纸坊沟流域坡面尺度土壤水分动态变化及其运移数值模拟

摘要

土壤水分是影响植被生存的重要因素。研究土壤水分分布状况及其动态变化和运移特征，有助于揭示植被、坡度等环境因素对土壤水分的作用机制，可为提高土壤水分利用效率、恢复植被和防治水土流失提供理论支持，对于改善干旱区生态环境有重要意义。 本文以位于甘肃省平凉市的纸坊沟流域为研究对象，通过对不同坡度、不同植被覆盖类型的7个径流场0~160cm深度土壤水分进行观测，结合降雨、蒸散发等实测资料，从坡面尺度分析了土壤水分空间分布特征、空间自相关性及其主要影响因素，并开展了基于 HYDRUS-3D的土壤水分运移数值模拟研究。首先，分析了径流场种植作物玉米、马铃薯不同生长期土壤水分空间分布特征，并利用典范分析法 (Canonical Correspondence Analysis，CCA)排序等方法研究土壤水分的主要影响因素。其次，通过计算坡面不同深度的土壤蓄水量，分析了土壤蓄水量的时空变异性。同时，基于HYDRUS-3D进行了土壤水分运移数值模拟，得出0~160cm深度各土层土壤水分模拟值与实测值变化趋势基本一致，各层RMSE值均较小，AVRE值基本接近于1，模拟效果良好。本文主要研究结论如下： 1. 植被生长前期，长势缓慢，需水量较小；随植株生长发育，对土壤水分的需求逐渐增大。拔节一抽穗—灌浆阶段，是玉米生长发育过程中对土壤水分最敏感的阶段；结薯期，是马铃薯生长发育阶段需水量最大的时期。在植被不同生长阶段，同一土层土壤水分差异较大；受不同生长时期作物根系吸水量及吸收水分深度等影响，0～60cm深度土壤水分动态变化最为显著。 2. 土壤水分沿深度分布具有一定相似性，各径流场随土层深度增加呈现出先增加后减少趋势。沿坡向低坡度（5°、10°、15°）土壤水分呈先减少后增加趋势，高坡度（25°）呈先增大后减少趋势。 3. 坡度及植被覆盖类型对不同深度土壤含水率均有较明显影响，其影响主要发生在土壤浅层。相对而言，植被覆盖类型对土壤含水率的影响深度较坡度大，土壤水分坡底聚集效应在0~160cm剖面不明显。 4. 多因素方差分析及土壤水分变化环境因子 CCA 排序分析结果得出：对土壤水分影响作用的相对大小顺序为：坡度?植被覆盖类型?坡位。 5. 各土层不同时期土壤蓄水量变异系数介于0.11~0.20，土壤蓄水量处于中等变异。40~100 cm、100~160 cm深度土壤蓄水量均显著（p<0.05）高于0~40cm深度土壤蓄水量，40~100 cm、100~160 cm深度土壤蓄水量无显著性差异。原因在于 0~40cm 深度土壤蓄水量受降水、蒸发和下渗等影响剧烈，使得该土层蓄水量远小于深层土壤蓄水量。不同时段、坡面不同深度范围土壤蓄水量均表现出明显空间自相关性，其结构方差大于75%，表明变量空间变异主要由结构性因素决定。土壤蓄水量自相关距离随土层深度先增加后减小。 6. 基于 HYDRUS-3D的0~160cm 深度土层土壤含水率模拟值与实测值变化趋势基本一致。根据误差计算结果分析，各层土壤含水率 RMSE 值均较小，AVRE 值基本接近于 1，模拟效果总体良好。由土壤含水率 PRMSE 值判断，0~40cm深度土层土壤含水率PRMSE值大于20%，40~160cm深度PRMSE值小于20%，表明深层土壤水分模拟效果优于浅层。

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