黄土高原南北样带土壤干层时空特征及模拟

摘要

由于区域气候条件以及大规模植被建设的影响，土壤干层在黄土高原地区广泛分布并造成一系列的生态环境问题，使得区域生态系统健康、人工植被的可持续性以及水土流失综合治理面临严重威胁。量化黄土高原土壤干层的时空动态特征，有助于全面、准确地认识黄土高原土壤干层的发展态势，为人工植被的可持续性以及黄土高原生态环境的改善提供科学依据。论文选取黄土高原典型南北样带土壤干层为研究对象，对南北样带土壤干层及相关环境因素开展了长时间、高频率的调查工作，利用地统计学、主成分分析、偏冗余分析等方法，研究了区域样带土壤干层的时空动态特征、演变规律及主导因素，并利用多元线性回归和人工神经网络的方法建立了土壤干层的间接和直接预测模型，主要研究结果如下： （1）在黄土高原南北样带土壤中，黏粒、粉粒和砂粒的含量随着纬度的增加呈现明显的地带性分布。土壤质地沿水平方向上的变异要大于垂直方向，黏粒和砂粒的空间变异程度要高于粉粒。土壤有机碳含量在样带上呈现由南到北逐渐降低的趋势，在垂直方向上呈现随深度增加而降低的趋势，最终在1.5 m以下土层趋于平稳，维持在较低水平。表层土壤（0~0.4 m）饱和导水率随着纬度的增加，表现出先降低后升高的趋势。容重在南北方向上的变化趋势与饱和导水率相近，与饱和含水量的变化趋势相反。田间持水量和凋萎含水量沿样带的变化趋势相近，且整体上均表现为由南到北逐渐降低的趋势，仅在黄土高原北部有一定升高。 （2）不同季节中，土壤水分在样带剖面土层平均含量相近，但春季和冬季土壤含水量的空间相似性大于夏季土壤含水量。土壤含水量在区域样带的分布表现出明显的地带性，不同季节均表现为由南到北逐渐减少的趋势，在样带末端一定的回升。不同时期剖面土壤含水量的差异主要表现在表层0~1.6 m，其中以秋季的土壤水分状况最好。整体来看，黄土高原地区土壤剖面中参与土壤-植被-大气连续统一体水分交换过程的主要土层深度范围为表层0~2 m。样带土壤水分活跃层的厚度、活跃层内水分变异程度和活跃层内水分含量均随纬度的增加呈二次函数分布，样带中部活跃层厚度较大，部分样点厚度超过了4m。水分活跃层的空间分布是气候和局地因素共同作用的结果，其中气候因素的贡献率更高。 （3）在不同季节下，样带土壤干层的空间分布具有一定相似性。土壤干层主要分布在中北部地区，部分样点干层厚度达到了5m。从研究期平均水平来看，土壤干层的分布面积占样带断面总面积的28.38%，起始深度均值约为1 m，厚度在3 m左右。在不同季节中，夏季土壤干层的分布面积最大，秋季土壤干层的分布范围最小，水分状况最好。土壤干层各量化指标随时间的变化显示出了一定的周期性，但各指标增减规律在时间上不完全重合，土壤干层厚度随时间的变化相较于另两个指标具有一定的滞后性。各指标随时间的变异程度也存在一定差别，整体而言，干层内平均干燥化指数的变异程度最大，干层厚度的变异程度最小。 （4）不同土地利用下土壤干层在剖面的分布范围及干层内的干燥化程度不同，其中农地的土壤干层分布最浅，主要分布在0.12~1.38 m深度范围内，林地和草地土壤干层在剖面的分布范围相似，均在0.32~3.70 m的范围内。土壤干层的干燥化程度依次为农地 < 林地 < 草地。土壤干层厚度的增减过程通常是上、下边界同时进行，上、下边界的增减速度与土地利用类型有关。农地中上边界的增减速度小于下边界，林地和草地相反。不同土地利用的土壤干层量化指标中，干层内干燥化指数随时间的变异程度均高于干层起始深度和干层厚度。 （5）在极端条件下，土壤干层的分布范围具有显著差异，样带土壤干层分布面积的最小值仅为最大值的53.8%，因此，长时间序列观测在土壤干层的研究工作中是十分必要的。永久性干层主要分布在黄土高原的中部和北部地区，由于其自我恢复能力较差和其严重的负效应，永久性干层在干层的治理和修复工作中应给予更多的重视。调控土壤干层的措施和精力应该主要放在永久性干层分布的区域，以减轻其对黄土高原生态环境负面影响，提高干层治理措施的功效。干层修复工作中应加强与局地因素相关的措施，如土地利用的改变、植被种类的选择、合理种植密度和微地形重建等，这是修复永久性干层的关键。 （6）在土壤干层的模拟中，通过预测土壤干燥化指数，进而计算出土壤干层各指标的间接预测方法取得了较高的模拟精度。因此，在黄土高原地区，通过间接方法预测土壤干层是一种有效的干层模拟手段。此外，不论是间接方法中对样带0~5m土层土壤干燥化指数的预测，还是直接方法中对干层3个指标的模拟，在相同变量的情况下，人工神经网络对自变量和因变量之间的复杂关系均表现出了更强的刻画能力。因此，在黄土高原地区土壤干燥化指数及干层的相关模拟中，人工神经网络的应用有利于提高模型的模拟精度，其前景和优势相较于多元线性回归更为显著。 论文在理解土壤干层空间分布及影响因素的基础上，充分认识和分析了黄土高原南北样带土壤干层的时空动态特征及演变规律，阐明了黄土高原中部地区永久性干层应作为干层调控的重点，建立了人工神经网络配合间接方法的土壤干层预测模型。这些结果有助于准确把握黄土高原土壤干层的防控形势、提高区域土壤干层调控措施的针对性、促进黄土高原植被建设的长效可持续，进而为黄土高原土壤水分的科学管理、区域生态环境建设的可持续推进提供重要的科学依据。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本章小结

第二章 研究区概况、研究内容与方法

2.1 研究区概况

2.2 研究内容

2.3 研究方法

2.4 技术路线

2.5 测定项目和方法

2.6 数据处理和统计分析

第三章 南北样带土壤参数及环境因子分布特征

3.1 引言

3.2 研究方法

3.3 结果与分析

3.4 本章小结

第四章 样带剖面土壤水分动态特征

4.1 引言

4.2 研究方法

4.3 结果与分析

4.4 本章小结

第五章 样带土壤干层的时空分布特征

5.1 引言

5.2 研究方法

5.3 结果与分析

5.4 本章小结

第六章 基于土壤干层时间特征的干层类型划分

6.1 引言

6.2 研究方法

6.3研究结果

6.4 讨论

6.5 本章小结

第七章 南北样带土壤干层的模拟

7.1 引言

7.2 研究方法

7.3 结果与分析

7.4 本章小结

第八章 结论及有待进一步研究的问题

8.1 主要结论

8.2 可能的创新点

8.3 需要进一步研究的问题

参考文献

致谢

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