土壤水分垂直方向相关性研究和动态预报

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土壤水分是生态系统重要的影响因子,决定着土壤的演化和土地生产力,制约着植被的形成和发展。土壤水分垂直空间分布的研究是土壤水分时空相关性研究的基础。对土壤水分时空相关性的研究,有利于我们进一步了解土壤水分时空分布变化规律,为土壤水分的预测、模拟更接近农田土壤水分变化的实际情况提供有效途径。本试验在湖北咸宁贺胜桥实验站,选择有代表性的裸地、林地、草地和农田4种不同处理小区进行试验,在2005年11-12月和2006年3-4月、7-8月共6个月内,每天用PR1型土壤剖面水分速测仪(FDR)连续测定10cm、20cm、30cm、40cm和60cm等土层体积含水量,同时记录气象资料和田间作物地上部生长状况。在土壤水分垂直空间分布的基础上,将土壤水分时空相关性研究与土地利用和田间施肥措施相结合,摸清土壤水分相关性及其产生的原因,利用时间序列方法中分布滞后模型Polynomial Distributed Lag(PDL)和自回归分布滞后模型Auto-regressive Distributed Lag(ADL)以及土壤水分运动物理模型的常规模拟法和数据同化法等4种方法对深层土壤水分进行动态模拟预测研究。主要研究结果如下:1.实验区在监测时段内土壤水分空间变化规律是各层土壤含水量随土层深度的增加而增加,深层含水量时间上的动态变化是随着表层含水量的变化而波动变化,且随着土层深度的增加土壤含水量波动幅度逐渐减小。土壤水分垂直方向动态变化与气象、植被类型和施肥措施等因素有关。气象因素对土壤含水量的空间分布和动态变化的影响最大,直接影响各土层土壤含水量的波动幅度;其次是植被因素,植被因根系分布的多少对土壤水分的利用程度不同,造成土壤不同土层水分的垂直分布和变化幅度不同。施肥水平只能影响10cm、20cm土层土壤含水量的动态分布,对更深层土壤含水量动态分布没有影响。2.土壤水分在垂直方向上具有时空相关性,气象因素、植被覆盖和施肥措施都不同程度地影响土壤水分垂直方向时空相关性。在气象条件较稳定的情况下,不同植被覆盖和不同施肥措施下各土层含水量之间都具有较强的时空相关性,随着气象条件波动加剧,各土层土壤含水量的时间相关性和空间相关性都降低;植被因素相对气象条件对各土层含水量的时间自相关性影响较小,而对各土层土壤含水量之间的空间相关性影响较大,裸地和农田各土层土壤含水量之间的空间相关性相对林地和草地较弱;不同的施肥水平都削弱了土壤各土层含水量的时空相关性。3.时间序列分析方法中自回归分布滞后模型(ADL)模拟表达式较分布滞后模型(PDL)更简洁,且对各深层含水量的预测效果更好,预测值与实测值吻合程度较高,能更好地反映深层土壤含水量的变化趋势。自回归分布滞后模型(ADL)模拟及预测效果和实用性都优于分布滞后模型。4.物理模型中常规模拟法和数据同化模拟法预测各深层含水量的动态变化表明,数据同化模拟法预测值较常规模拟法预测值更接近实测值,数据同化模拟法能更好地反映实际各深层土壤含水量的变化趋势。通过这两种方法比较研究得出,数据同化模拟法提高了预测精度,预测各深层含水量的效果优于常规模拟法。5.时间序列分析方法中的自回归分布滞后模型(ADL)和物理模型中数据同化模拟法相比,自回归分布滞后模型表达式简洁,预测效果整体上能够反映实际土壤含水量的变化趋势。数据同化法在土壤含水量突然增加时预测效果较好,但模拟所需参数较多,并且在模拟时间较短时,所需要测定模型参数较多,给这种方法的应用带来一定的困难。因此,通过不同方法比较得出,时间序列分析方法中自回归分布滞后模型(ADL)在土壤水分模拟及预测方面精度都优于其它方法。
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