全 文 ：书西北植物学报!
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收稿日期$
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基金项目$国家自然科学基金"
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作者简介$李
!
剑"
#1&!(
#!男!硕士!助理研究员!主要从事森林培育研究
2+34.5
$
##1)#!!
!66
,783
"
通信作者$赵
!
忠!教授!博士生导师!主要从事森林培育研究
2+34.5
$
9:489:
!
0;/<4=,>?<,70
黄土高原刺槐林地土壤水分垂直分布
特征及其动态模型的建立
李
!
剑#!%!赵
!
忠#"!袁志发!!王迪海#!胡小宁!
"
#
西北农林科技大学 西部环境与生态教育部重点实验室!陕西杨陵
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西北农林科技大学 理学院!陕西杨陵
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陕西省治沙研究所!陕西榆林
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#
摘
!
要$以位于黄土高原半干旱丘陵沟壑区的陕西省安塞县和半湿润残塬沟壑区的甘肃省泾川县为代表!研究了
不同水分生态区刺槐林地土壤水分垂直分布特征&并在原有林地土壤水分入渗平衡模型的基础上!建立了林地土
壤水分随时间(土壤深度变化的动态模型结果表明$"
#
#不同水分生态区林地土壤水分垂直变化规律具有明显区
别!泾川的土壤含水量峰值出现在
!"
"
$"73
土层深处!后随着土层深度的增加逐渐降低!在
!""73
土层深度土壤
含水量趋于稳定"
##@
左右#&安塞的土壤含水量峰值出现在约
"73
左右的土层!并在
!!"73
深度土壤含水量趋
于稳定"
*,*@
左右#&说明泾川的土壤含水量高于安塞!安塞的降雨和林木根系耗水对土壤水分的影响程度和深度
均大于泾川!且两地深层土壤水分含量不受降水和林木根系耗水等的影响"
!
#利用降水在土壤中的入渗平衡模
型能够很好地拟合黄土高原两地"泾川(安塞#刺槐林地的土壤水分垂直分布&并通过引入参数
!
"月份#建立了林地
土壤水分随时间和土壤深度变化的动态模型!经验证该模型能够准确地刻画黄土高原不同水分生态区刺槐林地土
壤水分的动态变化
关键词$黄土高原&刺槐&林地土壤水分&垂直变化&动态模型
中图分类号$
A1$&,##%
文献标志码$
B
$
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黄土高原地处中国腹地!是半湿润(半干旱区向
干旱荒漠过渡的地带!水资源先天不足且分布不
均)#*地下水一般深埋达
*"
"
!""3
!很难被植物
所利用)!+*土壤水对农林草业生产具有十分重要
的意义据测定!
""73
厚的黄土层持水容量可达
**#,#
"
&$),$33
)*
但是由于特殊的气象和土壤
条件原因!黄土高原的土壤经常处于低蓄水状态!水
分亏缺较多!一般占到田间持水量"
#&,#@
"
!!,"@
#的
*"@
"
)"@
)
&+##
*
降水是黄土高原土壤
水分的唯一的补充来源!由于黄土高原特殊的水文
特征!其降水入渗深度一般在
!,"3
以内!且没有
深层渗漏)#!+#&*赵忠等)#1+!#*依据黄土高原人工刺
槐细根的垂直分布特征!将刺槐林下土壤水分的垂
直分布分为水分活跃层(水分衰减层和水分相对稳
定层三个层次
目前国内外对土壤水分垂直分布的研究主要分
为两类$即纯经验公式和半理论(半经验公式)!!*
随着计算机技术和数学+物理建模技术的发展!利
用数学+物理的原理建立数学模型!然后应用计算
机技术进行数值模拟!再经实验验证模拟结果!解决
实际问题!减少大量的田间试验!提高试验精度用
这一方法研究土壤水分已经取得了很大的成功!推
动了土壤水分研究深入发展)!%*当前对土壤水分
模型的研究主要集中在经验性统计模型和物理性理
论模型等确定性模型及随机性模型)#)!$*!所得模型
的复杂性及适用性各异经验性统计模型一般应用
比较简单)!*+!&*!但其经验参数的适用范围有限!难以
准确确定)!&+!1*物理性理论模型具有一定的通用
性!但参数较多!应用不便)%"+%!*
黄土高原地区土壤水分分布受地形(土地利用
等众多因素的影响)%%+%$*!而现有的土壤水分模型大
多针对局部的点或一个坡面的土壤水分以及农田水
分进行研究!难以对复杂地形下的区域土壤水分空
间分布进行预测)#)!%*+$"*因此!本研究首先依据
!"")
年和
!""&
年对黄土高原半干旱和半湿润水分
生态区刺槐人工林地不同月份土壤水分的实测数
据!探讨了生长季节林地土壤水分的垂直变化!对赵
忠等已建立的土壤水分模型进行验证然后在此基
础上!通过对
!"")
年

