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《兰州大学》 2017年
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祁连山区土壤水分遥感估算及时空变异特征

白晓  
【摘要】:土壤水分是地球水循环系统的重要组成部分,是联系地表水与地下水的重要纽带,土壤水分对降水、径流、下渗、蒸散发等水文过程起着重要作用。在我国西北内陆干旱区,水资源的匮乏严重制约着区域社会经济的发展和生态安全的维系。近年来,随着区域经济社会的快速发展,生产、生活和生态需水量持续增加,水资源短缺与需求日益增长的矛盾日趋突出。由于内陆干旱区以流域蓄水补给为主,土壤水分既是地下蓄水的重要组成部分,又是地下蓄水的主要补给来源。获取内陆干旱区高分辨率土壤水分数据集,分析土壤水分时空变异特征十分重要。祁连山区是包括疏勒河、黑河和石羊河在内的三大内流河的发源地与主要产水区,是河西走廊灌溉农业区的水源地,山区水资源对维持甘肃省河西走廊地区与内蒙古自治区西部地区人民生活、经济发展、生态系统极其重要。本文以位于祁连山中段地区的黑河上游为研究区,建立31个原位观测点,布设ECH2O收集5层(0~70 cm)土壤水分数据,采集土壤样品,经室内分析得到土壤样品的理化性质。建立利用MODIS时序植被指数和地表温度数据来获取土壤水分数据的土壤水分估算模型。得到2013年10月16日至2016年10月14日研究区时间分辨率为16 d、空间分辨率为1 km?1 km的5层土壤水分数据集。以年际、季节尺度分别探讨整体剖面与分层土壤水分的时间变化、空间格局和剖面异质性特征。通过对TRMM降水数据降尺度、土壤理化性质插值、地形要素计算,利用典范对应分析法得出影响研究区土壤水分的主控因子,为区域尺度土壤水文水资源研究提供理论依据。主要研究结论如下:第一,以MODIS时序植被指数、地表温度数据和实测土壤水分数据建立的土壤水分估算模型自身复相关系数基本在0.47~0.94之间,均方根误差在0.03左右,能够通过0.99的显著性检验。其与验证站点的分析也能通过0.01的F检验。表明本文基于分区MODIS时序植被指数和地表温度数据的土壤水分估算模型精度可靠,可应用于与祁连山区类似的地形复杂、土壤植被类型多样的高寒山区。第二,土壤水分时间变化特征显示,就年际尺度而言,整体和分层土壤水分2014~2016年生长季(4月23日~10月15日)呈逐年缓慢上升趋势。在季节尺度上,整体土壤水分由高到低依次为夏季、秋季、春季、冬季,变异程度为春季、冬季、秋季、夏季。此外,土壤水分在各个层次上均值由大到小依次为夏季、秋季、春季、冬季,其中秋季和春季差别不大。0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm土壤水分季节空间变异特征和整体一致,由大到小依次为春季、冬季、秋季、夏季,而30~50 cm为冬季、春季、秋季、夏季,50~70 cm为冬季、秋季、春季、夏季。所有时间尺度上土壤水分均为中等程度变异。第三,土壤水分空间格局特征显示,就年际尺度而言,生长季的土壤水分均值0~50 cm各层东部地区普遍高于中西部,50~70 cm为东部和西北部土壤水分较高。土壤水分年际变化幅度则是西部大于中东部。除0~10 cm土壤水分年际变化2015~2016年为东部大于西部地区外,其余各层在各年度的土壤水分年际变化量均西部地区大于中东部。所有季节东部地区土壤水分高于中西部。第四,就土壤水分剖面异质性而言,剖面中20~30 cm土壤水分最高。与整体剖面土壤水分相比,20~30 cm在所有时段均较高,0~10 cm和10~20 cm在夏半年较高,50~70 cm在冬半年较高,而30~50 cm在所有时段均小于整体值。30~50 cm层与整体剖面土壤水分变化最为接近。第五,影响土壤水分的环境因子相关分析显示,降水与土壤水分为正相关关系。粘粒、粉粒和有机碳与土壤水分为正相关关系,砂粒为负相关。土壤水分和坡度呈现负相关关系,海拔处在区间2750~3750 m的土壤水分较海拔区间为1500~2750 m和3750~5000 m高且变异性大。第六,利用典范对应分析法排序综合分析土壤水分与环境因子的关系,结果表明,绝对高程、降水和有机碳是影响区域尺度土壤水分的主控因子,而土壤粒度和地形要素是影响剖面尺度土壤水分的重要因子。土壤水分估算方法为区域尺度山区土壤水分研究提供了新的思路。相应土壤水分数据集和时空变异特征及其与环境因子的关系可以为水文水资源模型输入提供基础数据,并为区域水资源优化配置提供理论依据。
