黑河中游绿洲土壤物理性质 的 时空变异

Abstract

认识区域尺度土壤物理属性基本特征及其时间和空间变异是开展相关科学研究 的基础。在自然和人为因素的共同影响下，西北内陆黑河中游地区的景观格局复杂， 土壤属性在水平和垂直方向均存在明显分异。针对黑河中游地区绿洲和荒漠镶嵌分 布且相互影响的景观格局特征，本论文以绿洲和绿洲&mdash;&mdash;荒漠过渡带的主要景观单 元（农田、湿地和荒漠）为研究对象，开展土壤含水率的连续定期监测、剖面不同 深度土壤水力特性指标、有机碳浓度以及土壤机械组成测定。借助经典统计学和马 尔可夫链理论，分析了研究区内土壤质地层次在空间不同方向的变异特征和转移规 律，实现对土壤质地剖面构型的三维模拟；估算了荒漠、农田和湿地三种主要景观 单元的剖面土壤有机碳储量，并分析其空间变异和分布格局；探讨了不同景观单元 剖面土壤储水量的时间稳定性特征以及鉴定代表性样点的简便方法；分析了夏玉米 生育期内土壤水量平衡组分的时间变化，并尝试对区域平均土壤储水量和深层渗漏 量进行估算；分析了不同景观单元土壤水力特性的空间变异性。获得了以下主要研 究成果： （1） 研究区内土壤剖面共出现了七种质地类型，分别为砂土、壤质砂土、砂质壤 土、壤土、粘质壤土、粉粘壤土和粉粘土。粉粘壤土从未在表层 0-10 cm 土 壤中出现，而其余六种质地类型以不同的概率在表层土壤中出现，砂土的出 现概率最高。七种质地类型的层次厚度均服从对数正态分布，砂土和粉粘壤 土的层次厚度值较大，而砂质壤土和粘质壤土的层次较薄。研究区剖面某层 土壤之下多出现与该层土壤质地类型相似的两种土壤层次。壤质砂土的形成 很大程度上依赖于下层质地类型，而粘质壤土对上层质地类型的形成有至关 重要的影响。壤质砂土和壤土拥有相同上层（砂质壤土）的概率较高，而粉 粘壤土同时作为粘质壤土和粉粘壤土的上层的概率也较高。七种质地类型拥 有完全不同的上下质地层次组合。剖面相邻质地层之间的转移具有明显的马 尔可夫链特征，且马氏链是平稳的。一维嵌入型马尔可夫链模型能够较好地描述研究区土壤质地层次的垂向变化。剖面主要的质地层次组合为：砂&mdash;壤、 壤&mdash;砂、壤&mdash;粘、粘&mdash;壤。 （2） 土壤质地类型在空间 x，y 和 z 三个主方向转移的一维连续型马尔可夫链模型 可以较好地反映土壤质地类型在该方向的空间变异。模型的特征参数：分布 比例、平均长度和体现毗邻转移趋势的熵值系数可以很好地定量描述质地类 型的主要分布特征和转换规律。土壤质地类型在研究区任一方向的分布并非 完全随机，而是有一定的毗邻转移趋势。通过假定平均长度之比，根据垂直 方向质地类型的平均长度可以求算水平方向的平均长度，进而计算水平方向 的转移强度矩阵并建立一维连续型马尔可夫链模型，一定程度上解决了水平 方向数据稀疏的问题。将空间三个主方向的一维连续型马尔可夫链进行耦合 所建立的三维马尔可夫链模型可以较好地再现研究区土壤质地剖面构型，体 现了不同质地类型之间的交叉协相关关系。基于马尔可夫链的地统计模型在 模拟过程中方便地融入了地质统计信息，从而反映了质地类型分布的空间连 续性、不对称性和各向异性。 （3） 荒漠剖面土壤有机碳储量较低且分布均一，而灌溉农田和湿地的土壤有机碳 储量的垂直分布可以用对数函数拟合。土壤有机碳储量呈中等空间变异性， 具有较强的空间依赖性。湿地的土壤有机碳储量最高，荒漠最低。荒漠、灌 溉农田和湿地 3 m 深剖面中土壤有机碳的总储量分别为 59.4，149.6 和 174.4 Mg hm -2 ，其中，1-3 m 土层的有机碳储量分别占 67.0%，52.7%和 58.0%。粘 粒+粉粒含量是影响土壤有机碳储量的主导因子。由粘粒+粉粒含量解释的土 壤有机碳储量变异随荒漠和灌溉农田土层深度增加而增加，随湿地土层深度 增加而减少。本研究中未能解释的土壤有机碳储量变异可能由其他土壤属性 或者环境因素导致，例如：地形、植被和风力侵蚀强度等等。