geostatistical analysis of soil moisture variability on da nangou catchment of the loess plateau,...

8
Geostatistical analysis of soil moisture variability on Da Nangou catchment of the loess plateau, China Jun Wang á Bojie Fu á Yang Qiu á Liding Chen á Zhi Wang Abstract To achieve a better understanding of environmental issues related to soil erosion, ¯ood- ing, and solute transport, it is necessary to under- stand the variability of soil moisture under different climatic and geological conditions and at different spatio-temporal scales. Moisture patterns based on ®ve depths 0±5, 15±20, 25±30, 45±50, and 70±75 cm) were determined in the Da Nangou catchment of the loess plateau of China from May to September 1999. Spatial structure of pro®le-aver- aged and layer-averaged soil moisture was analysed using semivariograms. The results indicated that soil moisture exhibits changing spatial dependence with time and depth. For pro®le-averaged soil moisture, high sills [4.6±14 %v/v) 2 ] and high ranges 135±160 m) were observed during dry conditions. The sills [2.6±6.3 %v/v) 2 ] and ranges 140 m) were small during wet conditions. However, soil moisture was described by linear semivariograms without a sill following a signi®cant rain event. For layer- averaged soil moisture, the sills increased with depth, but not for the ranges. The nuggets tended to increase with higher sills. This analysis provides insights into the variability of soil moisture on a large scale and interpolation strategies for extrapo- lating point measurements across the catchment. Keywords Soil moisture á Semivariogram á Spatial structure á Loess plateau of China Introduction Soil moisture is critical for addressing environmental is- sues related to soil erosion, ¯ooding, and solute transport Kitanidis and Bras 1980; Moore and others 1988; Ritsema and others 1996). However, soil moisture is highly variable in space and time, and its variability results from many processes operating at a wide range of scales in¯uenced by soil type and texture Zhu 1991), land use Fu and others 2000), vegetation Hawley and others 1983), and topog- raphy Famiglietti and others 1998). To achieve a better understanding of these issues, it is necessary to under- stand the spatio-temporal variability of soil moisture un- der different climatic and geological conditions and at different hierarchical space scales and time scales Moh- anty and others 2000). Current emphasis on modelling of runoff and non-point pollution requires extensive ®eld data on soil moisture for model validation because of its impact on water ¯ux pat- terns. To be of use, the soil moisture data need to be grouped, manipulated, or scaled to bring out spatial de- pendence and independence, as well as similarities and differences common to areas, or layers of soil. One way of detecting this attribute is by its geostatistical correlation structure in space. Quantitative estimates of this structure are required for a number of purposes including the in- terpolation strategies from point data and estimation of the average catchment soil moisture. The geostatistical method using semivariograms was originally developed by mining engineers to asses spatial variability in soil samples for gold ore Matheron 1963; Webster and Oliver 1990) and then extensively used in the environmental ®eld Polhmann 1993) to resolve site- speci®c problems. The semivariogram has three main features: the sill, the correlation length range), and the nugget. A semivariogram typically increases from a Y- intercept the nugget), which is usually other than zero, and levels off at a maximum the sill), which occurs at and beyond a particular lag distance the range). The range identi®es the distance beyond which pairs of points no longer exhibit spatial dependence. The nugget indicates Received: 11 February 2000 / Accepted: 30 March 2001 Published online: 31 May 2001 ã Springer-Verlag 2001 J. Wang á B. Fu &) á Y. Qiu á L. Chen Department of Systems Ecology, Research Centre for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, P.O. Box 2871, Beijing 100085, China E-mail: [email protected] Fax: +86-10-62923563 J. Wang Land Consolidation and Rehabilitation Centre, Ministry of Land and Resources, No. 50 Da Jue Alley Xicheng District, Beijing, 100035, China Z. Wang Department of Environmental Sciences, University of California, Riverside, CA 92521, USA Cases and solutions DOI. 10.1007/s002540100350 Environmental Geology 2001) 41:113±120 113

Upload: zhi

Post on 25-Aug-2016

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Geostatistical analysis of soil moisture variability on Da Nangou catchment of the loess plateau, China

������������� ������ �� ��� ������� ���������� � �� ���������� �� �� ��� ���� �������������� ���� � ��� �� � ��� �� � ���� ���� � �� ����

�������� �� ������� � ��� � ����� �� � ��� ���� �� �� ������ ������ � ���� ������ � ������ �� � � ����� �� ����� � �� �������� � � ������ � �� ��������� �� ���� ������� � ��� ������� ������� � � ���������� �� ���� � � � � ������� ������������� ������� ������� ���� � ���� � ��� ����� ����� ��!�� !��"�� #����� � �$��$� ��% &��� ������ �� � �� '� (� ��������� �� �� ����� ������ �� )�� � ���� ��� �*������ +++� *����� ������� �� ���������������� � � �������������� ���� ������� &�� � ��������� � ��������������� ��� ������ � ������ �� ����������� �,���� ��� �� � ������ ���� �� �� &����� � � ����� -�� ��������������� ���� ������������ ����� .#�/� # 0��1�%!2 � � ���� �� ���� "�� /� �% &��� ������� ���� � ��� �� ���� ����� ����� .!�/�/�" �0�1�%!2 � � �� ��� � #� �% &�������� ���� � &� �� ���� �� 3�&����� ���� �������&�� �������� � �� ��� �������������� &���� ����� �����&� � � ��� ���� ��� ��� � -�� �������������� ���� �������� �� ����� � ������� &������� � � ��� �� �� ���� ��� ����� � ��� �� ������ &�� ������ ������ ���� � ������ ��������� ����� � � �� ��������� �� ���� ������� � ������ ����� � � � �������� �������� ��� �,�������� � ��� ��������� � ������ �� ������ �

