黄土丘陵区小流域不同土地利用方式土壤水分动态规律研究

论文摘要

土壤水是生态系统中植物赖以生存的基础,同时也是流域水循环中最为活跃的部分,影响着植物生长、生态环境建设以及水资源的合理分配与高效利用。黄土高原大部分地区地处半干旱、半湿润地区,加之其特殊成土过程形成的“土壤水库”,使得土壤水在该区生态环境建设中发挥着不可替代的作用。在黄土高原开展的以植被恢复为主的生态环境建设取得一定成绩的同时,土壤水资源储量被认为有减少的趋势。如何在开展生态建设的同时,实现土壤水资源的可持续利用是我们亟待解决的科学问题。本论文对黄土丘陵区延安燕沟流域不同土地利用方式的土壤水分时空变化及亏缺补偿特征进行了研究,并结合稳定性同位素技术,初步探讨了该区水循环中降水、土壤水、河流水和地下水的同位素组成特征,得出了以下结论:1)降水年型对不同植被类型土壤水分的季节变化和剖面垂直变化均有一定影响。旱农坡地平水年土壤水分的季节变化平缓;枯水年雨季前土壤水分缓慢减小,雨季后显著增加;丰水年则整体增加,且雨季后增加明显。刺槐林、沙棘灌丛和白羊草地平水年土壤水分的季节变化表现为整体降低;枯水年沙棘灌丛土壤水分先减后增,刺槐林与白羊草地呈“W”型曲线变化,两个最低值均出现在6月和8月;丰水年沙棘灌丛和刺槐林土壤水分的季节变化呈“V”型,白羊草地土壤水分波动较大,最低值出现在8月。旱农坡地枯水年的土壤水分活跃层和次活跃层深度较平水年下移,丰水年次活跃层消失;丰水年和枯水年,刺槐林和白羊草地土壤水分活跃层深度均较平水年下移,沙棘灌丛则上移。2)梯田各层土壤水分变化态势相似程度较高,即梯田土壤水分的垂直波动较小;不同土地利用方式下均是表层（0-30cm）和中层（30-100cm）土壤水分的灰关联度较大,即土壤水分的变化发展态势较一致,但由于不同利用方式的影响,土壤水分变化态势的相似程度为梯田>白羊草>刺槐>沙棘,除白羊草地外,其他土地利用方式下表层（0-30cm）与深层（100-200cm）的土壤水分灰关联度最小,土壤水分变化差异较大。从各月土壤水分灰关联度来看,沙棘除10月外,其他个月土壤水分变化态势的相似程度较高;白羊草地正好相反,整个生长季土壤水分的变化波动很大;梯田和刺槐林地居中,但各月土壤水分变化态势的相似程度仍存在差异,表现为雨季前各月土壤水分变化较为一致,雨季后的9、10月份与4月份相比差异较大。说明不同的土地利用方式对土壤水分的垂直变化和月动态均产生不同影响。3)不同水土保持措施雨季前后土壤储水均处于亏缺状态。降雨最多的7月份土壤储水亏缺均有不同程度的缓解,退耕坡地和梯田亏缺状态明显减轻;8月份表层土壤储水亏缺加剧;雨季后的10月份土壤储水均得到恢复。退耕坡地土壤储水亏缺度随土层深度的增加而减小,鱼鳞坑则随土层深度的增加土壤储水亏缺程度增大。梯田与水平阶相同,100-200cm土壤储水亏缺度最大,0-50cm次之,50-100cm最小。降雨对退耕坡地和梯田0-200cm土壤水分均有正补偿作用,补偿深度均为160cm。水平阶90cm处和160cm以下均出现负补偿现象。鱼鳞坑仅在30cm处出现负补偿,降雨补偿深度为100cm。在0-200cm土壤剖面上,土壤储水亏缺补偿度CSW依次为退耕坡地>梯田>鱼鳞坑>水平阶。4)黄土丘陵区降水线方程与全球降水线方程以及我国降水线方程相比,斜率与截距均偏小,这与研究区地处内陆,次降雨量小,空气湿度低,降水在降落过程中经过较强的蒸发有关。土壤水同位素组成变化远远小于降水。土壤水的氢氧同位素值均位于当地降水线的右下方,表明降雨在补给土壤水之前经历了强烈的非平衡蒸发,分馏明显。不同土层土壤水的氢氧同位素组成存在差异,表层30cm受降雨的影响较大,深层受土壤蒸发动力影响较大。2007年7月31日和8月10日土壤水氢氧同位素的剖面分布均呈“凹”型,最小值在200cm处,而9月1日土壤水氢氧同位素剖面分布呈“凸”型,最大值在200cm处。地表水氢氧同位素的平均值和标准差均小于降水。地表水氢氧同位素之间的关系为:δD=6.37δ18O-12.08（R2=0.97,n=21）。该方程斜率和截距均小于当地降水线方程的斜率和截距,氢氧同位素值大多数位于当地降水线右下方且与降水线接近,说明河流水来源于降水,并且受不同程度非平衡蒸发较小。河水的氢氧同位素组成受降雨的影响较大,也与前期河水同位素组成及流量有关。河水不同部位所受非平衡蒸发程度不同,导致河流水体不同部位氢氧同位素值不同,但经不同水体充分混合后,出现从上游至下游同位素值逐渐增大的趋势。井水与泉水的氢氧同位素组成较降水和土壤水变化范围明显都小。井水和泉水的δD和δ18O均落在当地降水线右下方且与降水线接近,与降水的平均δD和δ18O也很接近,说明井水和泉水均来源于大气降水,且在降水补给过程中由于非平衡蒸发引起的同位素分馏较小。降雨对泉水的补给滞后30天左右。降雨对井水的补给滞后时间以及土壤水对地下水的补偿作用还需进一步研究。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 研究进展
