三峡山地典型坡面土壤水分动态变化及影响因子分析

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为探究不同植被-坡位条件下土壤水分动态变化及其影响因素,在三峡山地选择三个典型坡面,植被覆盖类型分别为常绿针叶林(EG)、落叶阔叶和灌木混交林(SDFS)、弃耕草地(DP),在上坡(Upslope)和下坡(Downslope)分别布设一套土壤水分高频监测系统,利用统计分析、时间序列分析及小波分析等方法,定量分析了植被生长期(4-11月)土壤水分的动态变化特征、剖面相似性特征及土壤水分对降雨的响应特征并探究其影响因子,主要结果如下:(1)不同植被-坡位条件下土壤水分动态变化具有显著差异。整个生长季内剖面平均含水率表现为 DP-down(0.392 m3/m3)>SDFS-down(0.317 m3/m3)>EG-down(0.306 m3/m3)>SDFS-up(0.297 m3/m3)>DP-up(0.282 m3/m3)>EG-up(0.248 m3/m3),草地下坡水分含量最高,常绿针叶林上坡最低;水分变异性表现为EG-up为中等变异性(CV>10%),其他五个样点均为弱变异性(CV≤10%),其中DP-down变异性最弱(CV值为2.8%)。土壤平均含水率总体呈现春季最大,秋季最小的特点,且各季节均表现为DP-down>SDFS-down>EG-down>SDFS-up>DP-up>EG-up;水分变异性在春季显著低于夏秋季,不同季节各样点均为弱变异性。各样点剖面土壤水分的高值和低值所处深度各不相同,大部分样点呈现浅层(0~30 cm)变异性较强、中等深度较弱(30~45 cm)的特征。(2)不同植被-坡位条件下不同土层土壤水分时间序列具有显著总体相似性(P<0.01)。Spearman 秩相关系数呈现 EG-up(0.935)>EG-down(0.877)>DP-down(0.853)>SDFS-up(0.844)>DP-up(0.816)>SDFS-down(0.744)。林地不同土层间相似性随深度间隔增大而减小。草地出现不同情况,如表层0~15 cm和60~80 cm深度的土壤水分时间序列之间的相似性(0.622)高于其与45~60 cm深度的相似性(0.545)。(3)小波相干分析表明土壤水分时间序列的相似性具有尺度差异和季节性。平均显著相干面积依次为大尺度(58.6%)>中尺度(42.8%)>小尺度(21.8%),小尺度(日)上的相似性显著低于中(周)、大尺度(月)。常绿针叶林坡地春、夏季显著相干面积为47.3%、47.5%,显著高于秋季(30.6%),而落叶阔叶林和草地坡地却不存在这种季节差异(P<0.05)。(4)降雨特征对土壤水分的响应类型具有显著影响。小于5.1 mm的降雨几乎不会引起土壤水分发生响应。触发表层(0~15 cm)土壤水分响应的累积降雨量为EG-up(14.9 mm)>DP-down(11.9 mm)>DP-up(8.5 mm)>EG-down(7.7 mm)>SDFS-up(6.1 mm)>SDFS-down(5.5 mm);表层土壤水分响应滞后降雨的时间为EG-up(14.2 h)>DP-up(10.4 h)>DP-down(8.8 h)>EG-down(6.9 h)>SDFS-up(6.8 h)>SDFS-down(6.4 h);最大水分增量表现为EG-down显著高于其它样点。(5)植被通过拦截降雨和蒸腾作用影响降水量向土壤水分的转化,转化比(RSP)在样点间表现为 EG-down(39.9%)>SDFS-down(36.6%)>DP-down(36.0%)>SDFS-up(27.2%)>DP-up(23.8%)>EG-up(21.5%),同时常绿针叶林整体上需要更多的累积降雨量和更长时间的降雨过程才能引起水分的变化。地形特征则主导了土壤地下侧向流,与同坡度的上坡地相比,下坡地需要较少的降雨量和较短的时间才能引发土壤水分的增加,且下坡在降雨中土壤蓄水量的增加量更大。
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