月
"
!""&
年
$
月土壤水分
监测数据的分析和归纳!建立了林地土壤水分随时
间(土壤深度变化的动态模型!为进一步深入研究人
工林根系对土壤水分的影响!揭示土壤干化的形成
机理奠定基础
#
!
刺槐林样地概况
调查地分别设在甘肃省泾川县的官山林场和陕
西省安塞县的蛤蟆沟泾川县地处黄土高原沟壑区
中部"
#")b%&c$1d
"
#")b*&c"!d2
!
%$b*1c"1d
"
%*b#&c
%)dL
#!属暖温带半湿润大陆性季风气候!海拔
1*"
"
#!!*3
!年均气温
1,# e
!年均降水量
*&$,#
33
!并多集中于
)
"
1
月!干燥指数
#,*
"
!,"
!无霜
期
#)#?
!土壤类型为黄?土刺槐人工林林下草本
植物群落主要为铁杆蒿"
./!*0%)%
1
0*2%&%%
#(短花
针茅 "
3!%
(
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5
2#/
#(白 羊 草 "
6#!7/%#-72#
%)-7*0+0
#(狗尾草"
3*!/%4%/%,%)
#(多花胡枝子
"
8*)
(
*,*9
5
2#/%$+&,
#等!覆盖度为
#""@
安塞
县居黄土高原腹地"
#"&b*#c$$d
"
#"1b!c#&d2
!
%b
%"c$*d
"
%)b#1c%#dL
#!为典型的梁峁状丘陵沟壑区
该区属暖温带半干旱大陆性季风气候!平均海拔
#!""3
!年平均降雨量为
*"*,%33
!降雨量年际变
率较大!年内分布不均!
)
"
1
月份的降雨量占全年
降雨的
"@
以上&干燥度为
#,*
"
!,*
!年平均气温
为
&,&e
!平均无霜期
#"?
&主要土壤类型为黄绵
土刺槐人工林林下草本植物群落主要为铁杆蒿
"
./!*0%)%
1
0*2%&%%
#(茭蒿"
./!*0%)%
1
%/2,%%
#(
长芒草"
3!%
(
$+&
1
*&
#等!覆盖度为
$"@
"
"@

在上述两地的阴坡和阳坡立地!选择林相整齐的刺
槐林共设置
#!
块样地!样地概况见表
#

!
!
研究方法
选择生长良好的的刺槐人工林!分别在阴坡和
阳坡的上(中(下部各设置
#
块样地"表
#
#每块样
)#
&
期
!!!!!!!!!
李
!
剑!等$黄土高原刺槐林地土壤水分垂直分布特征及其动态模型的建立
表
:
!
刺槐人工林土壤水分观测样地概况
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地点
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序号
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坡向
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坡度
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坡位
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林龄
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平均树高
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甘肃泾川
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东北
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上部
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西南
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下部
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地内随机选取
%"
株样木!使用胸径尺进行每木检
尺!从中选择
$
株平均样木!作为调查样木分别于
!"")
年