���� � *��� ������� � *������������ � *������������ � 4���� ������ �� )�� �

����������

*��� ������� �� ������� ��� �������� � � ���� �� �� ������� ������ � ���� ������ � ����� �� � � ����� �� �����5�� ���� � � 6��� +7�8 ����� � � ����� +778 9������ � ����� ++/%� 3�&����� ���� ������� �� ������ �������� ����� � � ���� � � �� ��������� ������ ���� �� ���������� ������ � � � &��� �� �� �� ������ � ��� ��� ����� ��� � � �,��� �:�� ++ %� �� � ��� �-� � � �����!���%� ������� �3�&��� � � ����� +7"%� � � ���������� �-�������� � � ����� ++7%� �� ������� � ���� ����� �� � �� ���� ������� � �� �������� � � ������ � �� ������������� ��������� �� ���� ������� � ���� ������� ������� � � ���������� �� ���� � � � �������� ������������ ����� ������ � � ��� ������ ������ � � � ����� !���%�)���� �������� � ������� � �� �� ��� � � � ���� ������� ��;����� �,� ���� ���� ��� � ���� ������� �������� �������� ������ �� �� ����� � &��� ��, ����� �� �� � �� ���� �� ���� ������� ��� ��� � ��������� �� �������� �� ������ � �� � �� ������ ����� �� �� � � � ���� �� ��� �� &��� �� ����������� � �������� ��� ����� � ������ �� ������ �� ����� < � &�� ������� � ��� ����� �� � �� ����������� ��������� ������� � ������ =�� ����� ������� �� ��� ���������� ��;����� ��� � ���� �� �������� � ����� � �� � ��������� �������� ���� ��� ��� � � ������� ���� ������� ������ ���� ����������� ����������� ����� ��� � �������������� &������� ���� ��������� � �� � � � �� ���� � ����� ��������������� � ���� ������� ��� ���� ��� ������� +/"8>���� � � <����� ++�% � � �� �,� ������ ���� � ��� ���� �� �� ���� �?����� ++"% � ������� ����������� �������� ��� ������������� ��� ���� ��� �������@ �� ����� �� ��������� �� �� ��� ��%� � � �� ����� A ������������� �������� � ������� ���� � ��� ����� ��� ����%� &���� �� ������� ���� �� B����� � ������ ��� � � ��,���� ��� ����%� &���� ������ � � ���� � � ��������� ��� ���� �� ��� �� ��%� ��� �� ����� ���� �� ���� �� ��� � &���� ����� �� ��� � ��� ��� �,��� ������ ���� �� ��� ��� ���� � ������

�������� �� �������� ���� � ���� !��� "� #���� ����$��%&��� ��%��� "� #�� ����� ' �����()��%�� ����

�* ���� � �* �� +�, � * �� � �* ����-� ��!.��! �/ '�&!�.& 0��%���1��&����� ���!�� /�� 0��(0�����.��!�% '�����&1����&� �����.� �/ '�����&1 $*2* ��3 �45�1���� ����461 ����0(.�%� �/�7.�%*����&*��*����3� 849(��(9�:�"69"

�* �������� ���&�%��!�� ��� �����%!�!�� ���!��1#�&!�� �/ ���� ��� ��&�����&1;�* 6� -� ��� �%%�� <����� -&!��!1 ����1 ����"61 ����

�* ����-� ��!.��! �/ 0�����.��!�% '�����&1=����&!� �/ ��%/����1 ����&��1 �� :�6��1 ='�

����� �� �������

���� ������� ���!"#����$"� 0�����.��!�% >��%��� +����, #�%��$&�!� ��$

Page 2: Geostatistical analysis of soil moisture variability on Da Nangou catchment of the loess plateau, China

�� ����� �� � B��� ���� ��� &���� �� ������ � ���������� ����� �� �������������� ���� �� �� ������������ � ���� ����� � ����������� ���� ������ �� ������ ��������� ��������� ���� �������� � � -�������� � � ����� � ++7%� � C����� � � >���� � ++7% ���� �������� ��������� ���� ��������� �� ���� ������� 3�&����� ��� ��������������� ��������� � ��� ��� � ���� ������� ���� ������� ����� ��� ������ �>���� � � ����� ++7%� -���,������ ���������� �� &��� � �� ������ �� ���� ���������� �� ���� ��� �� ������� �� � ������� �6��� � 6����� +7�%� ����� �� ���� � ������� � �� ��������� � �� ������ ������� �� ������� ���� �����*����� ��������� �� ���� ������� ��� �� �������� ��� ������������ ������ ���� � ������� �� ��� � � ������������� ���� 3�&����� ��� �������� ��� ���������� �������� �� ������ � � ������� �������� �� -�� �,������� 3���� � � 9�� ���� � +/+%� 4����� � ++!%�*������� � � D��E�� � ++/%� � � ���� � � � ������!���% ���� ������� ���� ������ ��������� �� ������������ F �� ���� ���� ����������� ���� ��� � ��������������� � *��� ������ ���� ������� ����� �� ��� ������ ���� ������� �� � �� F �� ?���� �� G������9���� ��� �� �� ��� *��� � -�BH�� � � ����� � ++7% ���� �� � �� �� �� ��� 7 � � � � ���� �� "�!# �0�1�%! � ��� �� ���� �� � � � �� �� �� � � � � � ���� �� /��$�0�1�%! � ��� &� �� ���� �� <��� ������� �� ��� ������ �� ����� �� / � �3�&��� � � ����� +7"% � � ������� �� "���� � �3���� ��E � � ����� ++/%� (� �� ��� ��� � ������ ���� �� ��� � � ������� ��� � �� ��� ��/�"���� � ������ �� ���� ������� �� � �������� �� ������� � � ��� ���� �� �� ��������� �� ��� �� ������� ���� �� �� �'������ � � >��� ++�%� ����������� � ����� � ������ �� ������������� ������� ������ ������� �������� ������� ������ � �������� ����;����� � ������� ������ �� � ������� ������ � � ���� ������ �� �� �� ������� >� ������ �� ����� ������ ��)�� �� 6������ �� �������� ���� ������� ��������� � �������� �� ���� �� ����� ������� ��� &��������� � ��&�� �� )�� �� �� ���� � �� ��������� ����� ������� ���������� ������ ��� � ��� ����� �� ������ ��� �� ������ � �� &����� �� �� �� ��� ����� �)�� � � 4��E +7+%�<�� �H������ &���@ � % � � ����� ����� �� ��� ��� � ������ ������� �� ���� �������� � ��������� ���� ������&� � � ��� ���� ��� ��� 8 �!% � ������� �� �������������� �� ��������������� � � �������������� ����������� �� � �8 � � �"% � ������� �� ��������� � ���� �������� �������� � � ������ ��������� �� �������� ���� � ����� ������

