论文部分内容阅读
土壤水分是半干旱区科尔沁沙地植物生长发育的主要限制因子，决定土壤植被承载力。充分认识和把握科尔沁沙地土壤水分的时空变异特征及分布规律，有助于制定科学合理的固沙植被布局及水分管理措施。本研究选取典型科尔沁沙地丘间地，采用经典统计、地统计学及小波相干的方法，分析了2013年不同植被类型下O-160cm剖面土壤水分的时空变异特征及海拔对土壤水分分布的影响;利用Spearman秩相关系数和小波分析技术探索了区域土壤水分预测的新方法。基于稳定氢氧同位素技术，采用四种方法量化了科尔沁沙地先锋灌木小叶锦鸡儿2014年不同时期的水分利用策略。以期为科尔沁沙地土壤水资源管理和植被恢复重建提供科学依据。本论文主要研究结果如下: 1.科尔沁沙地土壤水分时空变异特征 草本植被区和灌木丛区的土壤含水量的差异不显著，但显著低于裸沙区。土壤含水量在剖面上的变异系数在18％-177％之间，属于中等或强变异水平;土壤水分状况影响其变异性，湿季（7-8月）的变异性低于干季（9-10月）。草本植被和灌木通过截留降雨和根系吸水，加剧了土壤水分在空间上的变异。相同深度的空间自相关性为湿季大于干季。在湿季各层土壤含水量具有较好的空间连续性，而干季各层土壤水分变化均较为剧烈，土壤水分的破碎化程度较高。O-20cm深度土壤水分分布由降雨、海拔等多种因素共同影响，土壤水分与海拔存在中小尺度(18-72m)依赖性。在40-160cm深度，海拔与土壤体积含水量呈显著的负相关关系，土壤水分与海拔存在大尺度(72-150m)依赖性，海拔是影响该深度土壤水分分布的最重要因素。 2.土壤水分时间稳定性的应用及其区域土壤水分预测 土壤水分具有强烈的时空变异特征，但是在不同时间，空间格局具有相似性。利用土壤水分时间稳定性概念，通过小波相干和Spearman秩相关分析，发现不同土层土壤含水量存在明显的正相关，其相关性既有空间结构的相似性，也具有不同尺度依赖性特征。通过筛选高相关性的土层，发现0-20 cm的土壤水分可以有效地预测20-40cm的土壤水分，而40-80 cm的土壤水分有效地预测80-160cm、0-160 cm的土壤水分状况。结合BootStrap重采样方法，可以进一步提高土壤水分预测精度。 3.先锋固沙植物小叶锦鸡儿的水分利用策略 根据0-120 cm土层和小叶锦鸡儿植株体内的氢氧同位素分布特征，采用直观判断法、Iso-Source模型、正态分布模型和SIAR模型等四种方法对小叶锦鸡儿不同时期吸水策略进行定量化研究。结果表明小叶锦鸡儿在不同水分条件下采取不同的水分利用策略。以7月份为代表的湿季，小叶锦鸡儿的吸水深度在40cm左右，主要吸水区间为20-40cm;在干湿交替的9月份，小叶锦鸡儿的吸水深度下探至80cm左右，吸水区间主要位于80-120cm之间;而在以10月份为代表的干季，小叶锦鸡儿的吸水深度上移至40cm左右，吸水量以来自40-60cm土层居多。这四种方法的结果相似，但是各有优缺点。直观法能够大体判断小叶锦鸡儿根系吸水的变动区间，但无法量化;正态分布模型能够计算小叶锦鸡儿的平均吸水深度，但参数设置主观性较大;IsoSource模型可以定量化不同土层的水分贡献率，所需输入的参数较少（平均值），但该模型解的组合仅具有统计学意义而未必具有生态学的合理性;基于贝叶斯框架的SIAR模型既综合了前两种模型的优点，其模型结构本身又体现了小叶锦鸡儿根系吸水的生理结构特征，是一种更加合理的水源解析方法。