【摘要】：坡地是黃土丘陵區(qū)主要的地貌類型之一,其中7~°以上的坡地占該區(qū)面積的75.7%,同時也是該區(qū)水土流失的主要源地,因此,坡地的合理開發(fā)利用對于黃土丘陵區(qū)生態(tài)建設(shè)和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在水資源短缺的干旱半干旱黃土丘陵區(qū),了解坡地的土壤水熱狀況是制定合理開發(fā)利用方式的重要前提,同時坡地利用方式又影響著土壤水熱條件,因此,揭示黃土丘陵區(qū)典型坡地利用方式的土壤水熱特征及其耦合效應(yīng),對于實現(xiàn)區(qū)域坡地資源的高效持續(xù)利用具有重要的理論和實踐意義。為此,本文選擇黃土丘陵區(qū)4種典型坡地利用方式(大豆坡耕地、玉米梯田、紅棗林和撂荒草地)為研究對象,通過野外定位監(jiān)測、室內(nèi)試驗、統(tǒng)計分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對不同坡地利用方式土壤水熱變化特征及其對主要環(huán)境因子的響應(yīng)、土壤水熱變化復(fù)雜性等進行了研究,建立了一維垂向土壤水熱耦合運移數(shù)值模型,以紅棗林為例,實現(xiàn)了對紅棗林土壤水分和溫度隨時間動態(tài)變化和空間垂直分布的模擬預(yù)測,并進一步研究了溫度梯度和根系吸水對紅棗林土壤水熱耦合運移的影響。得到以下主要結(jié)論:(1)闡明了不同坡地利用方式土壤水熱變化特征。4種坡地利用方式0~60 cm土層為土壤水分季節(jié)性波動層,60~160 cm土層含水量變化相對平緩。2014平水年和2015干旱年生長季紅棗林0~60 cm土層含水量顯著低于其它3種坡地利用方式(p0.05),且在平水年生長季紅棗林0~160 cm土層儲水量較大豆坡耕地、玉米梯田和撂荒草地低5.9%、6.6%和17.7%。干旱年生長季玉米梯田表現(xiàn)出良好的保墑能力,土壤水分虧缺度較小,其0~160 cm土層含水量顯著高于其它3種坡地利用方式(p0.05)。典型次降雨后,隨著干旱時間的延長,紅棗林土壤水分損失率大幅增加,而玉米梯田土壤水分損失率增長緩慢。隨土層加深,同一坡地利用方式土壤溫度逐漸降低,季節(jié)變化幅度也減小。紅棗林表現(xiàn)出明顯的增溫效應(yīng),且增大了土壤溫度日變幅,提高了生長季內(nèi)土壤溫度日較差。玉米梯田則減弱了土壤溫度季節(jié)變化幅度和日變幅,并降低了生長季內(nèi)土壤溫度日較差。綜上可知,紅棗林土壤保水調(diào)溫效果較差,亟需增加管理措施以有效改善土壤水熱狀況,實現(xiàn)紅棗林可持續(xù)發(fā)展;玉米梯田具有良好的保墑?wù){(diào)溫效應(yīng),因此可考慮實施坡耕地改梯田工程,高效利用雨水資源的同時,達到“以水調(diào)溫”的目的。(2)揭示了不同坡地利用方式土壤水熱的復(fù)雜性。2014平水年和2015干旱年生長季,紅棗林增加了0~160 cm各層土壤水分變化幅度、變異程度和活躍層深度,并提高了0~100 cm土層溫度變化幅度和變異程度;玉米梯田相對減小了土壤水分變化幅度、變異程度和活躍層深度,并降低了土壤溫度變化幅度和變異程度。不同降雨年型下,紅棗林各層土壤水分、溫度序列的分維數(shù)均高于其它3種坡地利用方式,玉米梯田土壤水分、溫度序列分維數(shù)相對較低。2014平水年和2015干旱年生長季,4種坡地利用方式表層(0~20 cm)土壤含水量序列的近似熵排序為:紅棗林撂荒草地大豆坡耕地玉米梯田;平水年生長季,玉米梯田0~160 cm各層土壤含水量序列的近似熵均為最小;兩個生長季內(nèi),紅棗林0~100 cm各層土壤溫度序列的近似熵最大,玉米梯田土壤溫度序列的近似熵較小。綜上,紅棗林土壤水熱變化過程較為復(fù)雜,而玉米梯田減小了土壤水熱變化的復(fù)雜程度,有利于保持土壤水分穩(wěn)定性,并調(diào)節(jié)土壤溫度�；谛〔ǚ志S估計法和近似熵理論評價黃土丘陵區(qū)典型坡地利用方式土壤水熱的復(fù)雜性是可行的。(3)明確了影響4種坡地利用方式土壤水熱的主控性環(huán)境因子。