【摘要】：西北干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,區(qū)域內植被退化,土地沙化,土壤侵蝕嚴重。土壤水分是西北干旱區(qū)植物生長重要限制因子之一。充分認識西北干旱區(qū)內土壤水分時空變化規(guī)律,闡明土壤水分在干旱陸地生態(tài)系統(tǒng)中的意義,對干旱區(qū)生態(tài)維護以及水資源管理有重要的科學意義。本文以西北干旱區(qū)塔里木河下游和黃土高原南北樣帶為研究區(qū),在不同空間尺度上(剖面-坡面-斷面-樣帶)進行了大量的野外采樣和實驗觀測,并結合室內化驗分析,數學統(tǒng)計和尺度拓展等方法,系統(tǒng)研究了西北旱區(qū)土壤水分時空變化特征及其影響因素,探討了不同空間尺度上土壤物理性質(容重,飽和導水率)的模擬與預測方法,對于評估影響植被恢復與生態(tài)重建的限制因子具有重要的參考價值。主要結果如下:(1)檉柳樣方土壤含水量變化范圍為5%~23%,屬中等變異性。但除了近地下水位土壤層,其余層次的土壤含水量在時間上變化極小。土壤含水量與土壤質地高度相關,質地越細含水量越高。不同地下水埋深土壤水分剖面相似,且土壤含水量和地下水埋深二者關系并不明顯。極端干旱區(qū)深根性植物特殊的用水策略導致了土壤水分獨特的時間過程。我們認為在極端干旱區(qū)地下水—土壤—植物—空氣系統(tǒng)中的水流處于穩(wěn)態(tài)或者準穩(wěn)態(tài)。因此,土壤含水量通常在時間上保持不變,而且在極端干旱區(qū)土壤含水量主要受土壤質地決定。(2)塔里木河下游地下水位和植被蓋度隨著離河道距離增加分別呈顯著性對數和指數下降關系。不同質地對土壤持水性有顯著差異,粉壤土的田間持水量(0.32g g-1)為沙土田間持水量(0.10g g-1)的3倍以上,前者的有效含水量約為后者的1.6倍。植被蓋度受地下水位和土壤含水量的共同影響。胡楊和檉柳均具有適應極端干旱環(huán)境的能力,但二者用水策略不同。胡楊根系可以直接吸收地下水和土壤水,且在生長季有明顯的水力提升現象;檉柳根系主要吸收地下水和近地下水位飽和土壤水。(3)塔河下游荒漠河岸林土壤含水量與離河道距離并沒有顯著線性規(guī)律。斷面土壤含水量隨著流域河道方向在逐漸減小。斷面植被蓋度隨河段往下呈下降趨勢。塔里木河下游“正質地效應”普遍存在。(4)在黃土高原地區(qū),土壤干燥化程度存在明顯的緯度地帶性,且雨季前土壤干燥化指數的空間變異程度高于雨季后;經過雨季降水的補給,土壤干層在一定程度上得到修復,且中部地區(qū)的修復效果明顯優(yōu)于南部及北部地區(qū);土壤干燥化指數剖面分布特征在雨季前、后的差異主要表現在淺層0-2.3 m土層,這主要歸因于降水對淺層土壤水分的補給。(5)黃土高原南北樣帶0~20 cm深度土壤容重的變異為中等程度變異,20~40 cm為弱變異。狀態(tài)空間方程轉換系數表明,不同土層深度容重的影響因素不同,0~10cm主要為有機碳含量、黏粒和砂粒體積分數,10~20 cm為有機碳含量、黏粒和砂粒體積分數和降水量,20~40 cm為黏粒和砂粒體積分數、降水量和土地利用。狀態(tài)空間模型的模擬效果均優(yōu)于經典統(tǒng)計的多元逐步回歸方程和傳遞函數方程,基于黏粒和砂粒體積分數、降水量和土地利用的狀態(tài)空間模型可以解釋樣帶20~40 cm容重92.3%的變異。一階自回歸狀態(tài)空間模型可用于田間條件下土壤容重分布特征的預測。(6)黃土高原深剖面尺度土壤飽和導水率具有明顯的空間變異性,變異程度為強變異經交叉檢驗,土壤飽和導水率可用球狀模型進行較好擬合,變程為15m,且具有中等程度空間依賴性。研究所選取的5個可能影響因素中,飽和導水率、容重、有機碳、粉粒和黏粒在不同滯后距離上均具有空間自相關結構,滯后距離分別為8、4、8、1和2個采樣間距。飽和導水率在不同的滯后距離下與有機碳和黏粒具有顯著交互正相關關系,與容重和粉粒具有顯著交互負相關關系。有機碳和粉粒是影響剖面尺度飽和導水率空間分布的主要因素,基于有機碳和土壤顆粒的狀態(tài)空間方程對飽和導水率模擬效果較好,決定系數R2均在0.6以上,可用于田間條件下土壤飽和導水率分布特征的預測。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S152

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本文編號：2252588