土壤水分空间异质性的研究进展

恢复生态学论文
土壤水分空间异质性研究进展
11级生科2班
学号：201314010003
姓名：李敏
土壤水分空间异质性的研究进展
李敏，刘蕊，马次香
（昆明学院生命科学与技术系11级生科2班）
摘要：土壤的形成过程包括物理过程、化学过程和生物过程。

由于不同地区在气候、母岩、地形、植被和动物等方面的不同,形成了各种土壤类型,导致土壤性质存在明显的差异。

即使在同一土壤类型,不同的时间和不同的空间上土壤的某些性质仍然不同。

土壤水分的空间分布格局及其影响因素，调查表明土壤具有时间上和空间上变化的特点。

在进行土壤调查时,同一土壤类型上不同的空间位置取样所测定的土壤养分和水分等因子常常具有较大的差别,除去取样和测定过程中的误差外,还存在着土壤本身的变化,这种变化称为土壤空间异质性或空间变异性。

土壤空间异质性是土壤重要的属性之一。

根据不同的地形研究土壤水分空间异质性。

又因我们条件有限只能查阅相关资料结合自己的想法做出推理验证。

关键词：土壤水分，不同的地形，土壤水分空间异质性与不同地形的分析，研究进展
The research progress of soil moisture spatial heterogeneity
Li min, Liu rui, Ma cixiang
(kunming college of life science and technology of class 2 grade 11 raw) Abstract: the formation of soil including physical process, chemical process and biological process. Due to different regions in climate, parent rock, topography, vegetation, and the different animals and so on, has formed a variety of soil types, there are significant differences in soil properties. Even in the same soil type, different time and different space on certain properties of soil is different. Spatial distribution pattern of soil water and its influencing factors, the survey shows that the soil has the characteristics of the change in space and time. When soil survey, the same soil types in different space sampling determination of soil nutrients and moisture factor often has a larger difference, eliminate the error in the process of sampling and measurement, there is the change of the soil itself, this change is called the spatial heterogeneity of soil or spatial variability. Soil spatial heterogeneity is one of the important attribute. According to the different terrain research on soil moisture spatial heterogeneity. And because we only limited access to relevant information combined with his own thoughts to make reasoning test and verify.
Key words: soil moisture, different terrain, soil moisture spatial heterogeneity and different terrain analysis, are reviewed
土壤水分是连接大气圈与生物圈的重要纽带，是气候系统中不可或缺的一个关键参数，其在空间上的分布受到植被或土地利用、剖面曲率、高程、气象因素、地形、土壤、人为活动等多因子综合作用2]-[1。

目前国内外对土壤水分的研究主要集中在以下 3 个方面: 1、采用统计学方进行水平方向和垂直方向上土壤水分的时空变异性研究4]-[3;2、土壤水分分布的影响因素研究[5]; 3、从分布式水文模型的角度出发定量研究土壤水分时空分布的情况。

相比较而言，以往研究中土壤水分数据的获取方法多是通过在研究区布设少量监测点，用土壤水分速测仪TDＲ测定监测点的土壤水分，经过克吕格插值法计算得到土壤水分分布图，由于克吕格插值法单纯依据样点数据进行空间插值，仅能反映空间平面位置与土壤水分的线性关系，不能反映环境因子对土壤水分的空间异质性[6]。

由于微波遥感具有穿云透雾的能力和光学遥感信息丰富的特性，在植被覆盖区域中联合使用ALOS/PALSAＲ( 相控阵型L 波段合成孔径雷达) 微波数据和同时相的Landsat －5 遥感数据，充分发挥两者自身的优势，首从光学遥感影像中提取归一化植被水分指数，利用“水－云模型”去除植被层在土壤水分后向散射中的贡献，之后构建后向散射系数与土壤水分反演模型得到研究区的土壤水分数据。

周鹏等人的研究结果表明，采用HH 极化方式的土壤后向散射系数与土壤含水量的相关系数可以达到0. 522 ; 张友静等人的研究结果表明，反演的土壤含水量和准同步实测数据的均方根误差为3. 83%。

在反演得到研究区土壤水分数据的基础上，运用旋转主成分分析法和地统计学方法为分析工具，对环境因子与土
壤水分的时空变异特征之间的关系进行了研究，并确定了相应的主控因子，对于深入研究山区土壤水分的变化特性和水土保持具有重要意义。