• 1.2.1 土壤水分理论研究进展
• 1.2.2 土壤水分异质性研究进展
• 1.2.3 土壤水分应用性研究
• 1.2.4 研究方法的发展
• 1.2.5 环境同位素在流域水循环研究中的应用
• 1.3 研究内容和技术路线
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 技术路线
• 第二章 研究区概况与研究方法
• 2.1 研究区概况
• 2.1.1 地理位置
• 2.1.2 地貌
• 2.1.3 气候
• 2.1.4 土壤及土地利用
• 2.1.5 植被状况
• 2.2 研究方法
• 2.2.1 降水量、土壤水监测
• 2.2.2 运用稳定性氢氧同位素方法分析“四水”关系
• 2.2.3 水样的环境同位素分析
• 第三章 小流域土壤水分时空变异规律
• 3.1 研究年生长季降水分配
• 3.2 不同立地条件土壤水分季节动态
• 3.2.1 林灌草地土壤水分季节变化
• 3.2.2 苹果园与退耕坡地土壤水分季节动态
• 3.2.3 不同植被条件下各层次土壤水分动态
• 3.3 不同植被条件下土壤水分垂直变化
• 3.3.1 土壤水分垂直变化层次划分
• 3.3.2 土壤水分的垂直变化
• 3.3.3 土壤剖面水分梯度
• 3.4 不同坡位土壤水分差异性分析
• 3.5 土壤水资源与土地利用耦合效应
• 3.5.1 不同土地利用土壤容重变化
• 3.5.2 不同土地利用土壤含水量、总储水量分析
• 3.5.3 不同土地利用情景下土壤储水量变化
• 3.6 流域水资源时空分布与利用对策
• 3.6.1 降雨资源时空异质性分析与利用对策
• 3.6.2 径流资源量动态分析与利用对策
• 3.6.3 土壤水资源特征与利用对策
• 3.7 小结
• 第四章 不同降水年型下土壤水分动态规律
• 4.1 降水年际变化特征及降水年型划分
• 4.2 不同降雨年型土壤水分特征
• 4.2.1 平水年土壤水分特征
• 4.2.2 丰水年土壤水分特征
• 4.2.3 枯水年土壤水分特征
• 4.3 小结
• 第五章 小流域土壤水分灰色关联度分析
• 5.1 灰色关联度分析法
• 5.2 研究年降雨季节分布
• 5.3 降雨与土壤水分的灰关联分析
• 5.4 土壤水分的灰关联分析
• 5.4.1 不同层次土壤水分灰关联分析
• 5.4.2 不同土地利用方式土壤水分灰关联分析
• 5.4.3 不同月份土壤水分灰关联分析
• 5.5 小结
• 第六章 不同水土保持措施的土壤储水亏缺与补偿
• 6.1 不同水土保持措施土壤储水量特征
• 6.1.1 不同水土保持措施土壤储水量季节动态
• 6.1.2 不同水土保持措施土壤剖面水分垂直分布
• 6.2 不同水土保持措施土壤水分亏缺与恢复
• 6.2.1 土壤储水亏缺状况与补偿恢复的量度指标
• 6.2.2 不同水土保持措施土壤储水亏缺度
• 6.2.3 不同水土保持措施土壤储水亏缺的补偿与恢复
• 6.3 小结
• 第七章 小流域不同水体氢氧同位素特征初探
• 7.1 黄土丘陵区降水氢氧同位素组成特征
• 7.1.1 延安黄土丘陵区大气降水线
• 7.1.2 氘盈余
• 7.2 土壤水氢氧同位素组成特征
• 7.2.1 土壤水氢氧同位素值特征
• 7.2.2 不同土层土壤水的同位素组成特征
• 7.2.3 次降雨土壤水氢氧同位素剖面变化
• 7.3 地表水氢氧同位素组成特征
• 7.4 地下水环境同位素组成
• 7.4.1 井水与泉水氢氧同位素总体特征
• 7.4.2 井水和泉水与降水氢氧同位素关系
• 7.5 小结
• 第八章 主要结论及研究展望
• 8.1 主要结论
• 8.1.1 小流域土壤水分时空变异规律
• 8.1.2 不同降雨年型的土壤水分动态
• 8.1.3 小流域土壤水分灰色关联度
• 8.1.4 不同水土保持措施的土壤储水亏缺与补偿
• 8.1.5 小流域不同水体氢氧同位素特征
• 8.2 研究展望
• 8.2.1 进一步研究该区深层土壤水分特征
• 8.2.2 加强对土壤水分空间异质性的研究
• 8.2.3 进一步研究该区大气降水氢氧同位素组成及影响因素
• 8.2.4 增加不同水体样品采集,建立黄土丘陵区“四水”转换模型
• 参考文献
• 作者简介