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绿洲是与荒漠相伴而生的非地带性景观,其发展与演变严重依赖水资源的供给。土壤水分作为陆地水循环的重要组成部分,直接影响土壤、植被、大气之间的物质传输与能量流动,对绿洲与荒漠生态系统结构和功能的稳定发挥着关键作用。理解和掌握土壤水分的时空分布及动态变化,是进行区域生态水文模拟、水资源管理和植被生态建设的基础。为了揭示荒漠绿洲地区较大尺度复合景观条件下土壤水分演变规律,本论文以黑河中游绿洲为例,在绿洲与荒漠交汇地段设置面积约100 km2的样带,于2012至2014年间对绿洲荒漠交错区土壤水分展开持续监测,利用经典统计分析、地统计分析、分形维数分析、灰色关联分析等方法,对0–300 cm土壤水分的时空分布特征及其影响因素进行研究。重点探讨了不同土地利用类型土壤水分的时空变异特征、不同指标在描述土壤水分时间稳定性时的差异、绿洲农田土壤水分最优监测点的确定、土壤水分分布与植被格局的空间关系、河岸绿洲土壤水分的梯度变化等问题,并采用基于随机模拟算法的概率阈值模型对研究区土壤发生干旱的风险进行评价。取得的主要结果如下:1.荒漠绿洲交错区土壤水分分布极端不均,在整个研究空间内呈明显的斑块状分布。土地利用类型对土壤水分的空间变化有显著影响,不同土地利用方式下土壤水分含量的大小依次为草地>农地>乔木林地>灌木林地>荒漠。农地、乔木林地和草地土壤含水量空间变异性随深度增加而减小,灌木林地和荒漠土壤含水量空间变异性随深度增加而增加。土壤含水量自身大小对空间变异性的影响随土地利用类型和土壤深度的改变而改变。在农地的60–100 cm、140–200 cm和乔木林地60–200cm深度,土壤水分空间变异性随区域平均土壤含水量的增加而减小;而在灌木林地60–100 cm、100–140 cm和荒漠60–200 cm深度,土壤水分空间变异性随区域平均土壤含水量的增加而增大。2.荒漠绿洲交错区土壤水分分布对植被空间格局起着决定作用,0–300 cm所有土层土壤水分含量与植被长势均有显著相关关系。受植被根系分布影响,上层0–100 cm土壤含水量比其以下各土层深度土壤含水量与植被关系密切,其中以40–80 cm土壤含水量与植被相关性最大。地统计分析表明,土壤含水量与植被的空间交互依赖距离处于4694 m与6300 m之间。土地利用类型对土壤含水量与植被之间的空间关系有明显影响,农地、乔木林地和草地土壤含水量与植被在空间上没有表现出显著相关性,而灌木林地60 cm以下深度和荒漠220 cm以上深度土壤水分与植被的空间分布具有显著相关性。3.荒漠绿洲交错区域土壤水分具有良好的空间组织结构,土壤水分的空间依赖性、自相似性以及自相关距离与土层深度密切相关。随着土壤深度增加,土壤含水量空间依赖性和自相关距离呈增加趋势,而空间格局的自相似性和复杂度呈下降趋势。由于受短程的环境过程影响,上层土壤水分的空间组织结构比下层土壤水分的空间组织结构更加复杂。土壤水分自身条件对土壤含水量空间依赖性和自相似性没有显著影响,但是对空间自相关距离有显著影响。表层0–20 cm土壤水分自相关距离随区域平均土壤含水量的增加而减小,而100–140 cm深度土壤含水量自相关距离随区域平均土壤含水量增加而增大。4.土壤水分空间组织结构可以在一定时间内保持相对稳定,随着时间间隔的增加,土壤水分时间稳定性会逐渐衰弱。土壤水分的时间稳定性具有明显的季节性特征,两个相同季节之间的土壤水分格局比两个不同季节之间的水分格局更加稳定。研究区不同采样点之间的土壤水分时间稳定性存在较大差异,土壤含水量相对差分标准差(SDRD)与平均绝对偏差误差(MABE)都表现出中等程度的空间变异性。相关分析表明,SDRD与MABE在表层0–20 cm土壤呈显著负相关,在120–140 cm和180–200 cm深度土壤呈显著正相关,而在中间60–80 cm深度不存在显著相关性。相对差分标准差和平均绝对偏差误差对土壤水分时间稳定性空间分布的描述以及对土壤水分时间稳定性样点的识别具有明显不同,在不同的环境条件下有其各自的适用性。在绿洲荒漠交错区域,影响土壤水分时间稳定性的主要环境因素是土壤颗粒组成和土壤含水量自身大小。通过时间稳定性分析,在老绿洲农田,可以找到适用于多个土壤层次的单一测点,准确估算区域土壤平均含水量;而在外围新垦沙地农田,利用单个样点对区域土壤平均含水量进行预测,其精度较差,可操作性不强。5.河岸绿洲0–200 cm土壤剖面土壤平均蓄水量厚度约367 mm。空间分析表明,随着与河岸距离的增加,土壤水分呈梯级下降,沿岸绿洲农田土壤蓄水量平均高出荒漠地区土壤蓄水量300%以上。河流对沿岸绿洲土壤水分的直接影响集中在3000 m以内,经过长期的发展,围绕这一距离逐渐形成了河岸绿洲的边界。在此距离以外,河水对土壤水分的补给作用较弱,人工绿洲的形成与维持依赖于抽取地下水或人工引渠灌溉。河岸绿洲与外围新垦沙地农田之间存在一条土壤水分较为稳定的样带,可以用于指示绿洲生态系统的演变与发展。6.随机模拟算法能够充分揭示绿洲荒漠交错区土壤水分空间变异特征,200次模拟实现详尽地展示了不同采样时间土壤含水量可能的空间分布。基于随机模拟的概率阈值模型是评价土壤水分不确定性的有效工具。本文以60%的田间持水量为界,分析2013年植被生长季节不同土地利用类型土壤发生干旱的可能性。随着设定的概率阈值不断提高,土壤发生干旱的面积比例逐渐下降。当联合概率为0.6时,研究区有1.3–3.8%的农地,2.6–5.2%的乔木林地,3.2–4.6%的草地,2.7–7.4%的灌木林地出现干旱。本研究表明,在绿洲荒漠交错区域,土地利用类型和土壤机械组成是影响土壤水分时空分布的主要因素;尽管研究区土壤水分存在很大的时空变异性,但仍然具有良好的空间结构和较强的时间稳定性;土壤水分的时间稳定性分析可以优化土壤水分监测网络,指示绿洲与荒漠生态系统的扩张与演变;基于随机模拟算法的概率模型能够有效评估不同土地利用类型土壤发生干旱的风险,为了防止土地退化维持绿洲生态系统可持续发展,改善现有农田灌溉制度,适当增加对绿洲边缘防护林的灌水是必要的保护措施。这些研究结果将有助于加深对荒漠绿洲区域景观尺度生态水文过程的理解,为干旱地区植被建造、生态与环境保护提供科学依据。