1 土壤水分空间研究
1.1 国外土壤水分研究
土壤水是指由地面向下至地下水面(潜水面)以上土壤层中的水分,亦称土壤中非饱和带水分。

早在19世纪人们就认识到土壤水这一土壤肥力组成部分的重要性。

俄国土壤学家B．B道库恰耶夫把土壤看作是历史自然体,赋予土壤水及其存在的各种现象以特殊意义,把土壤水变动的许多现象同整个土壤形成和发展规律有机地联系起来。

其后的许多学者对土壤水的运动和保持、土壤水物理性质、土壤水状况、土壤水形态和分类以及土壤水与植物生长的关系进行了研究。

1.2我国土壤水分研究
我国的土壤水研究工作起步较晚,但取得的成就却是显著的。

以前苏联罗戴为代表的形态学观点于20世纪50年代被系统地介绍到我国,对我国土壤水分研究客观上起到了推动作用。

70年代末,土壤水的能量概念首次被介绍到国内,标志着我国的土壤水分研究已步入一个崭新的阶段。

从此,人们开始用定量的连续的能量观点代替以定性为主的间断的形态学观点来研究土壤水分,用势能来解释土壤中的水分保持,用水分特征曲线来表示土壤水蕴有的能量水平,即水势(或吸力)的大小与土壤含水量之间的函数关系,认为土壤中水势梯度才是土壤水分运动的驱动力。

黄土高原作为特殊的自然体,其土壤水分研究也倍受重视。

新中国成立以后,尤其是在20世纪50年代初期,以中国科学院组织的黄河中游水土保持综合科学考察为始发点,黄土高原土壤水分研究工作逐步开展起来,包括农田土壤水分循环与平衡、林地和草地土壤水分生态条件、不同土地类型土壤水分条件、黄土高原主要土壤类型土壤水分物理特性等方面的研究工作,取得了一系列较系统的研究成果。

在研究土壤水分循环与平衡的过程中,杨文治、邵明安、李玉山、侯庆春等提出了土壤干层的概念,并阐述了土壤干层的含义,认为其具有一定的湿度范围和相对持久性,位于土体的某一深度范围。

许多学者还较深入地分析了土壤干层的成因及其危害的缓解对策。

2 土壤水分空间异质性的研究
2.120世纪70年代起,土壤特性的异质性研究逐渐受到关注并逐步被引入到土壤水分研究领域,使土壤水分异质性成为水文学和土壤学研究的一个热点。

我国从80年代中期开始了这方面的研究工作。

近年来,随着经典统计学、地统计学、时间序列分析和分形理论等方法的成熟,及其在土壤水分异质性方面的应用,使得该领域的研究得到了很大发展。

目前,学者普遍认为,土壤水分异质性的主要影响因子会因研究尺度不同而改变。

研究尺度主要分为坡面尺度、集水区或小流域尺度和区域尺度。

王军等认为,坡面尺度、集水区或小流域尺度是区域和生态系统的桥梁,具有大尺度的概括性和小尺度的精确性,是土壤水分研究的主要尺度。

国内外的研究多集中在这两个尺度进行。

2.1 .1 坡面尺度
坡面尺度可大可小,既可以是单一土地利用类型,也可是多种土地利用类型。

研究坡面土壤水分变异规律时发现,相对海拔和土壤的排水特性对土壤水分的变异影响显著,但他并未指出二者的相对重要性。

根据后面研究结果表明,地形和土壤特性对土壤水分的变异随时间而有所改变。

2.1.2 集水区或小流域尺度
集水区和小流域是江河水系的基本集水单元,在干旱半干旱的侵蚀地区也是一个独立的产沙和输沙系统。

国内外许多学者运用传统统计分析方法和地统计方法分析了流域尺度上的土壤水分异质性。

Hawley等分析了农田小流域植被盖度、土壤特性和地形对土壤水分分布的影响,结果证明,相对海拔高度是主控因子,植被倾向于减小这种影响,而土壤特性对土壤水分的影响最小。

我国学者也研究了黄土丘陵区小流域土壤水分的空间异质性及其影响因子,研究结果表明,其空间异质性是多重尺度上的环境因子共同作用的结果。

这些因子对土壤水分异质性的影响表现出显著的剖面变化和时间变化规律。

2.1.3 区域尺度
区域的尺度大,利用实测的土壤水分数据研究其时空变异难度较大,因此多是利用多年的水分平均值或遥感测得的数据分析。

与小流域相比,区域尺度放大了研究范围,从宏观角度研究土壤水分变化的大趋势,模糊了区域内的小差异(如地形、植被和耕作等),而区域的多年降雨特征、区域气候特征和大的地形特征等影响因子便突显出来。

