黄土高原农牧交错带土壤－人工植被－大气系统水量转化规律及模拟

论文摘要

黄土高原农牧交错带以干旱和半干旱气候类型为主,降水稀少,植被生物量普遍偏小、冠幅不大,大多数植被呈斑块状分布。研究黄土高原稀疏人工植被覆盖下土壤-植被-大气系统水分运动和转化规律,可揭示该区代表性生态系统植被的耗水特性,对合理规划、布局和重建可持续发展的生态系统有重要意义。本文通过调查典型乔灌木树种和草种的细根空间分布特征,监测SVAT系统水分平衡分量,系统掌握了不同植被类型水分转化特征和规律;并应用SHAW模型模拟不同植被覆盖下水分和能量在SVAT系统各层次间的传输特征,分析典型植被长期耗水过程,初步探讨该区坡面适宜的植被覆盖度。本研究的主要结论如下:（1）六道沟流域主要乔灌木树种0-100 cm土层中细根分布较多,100 cm以下逐渐减少。刺槐细根分布主要集中在0-340 cm;沙黄土柠条和沙柳细根分布主要集中在0-300 cm,而沙地柠条和沙蒿细根分布相对较浅,主要集中在200 cm以内。就0-100 cm土层中细根分布的比例而言,沙地柠条>沙蒿>黄土柠条>沙柳>刺槐。（2）不同土地利用方式对剖面土壤水分有重要影响。油松和沙蒿的土壤水分状况较好,刺槐、小叶杨、沙柳、柠条和沙柳-柠条-沙蒿混交林土壤含水量较低,其中以0-200 cm土层较为明显。不同土质上生长的20多龄柠条均大量消耗了0-200 cm土层的土壤水分,但对200 cm以下土壤水分影响不尽相同,硬黄土深层土壤水分条件相对较好,其次为披沙地和风沙土,沙黄土深层土壤水分被大量消耗,水分状况最差。3-5年生的苜蓿大量消耗0-280 cm土层土壤水分,第3年土壤储水量只有农地的一半。（3）不同植被覆盖下水量平衡分析表明,整个观测期沙黄土上生长的油松和柠条土壤水分变化基本保持平衡,平均蒸散量/降水量（ET/P）之比分别为97.6%和98.3%;而3-5年生的苜蓿土壤储水呈负平衡,平均ET/P高达107.5%。风沙土上生长的柠条、沙柳和沙蒿土壤储水也基本保持平衡,平均ET/P变化在95.7%-98.8%;刺槐、小叶杨和沙柳-柠条-沙蒿混交林蒸散量略高于同期降水量,平均ET/P分别为103%、101.6%和101.1%。（4）通过验证SHAW模型可以很好地模拟黄土高原农牧交错带人工植被水分和能量动态变化。对苜蓿、柠条和油松小区剖面土壤水分模拟效率（ME）在0.54-0.82,相对平均绝对误差（RMAE）在9.2%-12.9%;对短波辐射、地表净长波辐射和净辐射模拟值与实测值的相对平均绝对误差（RMAE）分别为11.3%、18.4%和20.2%。能量平衡组成分析表明,阴坡苜蓿地、短花针茅地和谷子地能量主要消耗于蒸散发的潜热,而阳坡柠条林地和油松林地能量的消耗主要是感热。（5）根据土壤允许流失量和植物对土壤水分的适度消耗与盖度的关系,对该区代表性灌草植物适宜生长冠层盖度进行了初步研究,确定六道沟流域坡地适宜的苜蓿和柠条盖度分别为33%-40%和25%-32%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 SVAT 系统水分循环与平衡研究
• 1.2.2 SVAT 系统水分循环主要过程及其模拟研究
• 1.2.2.1 植被冠层水文过程
• 1.2.2.2 土壤水分运动
• 1.2.2.3 产流机制及其计算
• 1.2.2.4 蒸散的测定与计算
• 1.2.3 黄土高原 SVAT 系统水循环及其与植被建设的关系
