【《某区域坡面土壤水分时间动态及稳定性特征分析案例》4200字】

某区域坡面土壤水分时间动态及稳定性特征分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u11973某区域坡面土壤水分时间动态及稳定性特征分析案例 1305551.1土壤水分的时间动态 1225831.2土壤水分时间稳定性特征 3181671.3模型预测结果验证 5171951.4模型精度评估 6163591.5土壤水分时间稳定性的影响因素 8219161.6小结 91.1土壤水分的时间动态降水作为土壤水分的直接补给来源，其再分配过程和有效性是土壤水分重要影响因素。图5-1为监测期内两种坡面不同土层土壤水分随时间的变化过程。结果表明，监测期内降雨丰沛，四个土层深度的土壤水分变化趋势大致与降雨量的分布特征相同，按照土壤含水量浮动大小可大致将监测期分为两个时间段，一是8月至9月，在此期间，土壤水分含量上下浮动变化较大；二是10月至11月，该阶段土壤水分渐趋稳定。8月至9月雨热同期，降雨形成后，土壤水分得到了快速有效地补给，但此时正值高温时节，土壤水分蒸散发较快，且8-9月份是脐橙和农作物（玉米、红薯等）的高速耗水期，加快了土壤水分的消耗，在此环境条件下，导致9月3日（第6次监测）各土层平均含水量达到了监测期内的最低值。从10月至11月，降雨量和连续降雨天数均开始减少，土壤水分处于相对较低的水平，此时坡面2农作物已完成收割，田间水分消耗逐渐减弱，土壤水分逐渐平稳；相比之下，坡面1土壤水分波动仍然较大，可能是因为脐橙还处于生长至成熟的过渡阶段，消耗了土壤中大量的水分，当降雨形成后，又得到了有效的补充。从不同土层上来看，四个土层土壤水分均有明显的时间变化，不同深度之间变化幅度有所差异（图5-1）。坡面1四个土层从上至下土壤水分的变化范围依次为20.1±1.0%、19.5±1.9%、19.9±6.8%和19.6±6.6%之间，各土层平均值之间无明显差异（p>0.05）（表5-1）；各土层从上至下极差分别为16.1%、12.0%、10.3%和9.7%，时间上的变异性逐渐减小，即土壤水分的时间稳定性随土层加深而加强。坡面2的土壤水分含量从0-10cm、10-20cm、20-30cm至30-50cm逐渐增加，其变化范围分别在28.9±7.7%、31.6±7.8%、33.0±8.2%和32.5±8.9%之间，0-10cm和20-30cm与30-50cm之间差异明显（p<0.05），与10-20cm差异不显著（表5-1）；各土层从上至下极差分别为23.3%、14.8%、9.0%和9.2%，同坡面1一样，随着土层深度的加深，时间上的变异性更趋稳定。从不同坡面来看，坡面2各层土壤水分均显著大于坡面1。土壤水分变异受植被特征等影响而产生差异性，这种差异特性用时间上的标准差和变异系数进行描述。两种坡面不同土层土壤水分的差异特征图如5-1所示，坡面1的0-10cm、10-20cm、20-30cm和30-50cm土壤水分变异系数分别为38.3%、36.4%、37.7%和31.7%，四层变异程度差别不大，均属于中等的空间异质性，但深层（30-50cm）变异性相对最小，具有更好的稳定性。坡面2的0-10cm、10-20cm、20-30cm和30-50cm土壤水分变异系数分别为42.0%、30.7%、27.2%和27.2%，属于中等变异，由于0-10cm土层含水量相对低于其它土层，因而变异系数也最大，到10-20cm时变异系数降低了11.2%，20cm以下变化不大，相比于20cm平均下降了3.0%。综合表明，坡面1土壤水分变异性大于坡面2，稳定性较差；表层土壤水分时间变异性最大，容易受降水、蒸散发和根系吸水等环境因子的影响，随着土壤层次的加深，土壤水分也越稳定。