2.2 土壤水分时间动态
实际上土壤水分的差异性不仅仅体现在空间尺度上,还体现在时间尺度上。

研究表明,无论在大尺度上还是在小尺度上,土壤水分的时空异质性均存在。

土壤水分的时间动态,即土壤水分随时间而发生的动态变化。

土壤水不是静止不变的,在时间尺度上有土体与环境之间不断的输入和输出,在土体内部也有水平的扩散、壤中流和垂直方向上的水分上下传输等小范围运动。

在对黄土高原地区土壤水分动态特征进行研究后,韩仕峰等认为:高原北部和西部土壤墒情恢复时间接近与农作物生长同步,对提高降雨利用率有利;土壤失墒主要分布在2个时期,9-12月份为丰水失水期,3-7月份为亏缺失水期。

张孝中等分析了渭北旱原裸地和农田土壤水分变化特征,将土壤水分年动态划分为相对稳定期、缓慢消耗期、大量损耗期和恢复期,同时认为,平水年土壤水分变化较干旱年和丰水年活跃。

冯起等研究了我国不同沙地类型的土壤水分状况,结果表明,气候条件随季节变化呈周期性变化,沙地水分具有明显的时间变化规律,并按沙地水分变化趋势、剖面水分分布及与气象条件的关系,将沙地水分年内变化按季节划分为弱失水、降水补给、失水和调整4个阶段。

综上所述,不论何种土质和用地方式,土壤水分
的时间变化均可分为稳定期、消耗期和补偿期,但不同地区,由于土质、气候和地形等因素不同,各个水分时期在空间上(垂直剖面)和时间上(年内分配)都存在着明显差异[7]。

2.3 土壤水分异质性影响因子
从以上的论述可以得知,相对海拔、土壤特性、坡向、坡位和坡型等因素都会影响土壤水分的异质性。

除了土壤本身的性质以外,所有对土壤水分产生影响的因子统称为环境因子。

环境因子在时间和空间上存在动态变化性和区域空间的差异性。

如温度有日变化、年内季节性变化、年际变化、纬度变化和海拔变化等一系列变化;降水有雨强变化、雨型变化、降雨历时变化、区域变化、季节变化和年际变化等。

还有地形和太阳辐射等诸多影响因子,这些因子动态多变,并与其他因子交互作用,使其对土壤水分的影响变得异常复杂。

环境因子主要从3个方面影响土壤的水分状况。

第1个方面是影响土壤的水分补给状况。

水分补给不仅与降水本身的性质相关,在相同降雨条件下,地形、地表植被状况和整地措施等不同时,土壤的补水情况也大不一样。

第2个方面是改变土壤本身的入渗和储水能力。

第3个方面是改变土壤的消耗水平。

综上所述,土壤水分的时空动态多变性和环境因子的时空差异性决定了土壤水分的时空异质性。

土壤水分的时空差异性是多重尺度上的各种环境因子共同作用的结果,这些不同尺度上的因子对土壤水分时空异质性的影响表现出显著的空间变化和时间变化规律[8]。

3 坡度作用下土壤水分时空异质性研究
3.1 实验流域介绍
野外实验流域为南京水利科学研究院滁州实验基地二号水文山实
验流域。

滁州实验基地位于安徽省滁州市花山乡境内，始建于1981 年。

有水文山、南大洼两处实验流域场地，曾为全国性水文水资源重要试验场地。

水文山实验流域为人工模拟流域，既具有物理模型特点又具有天然气象等条件。

3.2 土壤水分空间异质性
降水为水文山实验流域土壤水分的唯一补给来源，与土壤水分联系紧密。

这里选择偏湿年份1993 年和偏干年份1994 年分别予以讨论。

滁州市1960～1999年的多年平均降水量为1 027.3mm，1993 年降水量1 386.4mm，而1994 年仅有617.4mm，1993 年和1994 年的逐日降水量过程可以进行比较分析。

土壤水分的空间异质性包括垂向和沿坡长两个方向，下面分别进行讨论。

3.2.1 土壤水分垂向分布
在水文山实验流域，降水是土壤水分的唯一补给来源，因此首先分析土壤水分对降水的响应过程，进而研究不同深度土层含水量的演变规律。

此外，偏湿的1993 年30cm 深度土壤水分的波动要比60cm 剧烈，这与30cm 更接近地表，受外界气象条件影响更大有关。

同时顾慰祖和吕明强的研究表明：该实验流域土壤水分动态表现有明显的表面变动层，土壤水分在此层内变化剧烈，这一变动层在30～50cm 之间，经土壤物理分析，表明该层厚度约为根系发育层的厚度[9]。

