發(fā)布時(shí)間：2020-05-16 13:45

【摘要】：坡地是黃土丘陵區(qū)主要的地貌類型之一,其中7~°以上的坡地占該區(qū)面積的75.7%,同時(shí)也是該區(qū)水土流失的主要源地,因此,坡地的合理開發(fā)利用對(duì)于黃土丘陵區(qū)生態(tài)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在水資源短缺的干旱半干旱黃土丘陵區(qū),了解坡地的土壤水熱狀況是制定合理開發(fā)利用方式的重要前提,同時(shí)坡地利用方式又影響著土壤水熱條件,因此,揭示黃土丘陵區(qū)典型坡地利用方式的土壤水熱特征及其耦合效應(yīng),對(duì)于實(shí)現(xiàn)區(qū)域坡地資源的高效持續(xù)利用具有重要的理論和實(shí)踐意義。為此,本文選擇黃土丘陵區(qū)4種典型坡地利用方式(大豆坡耕地、玉米梯田、紅棗林和撂荒草地)為研究對(duì)象,通過野外定位監(jiān)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)不同坡地利用方式土壤水熱變化特征及其對(duì)主要環(huán)境因子的響應(yīng)、土壤水熱變化復(fù)雜性等進(jìn)行了研究,建立了一維垂向土壤水熱耦合運(yùn)移數(shù)值模型,以紅棗林為例,實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅棗林土壤水分和溫度隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化和空間垂直分布的模擬預(yù)測(cè),并進(jìn)一步研究了溫度梯度和根系吸水對(duì)紅棗林土壤水熱耦合運(yùn)移的影響。得到以下主要結(jié)論:(1)闡明了不同坡地利用方式土壤水熱變化特征。4種坡地利用方式0~60 cm土層為土壤水分季節(jié)性波動(dòng)層,60~160 cm土層含水量變化相對(duì)平緩。2014平水年和2015干旱年生長(zhǎng)季紅棗林0~60 cm土層含水量顯著低于其它3種坡地利用方式(p0.05),且在平水年生長(zhǎng)季紅棗林0~160 cm土層儲(chǔ)水量較大豆坡耕地、玉米梯田和撂荒草地低5.9%、6.6%和17.7%。干旱年生長(zhǎng)季玉米梯田表現(xiàn)出良好的保墑能力,土壤水分虧缺度較小,其0~160 cm土層含水量顯著高于其它3種坡地利用方式(p0.05)。典型次降雨后,隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng),紅棗林土壤水分損失率大幅增加,而玉米梯田土壤水分損失率增長(zhǎng)緩慢。隨土層加深,同一坡地利用方式土壤溫度逐漸降低,季節(jié)變化幅度也減小。紅棗林表現(xiàn)出明顯的增溫效應(yīng),且增大了土壤溫度日變幅,提高了生長(zhǎng)季內(nèi)土壤溫度日較差。玉米梯田則減弱了土壤溫度季節(jié)變化幅度和日變幅,并降低了生長(zhǎng)季內(nèi)土壤溫度日較差。綜上可知,紅棗林土壤保水調(diào)溫效果較差,亟需增加管理措施以有效改善土壤水熱狀況,實(shí)現(xiàn)紅棗林可持續(xù)發(fā)展;玉米梯田具有良好的保墑?wù){(diào)溫效應(yīng),因此可考慮實(shí)施坡耕地改梯田工程,高效利用雨水資源的同時(shí),達(dá)到“以水調(diào)溫”的目的。(2)揭示了不同坡地利用方式土壤水熱的復(fù)雜性。2014平水年和2015干旱年生長(zhǎng)季,紅棗林增加了0~160 cm各層土壤水分變化幅度、變異程度和活躍層深度,并提高了0~100 cm土層溫度變化幅度和變異程度;玉米梯田相對(duì)減小了土壤水分變化幅度、變異程度和活躍層深度,并降低了土壤溫度變化幅度和變異程度。不同降雨年型下,紅棗林各層土壤水分、溫度序列的分維數(shù)均高于其它3種坡地利用方式,玉米梯田土壤水分、溫度序列分維數(shù)相對(duì)較低。2014平水年和2015干旱年生長(zhǎng)季,4種坡地利用方式表層(0~20 cm)土壤含水量序列的近似熵排序?yàn)?紅棗林撂荒草地大豆坡耕地玉米梯田;平水年生長(zhǎng)季,玉米梯田0~160 cm各層土壤含水量序列的近似熵均為最小;兩個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi),紅棗林0~100 cm各層土壤溫度序列的近似熵最大,玉米梯田土壤溫度序列的近似熵較小。綜上,紅棗林土壤水熱變化過程較為復(fù)雜,而玉米梯田減小了土壤水熱變化的復(fù)雜程度,有利于保持土壤水分穩(wěn)定性,并調(diào)節(jié)土壤溫度�；谛〔ǚ志S估計(jì)法和近似熵理論評(píng)價(jià)黃土丘陵區(qū)典型坡地利用方式土壤水熱的復(fù)雜性是可行的。(3)明確了影響4種坡地利用方式土壤水熱的主控性環(huán)境因子。