黄土丘陵区土壤—植被—大气系统水能传输模拟研究

【摘要】： 20世纪80年代以来,黄土高原人工林草地土壤普遍干燥化且越来越严重,不仅恶化了土壤水环境,导致植被大面积衰退甚至成片死亡,而且给退耕还林还草和生态环境建设带来不良影响。目前,植被生长与土壤水分动态的互动关系、植被的耗水规律、土壤水分的植被承载能力、植被水文功能的正确评价等问题已成为黄土高原植被建设所面临的严峻课题。本文选择陕北黄土丘陵区天然辽东栎林、人工刺槐林、荒草地、农地4种植被类型为研究对象,基于野外试验应用COUPMODEL(Coupled heat and mass transfer model for soil- plant-atmosphere system)模型模拟了土壤-植被-大气系统中土壤、植被、大气界面之间水分和能量的交换过程,研究不同类型植被覆盖条件下系统水分和能量的传输特征,以及不同类型植被条件下土壤水热环境和植被生长的响应,旨在为黄土丘陵区以及类似地区的林草植被建设提供理论依据。主要研究结论如下: (1)干旱年,林地、荒草地土壤-植被-大气系统中降水主要消耗于土壤蒸发和植被蒸腾,其次是植被冠层的截留损失,总蒸散量超过了同期降水量,土壤储水量均减少,土壤水库处于负补偿状态。农地作物生长周期较短,系统耗水量较小,1.81%的降水储存于土壤中;丰水年,林地、荒草地和农地系统的水分收入均大于支出,17.07%～26.27%的降水储存于土壤中。农地土壤水分补充最多,其次为阴坡荒草地、阴坡辽东栎林地、阴坡刺槐林地、阳坡辽东栎林地、阳坡荒草地,补充最少的是阳坡刺槐林地。 (2)试验期间阳坡接收的太阳辐射量平均为7169.19MJ·m-2,阴坡平均为6826.79MJ·m-2,阳坡大于阴坡。林地土壤-植被-大气系统获得的净辐射能量,进入植被层54.52%～62.73%,进入土壤层37.27%～45.48%;荒草地系统进入植被层40.00%～47.00%,进入土壤层53.00%～60.00%;农地系统进入植被层30.74%,进入土壤层69.26%。林地、荒草地和农地系统获得的净辐射主要通过潜热通量释放,占净辐射的72.05%～81.41%;其次是感热通量,占净辐射的16.35%～26.37%;土壤热通量很小,仅为净辐射的1.39%～2.40%。 (3)土壤-植被-大气系统中水分的蒸发、蒸腾,均伴随着能量消耗,系统水分和能量的交换和转化是一种耦合传输过程。土壤蒸发热通量随土壤蒸发量的增加而增大,平均每蒸发1mm水分消耗2.461MJ·m-2能量。蒸腾和截留蒸发热通量随蒸腾和截留蒸发量的增加而增大,平均每蒸散1mm水分消耗2.452MJ·m-2能量。 (4)土壤水分亏缺量由大到小依次为:阳坡刺槐林地991.57mm、阳坡荒草地941.21mm、阴坡刺槐林地866.53mm、阳坡辽东栎林地815.89mm、阴坡荒草地790.27mm、阴坡辽东栎林地745.20mm、农地325.55mm。土壤水分的交换深度农地达320cm,阴坡荒草地为240cm,阴坡辽东栎林地为200cm,阴坡刺槐林地和阳坡辽东栎林地均为160cm,阳坡荒草地为140cm,阳坡刺槐林地为120cm。试验期间,林地、荒草地和农地分别约有10%、14%、30%的降水储存于土壤中,林地、荒草地600cm深土壤水库可利用水量62.6～309.0mm,与农地728.6mm相比土壤水库的调节能力很有限。气候干旱对黄土丘陵区土壤干化的贡献率是70.74%,植被过度耗水的贡献率是29.26%,气候干旱是土壤干化的主要原因。 (5)2～7月份为土壤的升温阶段,8～1月份为降温阶段。2～9月份,随土壤深度增加土壤温度逐渐降低;10～1月份,随土壤深度增加土壤温度逐渐升高。在阴坡,0cm、10cm、20cm深土壤温度年较差农地荒草地辽东栎林地刺槐林地;在阳坡,荒草地刺槐林地辽东栎林地;阳坡地类土壤温度年较差显著高于阴坡同地类。 (6)阴坡荒草地、阴坡刺槐林地、阴坡辽东栎林地、阳坡辽东栎林地的土壤水分条件明显优于阳坡刺槐林地和阳坡荒草地,植被长势较好。受林木耗水量和土壤供水能力的双重影响,阳坡刺槐林枯梢现象严重,有整株枯死林木;阴坡刺槐林有明显的枯梢,但没有整株枯死的林木;辽东栎林也存在枯梢现象,但较刺槐林轻微,林木生长仍然十分旺盛。阳坡刺槐林和阳坡荒草地植物的出叶时间比阴坡刺槐林、阴坡荒草地和阳坡辽东栎林的早1周左右,比阴坡辽东栎林早12d左右。 (7)尽管黄土丘陵区人工林地过多地消耗了土壤深层水分,林分生产力低下,但是林地的水土保持生态效益是农地所无法相比的,在水土流失严重地区,植树造林恢复植被仍然是水土保持的一条有效途径。人工林地植被较高的截留和蒸腾耗水是造成土壤干燥化的主要原因,在植被建设中应遵循区域植被的演替规律,以水定植,尽量选择低耗水的适生乡土树种,采取自然修复为主、人工栽植为辅的措施,同时实施好水土保持措施。黄土丘陵区天然辽东栎林是当地植被演替的顶级群落,林地土壤的干燥化是黄土高原气候整体趋于旱化造成的,并不是人为干扰导致植被过度耗水造成的,这种土壤干燥化不宜归属于干层的范畴。判别土壤干层应以当地稳定天然植被群落的生物量水平和土壤水分状况为基准。 【关键词】：土壤-植被-大气系统 水能传输 水分平衡 能量平衡 土壤水热环境 黄土丘陵区
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：S154
【目录】：