月(
&
月(
#"
月和
!""&
年
$
月中旬进行了
$
次调查每次调查时!在每株调查样木距树
*"73
处和距树
#*"73
处各钻取
#
次土样
土样钻取采取以下方法!在
"
"
*""73
深度范
围!分土层进行取样!
""73
以上采用
#
)"33
土
钻!按
#"73
一层&
!""73
以下采用
#
%"33
土钻!
按
!"73
一层钻取土样分别将从不同土层获取的
土样编号装入铝盒!带回驻地实验室!当天采用烘干
法测定含水量
%
!
结果与分析
;,:
!
不同水分生态区土壤水分垂直变化特征
;,:,:
!
泾川县土壤水分变化特征
!
泾川县不同月
份距树干
*"73
"图
#
#和
#*"73
"图
!
#处土壤水分
垂直变化规律基本一致!只是前者土壤水分含量略
大于后者其中!在
"
"
#""73
深度范围!
#"
月份
土壤含水量最大!
&
月份最小!且波动剧烈!月际间
差异明显&在
#""
"
!""73
深度范围!土壤含水量变
化趋于平缓!但月份间差异仍很明显&约在
!""73
以下深度!土壤含水量变化趋于稳定!月份间含水量
非常接近各月份土壤水分垂直变化在阴(阳坡立
地表现出类似变化规律!即在
!"
"
$"73
土层左右
达到峰值!然后随着土壤深度的增加而降低!并在约
!""73
左右趋于稳定&阴坡立地不同深度的土壤含
水量均大于阳坡立地
由表
!
可知!泾川县月际间降雨量波动很大!降
雨主要集中在

"
#"
月份!并以
)
月和
1
月降雨量
最大!
#
月份没有降雨!
!
(
$
(
##
(
#!
月降雨量较小
这是导致该地刺槐林地
"
"
#""73
深度范围土壤含
水量变化剧烈的主要原因此外!无论是阴坡还是
图
#
!
泾川县不同坡向刺槐人工林距树干
*"73
处土壤水分垂直变化特征
[.
I
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!
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I
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图
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泾川县不同坡向刺槐人工林距树
#*"73
处土壤水分垂直变化特征
[.
I
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表
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年泾川县和安塞县不同月份降水量
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!
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月
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月
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阳坡!距树
*"73
处和
#*"73
处的土壤含水量均表
现为
#"
月
#
$
月
#

月
#
&
月这与

月和
&
月降
水较少!气温高蒸散量大有密切关系&
#"
月份土壤
含水量最高与同期降水量较大!且气温降低!林木耗
水减少有直接关系
另外!从图
#
和图
!
不难看出!在泾川县降雨对
土壤水分的补给最深达
!""73
!其中对
#""73
以
上土壤含水量影响最为明显&在
!""73
深度以下!
随土层深度增加!各月份之间土壤含水量已趋于一
个稳定值!即在
##@
左右波动!受降雨影响不明显
总之!泾川县刺槐林立地
"
"
#""73
土壤含水量在
各月份之间波动较大!并主要是由于降雨和树木根
系耗水等引起的&随土层深度增加!这些影响逐渐减
弱!且对
!""73
以下深层土壤含水量没有影响
;,:,<
!
安塞县土壤水分变化特征
!
与泾川县刺槐
林地土壤含水量垂直变化相似!安塞县刺槐林地的
土壤含水量也表现出距树干
*"73
处"图
%
#略大于
距树干
#*"73
处"图
$
#其中!
"
"
#"73
深度范
围土壤含水量波动剧烈!并以
#"
月份的含水量最
大!
&
月份最小&在
#"
"
!!"73
深度范围内!土壤
含水量变化趋于平缓!各月份之间的差异变小&在
!!"73
以下土壤含水量变化很小!各月的测定值非
常接近同时!阴坡土壤含水量大于阳坡!各月份之
间土壤水分的垂直变化规律在阴(阳坡立地表现相
似&土壤含水量的峰值均出现在约
"73
深处
表
!
显示!安塞县的降雨主要集中在

