【摘要】：黑河中游荒漠綠洲過渡帶地處中國內(nèi)陸西北干旱區(qū),在全球氣候變化的大背景下,在特殊的地理位置和氣候環(huán)境的控制下,該區(qū)域降水稀少且季節(jié)性分配不均勻,蒸發(fā)量較大,水資源嚴重短缺是干旱地區(qū)最明顯的環(huán)境特征,也是制約該地區(qū)經(jīng)濟與社會發(fā)展的主要瓶頸之一。過渡帶上天然植被呈斑塊狀分布格局。近年來,隨著黑河調(diào)水計劃實施、工農(nóng)業(yè)用水需求的日益增加以及人類活動的破壞,該過渡帶出現(xiàn)植被退化、枯萎,甚至死亡的現(xiàn)象,生態(tài)環(huán)境逐步惡化,表層土壤風(fēng)蝕嚴重,從而導(dǎo)致周邊沙塵暴頻率增多。過渡帶生態(tài)系統(tǒng)的這種脆弱性和不穩(wěn)定性,就決定了土壤水分狀況是該系統(tǒng)的重要生態(tài)因子。土壤水分是連接地氣之間的紐帶和中心環(huán)節(jié),參與水分循環(huán)和能量、動量交換等陸面過程,是氣候系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵參數(shù)。尤其是對干旱荒漠區(qū)而言,土壤水分是表征干旱區(qū)土壤狀況的一個至關(guān)重要的指標,影響著植被的生長與恢復(fù)、分布格局以及演變過程,同時可以反映和解釋區(qū)域土壤風(fēng)蝕化程度。土壤水分由于受下墊面類型、氣候環(huán)境、土壤質(zhì)地、地形地貌、人類活動等眾多因素綜合作用的影響,在時間上和空間上都具有高度的異質(zhì)性。本研究采用三種方法從三個不同尺度對黑河中游荒漠綠洲過渡帶斑塊植被區(qū)土壤水分的時空異質(zhì)性進行研究。第一,在樣方尺度上(面積為340m×300m樣方,40m×40m等間距布樣),結(jié)合統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)方法,對典型樣方10cm、20cm、40cm、60cm、80cm土層土壤水分的空間異質(zhì)性組成、程度、尺度、變異函數(shù)及自相關(guān)性進行了定量分析;第二,在單點尺度上,在一定的初始條件和邊界條件下,應(yīng)用Hydrus-1D模型對該過渡帶兩種下墊面類型下,裸土樣點和有植被樣點處各層土壤水分在時間序列上的動態(tài)變化進行模擬,探究典型樣點處各層土壤水分隨時間的變化特性,并用野外實測的土壤水分數(shù)據(jù)進行驗證,探究Hydrus-1D模型對該斑塊植被區(qū)典型樣點土壤水分在時間變化上的模擬效果,獲得相應(yīng)的模型參數(shù),為向區(qū)域尺度推廣和應(yīng)用奠定基礎(chǔ);第三,在區(qū)域尺度上,利用同期MODIS數(shù)據(jù),采用熱慣量的方法反演該過渡帶斑塊植被區(qū)表層土壤含水量,探究區(qū)域尺度表層土壤水分在時空上的變異特征,并用實測的土壤含水量數(shù)據(jù)進行驗證。研究結(jié)果如下:(1)通過描述性統(tǒng)計分析,在樣方上隨著土壤深度的增加,該過渡帶斑塊植被區(qū)土壤水分含量均值呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢;且5層土壤水分含量的變異都屬于強變異性,尤其是土層20cm土壤含水量的變異系數(shù)最大,達到了159.62%。(2)通過地統(tǒng)計學(xué)方法的分析,樣方5層土壤水分含量的空間異質(zhì)性特征有明顯差異。5層土壤水分空間變異的變程在45.5m~119.4m范圍之間變化;10cm、20cm、40cm土層土壤水分含量的最佳理論擬合模型均為指數(shù)模型,而60cm和80cm土層土壤水分含量的最佳理論擬合模型為球狀模型。5層土壤水分含量的塊金系數(shù)都小于25%,表明該荒漠綠洲過渡帶斑塊植被區(qū)樣方土壤水分的空間異質(zhì)性由隨機因素引起變異的比例較小,主要由結(jié)構(gòu)因素引起;樣方范圍較小,氣候條件和立地條件基本相同,植被的斑塊狀分布格局是是驅(qū)動該典型樣區(qū)土壤水分空間異質(zhì)性的主要因素。(3)在典型樣方垂直梯度上,5層土壤水分含量的全局空間自相關(guān)Moran's系數(shù)均為正值,說明各層土壤水分均具有空間正相關(guān)性,并且具有空間集聚特征;土層60cm土壤水分具有較為強烈的空間集聚性且其空間集聚特征較其它土層更為明顯。(4)IDW和Kriging兩種插值方法得到的各土層空間上土壤水分含量的預(yù)測結(jié)果趨勢基本相同,但IDW插值法由于受土壤水分極值的影響出現(xiàn)了“牛眼”現(xiàn)象;通過比較評價指標和插值預(yù)估圖而言,Kriging插值精度較IDW插值精度高,插值圖也較平滑。(5)在單點尺度上,通過Hydrus-1D模型對該斑塊植被區(qū)兩種下墊面類型下,兩個典型樣點處不同土層土壤水分含量隨時間動態(tài)變化進行模擬,結(jié)果表明,無論在裸地單點處還是在有植被區(qū)單點處,模擬出的不同層土壤水分含量動態(tài)變化趨勢與實測值的變化趨勢基本一致,相關(guān)系數(shù)R2均大于0.52,均方根誤差(RMSE)和相對誤差(RE)都控制在較小的范圍內(nèi),Hydrus-1D模型能較好的模擬該斑塊植被區(qū)土壤水分隨時間的動態(tài)變化規(guī)律。(6)在區(qū)域尺度上,利用MODIS數(shù)據(jù),采用熱慣量方法對該斑塊植被區(qū)表層土壤水分含量進行反演,在建立熱慣量與土壤含水量關(guān)系模型的基礎(chǔ)上,對比線性、指數(shù)、冪函數(shù)模型,發(fā)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)對土壤含水量反演的相關(guān)性較高,反演的表層土壤水分與實測的土壤水分之間的誤差較小,熱慣量反演表層土壤含水量的應(yīng)用為干旱荒漠區(qū)獲得大范圍長時間序列的土壤水分資料提供一種有效而可行的方法。研究結(jié)果能更深入的認識該典型區(qū)域土壤水分的空間分布狀況和時間變化規(guī)律,為區(qū)域植被分布格局、土壤風(fēng)沙侵蝕的防治等研究提供理論基礎(chǔ);為該區(qū)域生態(tài)植被修復(fù)、維護綠洲生態(tài)環(huán)境安全以及合理利用水資源提供可借鑒的理論依據(jù)。同時為該典型區(qū)域獲得大范圍和長時間序列的土壤水分資料提供有效可行的方法。
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【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S152.7

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

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本文編號：2254823