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干旱区属于生态脆弱区,由于水资源匮乏,土壤中的水分是干旱区植物和作物赖以生存的主要源泉,决定着植物或作物根系的发育。相对于传统的点测方法和大面积的遥感反演,探地雷达为土壤水分快速连续监测提供了一种中间尺度的有效手段,这对于研究干旱区土壤水分过程、保护荒漠植被、大尺度精准农业的水分调节及节水灌溉具有重要意义。
本论文以乌鲁木齐河流域的土壤水分为研究对象,针对该流域内不同景观和土壤类型,选取多个实验样区,分别利用探地雷达、时域反射仪和烘干称重法进行地面同步测量,校验探地雷达方法在干旱区内陆河流域的有效精度和适宜性,并对现有模型进行改进;同时利用同期遥感影像反演土壤干旱指数来获取流域尺度上的土壤水分分布数据,通过地面各类数据和遥感干旱指数之间的相互对比验证,分析研究干旱区流域土壤水分在空间及时间尺度上的异质性,并探讨干旱区内陆河流域在不同空间和时间尺度上影响土壤水分布的主要环境因素和过程。
主要研究内容与结论如下:
(1)通过对内陆河流域典型景观和土壤类型进行分析,在流域内选取了9个实验分区进行野外测量。研究发现,除系统本身存在的天线间距、频率、采样精度外,在实测过程中地形起伏、植被地上部分及根系、土壤盐分和电导率、土壤湿度、土壤结构等环境因素均会对探地雷达的测量结果产生影响,并根据地形、植被、土壤类型、土壤盐渍化程度等因素进行叠加分析,绘制了流域探地雷达适宜性分级图。
(2)针对四通道探地雷达系统的两个外部通道的测量结果进行差异分析,发现短通道因天线间距的不同的产生明显结果位移,并与天线间距之间以分段幂函数形式明显相关,因此引入天线间距作为模型参数,改进了现有地面直达波的模型公式,对短通道数据进行重新标定。
(3)在各实验分区利用探地雷达获取土壤水分的连续分布数据,与同步时域反射仪、土样烘干称重法测量的数据进行对比,评价其测量精度,认为探地雷达地面直达波数据与TDR10cm的结果最为一致,而反射波数据与TDR反射层之上的平均土壤水分相差远小于0.01。
(4)利用探地雷达地面数据,结合地形因子和植被等因素,分析各分区主导当时土壤水分分布的主要因素。实验发现:春季荒漠区表层土壤水分的分布由坡面迁流和融雪漏斗对融雪水的再分配决定,主要影响因素为地形和植被(主要是灌丛)分布;草地各实验分区的土壤水分大致上随海拔高度的降低而减少,在中山草场,由于植被对降水截留的影响而使得土壤水分随海拔升高而略有增加。
(5)对比分析遥感反演的MPDI数据和GPR地面实测数据,发现MPDI数据在较大范围内可以反映地表土壤水分的分布及变化趋势,但由于遥感影像在获取时对地表状况进行了像元内平均化处理,因而对应到地面真实情况时,与更高分辨的地面测量数据之间存在一定的偏差。通过对2010～2011年三期影像及其MPDI值的综合对比分析,认为由于降水量、积雪及融化时间、地表植被覆盖度等是影响这三个时期山区、平原区和荒漠区表层土壤水分差异的主要生态过程和环境因素。其中平原区又因为植被覆盖度和生长期的不同,土壤水分的时空变化在裸地、农田、天然草地等不同地表覆被区各有差异。
综上所述,本研究在野外实测基础上通过模拟控制实验对现有探地雷达的方法和模型进行了改进,并以探地雷达的测量为基础,结合其他测量手段获取了从点、线、面不同空间和时间尺度上的干旱区流域土壤水分数据,从不同尺度上对干旱区流域土壤水分分布及其影响因素进行分析研究,分别为干旱区土壤水分测量方法和尺度分析方面提供了新的技术支持和研究参考。