"
#"
月
份!其中
1
月份降雨量最大!
##
月份没有降雨!(
$
(
#!
月降雨量较小受月际间降雨量波动的影响!刺
槐林立地
#"
"
"73
深度范围土壤含水量变化幅度
较大!无论是阴坡还是阳坡!距树
*"73
处和
#*"
73
处表层土壤含水量均表现为
#"
月
#
$
月
#

月
#
&
月其中!

(
&
月份降水较少!而气温高!蒸发量
大!所以土壤含水量较低&
1
(
#"
月份降水丰沛!气温
开始降低!蒸发量减小!因此
#"
月份土壤含水量最
大在
#"73
深度以下!随着土层深度的增加!各
月份之间的土壤含水量变化逐步趋于平缓!并在
!!"73
以下趋于一个稳定值!此时各月份的测定值
非常接近!在
*,*@
左右波动由此可见!在安塞县
降雨和林木根系耗水对土壤水分的补给和影响深度
达
!!"73
!并对
"
"
#"73
深度的土壤含水量影响
最大
;,:,;
!
泾川和安塞土壤水分垂直变化特征比较
!
通过对泾川和安塞两地土壤水分垂直分布特征的比
较!可发现$"
#
#无论是泾川还是安塞均是阴坡含水
量高于阳坡&"
!
#无论是阴坡还是阳坡!泾川的土壤
水分活跃层和稳定层含水量分别比安塞约高
#"@
和
*,*@
!阴(阳坡之间差异不明显!且距树干
*"73
处略大于距树干
#*"73
处&"
%
#泾川土壤含水量峰
1#
&
期
!!!!!!!!!
李
!
剑!等$黄土高原刺槐林地土壤水分垂直分布特征及其动态模型的建立
图
%
!
安塞县不同坡向刺槐人工林距树干
*"73
处土壤水分垂直变化特征
[.
I
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!
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I
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R
图
$
!
安塞县不同坡向刺槐人工林距树干
#*"73
处土壤水分垂直变化特征
[.
I
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I
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R
值出现在
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"
$"73
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的
"73
左右土层!阴(阳坡之间差异不明显&"
$
#两
地均是
#"
月份土壤含水量最大!
&
月份最小除此
之外!在安塞刺槐林地土壤水分活跃层深达
#"73
左右!较泾川深
"73
左右!稳定层出现的深度也较
泾川大
!"73
左右!说明在安塞县降雨和林木根系
耗水对土壤水分的影响程度和深度均大于在泾川
这种差异主要是由于安塞气候较泾川干旱"表
!
#!
林木细根系分布较深更多地利用了深层土壤水分等
所致
;,<
!
黄土高原刺槐人工林土壤水分垂直变化模型
的验证
此前!赵忠等通过对黄土高原刺槐人工林土壤
水分实测数据的分析!运用隔室模型建立了降水在
土壤中的入渗平衡模型)$#*$
;"
*
(=7
(#
#
i-
"
#(*
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#
7
#
i;<
"
"
#
#
式中!

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"
!
-
#
"
!
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#
#
=
#
"
&
;<
"
为常数&
;<
是距
地表的一定深度处土层的土壤含水量特征值"
@
#&
7
为土层深度"
73
#&
=
#
为土壤对降水的吸附速率常
数&
=
为土壤对入渗水的衰减速度常数
;,<,:
!
模型的验证
!
运用
X]XX#%,"
统计分析软
件!分别对泾川县和安塞县不同立地刺槐林地土壤
水分的垂直变化进行拟合!所得结果见表
$