由分析可知30cm 刚好处于表面变动层，因此它的水分变化相对剧烈。

而偏干的1994 年两层土壤水分的变化幅度相当，即影响土壤水分变化特性的要素除了土壤结构外主要是降水量。

3.2.2 土壤水分沿坡长方向分布
由于坡度的作用，土壤水分存在沿坡长方向的侧向运动，因此会造成坡面不同位置土壤水分的异质性。

偏干与偏湿年份的差异主要体现在降水的多少，降水量越多供水量越充分的情况下，无论是坡度的影响还是坡面不同位置土壤疏密的影响，才能表现得越充分。

即地形在湿润的状况下对于土壤水分的空间分布起主导作用[10]。

无论是土壤含水量的垂向分布特性，还是沿坡长方向的分布规律，在降水前后、不同季节、不用年份之间基本保持一致，即土壤水分在空间上的分布结构在时间上具有一定的稳定性[11]。

3.3 土壤水分时间异质性
3.3.1 季节变化
由于水文山实验流域面积较小只有518m2，在枯，季节间差异较大。

为了研究季节性变化规律，这里采用1993 年11～12 月数据结合1994 年 1 月数据作为冬季。

研究发现四个季节并未表现出单一的变化规律。

季节间最明显的差别在于降水量的多少，同时降水量与土壤水分关系密切, 在四个季节中，冬季的时间变异系数最小，秋季最大。

对于冬季，通常情况下土壤经过秋季含水量的流失，进入冬季时土壤含水量较小，植物需水量和土壤蒸发量均较少，同时降水偏少，土壤含水量变化缓慢。

此外，坡面不同位置的变异性也不相同。

其中，夏季和冬季不同坡面位置的变异性相当，而秋季和春季沿坡面的变化趋势刚好相反。

秋季，变异系数从坡顶到坡脚呈现增大势。

3.3.2 年内变化
在全年的时间变异系数统计中，年平均土壤含水量沿坡长方向的总体变化趋势为坡下较大坡上较小，但受各种因素的影响并未表现出递增的规律。

时间变异系数从坡顶到坡脚的规律性较差，这可能是对不同季节进行均化处理的结果。

对于空间异质性，无论是偏干还是偏湿年份，均表现出深层
60cm 含水量高于30cm，这很可能与地下水埋深较浅有关。

并且偏湿年份的规律性更明显，偏干年份在有的时间段30cm 含水量也会超过60cm。

在沿坡长方向的分布中，除去靠近坡顶土壤相对疏松的E 和F 断面之外，从坡顶到坡脚土壤水分表现出增加趋势，同样地偏湿年份表现得更加明显。

即降水量越多供水越充足的条件下，坡度的影响越突出。

且无论是土壤含水量的垂向分布特性，还是沿坡长方向的分布规律，在降水前后、不同季节、不用年份之间基本保持一致，即土壤水在空间上的分布结构在时间上具有一定的稳定性。

对于时间异质性，土壤水分的时间变异系数表现出明显的季节性差异，其中以秋季最大冬季最小，这与季节降水以及植物耗水有关；此外坡面不同位置的变异性也不相同，这主要与土壤水分的侧向补给有关。

并且仅在偏干年份发现土壤水分的年内变化过程线形状与正弦曲线类似。

4 研究展望
随着人口、资源与环境成为可持续发展的3大热点,与之密切相
关的土壤水研究亦必在可持续发展的战略高度下向纵深发展。

展望21世纪,随着科学技术的不断进步,更多的新方法将被引入土壤水研究领域,关于土壤水的全新理论和技术也将会不断出现,例如分形理论的引入和遥感技术的广泛应用等。

另外,随着环境问题的日益突出,土壤水研究在溶质运移(污染物转化)方面有着广阔的发展空间。

总的说来,未来土壤水研究将在以下几个方面深入开展。

（1）土壤水的资源属性的研究,包括土壤水资源的量化及其时空特征评价,土壤水资源的评价方法及评价指标体系。

（2）出于对宏观与全局研究的需要,遥感技术将更广泛地应用于探讨点、面和区域的土壤水特点、相应的尺度效应和尺度转换等方面。

（3）同位素示踪技术将在土壤溶质运移和土壤侵蚀等方面发挥更为重要的作用。

(4)以土壤水转化及其运移规律为中心的农业节水理论和土壤水分高效利用技术等研究以及干旱半干旱地区土壤水分的调控与管理将有更广阔的发展空间。

综上所述,未来土壤水分研究将在基础理论上进一步完善和发展,注重理论与实践相结合,在与其他多种学科的联合和交叉中开拓出新的领域,并朝着综合性、前沿性和应用性等方向发展。

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