不同下垫面的土壤水分时间稳定性分析
第13卷 第4期2015年8月
南水北调与水利科技
S outh 2to 2North W ater Transfers and Water Science &Techn ology V ol.13N o.4
A ug.2015
节水农业
收稿日期:2014211213 修回日期:2015206216 网络出版时间:2015207223
网络出版地址:http://w w https://www.wendangku.net/doc/ff13691093.html,k https://www.wendangku.net/doc/ff13691093.html,/kcms/detail/13.1334.T V.20150723.1240.011.h tm l
基金项目:水资源与水电工程科学国家重点实验室开放研究基金(2012B093);中国水利水电科学研究院科研专项(1232);国家自然科学基
金(51209225;51409270);国家国际科技合作专项资助(2013DFG70990)
作者简介:赵娜娜(19852),女,河南灵宝人,助理研究员,博士,主要从事农田作物耗水规律、水文学及水资源方面研究。E 2mail:an 2
nazh ao2009@https://www.wendangku.net/doc/ff13691093.html,
通讯作者:于福亮(19532),男,北京人,教授级高级工程师,博士,主要从事水文学及水资源方面研究。E 2mail:yufl@iw https://www.wendangku.net/doc/ff13691093.html,
DOI:10.13476/https://www.wendangku.net/doc/ff13691093.html,ki.nsbdqk.2015.04.035
不同下垫面的土壤水分时间稳定性分析
赵娜娜1,2,3,李传哲1,2,刘 佳2,穆文彬2,于福亮2,邢九平4
(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072;2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京100038;3.中国林业科学研究院湿地研究所,北京100091;4.河北省水利工程局,石家庄050021)
摘要:时间稳定性是分析土壤水分时空变异性的重要因素,对土壤水分时间稳定性的分析可为区域土壤墒情的预测及水资源量的评估、以及水文模型的发展等提供依据。在2m 2坡面尺度上,采用EC 25土壤水分传感器对四种土地利用类型(玉米、小麦、草地和裸地)在两种坡度(5b 、15b )下浅层土壤水分的时间稳定性进行分析。基于相对差分法和Spearman 秩相关系数分析法研究得出:不同植被类型、坡度下浅层土壤水分具有一定的时间稳定性,其不同深度的平均相对偏差(MRD)及其标准差均很小;不同坡度间的土壤水分时间稳定性差异不显著,而植被类型对土壤水分时间稳定性影响较大,相比而言,玉米和草地的土壤水分标准差相对较大,土壤水分时间稳定性明显低于小麦和裸地。关键词:土壤水分;时间稳定性;植被类型;坡度;spea rman 秩相关系数;相对差分法中图分类号:P333 文献标志码:A 文章编号:167221683(2015)0420765206
Temporal stability of soil water under different soil coverages
ZH AO N a 2na 1,2,3,L I Chuan 2zhe 1,2,L IU Jia 2,M U Wen 2bin 2,YU F u 2liang 2,XIN G Jiu 2ping 4
(1.S tate K ey L abor ator y of W ater Res our ces &H y dr op ower Engineeri ng S cience,Wuhan Univer sity ,W uhan 430072,China;2.S tate K ey L abor ator y of S imulation and Regul ation o f Water Cy cle in River Bas in,I nstitute of Water Resour ces
and H y dr op o wer Res ear ch ,Beij ing 100038,China;3.Res ear ch I nstitute of W etland,Chines e A cademy of For estr y ,
Beij ing 100091,China;4.H ebei P ro vincial Water Cons er v ancy Bur eau,Shij iaz huang 050021,China)
Abstract:T empor al stability is an im po rtant factor to analy ze the spatial and tempo ral var iability of so il water ,so its study can pr ov ide r eference fo r the prediction of local soil mo isture,ev aluatio n of water reso ur ces,and development of hy dr olog y model 2ling.A cco rding to the r eal 2time monito ring o f soil moisture data collected by EC 25senso rs in the hillslope scale o f 2m 2,the tem 2por al stability of shallow so il water under fo ur different v eg etatio n co ver s (spring maize,wheat,ry egr ass,and bar e land)wer e analyzed using the r elative difference method and Spearman r and corr elation co eff icient method.R esult s show ed that the tempo 2r al stability occur s in t he shallow soil water under different veg etable types and slo pes w ith small M R D and standard dev iatio n values at var ious soil depths.T here w as no signif icant differ ence for the t em po ral stability of soil w ater under different slo pes,but obvio us differ ence under differ ent veg et ation types.T he tempor al stability of so il w ater for maize and r yeg rass w as obviously low er t han that of w heat and ba re land wit h smaller M RD and standar d deviat ion values.
