綠洲荒漠交錯(cuò)區(qū)土壤水分時(shí)空分布及隨機(jī)模擬.pdf

1、綠洲是與荒漠相伴而生的非地帶性景觀，其發(fā)展與演變嚴(yán)重依賴水資源的供給。土壤水分作為陸地水循環(huán)的重要組成部分，直接影響土壤、植被、大氣之間的物質(zhì)傳輸與能量流動(dòng)，對(duì)綠洲與荒漠生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定發(fā)揮著關(guān)鍵作用。理解和掌握土壤水分的時(shí)空分布及動(dòng)態(tài)變化，是進(jìn)行區(qū)域生態(tài)水文模擬、水資源管理和植被生態(tài)建設(shè)的基礎(chǔ)。
　　為了揭示荒漠綠洲地區(qū)較大尺度復(fù)合景觀條件下土壤水分演變規(guī)律，本論文以黑河中游綠洲為例，在綠洲與荒漠交匯地段設(shè)置面積約100

2、 km2的樣帶，于2012至2014年間對(duì)綠洲荒漠交錯(cuò)區(qū)土壤水分展開(kāi)持續(xù)監(jiān)測(cè)，利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析、地統(tǒng)計(jì)分析、分形維數(shù)分析、灰色關(guān)聯(lián)分析等方法，對(duì)0-300 cm土壤水分的時(shí)空分布特征及其影響因素進(jìn)行研究。重點(diǎn)探討了不同土地利用類型土壤水分的時(shí)空變異特征、不同指標(biāo)在描述土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性時(shí)的差異、綠洲農(nóng)田土壤水分最優(yōu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的確定、土壤水分分布與植被格局的空間關(guān)系、河岸綠洲土壤水分的梯度變化等問(wèn)題，并采用基于隨機(jī)模擬算法的概率閾值模型對(duì)研究

3、區(qū)土壤發(fā)生干旱的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。取得的主要結(jié)果如下:
　　1.荒漠綠洲交錯(cuò)區(qū)土壤水分分布極端不均，在整個(gè)研究空間內(nèi)呈明顯的斑塊狀分布。土地利用類型對(duì)土壤水分的空間變化有顯著影響，不同土地利用方式下土壤水分含量的大小依次為草地＞農(nóng)地＞喬木林地＞灌木林地＞荒漠。農(nóng)地、喬木林地和草地土壤含水量空間變異性隨深度增加而減小，灌木林地和荒漠土壤含水量空間變異性隨深度增加而增加。土壤含水量自身大小對(duì)空間變異性的影響隨土地利用類型和土壤深度的改變而

4、改變。在農(nóng)地的60-100 cm、140-200 cm和喬木林地60-200cm深度，土壤水分空間變異性隨區(qū)域平均土壤含水量的增加而減小;而在灌木林地60-100 cm、100-140 cm和荒漠60-200 cm深度，土壤水分空間變異性隨區(qū)域平均土壤含水量的增加而增大。
　　2.荒漠綠洲交錯(cuò)區(qū)土壤水分分布對(duì)植被空間格局起著決定作用，0-300 cm所有土層土壤水分含量與植被長(zhǎng)勢(shì)均有顯著相關(guān)關(guān)系。受植被根系分布影響，上層0-100

5、 cm土壤含水量比其以下各土層深度土壤含水量與植被關(guān)系密切，其中以40-80 cm土壤含水量與植被相關(guān)性最大。地統(tǒng)計(jì)分析表明，土壤含水量與植被的空間交互依賴距離處于4694m與6300m之間。土地利用類型對(duì)土壤含水量與植被之間的空間關(guān)系有明顯影響，農(nóng)地、喬木林地和草地土壤含水量與植被在空間上沒(méi)有表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，而灌木林地60 cm以下深度和荒漠220 cm以上深度土壤水分與植被的空間分布具有顯著相關(guān)性。
　　3.荒漠綠洲交錯(cuò)區(qū)域

6、土壤水分具有良好的空間組織結(jié)構(gòu)，土壤水分的空間依賴性、自相似性以及自相關(guān)距離與土層深度密切相關(guān)。隨著土壤深度增加，土壤含水量空間依賴性和自相關(guān)距離呈增加趨勢(shì)，而空間格局的自相似性和復(fù)雜度呈下降趨勢(shì)。由于受短程的環(huán)境過(guò)程影響，上層土壤水分的空間組織結(jié)構(gòu)比下層土壤水分的空間組織結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。土壤水分自身?xiàng)l件對(duì)土壤含水量空間依賴性和自相似性沒(méi)有顯著影響，但是對(duì)空間自相關(guān)距離有顯著影響。表層0-20 cm土壤水分自相關(guān)距離隨區(qū)域平均土壤含水量的