• 中文摘要5-7
• 英文摘要7-13
• 第一章 绪论13-33
• 1.1 选题的目的和意义13-14
• 1.2 国内外研究进展14-33
• 1.2.1 土壤－植被－大气系统水能传输研究进展14-22
• 1.2.2 SVAT 模型的研究与应用22-33
• 第二章 研究内容与方法33-41
• 2.1 研究区概况33-34
• 2.2 研究内容34-35
• 2.2.1 建立土壤、植被、大气数据库34-35
• 2.2.2 土壤－植被－大气系统水能传输模拟35
• 2.2.3 土壤－植被－大气系统水分传输特征35
• 2.2.4 土壤－植被－大气系统能量传输特征35
• 2.2.5 土壤水热环境与植被生长响应35
• 2.3 技术路线35-37
• 2.4 研究方法37-41
• 2.4.1 试验设计37
• 2.4.2 观测项目37-40
• 2.4.3 模拟分析40-41
• 第三章 土壤－植被－大气系统水能传输模拟41-65
• 3.1 模型描述41-45
• 3.1.1 土壤水过程41-42
• 3.1.2 植被冠层对降水的截留42
• 3.1.3 土壤入渗42
• 3.1.4 地表径流42
• 3.1.5 土壤蒸发42-43
• 3.1.6 植被蒸腾43
• 3.1.7 深层渗漏43
• 3.1.8 太阳辐射过程43-44
• 3.1.9 土壤热过程44-45
• 3.2 模型设置45-47
• 3.3 土壤、植被、大气数据库建立47
• 3.3.1 土壤特征数据库47
• 3.3.2 植被生长特征数据库47
• 3.3.3 气象数据库47
• 3.4 模型参数调整47-57
• 3.4.1 降雨量校正因子48
• 3.4.2 直接穿透降雨系数48-57
• 3.4.3 植被冠层截留容量57
• 3.5 模拟初始值57
• 3.6 模拟结果验证57-65
• 3.6.1 地表径流的模拟验证57-58
• 3.6.2 土壤水分的模拟验证58-60
• 3.6.3 截留量的模拟验证60-62
• 3.6.4 土壤温度的模拟验证62-65
• 第四章 土壤－植被－大气系统水分传输特征65-81
• 4.1 土壤－植被－大气系统水分传输动态65-74
• 4.1.1 大气降水65-66
• 4.1.2 植被冠层截留66-67
• 4.1.3 地表径流67-69
• 4.1.4 土壤蒸发69-70
• 4.1.5 植被蒸腾70-72
• 4.1.6 深层渗漏72
• 4.1.7 土壤储水增量72-74
• 4.2 土壤－植被－大气系统水分传输平衡74-76
• 4.2.1 干旱年74-75
• 4.2.2 丰水年75-76
• 4.3 土壤－植被－大气系统水分交换通量76-81
• 第五章 土壤－植被－大气系统能量传输特征81-98
• 5.1 土壤－植被－大气系统能量传输动态81-90
• 5.1.1 太阳辐射81-82
• 5.1.2 净短波辐射82-84
• 5.1.3 有效长波辐射84-85
• 5.1.4 净辐射85-87
• 5.1.5 潜热通量87-89
• 5.1.6 感热通量89-90
• 5.1.7 土壤热通量90
• 5.2 土壤－植被－大气系统能量传输平衡90-93
• 5.2.1 辐射平衡90-92
• 5.2.2 能量平衡92-93
• 5.3 土壤－植被－大气系统水能耦合传输93-98
• 5.3.1 土壤蒸发热通量93-96
• 5.3.2 植被蒸腾和截留蒸发热通量96-98
• 第六章 土壤水热环境及植被生长响应98-112
• 6.1 不同植被类型土壤水分动态98-104
• 6.1.1 土壤储水量动态98-99
• 6.1.2 土壤剖面水分分布99-100
• 6.1.3 土壤剖面水分交换的深度100-101
• 6.1.4 土壤水库调节能力101-102
• 6.1.5 不同植被类型的耗水量动态102-104
• 6.1.6 土壤干燥化104
• 6.2 不同植被类型土壤温度的变化104-109
• 6.2.1 土壤温度与土壤热通量的关系104-105
• 6.2.2 土壤温度的季节变化105-107
• 6.2.3 土壤温度的铅直变化107-108
• 6.2.4 土壤温度的年较差108-109
• 6.3 植被生长对土壤水热环境的响应109-112
• 6.3.1 植被对土壤水分的利用率109
• 6.3.2 植被蒸腾对土壤水分的响应109-110
• 6.3.3 植被生长对土壤水分的响应110-111
• 6.3.4 植被生长对土壤温度的响应111-112
• 第七章 结论与讨论112-118
• 7.1 结论112-116
• 7.2 讨论116-118
• 参考文献118-125
• 致谢125-127
• 作者简介127

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