高寒草甸覆盖变化下土壤水分动态变化研究

论文摘要

本文以长江源多年冻土区的北麓河流域风火山支流区为研究区域,在敦宰加陇与左冒西孔曲汇流处的坡面上建立3个植被覆盖度分别为30%、68%和92%的实验观测场,通过调查植被与土壤相关参数,观测土壤水分、土壤温度、陆面蒸散发与凝结以及气温、降水等气象资料,分析植被覆盖变化对冻土活动层土壤水分动态变化规律的影响。主要研究内容有:高寒草甸覆盖变化下冻土活动层土壤水分的空间分布及变化过程;植被覆盖变化对冻融过程中土壤水分与地温耦合关系的影响;植被覆盖变化下土壤水分对降水的响应;植被覆盖变化下地表蒸散发与凝结水动态变化分析。研究结果表明:(1)将土壤水分变化的拐点作为冻结融化的起始日和终结日,可将不同覆盖度下冻土活动层土壤未冻水分在年内分布变化过程明显地划分为4个阶段,分别为土壤水分完全融化阶段A、土壤水分冻结发生阶段B、土壤水分完全冻结阶段C、土壤水分融化发生阶段D。不同植被覆盖度下冻土活动层的土壤水分分布及变化过程存在差异。较高的植被覆盖退迟了冻融变化的发生,延缓了土壤水分的消融,对多年冻土起到了一定的保护作用,减缓了冻融侵蚀对多年冻土的破坏。(2)土壤水分与土壤温度之间的协同关系十分显著,不同植被覆盖度下土壤水分和土壤温度的时空分布存在明显差异。植被覆盖对水热协同有显著影响,当植被退化较为严重时,土壤更容易传递热量,尤其是表层土壤受到的影响更为剧烈。深层土壤冻结时水热耦合关系对植被覆盖度的响应比较复杂,高植被覆盖度土壤与低植被覆盖度差别显著。进一步印证了冻结过程是从表层和下层多年冻土融化冻结面开始双向冻结的,受植被覆盖的影响程度减弱。土壤融化是自上而下的,受植被覆盖影响不同深度之间的差别较为突出。无论是冻结还是融化过程,土壤温度和土壤未冻含水量呈现出比较显著的指数线型相关关系。就回归模型模拟的效果来看,融化过程优于冻结过程。(3)试验区内高寒草甸土壤水分对降水的响应存在明显的滞后现象,滞后时间较长;当植被退化较为严重时,20cm深度范围内土壤水分对降水有一定程度的响应,深层土壤比较干燥,对降水的响应十分微弱。在保持其原有植物建群和较高覆盖度时,土壤水分对降水的响应深度达到40cm以下,土壤水分受降水影响变化剧烈。未退化的高覆盖高寒草甸能有效改善土壤物理结构、提高土壤有机质含量,从而改变土壤水文物理特征,有利于降水入渗,其发达的植被根系易导致较大孔隙优先流运动,加快了深层土壤水分对降水的响应。通过观测发现次降水量大于3mm,强度接近2mm/h的降水对土壤水分的补给比较明显,可视为有效降水。(4)植被生长旺盛季节的地表蒸散发量和凝结水量远远高于植被枯萎季节,在94天的观测期内,植被覆盖度92%的草甸草地蒸散发量最高,植被覆盖度30%的次之,蒸散量最小的是植被覆盖度68%的草甸草地;夜间的水汽凝结作用十分强烈,植被覆盖度92%的草甸草地凝结水量最高,植被覆盖度68%和30%的草甸草地比较接近。地表蒸散发量明显减小的时间与土壤发生冻结的时间一致,说明土壤冻结能显著降低蒸散发量,保持土壤水分。而随着植被覆盖度的降低,地表凝结水数量明显减少;而当植被覆盖保持在较高水平时,凝结水对土壤水分的补给将十分可观。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 冻土活动层对水文循环的影响
• 1.2.2 植被与土壤水分
• 1.2.3 土壤水热耦合模型
• 1.2.4 土壤水分与气象因素
• 1.2.5 蒸散发与凝结水
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 研究思路及论文基本框架
• 1.5 观测试验布置与数据资料收集
• 第二章 研究区区域概况
• 2.1 研究区自然概况
• 2.2 研究区多年冻土与气候
• 2.3 高寒草甸生态系统分布特征
• 2.4 试验区高寒草甸覆盖状况和土壤理化特性
• 第三章 高寒草甸覆盖变化下冻土活动层土壤水分的空间分布及变化过程
• 3.1 研究方法
• 3.2 不同植被盖度下土壤水分变化的阶段划分
• 3.3 植被覆盖变化对不同阶段土壤水分空间动态分布的影响
• 3.4 植被覆盖变化下不同深度土壤水分融升冻降规律
• 3.5 本章小结
• 第四章 植被覆盖变化下冻融过程中土壤水分与土壤温度耦合关系
• 4.1 研究方法
• 4.1.1 土壤温度的测定
• 4.1.2 数据的处理
• 4.2 不同植被盖度下土壤温度的变化特征
• 4.3 冻融过程中不同植被盖度下土壤水分与土壤温度的协同变化
• 4.4 冻融变化过程中土壤温度与土壤水分耦合模型
• 4.4.1 土壤温度与土壤水分耦合变化关系
• 4.4.2 土壤温度与土壤水分回归模型
• 4.5 本章小结
• 第五章 植被覆盖变化下土壤水分对降水的响应
• 5.1 研究方法
• 5.2 降水状况
• 5.3 浅层土壤水分与降水的时间序列相关分析
• 5.4 各层土壤水分对降水的响应
• 5.5 影响因素分析
• 5.5.1 土壤理化特性及土壤水文物理特征
• 5.5.2 土壤前期含水量状况
• 5.5.3 根系分布特征
• 5.5.4 降水对土壤水分的有效补偿能力
• 5.6 本章小结
• 第六章 植被覆盖变化下地表蒸散发与凝结水动态变化分析
• 6.1 研究方法
• 6.2 地表蒸散发对植被覆盖变化的响应
• 6.2.1 生长旺盛期（7月下旬～9月）不同植被覆盖度下地表蒸散发量
• 6.2.2 10-11月上旬不同植被覆盖度下地表蒸散发量
• 6.2.3 植被覆盖变化对地表蒸散发的影响
• 6.3 地表凝结水对植被覆盖变化的响应
• 6.3.1 凝结水的水汽来源
• 6.3.2 凝结水发生时间
• 6.3.3 生长旺盛期（7月下旬～9月）不同植被覆盖度下地表凝结水量估算
• 6.3.4 10-11月初不同植被覆盖度下地表凝结水量估算
• 6.3.5 植被覆盖变化对地表凝结水的影响
• 6.3.6 近地气温、地温的影响
• 6.3.7 近地面空气相对湿度的影响
• 6.3.8 地表凝结水的生态作用
• 6.4 不同植被覆盖度下地表凝结水对地表蒸散发的补偿能力
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 存在的问题与展望
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