7、增加而減小，而100-140 cm深度土壤含水量自相關(guān)距離隨區(qū)域平均土壤含水量增加而增大。
　　4.土壤水分空間組織結(jié)構(gòu)可以在一定時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，隨著時(shí)間間隔的增加，土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性會(huì)逐漸衰弱。土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定性具有明顯的季節(jié)性特征，兩個(gè)相同季節(jié)之間的土壤水分格局比兩個(gè)不同季節(jié)之間的水分格局更加穩(wěn)定。研究區(qū)不同采樣點(diǎn)之間的土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性存在較大差異，土壤含水量相對(duì)差分標(biāo)準(zhǔn)差(SDRD)與平均絕對(duì)偏差誤差(MABE)都表

8、現(xiàn)出中等程度的空間變異性。相關(guān)分析表明，SDRD與MABE在表層0-20cm土壤呈顯著負(fù)相關(guān)，在120-140 cm和180-200 cm深度土壤呈顯著正相關(guān)，而在中間60-80 cm深度不存在顯著相關(guān)性。相對(duì)差分標(biāo)準(zhǔn)差和平均絕對(duì)偏差誤差對(duì)土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性空間分布的描述以及對(duì)土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性樣點(diǎn)的識(shí)別具有明顯不同，在不同的環(huán)境條件下有其各自的適用性。在綠洲荒漠交錯(cuò)區(qū)域，影響土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性的主要環(huán)境因素是土壤顆粒組成和土壤含水量自

9、身大小。通過(guò)時(shí)間穩(wěn)定性分析，在老綠洲農(nóng)田，可以找到適用于多個(gè)土壤層次的單一測(cè)點(diǎn)，準(zhǔn)確估算區(qū)域土壤平均含水量;而在外圍新墾沙地農(nóng)田，利用單個(gè)樣點(diǎn)對(duì)區(qū)域土壤平均含水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，其精度較差，可操作性不強(qiáng)。
　　5.河岸綠洲0-200 cm土壤剖面土壤平均蓄水量厚度約367 mm?？臻g分析表明，隨著與河岸距離的增加，土壤水分呈梯級(jí)下降，沿岸綠洲農(nóng)田土壤蓄水量平均高出荒漠地區(qū)土壤蓄水量300％以上。河流對(duì)沿岸綠洲土壤水分的直接影響集中在30

10、00m以內(nèi)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，圍繞這一距離逐漸形成了河岸綠洲的邊界。在此距離以外，河水對(duì)土壤水分的補(bǔ)給作用較弱，人工綠洲的形成與維持依賴于抽取地下水或人工引渠灌溉。河岸綠洲與外圍新墾沙地農(nóng)田之間存在一條土壤水分較為穩(wěn)定的樣帶，可以用于指示綠洲生態(tài)系統(tǒng)的演變與發(fā)展。
　　6.隨機(jī)模擬算法能夠充分揭示綠洲荒漠交錯(cuò)區(qū)土壤水分空間變異特征，200次模擬實(shí)現(xiàn)詳盡地展示了不同采樣時(shí)間土壤含水量可能的空間分布。基于隨機(jī)模擬的概率閾值模型是評(píng)價(jià)土壤

11、水分不確定性的有效工具。本文以60％的田間持水量為界，分析2013年植被生長(zhǎng)季節(jié)不同土地利用類型土壤發(fā)生干旱的可能性。隨著設(shè)定的概率閾值不斷提高，土壤發(fā)生干旱的面積比例逐漸下降。當(dāng)聯(lián)合概率為0.6時(shí)，研究區(qū)有1.3-3.8％的農(nóng)地，2.6-5.2％的喬木林地，3.2-4.6％的草地，2.7-7.4％的灌木林地出現(xiàn)干旱。
　　本研究表明，在綠洲荒漠交錯(cuò)區(qū)域，土地利用類型和土壤機(jī)械組成是影響土壤水分時(shí)空分布的主要因素;盡管研究區(qū)土壤水

12、分存在很大的時(shí)空變異性，但仍然具有良好的空間結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的時(shí)間穩(wěn)定性;土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定性分析可以優(yōu)化土壤水分監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，指示綠洲與荒漠生態(tài)系統(tǒng)的擴(kuò)張與演變;基于隨機(jī)模擬算法的概率模型能夠有效評(píng)估不同土地利用類型土壤發(fā)生干旱的風(fēng)險(xiǎn)，為了防止土地退化維持綠洲生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展，改善現(xiàn)有農(nóng)田灌溉制度，適當(dāng)增加對(duì)綠洲邊緣防護(hù)林的灌水是必要的保護(hù)措施。這些研究結(jié)果將有助于加深對(duì)荒漠綠洲區(qū)域景觀尺度生態(tài)水文過(guò)程的理解，為極端干旱地區(qū)植被建造、生態(tài)與環(huán)