土壤样品有机 碳含量和机械组成测定中的试验误差可能导致根据所建立的传递函数计算土 壤容重的不确定性增加，从而影响土壤有机碳储量估算的准确性。由自然荒 漠开垦转变为灌溉农田并经历不足 40 年的耕种后，表层 0-0.3 m 土壤有机碳 含量增加 196.3%，而湿地开垦为灌溉农田并经过大约 30 年的耕种，导致表 层 0-0.3 m 土层的有机碳含量降低了 5.3%。绿洲土壤演化过程较缓慢，土地 利用方式转变在短期内不足以显著改变荒漠和湿地深层土壤有机碳含量。 （4） 斯皮尔曼秩相关系数和相对偏差分析均表明荒漠、农田和湿地剖面土壤储水 量具有较好的时间稳定性，且时间稳定性随土层深度的增加而增强。平均储水量的代表性样点为相对偏差标准差最小的点。没有一个代表性样点可以同 时准确估计剖面不同深度的土壤储水量。土壤质地和有机碳含量能够解释较 多的土壤储水量时间变异。荒漠 0-1，1-2 和 2-3 m 土层储水量代表性样点的 粘粒、粉粒、砂粒和有机碳含量的累积概率分布分别为：&lt;0.25，&lt;0.25，&gt;0.75 和介于 0.5 至 0.75 之间。灌溉农田 0-1，1-2 和 2-3 m 土层储水量代表性样点 的粘粒、粉粒、砂粒和有机碳含量的累积概率分布分别为：&gt;0.75，介于 0.5 至 0.75 之间，介于 0.25 至 0.5 之间，和介于 0.5 至 0.75 之间。土壤粘粒、粉 粒、砂粒和有机碳含量的累积概率分布可以作为间接途径来鉴别潜在的土壤 储水量代表性样点，通过后续的连续监测及分析，从而识别&ldquo;真正&rdquo;的代表 性样点。 （5） 尽管研究区内北部和南部农田夏玉米生育期相差 15 天，且灌溉次数和灌溉量 差异较大，北部和南部农田剖面 0-1 和 1-2 m 土层储水量均具有较好的时间 稳定性。相对偏差标准差最小的点可以准确估计平均土壤储水量(R 2 &gt;0.91， 预测精度 PE&gt;0.76，相对误差绝对值均值 MARE=0)。自 5 月 21 日至 9 月末 夏玉米收获后，北部和南部农田分别有大约 39%和 22%的降雨和灌溉水通过 深层渗漏损失。在夏玉米生育期内，北部和南部农田 0-1 m 土层平均储水量 代表性样点的 0-2 m 深层渗漏量可以大致估计区域平均深层渗漏量。 （6） 对于 0-10、10-20 和 20-30 cm 土层，饱和质量含水率呈中等程度空间变异性， 而饱和导水率呈强变异。湿地的饱和质量含水率最高，荒漠最低。荒漠土壤 的饱和导水率最大。饱和质量含水率、容重和饱和导水率均呈现中等程度的 空间结构性。饱和质量含水率的变程最大，而饱和导水率的变程最小。van Genuchten 水分特征曲线公式对三种景观单元剖面实测水分特征曲线的拟合 效果均较好。荒漠土壤水分特征曲线呈现出高吸力时陡直、急剧下降，一定 吸力以下曲线缓平的特点，湿地土壤水分特征曲线较平缓。通过标定，可以 将景观单元内部各点变异的土壤水分特征曲线转换为各点均适用的、统一的 土壤水分特征曲线。 了解和明晰研究区土壤质地的剖面构型，分析土壤水力特性的空间变异性，可 以为准确获取土壤水分运动参数，从而模拟层状土中水分运动和溶质迁移过程奠定 基础。估算土壤有机碳储量并分析其空间变异及分布格局，有助于中游地区生态恢 复，在对不同景观单元的土壤碳固存潜力做出较准确评估的基础上，通过科学合理 规划土地利用，发挥干旱区潜在的土壤碳汇功能。分析不同景观单元剖面土壤水分的时空变异，估算绿洲农田土壤水量平衡并分析其组分的时间变化特征，能够为有 效调控农田土壤水分利用提供依据。本研究结果可以为黑河中游绿洲生态系统土壤 &mdash;&mdash;植被&mdash;&mdash;大气连续体水过程的科学研究提供基础数据，为提高中游地区农业灌 溉水利用效率，促进绿洲生态系统可持续发展提供参考。 关键词：土壤质地；土壤水分；土壤有机碳；时空变异；随机模拟</p