黃土丘陵區(qū)土壤—植被—大氣系統(tǒng)水能傳輸模擬研究

【摘要】： 20世紀80年代以來,黃土高原人工林草地土壤普遍干燥化且越來越嚴重,不僅惡化了土壤水環(huán)境,導致植被大面積衰退甚至成片死亡,而且給退耕還林還草和生態(tài)環(huán)境建設帶來不良影響。目前,植被生長與土壤水分動態(tài)的互動關系、植被的耗水規(guī)律、土壤水分的植被承載能力、植被水文功能的正確評價等問題已成為黃土高原植被建設所面臨的嚴峻課題。本文選擇陜北黃土丘陵區(qū)天然遼東櫟林、人工刺槐林、荒草地、農(nóng)地4種植被類型為研究對象,基于野外試驗應用COUPMODEL(Coupled heat and mass transfer model for soil- plant-atmosphere system)模型模擬了土壤-植被-大氣系統(tǒng)中土壤、植被、大氣界面之間水分和能量的交換過程,研究不同類型植被覆蓋條件下系統(tǒng)水分和能量的傳輸特征,以及不同類型植被條件下土壤水熱環(huán)境和植被生長的響應,旨在為黃土丘陵區(qū)以及類似地區(qū)的林草植被建設提供理論依據(jù)。主要研究結論如下: (1)干旱年,林地、荒草地土壤-植被-大氣系統(tǒng)中降水主要消耗于土壤蒸發(fā)和植被蒸騰,其次是植被冠層的截留損失,總蒸散量超過了同期降水量,土壤儲水量均減少,土壤水庫處于負補償狀態(tài)。農(nóng)地作物生長周期較短,系統(tǒng)耗水量較小,1.81%的降水儲存于土壤中;豐水年,林地、荒草地和農(nóng)地系統(tǒng)的水分收入均大于支出,17.07%～26.27%的降水儲存于土壤中。農(nóng)地土壤水分補充最多,其次為陰坡荒草地、陰坡遼東櫟林地、陰坡刺槐林地、陽坡遼東櫟林地、陽坡荒草地,補充最少的是陽坡刺槐林地。 (2)試驗期間陽坡接收的太陽輻射量平均為7169.19MJ·m-2,陰坡平均為6826.79MJ·m-2,陽坡大于陰坡。林地土壤-植被-大氣系統(tǒng)獲得的凈輻射能量,進入植被層54.52%～62.73%,進入土壤層37.27%～45.48%;荒草地系統(tǒng)進入植被層40.00%～47.00%,進入土壤層53.00%～60.00%;農(nóng)地系統(tǒng)進入植被層30.74%,進入土壤層69.26%。林地、荒草地和農(nóng)地系統(tǒng)獲得的凈輻射主要通過潛熱通量釋放,占凈輻射的72.05%～81.41%;其次是感熱通量,占凈輻射的16.35%～26.37%;土壤熱通量很小,僅為凈輻射的1.39%～2.40%。 (3)土壤-植被-大氣系統(tǒng)中水分的蒸發(fā)、蒸騰,均伴隨著能量消耗,系統(tǒng)水分和能量的交換和轉化是一種耦合傳輸過程。土壤蒸發(fā)熱通量隨土壤蒸發(fā)量的增加而增大,平均每蒸發(fā)1mm水分消耗2.461MJ·m-2能量。蒸騰和截留蒸發(fā)熱通量隨蒸騰和截留蒸發(fā)量的增加而增大,平均每蒸散1mm水分消耗2.452MJ·m-2能量。 (4)土壤水分虧缺量由大到小依次為:陽坡刺槐林地991.57mm、陽坡荒草地941.21mm、陰坡刺槐林地866.53mm、陽坡遼東櫟林地815.89mm、陰坡荒草地790.27mm、陰坡遼東櫟林地745.20mm、農(nóng)地325.55mm。土壤水分的交換深度農(nóng)地達320cm,陰坡荒草地為240cm,陰坡遼東櫟林地為200cm,陰坡刺槐林地和陽坡遼東櫟林地均為160cm,陽坡荒草地為140cm,陽坡刺槐林地為120cm。試驗期間,林地、荒草地和農(nóng)地分別約有10%、14%、30%的降水儲存于土壤中,林地、荒草地600cm深土壤水庫可利用水量62.6～309.0mm,與農(nóng)地728.6mm相比土壤水庫的調節(jié)能力很有限。氣候干旱對黃土丘陵區(qū)土壤干化的貢獻率是70.74%,植被過度耗水的貢獻率是29.26%,氣候干旱是土壤干化的主要原因。 (5)2～7月份為土壤的升溫階段,8～1月份為降溫階段。2～9月份,隨土壤深度增加土壤溫度逐漸降低;10～1月份,隨土壤深度增加土壤溫度逐漸升高。在陰坡,0cm、10cm、20cm深土壤溫度年較差農(nóng)地荒草地遼東櫟林地刺槐林地;在陽坡,荒草地刺槐林地遼東櫟林地;陽坡地類土壤溫度年較差顯著高于陰坡同地類。 (6)陰坡荒草地、陰坡刺槐林地、陰坡遼東櫟林地、陽坡遼東櫟林地的土壤水分條件明顯優(yōu)于陽坡刺槐林地和陽坡荒草地,植被長勢較好。受林木耗水量和土壤供水能力的雙重影響,陽坡刺槐林枯梢現(xiàn)象嚴重,有整株枯死林木;陰坡刺槐林有明顯的枯梢,但沒有整株枯死的林木;遼東櫟林也存在枯梢現(xiàn)象,但較刺槐林輕微,林木生長仍然十分旺盛。陽坡刺槐林和陽坡荒草地植物的出葉時間比陰坡刺槐林、陰坡荒草地和陽坡遼東櫟林的早1周左右,比陰坡遼東櫟林早12d左右。 (7)盡管黃土丘陵區(qū)人工林地過多地消耗了土壤深層水分,林分生產(chǎn)力低下,但是林地的水土保持生態(tài)效益是農(nóng)地所無法相比的,在水土流失嚴重地區(qū),植樹造林恢復植被仍然是水土保持的一條有效途徑。人工林地植被較高的截留和蒸騰耗水是造成土壤干燥化的主要原因,在植被建設中應遵循區(qū)域植被的演替規(guī)律,以水定植,盡量選擇低耗水的適生鄉(xiāng)土樹種,采取自然修復為主、人工栽植為輔的措施,同時實施好水土保持措施。黃土丘陵區(qū)天然遼東櫟林是當?shù)刂脖谎萏娴捻敿壢郝?林地土壤的干燥化是黃土高原氣候整體趨于旱化造成的,并不是人為干擾導致植被過度耗水造成的,這種土壤干燥化不宜歸屬于干層的范疇。判別土壤干層應以當?shù)胤€(wěn)定天然植被群落的生物量水平和土壤水分狀況為基準。 【關鍵詞】：土壤-植被-大氣系統(tǒng) 水能傳輸 水分平衡 能量平衡 土壤水熱環(huán)境 黃土丘陵區(qū)
【學位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2008
【分類號】：S154
【目錄】：