'������� �� ������

(���� ������� '� (� ��� ������ �"/��"I(� �+� $IJ% �� ������ ��� �� �� �� �� �� ����� ������ � ����� *��� ,������ ��� )�� �� ��� ������ ��� � ���� �� "�� E�!

� � � ������ �� ����� �"�� �� ?���� ��� ���� ��������� ���� �������� ��� �� ����� ������� � � � ��

�� � ��� &�� � ������ �� ����� ������ �� �����& �� ��������� �� ���� �� �� � � &����� ����� ����� ��� � �������� �� � � �� ������ &�� � ������� � ��� ��������� �� 7�7 �)� �� ��� ��� ���������� �� �� ���� !!�� �) � D��� � �$ �) � D� ������ ��� ������� � ��� ���������� �� �/! �� &������ � ��� ��� ���������� � � /�0 �� �� ��� ���� ������&�� D��� � � *�������*��� �� �� ���� ���� ��������� � &� ���������� ��������� �������� ��� ���� �� ��������� �� )����� )������ � -A<1K(J*)<1F*9F) � +77% ���� ����������� � ��� �������� � ���� � �� ���� ���� �� ����� � � ��� � �,��� ����� �� �� � ���� /# � $"0 � � ���� ����� � ���� $ �!�0� F �� &��E�� ������ � ������ �

(� ��� ������-��� ��H��� ��������� �� ���� ������ ���� &� ��������� � &��� ������� � ������� ���� ������� �� �� �-��� %� ��� ���� �� ���� ���� � ��� �� /$������ � ��� � � !� � � ������� G�������� ����������� &�� �������� ��� � � ����?��� *��� �������*� ��� ���� �4 �'����� '������� J�HE��E��� A���������� J;����� � ��� (������ ��%� F� �������� &������E�� � ��������� � � ! ������� &�� ��������������� ������ �� &��� �� � � �� �� � ���� �������� � ����� � &��� � ��� � ��� ��� �;���� �������� &�� ���!�" ��1�%�*��� ������� &�� �������� � � ������ �� �����,������! &��E� ���� ��� � *������ +++� � � ���� ��������� � �� ���� ��� ���� ��� ��� ���� ��� ��� �� A��������� � � �� ������� � ����� ���� �������� ���� ������� �� / ��� ������� ��" ��� � � ����� � !���" ��%&��� � ����� ��������� � � �� ����� � � ����� �� � ������ � �� �� ��������� ����� �� �� ����?���

)��� �*����� �������� �� ������ � ��� � � �� '� (� ��� ������ ��� �� ��� � �� �� ��� !� �� �� ��� "� �� �� ��� #%

����� �� �������

��# 0�����.��!�% >��%��� +����, #�%��$&�!�

Page 3: Geostatistical analysis of soil moisture variability on Da Nangou catchment of the loess plateau, China

�����B��� 6������ �� �� ��������� ���� �� ��������� ��������� � &��� �E� � ��� �� ��� ������� � &��� � !���������� ������ ���� � ���� ��� �������� &�� �������� � ��� �����@ ���� ��!�� !��"��#����� � � $��$� ��� ��� ���� ������� �� � � &������������ ��� ���� ���� ��������������� �������% � ���� �� &���� ������ ���������������� �������% � �������� A������ ��� ���� &�� �������� � ��� ���������������� ��� ������ ������ � �� ������ �

(��������� ������*������� � ������ �� ���� ��� &�� ��������� � ��������@ � % ���;�� �� �������� � &��� �,��� �� � � ������� ��� ��������8 �!% �� �������� � &��� ��������� ��� � ��������� ������� � ��� ��� �� ����� �����!%� �������� � �� ������� �)G%� ����� �� �� ���8 � ��"% �������������� &��� �� ������ � � ��� � ���������� ��� ���������� �������� ���� �� �� ��� � �!� � �)G� &��� ��������� ��� � *?** ���&��� �*?** F �� ++"%�� � ������� &�� �������� ��� � �� � �������� 5������������*��� �� �5*% �� ��� ���� ��������� ���� � *?**�>� ���� F4>F* � ++7% � � ����� �� ������ ������� ���� ��� &�� �� ��������������� *�������� �� &�� ���������� ��� ��� ���� ��� �� � !#� � � ! � ������%� &����&�� ������� ���� �� ���� �� ��,���� �������� ����� �� �&�� ������ � ��� �� J��� ���� �� ����� �� ��� �� � ���� �$ ����� �� ��� � ��� �� ��������� ����������� �� � � ��� �� �� �� L7� ����� �� ��� ��� ��6������ �" �� /$ ������ � ��� � &��� ������ � �� ����!� "� � � #� &���� &��� ��� ��� ���� � �-��� %� �������������� &��� �������� ��������� �� ����%% &�� ������� �@

� �� � �

!� �� ��� �� �

��� � � � �� �� �! � �

&���� �� ���� �������� � �� �� ������ ������ � � � ���%�� �� ���� �� ����� �� ������ � �������� � � ������� �� ����� �����&� � ��������� .J;� �!%2 � � �,�� � ��� .J;� �"%2������ &�� � ���� &��� ��� � �� �,������ ����������������@

� �� � � �� � �"

!