1.2土壤水分时间稳定性特征运用相对差分法，把两种坡面四个土层土壤水分（0-10cm、10-20cm、20-30cm和30-50cm）的平均相对差分（MRD）从小到大排列，如图5-2所示，图中包括相对应的时间稳定性指数（ITS）和标准差（SDRD），分别用虚线和误差棒表示，数字代表监测点编号。当MRD为负值时表示该监测点的含水量低于实测平均值，相应的，当MRD为正值时表示该采样点的含水量高于实测平均值，当MRD接近于0时说明该点可代表对应研究坡面土壤水分的均值，因而对于每个采样点都可直观地看出每个采样点各土层深度和整个坡面平均土壤水分的偏离程度。在本研究中，坡面1的15、18号监测点各土层含水量始终高于相应土层含水量，只有8号监测点始终偏低；而坡面2的3、5、13、14、21、22和23号监测点始终偏高，11、12、15、16、17以及28号监测点始终偏低。表5-2为两种坡面四个土层的MRD、SDRD和ITS的基本统计结果，从表可知，两种坡面0-10cm、10-20cm、20-30cm和30-50cm土层的MRD极差分别为67.47%、84.57%、98.21%、94.60%和76.65%、84.57%、98.21%、94.60%，结果表明随着土层深度的增加，MRD的极差也随之增加，这与以往研究有所不同，这可能是土壤水分的空间变异随土层深度的增加而加大（贾小旭）。本研究为尺度较小的坡面，但MRD极差却仍较大，这可能因为即使在小的尺度上，土壤水分也会因土壤、植被和地形等因素的不同产生较大的差异，进而增加土壤水分的空间异质性。SDRD值的大小可以表示土壤水分的时间稳定程度，其值越小代表时间稳定性越强。坡面1四个土层的SDRD从上至下分别介于21.3±7.6%、24.4±6.0%、22.8±4.9%和20.5±4.1%之间，坡面2四个土层分别介于19.8±6.2%、17.8±6.0%、16.7±4.6%和16.7±3.9%。两个坡面SDRD的波动范围和平均值随土层加深而减小，表明土层越深，土壤水分时间稳定性越佳，这与本章5-1节以及潘颜霞等研究者的结论相一致；此外，坡面1各土层的SDRD大于对应土层的坡面2，表明坡面2土壤水分时间稳定性高于坡面1。1.3模型预测结果验证本章节主要采用前文提到的三种方法（W1、W2和W3）对平均土壤含水量进行预测，对于W1来说，选择MRD（±5%）接近于0且对应SDRD（0-5%）也较小的方法，但在本研究中，没有SDRD值小于5%的监测点，分析可能存在以下几点原因：（1）研究区雨热同期，监测期内不同类型降雨次数较多。（2）坡度变化范围较大，坡面地形复杂。（3）受人为因素影响较大，如耕地不定期翻耕，小面积上果园的管理方式不一。所有这些因素导致了土壤水分在时间上的变异性，导致SDRD值偏大。因此，在本研究中，对于W1，保证MRD在±5%范围内的同时，坡面1的SDRD小于25%即可，坡面2的SDRD小于18%即可。如图5-2所示，方法不同，代表性测点亦不完全相同。W1在坡面10-10cm、10-20cm、20-30cm和30-50cm土层获得的代表性测点分别为17号、2号、16号和27号；W2在前三层的代表性测点均为7号，30-50cm的代表性测点为2号；W3对四个土层获得的代表性测点分别为21号、7号、5号和2号，对应SDRD值依次为13.5%、11.0%、13.83%和11.48%。W1、W2和W3方法在坡面2四个土层获得的代表性测点分别为4号、19号、23号和19号，14号、18号、27号和28号，14号、23号、27号和28号。不同方法获得的代表性测点不一样，代表其预测效果也有所差异。结果表明，即使相同方法，不同深度上获得的代表性测点也不一样，证明了土壤水分时间稳定性在深度上具有依赖性（Gaoetal.,2014）；其二，土壤性质差异可能也是造成不同土层时间稳定性不同的一个原因，研究区土壤由紫色砂岩发育而来，砾石含量较高，分布不均，进而影响了土壤水分的时间稳定性；其三，时间稳定性容易受到土壤微生物和植被根系的影响，尤其是柑橘的粗根类植被。