2014平水年和2015干旱年生長季,氣溫和空氣濕度是影響大豆坡耕地和撂荒草地0~60 cm土層水分變化的主控因子;空氣濕度和風速則是影響玉米梯田土壤水分變化的主要氣象因子;氣溫對紅棗林土壤水分的影響極顯著(p0.01),且為負效應(yīng);各坡地利用方式土壤水分與土壤溫度均呈負相關(guān)關(guān)系(p0.01)。平水年生長季,空氣濕度對大豆坡耕地、玉米梯田和撂荒草地土壤水分的直接作用和綜合影響最大;土壤溫度對紅棗林土壤水分的影響相對較大。干旱年生長季,土壤溫度對各坡地利用方式土壤水分的直接作用和綜合影響均為最大,且為負效應(yīng)。氣溫與4種坡地利用方式0~60 cm土層溫度的關(guān)聯(lián)度較高,且隨著土壤深度增加,灰色關(guān)聯(lián)度降低;在同等氣象條件下,不同坡地利用方式同一土層溫度與同一氣象因子的灰色關(guān)聯(lián)度存在差異;玉米梯田表層(0~20 cm)土壤溫度與氣溫的決定系數(shù)相對較小,表明其對氣溫的響應(yīng)較弱。(4)構(gòu)建了一維垂向土壤水熱耦合運移數(shù)值模型。重點考慮了溫差作用下土壤中熱量傳遞對土壤水分運移的影響、水分運移對土壤中熱量傳遞的影響以及根系吸水對土壤水分運移和熱量傳遞的影響,建立了一維垂向土壤水熱耦合模型。采用有限差分法對所建模型進行求解。利用干旱年生長季紅棗林0~100 cm土層含水量和溫度數(shù)據(jù)對所建模型進行驗證,結(jié)果表明:模擬期間土壤含水量模擬值與實測值的決定系數(shù)R~2為0.8581~0.9901,均方根誤差RMSE和平均絕對誤差MAE的平均值分別為0.7719%和0.6856%;紅棗林0~100 cm土層溫度模擬值和實測值的R~2、RMSE和MAE在4個生育階段的平均值分別為0.8694、1.2884℃、1.1894℃。表明該模型對于模擬紅棗林土壤含水量和溫度隨時間和深度的變化具有較高的精度,能夠較為準確地反映紅棗林不同生育階段土壤中水分運移和熱量傳輸?shù)淖兓卣�。通過建立的一維垂向土壤水熱耦合運移數(shù)學模型研究了溫度梯度對土壤水分運移的影響和根系吸水過程對土壤中熱量傳輸?shù)挠绊?結(jié)果表明:同時考慮溫度梯度對土壤水分運移的影響和根系吸水過程對土壤中熱量傳輸?shù)挠绊憰r,模型的模擬結(jié)果明顯優(yōu)于僅考慮其中一個因素的模擬結(jié)果。本研究基于兩年連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù),分析和探討了平水年和干旱年黃土丘陵區(qū)4種典型坡地利用方式土壤水熱特征及其耦合效應(yīng),深化了對該區(qū)不同坡地利用方式土壤水熱動態(tài)變化過程、土壤水熱復(fù)雜性、影響土壤水熱的主控性環(huán)境因子以及土壤水熱耦合模型構(gòu)建與模擬的科學認識。本研究所得結(jié)論可為黃土丘陵區(qū)坡地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化和坡地資源高效持續(xù)利用提供科學依據(jù)。
【圖文】：

技術(shù)路線圖

第二章 材料與方法第二章 材料與方法2.1 研究區(qū)概況2.1.1 自然地理研究區(qū)位于陜北榆林市清澗縣店則溝鎮(zhèn)園則溝小流域（37°13′38′′—37°14′22′′N，110°21′10′′—110°21′32′′E，海拔 865~1105m；圖 2-1）。清澗縣位于黃河陜晉峽谷西岸，東西長 95 公里，南北寬 55 公里，總面積 1881 平方公里。清澗縣屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，區(qū)域內(nèi)水土流失嚴重，地面破碎，，溝壑縱橫交錯（Gaoetal.2017）。研究區(qū)土壤主要為黃綿土，土質(zhì)疏松，抗侵蝕能力弱，土壤肥力較差，田間持水量和凋萎濕度分別為 25%和 7%（體積含水量）。
【學位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S152

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本文編號：2666822