塔河干流土壤水力参数空间异质性及尺度特征

土壤水分运动是内陆河流域地表水-植物耗水-土壤水-地下水水文界面过程的核心，是四水转化的纽带。土壤水力参数直接反映GSPAC系统水分转化与循环。受土壤、植被、气候、地形等环境条件的控制，土壤水力参数在不同尺度上具有空间异质性的规律。本项目以塔河干流为研究区域，以不同尺度下（点-线-面）土壤水力参数异质性特征为核心，以土壤水力参数的定量辨识作为切入点，运用地统计学、土壤水动力学、随机理论、分形理论等方法，定量分析横向、纵向、垂向尺度土壤水分参数的空间结构与变异性特征，阐明不同环境梯度对土壤水分参数异质性的控制机理及尺度特征，实现不同尺度水力参数的推绎。为流域生态水文模型结构的尺度确定和参数估计，有效解释塔河河岸生态过程的水文机制提供科学依据。

土壤水力参数的空间变异是影响GSPAC系统物理、化学和生物过程的主要因素。捕捉土壤水力参数的空间异质性、度量代表性误差、实现尺度上推，对认识流域尺度GSPAC系统的水分传输过程，减小地下水流及溶质运移数值模拟的不确定性具有重要的意义。以土壤水力参数的空间变异与定量辨识为主线，运用随机理论与统计学（经典统计学与地统计学）理论，研究土壤水力参数的空间异质性与测量尺度的关系，揭示不同尺度（田块-样带-流域）土壤水力参数与环境因子的关系，预测区域尺度土壤水力参数的空间分布。得到如下结论：.（1）分析塔河源草甸土区250m×250m（L区），内套一个50 m×50m（M区），再内套一个10 m×10m（S区）3个尺度下，不同深度的土壤含水量空间变异性与尺度效应。结果表明： S区各层土壤含水量均呈弱变异，而M区与L区呈中等变异，变异系数为6.44%-28.50%，土壤水分变异性随采样间隔的增加而增加，垂向上随采样深度的增加呈先减小后增加的趋势。随尺度的增加变程增大，随机因素引起的异质性所占比重越大。（2）研究田块尺度、条带尺度下，不同地形条件、土壤质地、植被覆盖梯度、地下水埋深梯度下，各驱动因素对土壤水分异质性的的影响程度或贡献大小。结果表明：影响田块尺度土壤水分的因子重要性为：水源要素>土壤属性>土地利用>地形要素；影响样带尺度的为：土壤属性>水源要素>土地利用>=地形要素；影响流域尺度的为：土地利用>土壤属性>地形要素>水源要素。(3）利用传统统计方法与广义可加模型（GAM）研究流域尺度下土壤质地空间变异规律，探究土壤质地空间变异的机理。结果表明：土壤质地空间格局主要受重力作用、水动力作用、成土母质和人类活动等因素的影响。GAM模型对砂、粉和粘粒的总偏差解释率为52.71%、52.97%和42.24%。影响土壤质地空间分布的因子按重要性从大到小依次为地表高程、垂直于河道距离、坡度、土地利用、离源头的水平距离和土壤类型。（4）运用4种土壤传递函数进行塔河干流土壤饱和导水率预测与检验，通过尺度上推的方法预测流域尺度土壤水力参数的空间分布特征。结果表明：CAMPBELL模型为4种PTFs模型中最适合本研究区的土壤传递函数。从空间分布的预测结果来看，不同分层土壤饱和导水率的分布特征具有相似性，而深层大于浅层土壤饱和导水率。