三种方法中没有代表性测点可以同时预测同一坡面四个土层的平均土壤水分，但坡面1的7号点0-10cm、10-20cm和20-30cm可用W2同时预测，这与前人的研究结论相似（贾玉华、王志杰）。如图5-3所示，利用代表性测点可预测两种坡面不同土层的平均土壤水分，图中描绘了随时间变化下三种方法的预测值和实测值的关系，均达到了显著相关性（p<0.05）。这表明三种方法所筛选出的代表性测点均能够较好地预测两种坡面的平均土壤水分分布情况。1.4模型精度评估如表5-3所示，本文选用了平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）和决定系数（R2）三个指标对W1、W2和W3三种方法获得的代表性测点预测精度进行了评价。结果表明，两种坡面都有较高的决定系数，最高达到了0.89，相比之下，坡面1的拟合度优于坡面2；从指标MAE来看，坡面1除了0-10cm方法W3（4.68%）>W1（2.26%）>W2（2.88%）外，其他土层都大致表现为W1>W2>W3，整个坡面1MAE变化范围为1.02%-4.68%，平均值为2.29%；坡面2MAE变化范围为1.69%-11.55%，平均值为4.67%,，精确度略低于坡面1；RMSE在坡面1和坡面2的变化范围分别为1.35%-1.16%和2.68%-4.83%，均值分别为2.69%和3.19%。根据Cosh等（2008）的研究结论表明，一般RMSE小于2%时，方法具有良好的预测精度，本研究RMSE值均略大于2%，但测量仪器的测量精度范围内（3.5%），代表性测点的预测精度仍具有较高的可信度。1.5土壤水分时间稳定性的影响因素土壤水分时间稳定性受地形和土地利用等环境因子综合作用，但因地域不同而有所差异，因此，为了找出影响紫色土区坡面土壤水分时间稳定性的因素，采用Pearson相关分析探究环境因子（海拔、土层厚度、坡度、土地利用、非毛管孔隙度、容重、毛管孔隙度、Ks、砾石体积、土壤颗粒组成以及有机质）与MRD的关系，结果如表5-4所示。由表可知，坡面1土壤水分MRD值主要受土层厚度、粘粒含量和砂粒含量的影响，且在具有显著相关性前提下随着土层加深而增加，而非毛管孔隙度主要影响了0-10cm土壤水分MRD值，并达到了显著相关性（p<0.05）。相对于坡面1而言，坡面2土壤水分各层MRD值的主要影响因素具有各向异性，0-10cm主要受容重和毛管孔隙度的影响，10-20cm的主要影响因子为毛管孔隙度和Ks，20-30cm仅与土层厚度有关，而30-50cm则由土层厚度和Ks共同控制。本研究中地形对坡面土壤水分MRD值没有显著影响，这与Zhaoetal等的研究结果一致，本研究区地形虽然起伏不定，但研究尺度较小，可能不足以发现地形与时间稳定性的相关关系。颗粒组成对坡面1时间稳定性的影响程度强于坡面2，说明颗粒组成对土壤水分时间稳定性的影响程度依赖于土地利用和坡面干湿情况。1.6小结本章以王家桥小流域的两种典型坡面为研究对象，利用MP-406土壤水分测定仪通过对58个样点0-50cm土壤剖面的土壤水分进行长时序地观测，选取了相对差分法（MRD）和均方根误差（RMSE）等方法分析了各土层土壤水分的时间稳定性特征及其主要影响因素，结论如下：（1）坡面1和坡面2土壤水分在空间上的变异性随着土层的增加逐渐增强，但在时间上的变异性则随之降低，表明土壤水分的时空变异特征对土壤深度具有依赖性。相对深层而言，浅层（0-20cm）土壤容易受降水、蒸散发和根系吸水等环境因子的影响，导致水分波动较大，土壤水分空间分布结构不稳定。（2）在坡面1和坡面2，两个坡面SDRD的波动范围和平均值随土层增加而减小，表明土层越深，土壤水分时间稳定性越佳。坡面1各土层的SDRD大于对应土层的坡面2，表明坡面2土壤水分时间稳定性高于坡面1。（3）选择MRD接近于0且对应SDRD也较小的方法来选择代表性测点，并采用三种不同方法估计坡面不同土层深度土壤水分的平均值。在坡面1和坡面2，方法W2（即对应SDRD