从以上的拟合结果看!两地各个月份的拟合优
度
"
! 值均在
",&$
以上!证明模型"
#
#能很好地拟合
黄土高原不同水分生态区刺槐人工林地土壤水分的
垂直变化
;,<,<
!
模型特征值的比较
!
将表
%
中的各参数带
入模型"
#
#中!可求得不同月份泾川和安塞刺槐林地
土壤含水量的系列理论特征值!即达到峰值时的土
层深度!拐点处土层深度!从地表至峰值点和拐点处
的土壤贮水量和以及稳定层土壤含水量"表
$
#
从表
$
可以看出$"
#
#无论是在泾川还是在安
塞!土壤含水量峰值点的理论值与实测值基本吻合!
即泾川出现在
!"
"
$"73
土层!安塞约在
"73
左
右处!都是阴坡比阳坡的浅!距树
*"73
处深于距树
")#
西
!
北
!
植
!
物
!
学
!
报
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卷
表
;
!
泾川(安塞不同月份水分垂直变化验证结果
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!
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I
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I
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地点
C874U.80
月份
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坡向
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^
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距树干距离
O./U407>=T83
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73
方程参数
2
6
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阳坡
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^
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#*"73
处!各月份峰值出现的土层深度为
#"
月
$

月
$
$
月
$
&
月&"
!
#土壤水分垂直变化的拐点!泾川
出现在约
1"73
土层处!安塞约在
##"73
处!阴坡
拐点浅于阳坡!距树
*"73
处深于距树
#*"73
处!
各月份拐点出现的土层深度为
#"
月
$

月
$
$
月
$
&
月!与峰值变化一致&"
%
#两地土壤贮水量"
>
:
^
(
>
:
6
#和与土壤含水量表现一致!均为
#"
月
#
$
月
#

月
#
&
月距树
*"73
处大于距树
#*"73
处!峰
值处和拐点处的土壤贮水量!均表现为阴坡小于阳
坡泾川土壤贮水量明显高于安塞
;,;
!
刺槐林土壤水分动态模型的建立
通过验证不难发现"表
%
!表
$
#!尽管模型"
#
#能
很好地拟合各月份的数据!但模型中各参数变化幅
度较大!很难确定一个具体的值!这给模型的应用!
即预测不同月份土壤含水率的动态变化带来不小困
难为了解决这一困难!需将模型作如下转换!建立
动态模型$
;"
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i>!
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!
#
式中!
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(
6
(
<
(
>
(
?
(
@
(
A
(
B
均为经验系数!为时
间"月份#这样就把以前的参数

(
-
变成了一个随
时间变化的函数使用
$
个月的调查数据对式"
!
#
进行验证!结果见表
*
和表


由表
*
可知!模型"
!
#对两地的拟合优度
"
! 值
都符合统计学要求!很好地反映了黄土高原半湿润(
半干旱地区刺槐人工林地土壤水分随时间的变化
#)#
&
期
!!!!!!!!!
李
!
剑!等$黄土高原刺槐林地土壤水分垂直分布特征及其动态模型的建立
表
?
!
泾川(安塞不同月份刺槐林地土壤水分理论特征值
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!
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I
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I
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地点
C874U.80
月份
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坡向
2Y
^
8/.U.80
距树干距离
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^
%
73 B
6
%
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:
^
%
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E.0
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B
^
,
峰值土层深度&
B
?
,
拐点土层深度&
>
:
^
,
地表至峰值点处的土壤贮水量&
>
:
6
,
地表至拐点处的土壤贮水量&
5
,
稳定层土壤含水量
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$
B
^
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^
U:
&
B
?
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^
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^
U:
&
>
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^
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^
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^
8.0U
&
5
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R
>T,
!!
从表

可以看出!两地在距树干
*"73
和
#*"
73
处各参数差异很小!但是阴(阳坡之间差异较大!
泾川和安塞两地之间的差异也明显因此!可以按
照水分生态区和坡向分别对各参数求平均值!分别
建立适用于不同地区和坡向立地的土壤水分动态模
型"
%
#
"
"

