丘陵山地土壤水分时空变化及其模拟

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1、西南大学博士学位论文丘陵山地土壤水分时空变化及其模拟姓名：王改改申请学位级别：博士专业：农业资源利用指导教师：魏朝富;谢德体20090601摘要‘丘陵山地土壤水分时空变化及其模拟农业资源利用专业博士研究生：王改改指导教师：‘魏朝富研究员谢德体教授摘要土壤水分是作物生长、植被恢复以及生态环境建设的主要限制性因素。如何提高降雨的资源化水平，充分利用有限的水资源。降低农业生产的需水量和耗水量已成为一个国际性的课题。近年来，随着地统计学、分形理论、小波分析等新技术的应用，土壤水分的时空变异及农业生态系统水分运移模型等方面均取得了大量的研究成果，为农田水分优化管理与调控技术提供了基础。但是，这些研究成

2、果主要集中在半干旱、半湿润气候带的华北平原和黄土高原，而在南方季节性干旱的丘陵山地研究较少。丘陵山地具有独特的水文过程，不同水文要素间相互影响相互作用导致土壤水分空间变异的复杂性，也影响到普适论的应用，已经成为研究的热点和难点之一。重庆区域面积的90％以上为丘陵山地，耕地面积的的50％左右为150以上的坡耕地，该区也是我国水土流失和季节性缺水最严重的地区之一。因此，在重庆地区开展丘陵山地土壤水力特性和水分变异的研究，对重庆山区农业水资源调控、降水资源的集约利用、季节性干旱问题的解决具有重要科学和现实意义。以为区域水资源优化调控提供科学依据为出发点，围绕重庆地区土壤水力特性与土壤水分的时空变异

3、规律，在重庆不同区县采集30个土壤剖面90个土壤样品，通过室内测定土壤的质地、有机质、土壤水分特征曲线、扩散数据探讨13个传递函数模型在重庆地区的适用情况，筛选出重庆地区的最佳点状模型和参数传递函数模型，然后利用筛选出的传递函数结合现有土壤普查资料、土壤质地数据推求重庆地区土壤水力参数，并分析土壤水力参数的空间变异。为深入分析重庆丘陵山地土壤水分时空变异状况，利用重庆地区169个土壤水分动态监测站点3个土层(O．10cm、10．20cm、20-40cm)的54756个动态监测资料(2006年、2007年3月．10月每隔5日1次)探讨土壤水分的时空演变规律及其内蕴稳定性。主要研究结果如下：(1

4、)土壤持水能力差异大：土壤质地粗，土壤释水快，持水性能低：部分土壤质地粘重，有效水范围窄，易干旱。土壤水分特征曲线通过常用的幂函数表示土壤水分随压力的变化特征，土壤水分在低压力下下降速度较快，在5×105Pa后高压力段下降非常缓慢，接近平缓。当土水势由．0．10~．1×105Pa降至．1一-5x105Pa段，再降至一510x105Pa段，比水容量有lo．1个数量级降至lO五个数量级，再至lO。3个数量级。在土水势低于一5x105Pa时，土壤的释水量低，是土壤容易发生旱灾的重要原因。土壤扩散系数随土壤水分变化表现出在低水分含量时，其值较低，当含量接近饱和时，其值急剧增加，可用指数形式D：=ao

5、eb表达，非饱和导水率的变化也表示出相同的变化规律，壤质土壤较高的持水能力和西南大学博十学位论文低土壤基质势较高的非饱和导水率，能提高土壤水分的有效性。设定I=0．5，采用VanGenuchten方程拟合土壤水分特征曲线和土壤扩散率的水力参数，结果发现：土壤质地越粗，跏和Os的值就较低，a、n值反而较大；饱和导水率变异大，难以如实的反映当地的实际情况。土壤颗粒组成、容重、有机质、孔隙率影响土壤持水性能。砂粒与各压力下水分含量显著负相关(P

6、、孔隙率的相关性不显著，但在低压力段正相关，高压力段负相关。土壤的砂粒、粘粒是影响土壤持水能力的重要因素。(2)EPIC和神经网络传递函数模型可用来预测该区水力参数，水力参数空间变异存在尺度效应。土壤水力参数空间变异的研究是进行土壤水分时空变异分析的前提条件，利用SOILPAR软件的12个传递函数模型和RETC模型估计了土壤田间持水量和萎蔫含水量，并采用IRENE软件中的sB、RMSE、EF、MBE、FB、MAE和l：1线性方程的坡度(Slope)、截距(interc印t)对模型的性能进行分析，结果发现：相对于其他传递函数，在重庆地区更适合用EPIC和RETC软件中的神经网络模型来估测土壤水

7、力参数和特定压力下的土壤水分。基于传递函数模型进行土壤水力参数空间变异的分析发现：只在O-20cm和20-40cm可分别采用指数模型和直线模型进行拟合，其块金值为分别为O．41和0．87：采用球状+指数套合结构模型对2个层次拟合的参数均为正值，R2在0．87以上，存在小尺度变异。O-20cmO,用直线模型进行拟合，20-40cm0，在整个空间存在漂移，局部稳定性用直线模型进行拟合，R2为0．77；O-20cm