!

�"

"

� � � � �

� �� � � �� � � � �

����� �!�

� �� � � �� � � � ���

� ��"�

&���� ���% �� �� �������������� �� �� �� ����� ���M�%�� �� ����� � � �� �� ��������� �� ��� ��� ���������� �� ��� �� �,�� � ��� ����� �� " � &���� �� �� ��� �&���� ���% ������� +�0 �� �� ���� �>���� +7�%� ���;����� �� �� ������������� � � �� ��� &�� � ��������� � �! ��������� � � � ���� ��������� ��@

� � �!

� �! � � �

�� �#�

&���� � �� �� ���� ��� ������� � � � �� �� ���� ���������� � �� ��������� ������

*�����

����������� ���������� ������*����� ���� � �� ���� ������� &��� �������� ! �������� �� &���� �������� ������� ���� ���&� ������������ ������� ��� ���� ��������������� ����������� �� ����� ��� ����� ������� ��� � �� ��������������������� �� ���� ������� �&�� &� � ! D���� � D���� � � !! D���% � � ��� �! ��� � � !" ���% �� ����� �� F �� &� �� ���� �� �� ������ ��� ���� ����������� �� � � ������ � ���� �� �� ��� ���� ���� �D��� ����� %� &������ �� )G � � �! ������ &��� ������� ����� � �� �� �������� �� ������� &�� ���������� ����� ���� �� ������ � 3�&����� � �� ��� �� ����� �� )G � � �! ������ &��� ������ �� ��� �� &��� ���� �� '��� � ���� ��� �� ���� � �+ *������%������� � � �������� ���� ������� ��������� ;���E��� � ������� ������� �� ������� ������� �� ��� ��� ��� � � �! ������ &��� ��������� ��� � � ����� ������ �� ���� &��� �� � ��� �� ! ���� � &��� �������� � ����� � �� ���� �������� ��

+��� �'��������� ������� ������������������ ���� �������� �� '� (� ��� ������ ��� G���� ��8 �� �������� ��������� 8 �� � ��������5�����������*��� �� ��

'�� 9�� ����� ��� �! )G ����� 9� �� 5* ��������% �0�1�% �0�1�%! �0% �0�1�% �0�1�%

!�����++ $� ��!� ��#" "! +�$" /�/! ��!�# "�����++ !�� $�$$ #�+7 �� /�$+ 7�/# ����"!"�����++ !"�$ +��" ��7+ "� 7�7$ #�$� ���! ��D� �++ �$ /� ��+� #� ��/" !�$ ��� !"�D� �++ "�! $�$! #��7 !7 $��� !�#$ ��#/� !�D���++ /$�$ /��/ /�/� / ��+! "�"! ��/++ ��D���++ "�! ��## "�7� ! ��#$ ��$ �� "+ 7�D���++ ��! �7� !�/! # �+$ $�"$ ��!!7!!�D���++ ""�$ 7�#" ���/ ! 7�#+ !��! �� !+"��D���++ ��! �!" /��� !! �/7 � 7 ��� 7 ��A���++ "�+ � #�77 !� �#� +�#/ ���"7+�*���++ ��# ��7� "��" "� ��7 7�7 ���"+

�9������ � �� ��� ���� �� �� � ������ �&�� �� ������� ��������� ����

����� �� �������

0�����.��!�% >��%��� +����, #�%��$&�!� ��"

Page 4: Geostatistical analysis of soil moisture variability on Da Nangou catchment of the loess plateau, China

�� ��� � �� �� &��� � ���� ��� � ������� � ���������� �� ��� 5* �� ��N���� �������� �����% ����� ������ �� ��� �� �� ��������������� ���� ���������� &��� ����� ������� �������� �� ����� � ������ %�'��������� ������������� �� �������������� ���� �������&��� ���� � ������� ��� ��� � ������� &�� ���� � ����� ���� � ��&�� ! ��� � � !" D� �%� � ��������� � &� �� ���� � � ! D���� � D���� � � !! D���%� (������������ �� ��� � � &� �� ���� � �� �! ������ � �������&�� ���� ���& � ��� ��� )G ������ � $��$� �� �,������ ����� ������� �&�� !" � � #" �0�1�% ������ &���� �������� ������� 3�&����� ���� � ��� ���� ��� ��� � �� )G ������ ��� ������ ���& � �� � �������&�� ���� �&�� ! D��� � � � A�����

(����� ������� �� ��� ������ ����������� ������,�������� ��� �������

��� ��������� �� �� ��� �������������� ��� ��������������� ���� ������� ��� �������B�� � ���� ! &����� ����� ���� �� ��������� .J;� �!%2 � � �,�� � ���.J;� �"%2 ������� &���� ��� �� �� �� � ���������� ������ ��� ��� A�� �� ������������� ������ ��� ��������� ��� �� � � �� ��& ��� ������� � � �� ����.J;� �#%2 � � ���� �! ������ �� �� � ���� ���! � ��7$����� !%���� ����� �� ������� �� �� ������ ������� �� ��������������� ���� ������� �� ���& � ���� ! � � -��� !� ������� ������ �� ��� ���� !�/ � # �0�1�%! � � ���&�� ������ ����� �� �� �� '��� � ��� � � D� � �� ��� ����������� �� � &�� ����� ������ �� ��& ������� �������� � � ���� ��� ���� �#7�! �� �&�� ! ��� � � !"D� �%� � �� ������ ���� &�� ���� �������� � � �� ������ &�� ����� ���� ���� ��������� ��� �� ������ ���� �������� �� ������� ������� � ��������� ������ � ����� �������� � � �� � ��� � ������� �=�� � � ������ � ���������%� F D���� &�� �� ��������� � ��� � ����� � ����� &�� ������ ������ ���� ������� ������� � � � �������� �������� �� ������� &�� ���� � ������ �� ������ &�� ��&� ��� ��& ���� ������ &��� ��� �� ������ ��� � ������ � ��� ���� � �� �� � D���%� &���� � ��� ���

�� ���������� �� ������� ���� ��� ���� A� �� ���������� �� ������� �� � ���������� � �� ��������������� � ������� ������ �� ��������� ������� �������� � � ���������� �� �������� � � �� ������������� � )� ��;�� ��� �� ���� &�� /�" �0�1�%! � "� D���� � #�$ �0�1�%! � � A����� < + *������ �� ������ �� ��������� ������� ���� � ���� ��� �� ���� �� -��� � A���� � + *������ ���� ��� ���# ��% ����� ��������� ������� &�� ������� ������� � � �� ��� ���� ������� �� � &�� � �� ��7� �0�1�%� &���� �� ������ �� &��� � ��� � *� �� �� &��� � ��� �� � ����������� �� ������ � ��� ������� � � �������� �� �� �����A��� � ��H�� ���� ��� �� �������� �� ��� ���� ��&���� ������ � ���� ������� � ! D��� &�� ��������� �� ��� �������������� &���� � ���� ����� !%� *��������� ��� � ������ � �� � ������ &���� ��������� ��� ���� � ������ �� � ������ �>���� � � 6������ +7�8O�� � � ����� +7!%� ��� ����� ��� ��������� ���&��&�� ��� �� � D��� � � 7 D���% � ���� � ������������� �� �,� ���� ������� � A��� � ���� � ��� ��� ���� ������� ����� ��� � !! D��� ���� � �� ��� �������������� &���� � ���� ������� � �� ���� ���� �� ������ ���� �� �� ������ ���� �,����� � ����� �� ���� � ���&�� � ������� ������ ���� � &� ������� � � ������ ���������� � ��� ������� �-��� !%� '��� � ��� � � D� � ���� ��� &��� ����� ������ ������� ���������� &�������� � �� ����� ���� �� ��� � F D���� ����������������� &�� ����� � � �� � ��� ����� ���� ��� �������� &� ������ ���������� ���� &��� ����� �� ����'��� � ���� ��� �� ���� � ������� &�� � ����� � ���������� ��� �� ��� ����� � �� ������� ���� ������� � � � � ������ �� �� ���K ��E� �� ���� � � �� ��� �� ���� ������� �����&�� ������� �� ���� �� ��� ���� ������� �� � �-��� !%�(���� ��������� ��� � ����� ������ �,������ �� ������ � ������ ��������� � ���� ��� ������� �� ��������� ������ � ������ &������ �� ������������������� �� �������� ������ ���� �� ��� )� ��;�� ����� ���� �� ���� ����� �� � ���� ����� �� �,������� �� ������ ��� �� � �������� �� � � ������ �� �� ������

+��� !*������ �� ��������� ���������������� ��� ��������������� ���� ������� � ��'� (� ��� ������ �.�� � �%����N#�7���� � �%��� N+�/2� *����� �����@� ��� � ������ ���� �� ��� ����1���� 0 P!�%8 � ������������� ���� �� �� � ����1����0 !��$�%8 � &��E ���������� �� �� � ����1���� 0 L$�%

'�� (���� *��� 9� �� �! ������� *������0�1�%! �0�1�%! ��% �����

!�����++� �� +�# "� ��/7 !"�"7QQ * "�����++ # #� ��$# " �" QQ *!"�����++ � �� /� ��7 ##���QQ * ��D� �++� ��� ��$ �� ��$/ "#�7"QQ *!"�D� �++� ��! #�/ �+ ��// ! �"�QQ * !�D���++ �N��� +!�

M �#!!#� ��7# �$�$�QQ �

��D���++ "�/ #� ��/$ !!�""QQ � 7�D���++ ��7 !�/ #� ���! �+!QQ �!!�D���++ �N��� $ �

M �#/!"� ��7$ $"�/!QQ �

"��D���++ /�" #� ��/# +��/QQ * ��A���++ ��+ #�$ #� ��/" 7�$"QQ *+�*���++ ��! !�$ /� ��$$ "/�7"QQ *

�*������������� ��� �,�� � ���8 �� ����� ��� ���������Q*�� ���� �� � �P���� �����8 QQ��� ���� �� � �P��� �����

����� �� �������

��- 0�����.��!�% >��%��� +����, #�%��$&�!�

Page 5: Geostatistical analysis of soil moisture variability on Da Nangou catchment of the loess plateau, China

���� �� �� �� �� ������� �� ��� ��� F� �� ���� �� P!�0��� ������� ��� ��� � ������ ���� �� ��� F ��� �������� ������ ���� �� �� ��� ����� �&�� !� � � $�0 � �&��E ������ ���� �� �� ��� ����� L$�0 �)��� � �

����� ++$%� ��� ���� �� ���� ����� �� � ���� ����� ����� ��� �� �������������� �� ��������������� ��������� ��� ���� # � " 0 ����� !%� � ����� � ��� � �������� ������ ���� �� ���

)��� !*���� �� ������� �� ����������� ������� ��� �� ������������������� ������� � �� '� (� ��� ������

)��� $*���� �� ������� �� ����������� ������� ��� �� ������������������ ������� � �� '� (� ��� ������

����� �� �������

0�����.��!�% >��%��� +����, #�%��$&�!� ���

Page 6: Geostatistical analysis of soil moisture variability on Da Nangou catchment of the loess plateau, China

(����� ������� �� ��� ������ ����������� ����,�������� ��� �������

-����� " ���&� ����� �� ������� �� �� ����� �� ��� � � ���� ������ ��� �� ��� ���� ������� A� �,������ ������� �,����� � ����� ����� �� ���� � � ������� ���� �� ��� ����� &��� �� ���� ���� ��� ����� � �������&�� ���� ���� � �� &���� �������� ������ �,������ ! ���� � � �� 7� � � !! D���� &���� ��� ������������ � ��� �� �� � ��!� �� ����� ��� ���� ������ ��� �� ��� � ��� � ������������� �� ���� � ������ ������� � � ��������� �A ����� � � 6�� +$786���� � � � ����� ++#8 -�������� � � ����� ++7%���������� �� ����� ��� ��� ������ &��� ���� ���� � ���� � D� �� '��� � D���� �����&� � �� ��� ���� ������� �� ������ &��������� �� ��� ���� �� &���������� � ���� &�� ������� ���������� �� ��������� � ���� ������� �� � � &��� ����� � �� ����� &�������� �-��� "%� ������ � �� �� ��� ��� ������� � ��������� � ������ ��������� �� �������� A� �� ���������� �� ������ ��������� �� �� ��� ������ � ������������� �� �� ������� ������� � � ���������� ���������� 3�&����� � ��� ���� ��� �� ���� � �+ *�������%� �� ������ ������� ����� � � ������ �������� ������� ��� ������� � ��� ���� ��������� � � �&�� !��� �0�1�% � ��� �� � � +�+" �0�1�%� $��$� ��� ����� �,����� ��� ���& �� ����� � ��&��� � ��� � �� ���� ������� ��� ����� ���� � ����������� �� ������ � � ��� ������ �,���� �� ��&������F �� ��� � �� ����� �� �� �� ��� � �,��� ����� ����� ��� � � � �� �� ��� ������ �-��� "%� F� ��� ��� �#���� � � $��$� �� ����� &��� ���� �� ���� ������� ��!�� � � !��"� �� ���� �� &���� �������� ������� 6����� �� ������� ���� ��� &���� ������� � �� ��� � ! D���%� �� �� ��� � ���� ��!�� � � !��"� �����&�� ������� ��� ���� &������ ���� � #���� � �$��$� �� ���&�� ����� ������� � �&�� �� � � /� �� 3�&����� �� �� �� ���&�� ���� ������,��� ��� �����&� � ��� ��� ���� ��� � ������� � ����� ��� �� ��� ������ ���������� ��������� ����������

������ �� ������ � ������ ���������F ����� � �,����� �� � ��� �� �� ������ � ���� � ������ ������� �� ���� ������� ������� &� ��������� ����� ��������� �� �������������� ��� &� ��������� � ��%� ���� ������ ���!� ��%� ���� ������ ���#� ��%�� � ��� ��� ������ ���$� ��%� ���� " ���&� �� ��� ������� ��� � � ���� �� �� ��� ������ ��� ���� ������ ��������� ��� ���� ��������� ���� &�� ���� � ������� &���� ��� ��� ���� ��� &�� ����� ����� � � ��� ���������&�� � ����� � ������ &�� ���� ����� "%� � � �� ��� ���� ��� ��� ����� &�� ������ �� �� ��� �� ��������������� ���� ������� �� � � ����� ��������� � ������� �� ��������� �� �������������� �� ������ &�������� � ���� ��� �� ������� ��� �������� � �� ���������� � ���������� ������ � ���� ������ � �� �������� � � ��������� � �� �� ������ ������� �� ���� ��������

��������� �� ��������

�&���� ���� ������� ���� � ���� � ��� ����� ����� ��!�� !��"�� #����� � � $��$� ��% ���� ��� � *������� +++ &��� ������ �� � �� "�� E�! '� (� ��������� � �� ����� ������ �� )�� �� ?��������������� � �������������� ���� ������� &��� � ������ ��� ������������ *�������� � � �,�� � ��� ������������������� &�� � ���� ��� �� ������ ������������������������� � �� �� ����������� � ������ �� �� ��� �������������� �� �� � �������� � �� ���� ������ �� ��������������� ��� ���� �������� &���� � �� ��� ��� ����� �� ����� � �� ����� �� ������ ��������� �� ������������ A ������ ����� ������� ���� ��� ���� ���� ���� ������� �,���� ��� �� � ������ ���� �� ��&�� ���� ���� ��� � �� ������� � �������� ��������� &���� � ���� � ������� ������� ������� � �,�������� � ��� ��������� � ������ �� ������ � F����� ������� ������ ���� �� ��� ��� �,����� � ����� ���� � � ��� ����� E���� � &���� � �� �������������� �� � �������� ��� ������� ������� &���� � ��

+��� $)�������� �� ��� ��������� �� �������������� �&�� ������ � � ��������������� ���� �������

'�� (���� �0�1�%! *��� �0�1�%! 9� �� ��%

�&�������

�����������

-���������

-���������

?���������������

�&�������

�����������

-���������

-���������

?���������������

�&�������

�����������

-���������

-���������

?���������������

!�����++ �7� !�!" !�"� �+# ��� ��"� ��#� �!� !�+� +�#� #!�� "��� "7�7 # "� "�����++ � � ��$ �/7 �$# ��� 7��� � $ "�#" /�+# #��� ���� ���� �!�� �# #�!"�����++ ��$� �#$ �7� !�#7 � � 7�!� ��/$ !��� #�"� ��� ���� �"�" ���� �/ /� ��D� �++ ���/ ��7$ � � �#! ���� !�/� #�#� /�!" $�+! ��$� "��� "!�� "7�� #!�7 ��!"�D� �++ ���7 ��!7 ��// ��+� ��!� !�$" "�"7 #�#/ /�� #�/� #��� #"�" #��� #7 �+ !�D���++ ��� !�"� �$� �$� � #�"� ���� /�$� /�$� � #��� #��� #"�" #"�" � ��D���++ ���7 ��77 � / �"" ��� #�#� #��" #�/� /�#7 "�/� !7�� !7�$ !/�� !7�! #� 7�D���++ ��"� ��#$ ��/" ��+� ��7� "�!� !�+$ "�#� #�// !�/� /!�� /��� 7"�7 7+�7 #�!!�D���++ ��/� ���$ ���� ��$� � #� � #��$ ��"7 $� # � !��� "��� "��� # �"��D���++ ��"� ���" ��#� ��#� ��� /��� /�/$ $� 7 $� 7 /�"� !��� !7�" "��� "� #� ��A���++ ��/� ��$$ ��7 ��/ ��+� #�!� #��" ���� /�/7 #�$� �$�� 7�" !/�" " #�+�*���++ ���7 ���$ �� 7 ���� ��!� �// !�$$ "�" #�!7 !�$� !��� /�$ !$�� !/ /�

����� �� �������

��. 0�����.��!�% >��%��� +����, #�%��$&�!�

Page 7: Geostatistical analysis of soil moisture variability on Da Nangou catchment of the loess plateau, China

��� �� �� ������ ���� �� ��� ��� �,����� �����&� � ���� ���� ��� ��� � ��� ����� ������ �� ����������� �;��� �� � �������������� � �E� � ������ ������ �� ������ ����&���� � �,����� �� ����������� ������� �� ������� &������� <�� ������ � ������ �� �� ����� � ������� &������ ���& � ��� � �� �� �� ��� ��� � ���& � ����� ���� � &�� ���� ���� � �������� ������� 6������� �� �� �� ����� �� � ���� �� � ����� � � ����� ����B� �� ����� �� ������� ������� �� � � � � ���������;�� �� �� ���� ������� ��� ��� �'������ � � >��� ++�%� ���� ������� ��� �� ���� � �� �� ��������� ���������� � ���� �� �� ������� � ��� ����� ���� ��������� �� �� ������ �� ��������� ���&��� ��� � ;���������� &�� �������� � �� �� ������ �� ������������� ���&��� � �� �������� *������ ���� ��������� � � �������� ���� ��������� ��� ��� �������� � ��� ��� ��� ��� �� � ��� �� ��& ���&�������� �� � ��� ��� � ���� ������� ��� ��� ����� ������� ������� � ��� ����� �� ���� �������� � &�������� � ������� F ��� � �� �� � ��������� �� ��� �������� ���� ����������� � ������ ��� � ���� ����� ������� �� ��� � '� (� ��� ���� �&�� /� � � /� �� F �������� � �� �� �� ������ �� � ����� &�� ����������� � �� ��������� 9� ��� � ������ � 3�&��� � ������ � +7"%� -�BH�� � � ����� � ++7%� � � >���� � ������ � ++7% ��� ������ �� ���� � '� (� ���� &�������� � ������ � 3���� ��E � � ����� � ++/% � �6�I������ � � 4���� � ++7% ��� �� ���� )���� � ������ �� ���� ��� ������� �� ���� �� � � �� �� ��� ��� ��������� � ������ ����� �� � ���� ������ �� ���� �������������� �� �� ������� � � �� �� ��� � �,���� �� � �������� ��� � �� ����� � �� �������� *��� ��� � �,���� ��� ������� ��� � ������� ������ ������� � � � ����������F �� �����B� � �� ������ ��� � � '� (� ���� � �� ������� � ����� �B� �� ���� &�� � ����� ������ �������� � � �� ����� &�� ������ ���� � "�� E�!�������� ����� ��� ��E��� � � ������ ���� ������� ����������� '������ ��� � ����� ��� ��E��� � ����� � �� ������ �� ������ )����� � � ������� &��� ���� ����� ����������� � � ����� �� ������ 6������ �� ����� �� ����������� ���� �� ��� ������ � �� � � ������ � �� ��E��� �� ���� �� �� ���� ������� &���� � ������ �� ��� �� '�(� ��� ������ �

������� ����� ��� ���H�� &�� �������� � �� (��� ��(����� *��� �� -�� ���� �� )�� � ��� ��� �� #+$!� � % � �F()<�') �� �� J������ )�������� ��� ��� �� J96F) 7�)�+$� �7%� ��� ������ &��� � ��E �&����� �� ������ �� �����H�� ��� ��� ������� � �� ���� ������� � �� ����� *������������� �� �,������� � &� � � ����� �����&��� ��� ����������� �������� � ��� ������� � �� �� �������

*��������

A ����� �C� 6�� �? � +$7% ��&��� � ���� ������� ���� �� ����� � �� ������� ������ ������ >��� 9����� 9�� #@ !"� "

6�I������ A� 4���� > � ++7% *����� �������� �� ����������� � � ����� ������ � ?�� @ C���������� � �������D 3����� !�/@ � �

6���� � 9'� ����� F'� C����� 96 � ++#% A ;������� ����&� ��� � ��, ��� ���������B� � �� ������ �������� ��B� �� �� ������� ������� � � ���� &��� �� � � >��� 9�����9�� "�@ �!+� �##

6�� �?� 6����� '? � +7�% ����������� �� ���� �� ���� ��������������� � D *��� *�� "/@#/+�#7/

)�� O:� 4��E *3 � +7+% *����� ������� � � ���� ��� ��� � �� ������ ���� �� �����& 9����� )�� �� F @ 9� �&� ��� * ���%4� � �� ������� ��� ����� �� ����� �� �� ���� �� A����������� 6� �E�E� �� " "�"!"