• 中文摘要5-7
• 英文摘要7-13
• 第一章 緒論13-33
• 1.1 選題的目的和意義13-14
• 1.2 國內外研究進展14-33
• 1.2.1 土壤－植被－大氣系統(tǒng)水能傳輸研究進展14-22
• 1.2.2 SVAT 模型的研究與應用22-33
• 第二章 研究內容與方法33-41
• 2.1 研究區(qū)概況33-34
• 2.2 研究內容34-35
• 2.2.1 建立土壤、植被、大氣數(shù)據(jù)庫34-35
• 2.2.2 土壤－植被－大氣系統(tǒng)水能傳輸模擬35
• 2.2.3 土壤－植被－大氣系統(tǒng)水分傳輸特征35
• 2.2.4 土壤－植被－大氣系統(tǒng)能量傳輸特征35
• 2.2.5 土壤水熱環(huán)境與植被生長響應35
• 2.3 技術路線35-37
• 2.4 研究方法37-41
• 2.4.1 試驗設計37
• 2.4.2 觀測項目37-40
• 2.4.3 模擬分析40-41
• 第三章 土壤－植被－大氣系統(tǒng)水能傳輸模擬41-65
• 3.1 模型描述41-45
• 3.1.1 土壤水過程41-42
• 3.1.2 植被冠層對降水的截留42
• 3.1.3 土壤入滲42
• 3.1.4 地表徑流42
• 3.1.5 土壤蒸發(fā)42-43
• 3.1.6 植被蒸騰43
• 3.1.7 深層滲漏43
• 3.1.8 太陽輻射過程43-44
• 3.1.9 土壤熱過程44-45
• 3.2 模型設置45-47
• 3.3 土壤、植被、大氣數(shù)據(jù)庫建立47
• 3.3.1 土壤特征數(shù)據(jù)庫47
• 3.3.2 植被生長特征數(shù)據(jù)庫47
• 3.3.3 氣象數(shù)據(jù)庫47
• 3.4 模型參數(shù)調整47-57
• 3.4.1 降雨量校正因子48
• 3.4.2 直接穿透降雨系數(shù)48-57
• 3.4.3 植被冠層截留容量57
• 3.5 模擬初始值57
• 3.6 模擬結果驗證57-65
• 3.6.1 地表徑流的模擬驗證57-58
• 3.6.2 土壤水分的模擬驗證58-60
• 3.6.3 截留量的模擬驗證60-62
• 3.6.4 土壤溫度的模擬驗證62-65
• 第四章 土壤－植被－大氣系統(tǒng)水分傳輸特征65-81
• 4.1 土壤－植被－大氣系統(tǒng)水分傳輸動態(tài)65-74
• 4.1.1 大氣降水65-66
• 4.1.2 植被冠層截留66-67
• 4.1.3 地表徑流67-69
• 4.1.4 土壤蒸發(fā)69-70
• 4.1.5 植被蒸騰70-72
• 4.1.6 深層滲漏72
• 4.1.7 土壤儲水增量72-74
• 4.2 土壤－植被－大氣系統(tǒng)水分傳輸平衡74-76
• 4.2.1 干旱年74-75
• 4.2.2 豐水年75-76
• 4.3 土壤－植被－大氣系統(tǒng)水分交換通量76-81
• 第五章 土壤－植被－大氣系統(tǒng)能量傳輸特征81-98
• 5.1 土壤－植被－大氣系統(tǒng)能量傳輸動態(tài)81-90
• 5.1.1 太陽輻射81-82
• 5.1.2 凈短波輻射82-84
• 5.1.3 有效長波輻射84-85
• 5.1.4 凈輻射85-87
• 5.1.5 潛熱通量87-89
• 5.1.6 感熱通量89-90
• 5.1.7 土壤熱通量90
• 5.2 土壤－植被－大氣系統(tǒng)能量傳輸平衡90-93
• 5.2.1 輻射平衡90-92
• 5.2.2 能量平衡92-93
• 5.3 土壤－植被－大氣系統(tǒng)水能耦合傳輸93-98
• 5.3.1 土壤蒸發(fā)熱通量93-96
• 5.3.2 植被蒸騰和截留蒸發(fā)熱通量96-98
• 第六章 土壤水熱環(huán)境及植被生長響應98-112
• 6.1 不同植被類型土壤水分動態(tài)98-104
• 6.1.1 土壤儲水量動態(tài)98-99
• 6.1.2 土壤剖面水分分布99-100
• 6.1.3 土壤剖面水分交換的深度100-101
• 6.1.4 土壤水庫調節(jié)能力101-102
• 6.1.5 不同植被類型的耗水量動態(tài)102-104
• 6.1.6 土壤干燥化104
• 6.2 不同植被類型土壤溫度的變化104-109
• 6.2.1 土壤溫度與土壤熱通量的關系104-105
• 6.2.2 土壤溫度的季節(jié)變化105-107
• 6.2.3 土壤溫度的鉛直變化107-108
• 6.2.4 土壤溫度的年較差108-109
• 6.3 植被生長對土壤水熱環(huán)境的響應109-112
• 6.3.1 植被對土壤水分的利用率109
• 6.3.2 植被蒸騰對土壤水分的響應109-110
• 6.3.3 植被生長對土壤水分的響應110-111
• 6.3.4 植被生長對土壤溫度的響應111-112
• 第七章 結論與討論112-118
• 7.1 結論112-116
• 7.2 討論116-118
• 參考文獻118-125
• 致謝125-127
• 作者簡介127

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陜北黃土高原土壤水庫動態(tài)特征的評價與模擬    王健

黃土丘陵區(qū)土壤—植被—大氣系統(tǒng)水能傳輸模擬研究    衛(wèi)三平

不同林地類型土壤水庫特性的初步研究    黃榮珍

黃土高原半濕潤偏旱區(qū)旱作蘋果園地水分生產(chǎn)力與土壤干燥化效應模擬研究    王亞莉

寧南黃土丘陵區(qū)植被恢復方式的土壤水庫特征研究    張揚