【关键词】:祁连山区 土壤水分 原位观测 遥感估算 时空变异 环境因子
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S152.7
【目录】:
  • 中文摘要3-5
  • Abstract5-10
  • 第一章 绪论10-17
  • 1.1 研究背景及研究意义10-11
  • 1.2 国内外研究进展11-15
  • 1.2.1 土壤水分测量方法11-13
  • 1.2.2 土壤水分时空变异特征及其影响因子13-15
  • 1.3 研究内容与技术路线15-17
  • 1.3.1 研究内容15-16
  • 1.3.2 技术路线16-17
  • 第二章 研究区概况17-20
  • 2.1 地理位置17-18
  • 2.2 地质地貌18-19
  • 2.3 水文气象19
  • 2.4 土壤植被19-20
  • 第三章 材料与方法20-30
  • 3.1 数据来源20-27
  • 3.1.1 土壤植被类型分区设置及原位观测样点布设20-22
  • 3.1.2 实测土壤水分数据测量22-23
  • 3.1.3 土壤理化性质23-24
  • 3.1.4 植被指数及地表温度数据获取24-25
  • 3.1.5 降水数据获取25-26
  • 3.1.6 地形要素获取26-27
  • 3.2 研究方法27-30
  • 3.2.1 非对称高斯函数拟合27-28
  • 3.2.2 多元线性回归拟合28-29
  • 3.2.3 典范对应分析法29
  • 3.2.4 箱型图29-30
  • 第四章 土壤水分估算30-41
  • 4.1 MODIS NDVI时间序列数据重建30-32
  • 4.2 MODIS LST时间序列32-33
  • 4.3 土壤水分回归模型与估算33-39
  • 4.4 土壤水分估算精度验证39-41
  • 第五章 土壤水分时间变化特征41-57
  • 5.1 年际土壤水分变化特征41-48
  • 5.1.1 年际土壤水分整体变化特征41-43
  • 5.1.2 年际土壤水分分层变化特征43-48
  • 5.2 季节土壤水分变化特征48-55
  • 5.2.1 季节土壤水分整体变化特征48-50
  • 5.2.2 季节土壤水分分层变化特征50-55
  • 5.3 小结55-57
  • 第六章 土壤水分空间格局特征57-71
  • 6.1 年际土壤水分空间格局与变化特征57-64
  • 6.1.1 年际土壤水分整体空间格局与变化特征57-58
  • 6.1.2 年际土壤水分分层空间格局与变化特征58-64
  • 6.2 不同季节土壤水分空间格局与变化特征64-68
  • 6.2.1 不同季节土壤水分整体空间格局与变化特征64
  • 6.2.2 不同季节土壤水分分层空间格局与变化特征64-68
  • 6.3 土壤水分剖面异质性特征68-70
  • 6.3.1 不同层次土壤水分时间序列变化68-69
  • 6.3.2 不同层次土壤水分及其变异特征69-70
  • 6.4 小结70-71
  • 第七章 土壤水分与环境因子关系分析71-82
  • 7.1 土壤水分及环境因子相关性分析71-79
  • 7.1.1 土壤水分与降水的关系71-72
  • 7.1.2 土壤水分与土壤理化性质的关系72-77
  • 7.1.3 土壤水分与地形要素的关系77-79
  • 7.2 土壤水分变化环境因子CCA排序分析79-80
  • 7.3 小结80-82
  • 第八章 结论与展望82-85
  • 8.1 结论82-84
  • 8.2 创新性与不足84-85
  • 参考文献85-93
  • 在学期间的研究成果93-94
  • 致谢94

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