2014平水年和2015干旱年生長(zhǎng)季,氣溫和空氣濕度是影響大豆坡耕地和撂荒草地0~60 cm土層水分變化的主控因子;空氣濕度和風(fēng)速則是影響玉米梯田土壤水分變化的主要?dú)庀笠蜃?氣溫對(duì)紅棗林土壤水分的影響極顯著(p0.01),且為負(fù)效應(yīng);各坡地利用方式土壤水分與土壤溫度均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(p0.01)。平水年生長(zhǎng)季,空氣濕度對(duì)大豆坡耕地、玉米梯田和撂荒草地土壤水分的直接作用和綜合影響最大;土壤溫度對(duì)紅棗林土壤水分的影響相對(duì)較大。干旱年生長(zhǎng)季,土壤溫度對(duì)各坡地利用方式土壤水分的直接作用和綜合影響均為最大,且為負(fù)效應(yīng)。氣溫與4種坡地利用方式0~60 cm土層溫度的關(guān)聯(lián)度較高,且隨著土壤深度增加,灰色關(guān)聯(lián)度降低;在同等氣象條件下,不同坡地利用方式同一土層溫度與同一氣象因子的灰色關(guān)聯(lián)度存在差異;玉米梯田表層(0~20 cm)土壤溫度與氣溫的決定系數(shù)相對(duì)較小,表明其對(duì)氣溫的響應(yīng)較弱。(4)構(gòu)建了一維垂向土壤水熱耦合運(yùn)移數(shù)值模型。重點(diǎn)考慮了溫差作用下土壤中熱量傳遞對(duì)土壤水分運(yùn)移的影響、水分運(yùn)移對(duì)土壤中熱量傳遞的影響以及根系吸水對(duì)土壤水分運(yùn)移和熱量傳遞的影響,建立了一維垂向土壤水熱耦合模型。采用有限差分法對(duì)所建模型進(jìn)行求解。利用干旱年生長(zhǎng)季紅棗林0~100 cm土層含水量和溫度數(shù)據(jù)對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明:模擬期間土壤含水量模擬值與實(shí)測(cè)值的決定系數(shù)R~2為0.8581~0.9901,均方根誤差RMSE和平均絕對(duì)誤差MAE的平均值分別為0.7719%和0.6856%;紅棗林0~100 cm土層溫度模擬值和實(shí)測(cè)值的R~2、RMSE和MAE在4個(gè)生育階段的平均值分別為0.8694、1.2884℃、1.1894℃。表明該模型對(duì)于模擬紅棗林土壤含水量和溫度隨時(shí)間和深度的變化具有較高的精度,能夠較為準(zhǔn)確地反映紅棗林不同生育階段土壤中水分運(yùn)移和熱量傳輸?shù)淖兓卣�。通過建立的一維垂向土壤水熱耦合運(yùn)移數(shù)學(xué)模型研究了溫度梯度對(duì)土壤水分運(yùn)移的影響和根系吸水過程對(duì)土壤中熱量傳輸?shù)挠绊?結(jié)果表明:同時(shí)考慮溫度梯度對(duì)土壤水分運(yùn)移的影響和根系吸水過程對(duì)土壤中熱量傳輸?shù)挠绊憰r(shí),模型的模擬結(jié)果明顯優(yōu)于僅考慮其中一個(gè)因素的模擬結(jié)果。本研究基于兩年連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析和探討了平水年和干旱年黃土丘陵區(qū)4種典型坡地利用方式土壤水熱特征及其耦合效應(yīng),深化了對(duì)該區(qū)不同坡地利用方式土壤水熱動(dòng)態(tài)變化過程、土壤水熱復(fù)雜性、影響土壤水熱的主控性環(huán)境因子以及土壤水熱耦合模型構(gòu)建與模擬的科學(xué)認(rèn)識(shí)。本研究所得結(jié)論可為黃土丘陵區(qū)坡地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化和坡地資源高效持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。
【圖文】：

技術(shù)路線圖

第二章 材料與方法第二章 材料與方法2.1 研究區(qū)概況2.1.1 自然地理研究區(qū)位于陜北榆林市清澗縣店則溝鎮(zhèn)園則溝小流域（37°13′38′′—37°14′22′′N，110°21′10′′—110°21′32′′E，海拔 865~1105m；圖 2-1）。清澗縣位于黃河陜晉峽谷西岸，東西長(zhǎng) 95 公里，南北寬 55 公里，總面積 1881 平方公里。清澗縣屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，區(qū)域內(nèi)水土流失嚴(yán)重，地面破碎，，溝壑縱橫交錯(cuò)（Gaoetal.2017）。研究區(qū)土壤主要為黃綿土，土質(zhì)疏松，抗侵蝕能力弱，土壤肥力較差，田間持水量和凋萎濕度分別為 25%和 7%（體積含水量）。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S152

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