异特征
• 5.3.3 土壤水分空间变异的插值方法
• 5.4 土壤水库空间变异
• 5.4.1 土壤水库的描述性统计
• 5.4.2 土壤水库的空间变差结构
• 5.4.3 土壤水库的空间分布格局
• 5.5 讨论
• 第6章 丘陵山地土壤水分时空模拟
• 6.1 模型
• 6.2 模型评价
• 6.2.1 线性拟合性
• 6.2.2 预测性
• 6.2.3 最优性
• 6.2.4 绝对无偏性
• 6.2.5 稳定性
• 6.3 讨论
• 第7章 主要结论及需进一步研究的问题
• 7.1 主要结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 附录
• 附录1 点传递函数模型
• 附录2 参数传递函数
• 致谢
• 论文发表与参加课题情况