)��� O4� 4�� 'O� C�� 3O� 3�� � 53 � ++$% C����������� ������ �� ���� ��������� �� ����&�� ���&� ������ *��� *�� /!@!+ �!+$

'������ 'A� >��� AF � ++�% *����� ��������� � ���� �������� �� �������� ���� ����� � ������ ������ �A��% ����J��� *��� ?������ 4� ����� !�@! +�!"�

-�������� D*� 9�� ��E� D>� 9����� � � ++7% G�������� � �������� ������� �� � ��� � � ��������� �� ���@ 9���� �E� 3�����,��� D 3����� ! �@!�+�!7

-A<1K(J*)<1F*9F) � +77% *��� ��� �� �� &����8 ������� ����� �� >��� *��� 9������� 9���� (�� /�� -A<� 9���

-�BH�� )� ��� � D4� >������� AC � ++7% *��� ������� ���������� � � ��������� ����� ������ @ ��������� � ��� �� ���� � ������ �� ���� )�� � "!@���$�

-� 6� )�� 4� �� 5� :��� 3� >� � D �!���% ��� ������ ������&�� �� � ��� � � ���� �� ���� � � �� ����� ���� �� ������� ������ � ����� *��� ,�� )�� �� )�� � "+@/+�$7

C����� 96� >���� A> � ++7% ��&���� ����� ������� �� ����&��� �� � ���� ��� ��������� �@ ��� � � ����� ������� �� ��� ����� ��� D 3����� !�$@/7�7!

3�&��� �J� D��E�� �D� ��)�� 93 � +7"% *������ ���� �������������� � ����� ����������� &��������� D 3����� /!@ $+�!��

3���� 9)� 9�� ���� *C � +/+% F�������� � �� ���� ������� ���������� � ������� ����� � � ���� �� ������� ��B��� D 3�����7@!$�#$

3���� ��E 5D� *������� �D� 3�� ����� C�� >� � D9 � ++/%F�� ���� � ���� ��������� ������� ��� � ������ �� ���������� �� � ������� �����&��� ����� �� �� � �������� ��>��� 9����� 9�� "!@ "+� #7

F4>F* �F �� ��� �� F ���� ��� A�������� *����� � � J���*��� ���% � ++7% F4>F* !�! ��� >� ��&�� J ������� ��� (������� ��

5�� ���� ?5� 6��� 94 � +7�% 9��� ��� �������� � &�� � �� ������� ������������ ������ !� A�������� � � � ������� >���9����� 9�� /@ �"#� �##

4����� 5 � ++!% *��� &��� �� � � 9��� ?�� � *����� � �������� ���������� D 3����� "+@!""�!�

������ C � +/"% ?�� ������ �� ����������� J�� C��� �7@ !#/� !//

���� � 6?� *E���� �3� -�������� D* �!���% A ������ � ������ � �� ���������� ���� ������� ��������� ��� � �������������� ���� ������ ��� ���� � �� *����� C��� ?��� � ++$ �*C?+$% 3�������� J,������ � >��� 9����� 9��"/�#%@ �!"� �"

����� F'� 6���� CD� ���E� B�� '3 � +77% ����������� ������� �� �������� �� ������� ���� &��� � � �� ������ ����������� �������� ��� � A� *�� A���� J � " @ �+7� �$

?����� 3 � ++"% C���������� ������ � �� � ���� �� ������ )�� � !�@ + � +7

9����� )D� *��� D� <��� ��� 5� �� �� J��� J� �� '�HE ?�� ++/% ������� � � � ������� � �� ���� &��� �� ����� � ��� ��� �� ����� � � ����������� �������� ���������� 3�����?������ ��7%@ �7 � �+�

*������� �D� D��E�� �D � ++/% *��� ������� ���������� F @*�&�� D6� J ��� J�� -����� 9A� 5��� O ����% *���� ���� � ��������� ��� � ����� �� �� �� >����� )��������

*?** F � � ++"% *?** ��� >���&� ��� ����� ����R� ����� �������/��� ����H� D�(������� )������

����� �� �������

0�����.��!�% >��%��� +����, #�%��$&�!� ��/

Page 8: Geostatistical analysis of soil moisture variability on Da Nangou catchment of the loess plateau, China

>���� 9 � +7�% =�� ����� ������ � ������ �� ���� � �� �����A�� *��� *�� "@ �$�

>���� 9� 6������ �� � +7�% <����� � �������� � � ���������� ����� � �� ���� ���������� FFF )�� �� � ���� � �� ������� E���� �� D *��� *�� " @�����!#

>���� 9� <����� �A � ++�% *������� ������ � ���� � � �� ��������� ������� <,���� K ������� ?����� <,����

>���� A>� 6��S���� C� C����� 96 � ++7% C���������� �������������� �� ���� ������� ���� � � �� �����&���� ������� � D 3����� !��@!��"$

O�� 9*� K����� C� -�, 94 � +7!% C���������� � ������ �� ������������ ��������� �� ����� �� � ������ F� *��������������� *���*�� *�� A� D #/@ �!7� �"!

:�� : � ++ % *��� ���� �� �� )�� ���%� A��������� ?����� 6��H� �

����� �� �������

�!� 0�����.��!�% >��%��� +����, #�%��$&�!