Key words:so il w ater ;tempora l stability;veg et at ion ty pe;slope;Spearman rand co rr elatio n co eff icient ;relativ e differ ence
1 研究背景
土壤水是水文循环过程中的关键状态变量,对水文过程,如降雨入渗、蒸发、径流形成过程等有重要的作用,同时,土壤水也是农田生态系统维持和区域灌溉制度制定的基础
和依据。然而,由于土壤类型、结构、质地等的空间变异性及区域气候、植被、地形等因素的影响,土壤水分具有一定的时空变异性,而如何对土壤水分时空变异性进行定量分析和描述也是影响流域水文模型模拟精度的重要因素之一。因此,准确分析区域土壤水分的时空动态变化对于水文模型的发
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节水农业
展以及区域水资源的评价、保护和管理等都是很有必要的。
国内外许多学者对土壤水分的时空变异性,尤其是土壤水分的空间变异性进行了大量的研究[124],而这种研究实际上是基于土壤水分在时间上具有一定的稳定性。所谓土壤水分的时间稳定性,V achaud
[5]
通过土壤水分的试验研究发
现:将所有测点的土壤水分含量按高低排序后,不同测量时间下这些测点的顺序基本没有变化或变化不大,这种土壤水分的空间格局随时间相对稳定的现象就是时间稳定性(time stability ),一些学者将时间稳定性定义为:在既定的土壤类型中,空间位置和经典的统计参数在时间上相对不变的联系。Kachanoski [6]和de Jong [7]将时间稳定性重新定义为土壤水分在不同空间形式上表现出的时间一致性,是与空间尺度有关的空间分布结构或模式在时间上持续性,空间某点的土壤含水量是各种水文过程在不同空间尺度上共同作用的结果。
由于土壤水分实时测量需要先进的测量技术,耗时多、成本高,许多研究者试图寻找、提出一种新的、可以减少用以描述研究区域内土壤水分特性所需的实测点的方法,从而节省成本提高效率。因此,如何使用较少的实测点并能够代表研究区域或流域的平均土壤水分,这对流域的径流模拟精度具有很大的影响。通过对土壤水分时间稳定性的分析,可利用最少的土壤水分数据测量来表征山坡或流域尺度的平均土壤含水率,因此,土壤水分时间稳定的概念一经提出就得以广泛研究和应用。一些研究学者已经证实了时间稳定的测点位置可以很好地表征小流域的平均土壤含水率。Gra y 2son 和Western [8]应用时间稳定性的概念对流域进行研究,发现在研究区域内存在一些可以连续地表征整个研究区域平均土壤水分状况的位置,将其称之为流域平均土壤水分监测点(CA SM M )。M ar tinez 和Ceballos [9]也提出了相似的概念RM SM ,即典型平均土壤水分实测点,这些代表性的实测点可以代表整个流域的平均土壤水分状况。我国的一些学者也针对不同区域的土壤水分时间稳定性进行研究,如黄土高原地区土壤水分时间稳定性的尺度性及其尺度性研究[10211],干旱、半干旱荒漠化地区的浅层土壤土壤水分时间稳定特性[12],四川盆地丘陵地区[13]等,而针对华北地区不同下垫面类型下的土壤水分时间稳定性特征研究相对较少。本文通过室内试验,采用相对差分法及Spearman 秩相关系数分析法对华北地区不同下垫面的土壤水分时间稳定性特征进行分析和研究,以期为该区域水文模型的发展、农业水管理及生态环境建设等提供研究依据。
2 材料与方法
2.1 试验布设
为了研究不同下垫面类型的土壤水分动态变化过程,试
验采用6个可自动调节坡度的坡面径流试验装置(长@宽@高=200cm @100cm @60cm),采用分层回填的方式每隔5cm 进行分层装土,土壤干容重控制在1141g/cm 3左右,总土层厚度为50cm,可基本视为各向同性、均质土壤。为了观测降水过程中的地表径流及壤中流产流情况,土槽出口的纵剖面用铁质的百叶窗封装,同时在百叶窗内侧安装纱网,防止降水过程中的土壤侧漏。装土完成后将土槽调整到试验设定坡度(5b 和15b ),洒水加速土壤沉积以更接近于原状土的性状。同时在试验土槽中分别种植小麦、玉米及黑麦草,并设置两个重复,以研究坡度、土地利用类型对土壤水分变化的影响。此外,为了便于有无植被覆盖下的土壤水分分布的对比分析,将其中一个土槽设为裸荒地,其坡度为5b 。
试验主要采用室内人工模拟降雨的方式,降雨结束后将土槽移至野外天然条件下以观测蒸散发过程中土壤水分的动态变化过程。试验阶段内的降水量见图1,人工模拟降雨的设计雨强为0145mm/min 和017mm/min,其中小麦和玉米整个生育期内进行了6场人工降雨,为了研究土壤接近饱和情况下的土壤水分运动过程,对草地和裸地总共开展了11场人工模拟降雨,设计雨强及降雨历时详见表1。试验过程中在各土槽中随机选取采样点,用环刀取土,进行土壤理化性质的测定,见表2
。
图1 试验期内各下垫面的降雨量(包括人工降雨及天然降雨)
Fig.1 T he rainfall amounts of different s oil coverages,
inclu ding s imulated an d natural rainfall
表1 草地及裸地人工降雨设计雨强及降雨历时
T ab.1 T he design rainfall intensity and duration of grass lan d and bar eland
项目
P1P2P2*P3P4P5P6P7P7*P8P9P10P10*P11设计雨强/(m m #min 21)
0.420.750.420.420.420.500.500.750.420.580.490.700.580.43历时/min
183
180
120
360
360
360
360
180
180
360
180
180
180
180
注:P2,P7和P 11降雨为一组变雨强试验,P2*,P7*,P10*降雨即为该场降雨中的第二个设计雨强.
表2 试验区土壤基本理化性质
Tab.2 T he phys ical and ch emical properties of soils in the study area
饱和含水量/(m 3#m 23)田间持水量/(m 3#m 23)饱和导水率/(mm #min 21)
全磷/(g #kg 21)全钾/(g #kg 21)全氮/(g #kg 21)有机质/(g #kg 21)机械组成(%)
<010020.002~0.02
>0.020.392
0.256
0.013
0.61
19.6
0.48
1.18
11.8
25.8
62.4
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