科尔沁沙地沙丘—草甸相间地区水文—土壤—植被动态响应关系研究

论文摘要

半干旱土地作为陆地生态系统的重要组成部分与水文生态相对脆弱区,其对全球气候变化的影响较为敏感。深入了解半干旱地区地表环境变迁与水文、土壤、植被变化的内在联系,对于维持其脆弱的水文生态条件是至关重要的。本文以科尔沁沙地沙丘-草甸相间地区为研究区,利用在9.71 km2试验区域上获取的长时期（20032009年）水文气象、土壤物化与遥感影像资料,通过回归分析、单因素方差分析和多重比较等方法,对研究区水文（土壤表层水分、地下水位）、土壤（土壤粒径分布、有机质含量、总氮等）、植被的时空变异性及其动态响应关系进行了研究。结果表明:1、土壤表层水分（030 cm）主要受控于区域地形及土壤质地。沙丘土壤水分比过渡带低约10%,过渡带比草甸低约18%。此外,土壤水分与植被也存在着密切的关系,植被覆盖度大的地方,土壤水分也相对高。然而,人类活动可以改变这种关系,天然草地长期开垦为农田后,土壤水分下降约23%。2、地表以下10 30 cm,流动沙丘平均土壤水分比半固定沙丘高,半固定沙丘比固定沙丘高。这主要是因为沙丘表层干沙层厚度由流动沙丘向半固定、固定沙丘逐渐变薄。干沙层增长了其下部土壤水汽的蒸发路径,从而抑制了土壤水分蒸发。3、地下水位主要受控于区域地形及局部地质结构。沙丘地下水位比过渡带高约0.9 m,过渡带比草甸高约0.1 m。人类活动对地下水位的空间分布也有重要的影响,天然草地长期开垦为农田后,地下水位下降约0.3 m。4、年平均地下水位的时间变异性主要受降水及潜在蒸散量影响。如果某年潜在蒸散量很大（例如,2007年,2200 mm）,则会导致接下来几年土壤水分亏缺。非饱和带贮水空间的增大,将直接减少上部土壤水分对地下水的补给。多年月平均地下水位的时间变异性明显减弱,夏季（6 8月）降雨对地下水的补给作用被同期显著增强的潜在蒸散量所抵消。由于降水在其它三个季节都很小,因此,不会引起地下水位的明显上升。5、土壤表层粉-粘粒含量、土壤有机质、总氮、总磷、速效氮、速效磷、土壤水分之间（例如,田间持水率）存在显著的正相关（ R2>0.8,P <0.05）。如果土壤表层细颗粒减少,则土壤有机质,养分及持水能力都会明显下降。6、与控制草甸（植被密度>50%,未检测到风沙侵蚀和堆积）相比,一般草甸（植被密度<50%）和农田（主要为玉米地）的粉-粘粒含量分别下降了14.6%和53.9%（P <0.05）。半固定沙丘（植被密度20 40%）粉-粘粒含量与固定沙丘（植被密度>40%）相比下降了52.5%（ P <0.05）。与控制草甸相比,半固定沙丘、固定沙丘和农田的田间持水率分别下降了44.8%、39.4%和33.6%（P <0.05）。7、与控制草甸相比,半固定沙丘、固定沙丘、一般草甸和农田的有机质含量分别下降了97.1%、93.6%、70.9%和56.2% （P <0.05）;总氮分别下降了94.2%、89.1%、72.3%和40.9%（ P <0.05）;总磷分别下降了86.1%、77.8%、50.0%和33.3%（ P <0.05）。8、植被生长状况随着地下水位埋深的减小趋于变好。草甸地下水位埋深一般小于2 m,其植被生长状况最好（NDVI最大）;沙丘地下水位埋深一般大于4 m,其植被生长状况最差（NDVI最小）;过渡带地下水位埋深为0.6 3 m,其植被生长状况表现出较大的空间变异性（NDVI居中）。9、植被生长状况的年际变化,主要受控于地下水位、降水和潜在蒸散量。地下水位对草甸、过渡带、沙丘植被生长状况的影响程度分别为42%、38%和7%;潜在蒸散量的影响程度分别为25%、7%和30%;降水的影响程度分别为3%、17%和8%。可见,在降水稀少的半干旱地区,天然植被的生长在很大程度上依赖于地下水。10、生长季（5 9月）植被对表层土壤水分（030 cm）的响应具有2 4周的滞后期,草甸和沙丘植被生长状况与2周前的土壤含水量相关关系最好,分别为R 2=0.49和R 2=0.47。过渡带植被与土壤水分的响应关系表现的较为随机。由此可见,土壤水分可以作为一个用来预测生长季（暖季）植被生长状况的有效指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图和附表清单
• 1 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的与意义
• 1.3 国内外研究动态
• 1.3.1 半干旱地区土壤水分及物化特性研究
• 1.3.2 半干旱地区水文-植被动态响应关系研究
• 1.3.3 科尔沁沙地水文、土壤、植被研究现状
• 1.4 主要研究内容、技术路线
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 1.5 创新点
• 2 资料与方法
• 2.1 研究区概况
• 2.2 试验方法与数据
• 2.2.1 野外试验布设
• 2.2.2 观测项目与测试方法
• 3 土壤水分时空变异性研究
• 3.1 分析方法
• 3.2 土壤水分空间变异性分析
• 3.3 土壤水分时间变异性分析
• 3.4 本章小结
• 4 地下水位时空变异性研究
• 4.1 分析方法
• 4.1.1 地下水位分析
• 4.1.2 气象参数分析
• 4.1.3 气象参数延展
• 4.1.4 潜在蒸散量计算
• 4.2 地下水位空间变异性分析
• 4.3 地下水位时间变异性分析
• 4.4 本章小结
• 5 土壤物化特性变异性研究
• 5.1 分析方法
• 5.2 土壤物化特性相关性分析
• 5.3 土壤物理特性变异性分析
• 5.4 土壤化学特性变异性分析
• 5.5 本章小结
• 6 水文-植被动态响应关系研究
• 6.1 分析方法
• 6.2 地下水位-植被空间响应关系研究
• 6.3 地下水位-植被时间响应关系研究
• 6.4 土壤水分-植被响应关系研究
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介