西北干旱区土壤水分时空变异特征及其影响因素研究

Abstract

&nbsp; &nbsp; 西北干旱地区气候干旱、降水稀少，土壤水分长期处于负平衡状态，是我国乃至全球的典型生态脆弱区。在人类活动和气候变化的双重影响下，西北地区水资源分布不均和短缺将更加严峻，严重制约我国经济社会可持续发展和生态环境建设。现有土壤水分的研究主要集中在小尺度，区域尺度西北干旱地区深层土壤水分时空异质性研究罕见报道，同时对于西北干旱地区土壤干层发育状况的研究有待开展。鉴于此，本研究基于地面高密度采样和全球陆面同化土壤湿度数据（GLDAS Noah025），采用经典统计、地统计、冗余分析、趋势分析、时间稳定性分析等手段研究西北干旱地区土壤水分时空动态特征和土壤干层状况，同时基于状态空间方程模型建立土壤水力参数预测模型，主要研究结果如下： 通过地面传统采样方法研究了西北干旱区根区（0-100 cm）土壤水分空间变异。随着土壤深度增加，土壤质量含水量（SMWC）和土壤相对可利用水分(REW逐渐增加。SMWC在整个根区、0-10 cm、10-40 cm和40-100 cm分别为7.76%、7.38%、7.67%和8.15%；REW在根区、0-10 cm、10-40 cm和40-100 cm分别为14.14%、-1.64%、13.13%和14.45%。不同土地利用条件下SMWC：农地 &gt; 草地 &gt; 林地 &gt; 裸地，灌溉农地、自然草地和林地SMWC差异显著（p &lt; 0.05），地处荒漠地区的裸地与林地SMWC差异不显著（p &gt; 0.05）；农地REW显著高于其他土地利用类型（p &lt; 0.05），草地REW仅在表层0-40 cm土层显著高于林地和裸地（p &lt; 0.05），其他土层之间差异不显著（p &gt; 0.05）。经典统计表明各土层SMWC和REW分别为中等程度变异和强变异。半方差分析表明不同土层土壤质量含水量空间异质比为47.8 ~ 50.0%，变程为649.0 ~ 857.0 km，为中等空间依赖性； REW在西北干旱区表现为块金效应，空间结构复杂。 基于冗余分析研究了区域尺度土壤水分空间变异控制因素。大尺度气象因子（降水、气温等）和小尺度陆面相关因素（土壤和地形等其他局地因子）都显著影响土壤水分空间变异。土壤性质、其他局地因素和气象因素对土壤水分变异贡献率分别为23.3 ~ 30.7%、14.1 ~ 26.2%和9.2 ~ 16.9%；随着土层增加，土壤和气候因素与局地因子的交互作用逐渐增加。极端干旱田间下气象因素不能独立解释土壤水分变异，土壤是影响土壤水分空间变异控制因子。 通过地面实际采样（5 m深）首次研究了西北干旱区土壤干层发育状况。西北干旱区68.75%（55/80）的样点存在土壤干层，农地、草地和林地土壤干层样点存在比率分别为34.62%、84.85%和85.71%。西北干旱地区干层内平均土壤含水量、干层起始深度和干层厚度分别为5.99%、1.61 m和2.74 m；草地干层发育强度最大，干层厚度为3.44 m显著高于农地（1.77 m）和林地（2.13 m）。土壤干层在河西走廊东南部和新疆西部地区发育严重。冗余分析结果表明气象、土壤性质和其他局地因素可以分别解释土壤干层强度的37.0%、27.1%和33.2%（p &lt; 0.01），气象因素是影响土壤干层发育的主导因素，可以单独解释土壤干层发育的8.7%（p &lt; 0.05），陆面因素（土壤和其他局地因子）不能独立解释土壤干层强度（p &gt; 0.05）。 GLDAS Noah025能够反映西北干旱地区表层0-10 cm土壤水分状况（R2 = 0.238，p &lt; 0.001），10 cm以下土层代表性较差（p &gt; 0.414）。西北干旱地区土壤水分季节性变化明显，河西走廊和南疆地区夏季土壤含水量最高，北疆地区春季土壤含水量高于夏季。2000-2017年深层（10-100 cm）土壤含水量具有显著增加趋势（p &lt; 0.05），且随土层深度增加其增率变大；表层0-10 cm土层土壤含水量仅在河西走廊地区显著增加（p &lt; 0.05），新疆地区年际变化不显著（p &gt; 0.1）。 经典统计表明西北干旱区不同土层土壤含水量季节尺度和年际尺度时间变化为弱变异和中等程度变异，其中季节尺度根区土壤含水量弱变异和中等变异面积比例分别为32.81%和67.19%，51.72%的地区年际波动表现为弱变异。土壤含水量越低，土壤水分相对偏差标准差越小，土壤时间稳定性越高。气象、地理地形和土壤性质显著影响土壤水分季节尺度和年际尺度土壤水分时空变异和时间稳定性。西北干旱地区区域土壤水分稳定性测点主要分布在新疆木垒和巴里坤，其他地区仅能代表各别土层水分稳定性。 河西走廊地区0-20 cm土层平均田间持水量和永久萎蔫点为12.7 &plusmn; 6.0%和7.5 &plusmn; 3.4%，变异系数为45.0 ~ 47.5%，呈中等程度空间变异。最优的状态空间模型分别可以解释田间持水量和永久萎蔫点变异的99.9%和99.7%，多元线性回归对这两个参数的预测精度分别为0.805和0.599；状态空间方程对田间持水量和永久萎蔫点的预测精度显著高于多元线性回归模型。土壤质地、土地利用类型和土壤容重显著影响土壤田间持水量和永久萎蔫点。 本研究充分认识了西北干旱地区土壤水分时空动态特征，土壤质量含水量具有稳定的空间结构，为中等空间异质性，土壤水分具有明显的季节和年际变异特征；气候和陆面相关因子显著影响土壤水分时空变异，且主导因素具有地域依赖性。首次揭示了西北干旱地区土壤发育状况，草地发育强度最强，气候因素是影响土壤干层发育强度的最主要因素。基于状态空间模型建立了优于线性回归方程的田间持水量和永久萎蔫点的预测模型，获得了大尺度西北干旱区下垫面特征数据信息。这些结果对我国西北地区区域水资源调控和生态环境建设提供了数据支撑和理论依据。</p