黑河上游天老池流域土壤水分时空变异的试验研究

摘要

土壤水分时空变异性的研究是水文循环和水量平衡的重要研究内容，在农学，水文学，土壤学等领域举足轻重。土壤水分是控制土壤层水分和能量流动的关键变量，对径流产生、土壤侵蚀及营养物质流失等水文过程起着重要影响，它不仅影响着降水的陆面分配和产汇流过程，而且还影响着潜热和显热的净辐射分配。区域土壤水分时空变异规律，是目前研究的一个热点和难点。黑河流域是我国用水矛盾最尖锐的地区，位于干旱半干旱区，水资源多来源于祁连山的出山径流，近年来随着中游农业的发展，使得径流减少，地下水位下降，下游荒漠区生态用水较少，沙生植物死亡，沙尘暴频发，解决该流域水问题刻不容缓。
　　因此本研究选择黑河上游祁连山区水源涵养林核心区的天老池小流域进行土壤水分的时空变异研究。在该流域范围内布设土壤水分采样点，在2014年5月到9月间生长季，以10天为周期用TDR仪采集土壤水分数据，分析土壤水分的时空变异规律及相关影响因子，同时研究坡面尺度的时间稳定性，找出坡面尺度的代表性测点，相关研究结果如下：
　　1)四种植被类型的土壤水分都具有明显的季节变异，在生长季大致可以分为三个时期：土壤水分积累期（5月上旬至6月下旬）、土壤水分稳定期（7月上旬至8月下旬）和土壤水分回落期（9月上旬至生长季结束）。
　　2)各植被类型的土壤湿度在土壤剖面上基本都表现为下降型；仅干草原在5月份表现为上层（10cm）土壤水分低于下层（50cm）；青海云杉林由于自身土壤结构原因，在7月至生长季结束，表层（10cm）土壤水分低于下层（50cm）。冻土的季节性融化在祁连山区土壤水分时空变异研究中不可忽略。
　　3)在本研究区，坡位并不是影响土壤水分空间格局的主导因素，土壤水分的空间异质性主要体现在不同的植被类型间。整个生长季四种植被类型间土壤湿度存在显著差异（P<0.05），且土壤水分的空间格局在生长季不断变化，自6月中旬后，空间格局稳定为：灌木林>青海云杉林>祁连圆柏林>干草原。在祁连山区进行土壤水分空间模拟时，植被类型是不容忽略的因素，且应当耦合地温。完全基于地形属性的水文模型在本研究区应当慎用。
　　4)因为获取高精度高时间频率的土壤水分数据费时费力，实际操作中有许多困难，为了使其更加简单，在本研究区坡面尺度上进行时间稳定性研究，寻找坡面土壤水分的代表性测点。累计分布函数中，祁连圆柏林的时间稳定性较高。但三个坡面累计概率为0.5的观测点在极端干湿状态都不能保持一致，通过累计概率函数寻找坡面平均土壤水分代表点的方法不可行。
　　5)一般情况下MRD值接近于0且SDRD值最小的观测点可以代表研究区SWS的平均状态，但在本研究区这两个条件不能同时满足，于是另外引入ITS和MABE两个指标。四种方法确定的代表测点各不相同，综合来看，灌木林地8号，青海云杉林的3号、10号以及祁连圆柏林的13号、14号被列为各自坡面的代表性测点。四种方法确定的代表性测点对青海云杉林平均土壤水分状况预测最好，祁连圆柏林次之，灌木林最差。
　　6)非参数spearman秩相关系数分析得出，三个坡面SWS的spearman秩相关系数基本都在p<0.01的水平上显著，都具有强烈的时间稳定性，但是程度也有差异，从大到小依次是：祁连圆柏林、青海云杉林、灌木林。
　　本研究加入了土壤水冻结因素，有助于对土壤水分时空变异的认识，同时研究了坡面尺度土壤水分的时间稳定性，找出了坡面土壤水分的代表性测点，有助于降低土壤水分研究的采样工作量，提高效率，为时间稳定性理论研究积累了必要的数据，同时为祁连山区的类似研究提供参考，希望本论文的研究成果能够为祁连山区的植被恢复、水源涵养研究及各种水文气候模型提供有益的帮助。