• 第二章 研究区概况、研究内容与方法
• 2.1 研究区概况
• 2.2 研究内容
• 2.2.1 农牧交错带典型人工植物细根分布
• 2.2.2 农牧交错带典型人工植被水分循环过程和水平衡要素分析
• 2.2.3 农牧交错带土壤－植被－大气系统能量水分传输模拟
• 2.2.4 不同人工植被适宜的冠层覆盖度
• 2.3 研究方法
• 2.3.1 径流小区的布设
• 2.3.2 土壤水分动态监测
• 2.3.3 土壤储水及水量平衡计算
• 2.3.4 土壤物理参数的测定
• 2.3.5 径流观测
• 2.3.6 冠层截留的测定
• 2.3.7 植被生长过程观测
• 2.3.8 气象数据的监测
• 第三章 典型人工植物的细根分布
• 3.1 典型乔灌木树种细根垂直分布特征
• 3.2 沙地小叶杨细根空间分布
• 3.3 紫花苜蓿根系垂直分布及动态
• 3.3.1 紫花苜蓿根系垂直分布特征
• 3.3.2 苜蓿刈割后根系动态分布特征
• 3.4 短花针茅根系垂直分布特征
• 小结
• 第四章 不同植被覆盖下土壤水分循环特征
• 4.1 乔灌木林地降水及冠层截留特征
• 4.1.1 林地降水分布
• 4.1.2 乔木林冠层截留特征
• 4.1.3 灌木林冠层截留特征
• 4.1.4 冠层截留模拟
• 4.2 不同土地利用方式地表径流特征
• 4.2.1 2006 年不同土地利用方式地表径流
• 4.2.2 2007 年不同土地利用方式地表径流
• 4.3 不同土地利用方式土壤水分动态
• 4.3.1 降水及水面蒸发
• 4.3.2 乔木林地土壤水分动态
• 4.3.2.1 剖面土壤含水量变化
• 4.3.2.2 土壤储水量变化
• 4.3.3 灌木林地土壤水分动态
• 4.3.3.1 不同土壤质地柠条林地土壤水分特征
• 4.3.3.2 沙柳、柠条、沙蒿及其混交林地剖面土壤水分动态
• 4.3.4 草地土壤水分动态
• 4.3.4.1 剖面土壤含水量变化
• 4.3.4.2 土壤储水量动态
• 4.4 水量平衡
• 4.4.1 乔木林地水量平衡特征
• 4.4.2 灌木林地水量平衡特征
• 4.4.2.1 不同土壤质地柠条林地水量平衡特征
• 4.4.2.2 沙柳、柠条、沙蒿及其混交林地水量平衡特征
• 4.4.3 草地水量平衡特征
• 小结
• 第五章 SHAW 模型介绍和验证
• 5.1 SHAW 模型介绍
• 5.2 模型主要参数的敏感性分析
• 5.2.1 土壤水力参数敏感性
• 5.2.2 植物参数敏感性
• 5.3 模型验证
• 5.3.1 能量传输模拟
• 5.3.2 土壤水分模拟
• 5.3.3 土壤蒸发模拟
• 小结
• 第六章 不同植被覆盖下 SVAT 系统能量水分传输模拟
• 6.1 不同植被覆盖下能量传输特征模拟
• 6.1.1 苜蓿地SVAT 系统能量传输模拟
• 6.1.2 不同植被覆盖下SVAT 系统能量传输对比分析
• 6.2 不同植被覆盖下蒸散发特征分析
• 6.3 植被长期耗水及适宜覆盖度模拟
• 6.3.1 模型参数的确定
• 6.3.2 苜蓿长期耗水模拟
• 6.3.3 柠条长期耗水模拟
• 6.3.4 苜蓿和柠条适宜盖度分析
• 小结
• 第七章 主要结论及展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 主要创新
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介