#
泾川阴坡立地$
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!
(
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表
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!
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!
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!
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I
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MW
"
#,*! #),# #$,# #*,)$ ,"# *,)% *,%" *,%
图
*
!
泾川县不同坡向刺槐人工林土壤含水量趋势面图
4,
阴坡&
S,
阳坡&图

同
[.
I
,*
!
X8.538./UUT>0?/7:4TU8=":
(
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^
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^
8/.U.80/4UE.0
I
7:<40W8<0U
R
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R
>Y
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8/.U.80
&
S,X<00
R
>Y
^
8/.U.80
&
_:>/43>4/[.
I
,
图

!
安塞县不同坡向刺槐人工林土壤含水量趋势面图
[.
I
,
!
X8.538./UUT>0?/7:4TU8=":
(
)*+,#--%
^
540U4U.80/.0?.==>T>0U>Y
^
8/.U.80/4UB0/4.W8<0U
R
%)#
&
期
!!!!!!!!!
李
!
剑!等$黄土高原刺槐林地土壤水分垂直分布特征及其动态模型的建立
表
B
!
动态模型验证结果
_4S5>&
!
_:>T>/<5U/8=?
R
043.738?>5V45.?4U.80
动态模型
O
R
043.738?>5
验证所采用数据
K/>?U8V>T.=
R
?4U4 "
!
式"
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$
月份阴坡
X:4?
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^
8/.U.808=E.0
I
7:<40W8<0U
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由图
*
(图

可看出!以上
$
模型很好地反映了
黄土高原不同水分生态区(不同坡向上土壤含水量
随时间"
!
#及土层深度"
7
#的变化趋势表
)
的验证
结果显示!模型拟合优度
"
! 值均符合统计学要求!
进一步证明了模型具有极高的应用价值
$
!
结论与讨论
本研究中不同水分生态区刺槐人工林地土壤水
分状况差异较大泾川的土壤含水量高于安塞!其
土壤含水量峰值出现在
!"
"
$"73
土层深处!然后
随着深度的增加逐渐降低!在
!""73
深度趋于稳
定&安塞的峰值出现在较深的土层!约在
"73
左
右!在
!!"73
深度趋于稳定这些都证明在安塞降
雨和林木根系耗水对土壤水分的影响!无论在程度
还是深度方面均大于在泾川!差异主要是由于安塞
的气候较泾川干旱!林木细根系分布较深更多地利
用了深层土壤水分等所致两地深层土壤水分含量
不受降水和林木根系耗水等的影响!趋于一个稳定
值!泾川在
##@
左右波动!安塞在
*,*@
左右
尽管泾川和安塞土壤水分垂直变化差异较大!
但模型"
#
#对两地土壤水分垂直分布的拟合均取得
较好的效果!两地各个月份的拟合优度值
"
! 均在
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以上!证明其能很好地拟合黄土高原不同水分
生态区刺槐人工林地土壤水分的垂直变化进一步
通过模型计算出的不同月份(不同坡向立地土壤含
水量峰值点
:
^
与实测值
:
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基本吻合!泾川出现在
!"
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垂直变化的拐点!泾川出现在约
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和
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综上所述!本研究通过建立时间(深度(土壤含
水率之间的三维方程!建立了不同水分生态区(不同
坡向刺槐立地土壤含水量动态模型!使黄土高原土
壤水分垂直变化的动态预测成为可能由于泾川地
处黄土高原半湿润区(安塞地处黄土高原半干旱区!
分别代表了黄土高原两大水分生态区!而黄土高原
特殊的土壤结构!决定了在相似的水分生态区土壤
水分垂直变化基本类似!因此这些模型在黄土高原
其它相似的水分生态区具有广泛的应用价值计划
对黄土高原干旱区(毛乌素沙地开展调查!进一步验
证模型的适用性!并根据情况对模型做出适当调整!
使该模型能广泛应用于黄土高原各个水分生态区
参考文献!
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