小流域地区土壤水分空间变异性特征研究
2024年12月13日 09:48:37
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土壤水分是地表水资源的重要组成部分，是衔上地形、土壤、土地利用（ 植被）、气象（ 降雨）等因素综合作用的结果，但这些因子的作用因季节而异. 在干旱季节，土壤水分格局受植被、土壤性质和微地形等局地因子控制，在湿润季节主要受汇水面积等非局地因子影响。研究表明，在湿润时段，土壤孔隙度和导水率为土壤水分状况的主控因子，在干旱时段，相对海拔、坡向和粘粒含量的影响最显着。在湿润期，土壤含水量与汇流指数的相关性最显着，在干旱期，代表坡向的太阳辐射潜力指数是土壤含水量的主要影响因子。无论在干旱季节还是湿润季节，坡度、坡向和土壤质地等因子对土壤水分的影响均不显着。 也有研究表明，在湿润和中等湿润时段，土地利用类型显着影响土壤水分，但在干旱时段则无显着影响. 在雨后湿润期，土壤含水量与相对海拔和植被盖度的相关性显着增大，但随着土壤逐渐变干，土壤质地的影响更显着。 在不同的干湿季节，影响土壤水分时空格局的驱动因子不同，且研究结果差异较大.
丹江口水库作为南水北调中线水源地，其水质和水量状况一直备受各方关注。根据土壤水分检测仪的检测数据来看土壤水分时空格局对非点源污染的形成和区域水量的平衡具有十分重要的作用，但目前该库区的相关研究非常缺乏。 鉴于此，本文以丹江口库区水源区五龙池小流域为研究对象，分析了不同干湿时段土壤水分的空间格局特征及其主控因子、以及环境因子对不同干湿时段土壤水分变异的解释程度，旨在从理论上丰富土壤水分时空格局的定量研究，并深化对不同干湿条件下土壤水分变异规律及其与环境因子关系的理解，从而为区域生态建设和植被恢复提供科学依据。
本文利用双向指示种分析法将 14 次土壤水分观测数据划分成 7 个子类，分别属于干旱、半干旱、半湿润和湿润 4 个时段，该划分结果与实际情况基本一致。
在土壤水分时空格局与环境因子的关系研究中，并不是所选的环境因子越多越好，因为各因子间存在复杂的共线性，并且可能存在较多的冗余部分，会影响结果精度。 因此，如何选择对土壤水分变异有决定意义的环境变量显得尤为重要。 本文使用前向选择法和 Monte Carlo 检验法很好地选择出了包含信息量较大的环境变量，剔除了对土壤水分变异影响较小的冗余变量。
影响土壤水分格局的主控因子因气候、季节而异. 本文以位于半湿润区的五龙池小流域为研究对象，结果表明： 在干旱时段土地利用类型为主控因子，包含 72% 的环境信息量； 在半干旱时段土层厚度起主要控制作用，可提取环境信息量的 69%.
这是因为在相对干旱期，土壤水分以垂直运移为主，蒸发蒸腾量大于降水量，土壤水分呈现较高的空间异质性，主要受植被特征和土壤性质影响。 这与研究结果并不相同，其原因可能在于研究区气候和干湿时段的划分标准不同，本文干旱时段平均土壤含水量在 16% ～19%，但所划分的干旱时段土壤水分在 5% ～ 7%. 在半湿润时段，地形湿度指数的贡献，包含 63% 的环境信息量； 在湿润时段，地形湿度指数、坡向正弦值为主要的影响因子，共提取环境信息量的 62%. 在相对湿润期，土壤水分以侧向运动为主，降水量大于蒸发蒸腾量，不同景观位置土壤水分表现出相对的同质性，水分格局主要受流域地形等非局地因子控制. 这与研究结果一致。
土壤水分的时空格局因尺度而异，区域尺度上由大气控制的降雨和蒸发格局起主导作用，在小流域尺度则以土壤、地形和土地利用（植被） 的作用为主. 不同干湿期土壤水分的 RDA 排序研究结果表明，各样地土壤水分的空间分布与环境空间的生态梯度格局吻合较好，说明在同一湿度时段环境条件相近样地的土壤水分格局相似。
在不同干湿条件下，土壤水分对环境因素的响应程度不同。 从环境变量定量分离结果中可以发现，从干旱期到湿润期，环境因子独立作用不断减小，但始终处于主导地位； 空间位置独立贡献小幅增加，但总体变化不大且一直维持在较低水平。 说明在面积较小的小流域尺度，空间位置的影响不大，而环境因子的作用更显着，因此土壤水分时空格局与环境因子的关系应是今后相关研究的重点。
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