土壤入渗特性的空间变异性及与土壤物理特性的相关性研究

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土壤特性的空间分布特征及与影响因素的空间相关性一直是农业水土领域的研究难点和热点。由于土壤特性在一定尺度上具有一定程度的空间变异性,同时,土壤入渗特性受到土壤质地、土壤结构、土地植被覆盖、地面坡度和土地利用方式等因素的影响,使得在农业灌溉、土壤学和水科学中定量分析土壤特性的空间变异时,均面临诸多困难,严重阻碍了这些学科发展。因此不同影响条件下土壤特性的空间变异特征、土壤入渗规律以及与影响因素的空间相关性的研究成为了现在诸多领域所关注的重要问题。此外,土壤特性具有尺度效应,即研究尺度不同时,土壤特性的空间变异特征也会随之改变,且影响因素对土壤入渗特性的影响程度及影响过程也会发生变化,因此多尺度的分析对深入探索土壤特性的空间变异特征和识别对土壤入渗特性影响显著的因素是非常必要的。为此,本论文以杨陵地区一级阶地沙壤土和三级阶地粘壤土为例,研究分析了沙壤土和粘壤土条件下的土壤入渗规律,并利用地统计学研究分析了不同土壤质地条件下田间入渗试验的合理观测时间和测点数;利用标定理论对一级阶地和三级阶地的土壤入渗模型经行了标定,并用多重分形法研究分析了多尺度上土壤容重、含水率、有机质含量、土壤颗粒组成、土壤入渗模型标定因子、稳定入渗率和累积入渗量的多场分形特征和空间变异特征,同时利用联合多重分形法探究了在多尺度上对粘壤土和沙壤土条件下的标定因子、稳定入渗率及累积入渗量影响显著的影响因素。主要得出以下结论:(1)一级阶地沙壤土和三级阶地沙壤土的土壤入渗模型的选择、合理的入渗观测时间及测点数的确定。比较不同入渗公式描述各测点的入渗过程,得出一阶地砂壤土条件下,Philip公式模拟土壤入渗过程比Kostiakov公式精度更高,三级阶地粘壤土条件下, Kostiakov公式的模拟精度与Philip公式基本一致;一级阶地砂壤土和三级阶地粘壤土条件下,土壤入渗试验合理的设计观测时间分别不应小于90min和120min;利用地统计法,根据典型田块土壤入渗参数的半方差函数,计算各入渗参数的最大相关距离,得出一级阶地砂壤土和三级阶地粘壤土试验田块均为42个测点。(2)利用标定理论对一级阶地沙壤土和三级阶地粘壤土的Philip模型进行了标定,探究了沙壤土和粘壤土入渗过程的差异性。经计算得知,实际应用中,在三级阶地粘壤土的条件下,算数标定因子α AAS为最优标定因子,在一级阶地沙壤土的条件下几何标定因子α GAS为最优标定因子,且标定后各测点的累积入渗曲线的离散程度比原始累积入渗曲线明显降低。(3)判定研究区域内土壤物理特性、最优标定因子和土壤入渗特性的多重分形特征。研究区域内土壤含水率、有机质含量、粘粒含量、砂粒含量、标定因子、稳定入渗率和120min累积入渗量的多重分形特征比较明显;土壤容重、粗粉粒含量的多重分形特征不明显。(4)利用多重分形理论分析了一级阶地和三级阶地的土壤物理特性、Philip模型标定因子、稳定入渗率和120min累积入渗量的空间变异特征,探究了造成上述研究对象空间变异性的局部信息,为分析上述研究对象空间变异性的尺度效应和深入揭示其空间变异机理等提供方法借鉴和参考。在三级阶地,标定因子、砂粒含量和有机质的空间变异性较强,含水率、粘粒含量、粗粉粒含量和土壤容重的空间变异性最弱,同时标定因子和砂粒含量的变异特征是由对应变量不同尺度区间上的高值信息造成的,粗粉粒含量在不同尺度区间上的低值对其空间变异性的影响较为显著;在一级阶地,标定因子和沙粒含量的空间变异行最强,有机质含量、粘粒含量和含水率次之,而土壤容重和粗粉粒含量的空间变异性最弱。标定因子和砂粒含量在不同尺度区间上的高值信息对其空间变异性的影响较为显著。三级阶地和一级阶地的稳定入渗率的空间变异性强,120min累积入渗量的空间变异性较强,一级阶地稳定入渗率和120min累积入渗量的空间变异性比三级阶地强,三级阶地和一级阶地的稳定入渗率的空间变异性由其低值分布所造成的。(5)利用联合多重分形方法识别了在多尺度上影响标定因子、稳定入渗率及120累积入渗量空间分布显著的影响因素,同时分析了在多尺度上的空间相关性,发现在单一尺度和多尺度上的相关性特征并不完全相同。在田间单一尺度上,一级阶地和三级阶地标定因子、稳定入渗率及120min累积入渗量与土壤物理特性的空间相关性均很弱,而联合多重分形分析结果表明在三级阶地粘壤土的条件下,标定因子与容重、粘粒含量、有机质的相关性最显著,与含水率及粗粉粒含量的空间相关性相对较小,而与及沙粒含量相关性最弱;在一级阶地,标定因子与土壤各物理特性的相关性均较强,尤其与土壤含水率、容重、粗粉粒含量及有机质含量的相关性最大。在三级阶地粘壤土的条件下,稳定入渗率与土壤容重、含水率及粗粉粒含量在多尺度上的空间相关性较强,与沙粒含量及粘粒含量次之,而与有机质含量在多尺度上的空间相关性最弱;120min累积入渗量在多尺度上与土壤容重的空间相关性最强,与沙粒含量、粗粉粒含量、有机质含量及含水率的空间相关性较强,与粘粒含量的空间相关性最弱;在一级阶地粘壤土的条件下,稳定入渗率与土壤容重、有机质含量及粘粒含量在多尺度上的空间相关性最强,与沙粒含量及有机质含量及粗粉粒含量的空间相关性较强;120min累积入渗量在多尺度上与土壤容重、含水率、粗粉粒含量和有机质含量的空间相关性最强,随之与粘粒含量和沙粒含量的空间相关性较强。论文研究了土壤特性在多尺度上的空间变异特征、识别了对应变量空间变异性影响显著的局部信息及在多尺度上对土壤入渗特性都具有显著影响的因素,为考虑尺度效应的土壤入渗参数的土壤传递函数理论基础的探索提供了研究方法借鉴和参考;由于土壤特性的复杂性,今后还需在以下几个方面展开深入研究:该论文关于影响因素对土壤入渗特性空间分布特征的影响程度和过程的机理解释还不够深入;在不同的土地利用方式、田间植被覆盖等其他条件下,土壤特性在多尺度上的空间变异特征及揭示对土壤入渗特性具有显著影响的因素的研究有待深入探究;研究尺度不同时,本论文中的一些规律和趋势有待于进一步研究和验证。
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