季节性受淹芦苇湿地蒸散发的模拟研究

发布时间：2020-07-23 16:08

【摘要】：水对于维持鄱阳湖湿地生态系统稳定具有重要的作用。但是近些年来,由于人类活动和自然气候变化,湿地水文特征发生了显著改变。对于湿地而言,蒸散发是水、热的主要损失项,影响着水量平衡,因此,模拟蒸散发对不同气象、土壤、植被、水文条件的响应具有重要意义,可让我们深入地了解湿地水量平衡、水分运移并维持鄱阳湖湿地生态系统稳定。本文实验区选在鄱阳湖吴城国家自然保护区内,选取芦苇湿地为研究对象,运用Hydrus-1D软件,输入实验区2013年1月1日-2013年12月31日气象、水文、土壤、植被等数据,构建水分垂向运移模型,并运用构建的模型模拟不同辐射、相对湿度、风速、地下水埋深、地下水变化周期、LAI(Leaf Area Index,叶面积指数)条件下的蒸散发量,以探究不同因素对实验区湿地蒸散发的影响,并利用水量平衡原理及SPAC系统(Soil-Plant-Atmosphere Continuum,土壤-植物-大气连续体)其他界面水分运移情况对蒸散发结果进行解释。本文主要结论如下:(1)湿地蒸散发和SPAC界面水分运移过程均受到辐射、风速和相对湿度的影响。土面蒸发量随辐射值增大而增大;当土壤含水量充足时,根系层水分对植被蒸腾补给较大,植被蒸腾量随辐射值的增大而显著增加,当土壤供水不足时,若辐射值过大,芦苇会出现自我保护现象,叶片气孔变小甚至关闭,植被蒸腾作用减弱;蒸散发模拟结果与植被蒸腾一致。随着风速的增大,当土壤供水充足时,植被蒸腾和土面蒸发与风速呈正比,当土壤供水不足时,强风使叶面出现自我保护现象,植被蒸腾作用受到阻碍,强风也使土壤表面缺水且土面阻力增大,土面蒸发量增长速率减小。植被蒸腾、土面蒸发和蒸散发均随湿度增大而减小。以7-8月份为模拟期,发现7月份因供水充足,土面蒸发、植被蒸腾和蒸散发与辐射值呈正相关关系,8月份因土壤缺水,在本文所设置的几个辐射值范围内,当辐射值大于18 MJ/(m~2·d)时,植被蒸腾量和蒸散发量略有减小,土面蒸发量仍增加;7月份由于土壤含水量大,土面蒸发、植被蒸腾和蒸散发与风速呈正相关,而8月份,在本文所设置的几个风速值范围内,当风速大于270km/d时,土面蒸发与植被蒸腾作用均受到抑制;7、8月份植被蒸腾、土面蒸发和蒸散发均随湿度增大而减小。(2)随着地下水埋深的增大,地下水对上层土壤和植被的补给量减少,蒸散发量也相应减少。当地下水埋深超过3m时,地下水对植被蒸腾和蒸散发的补给几乎为0,植被蒸腾和蒸散发不再受地下水位影响。湿地在非淹没状态下,地下水埋深变化对土面蒸发量的影响不大。(3)不改变潜在蒸散发条件下,控制地下水位在0-3m内变化,在夏季7月13日附近会出现植被蒸腾和蒸散发高峰,此峰值出现的时间主要受到气象和植被因素的影响,而受到地下水位的影响较小。随着地下水周期的变化,若地下水位峰值出现在7月份之前,则主要影响土面蒸发,若出现在7月份之后,则主要影响植被蒸腾和蒸散发。在植被生长季,地下水位降低会减弱蒸散发,在非生长期,地下水位降低对蒸散发的影响较小。土面蒸发能对地下水位变化做出快速响应,而植被蒸腾有延迟现象。随着地下水变化周期的减小,年蒸散发总量在增大,深层土壤水补给、根系层水分渗漏和土壤储水量波动更加剧烈。地下水对缺水土壤的土壤含水量的影响程度要远大于接近饱和的土壤。但是当地下水周期过小时,土面蒸发因能对地下水位的变化迅速做出响应,其曲线变化趋势明显,而植被蒸腾作用来不及反应,只是蒸腾总量略有增加,但是曲线变化趋势不明显。(4)增大潜在蒸散发后,年实际蒸散发总量增加,地下水位峰值对土面蒸发的作用在减弱,对植被蒸腾和蒸散发的作用在增强。在植被生长期和非生长期,地下水位降低都会更明显减弱蒸散发作用。增大潜在蒸散发后,植被蒸腾和蒸散发对地下水位变化的响应更加灵敏、显著。由于受气象和植被要素限制,在夏季,蒸散发仍会出现一个峰值,在未改变潜在蒸散发之前,该峰值出现在7月13日附近,地下水位变动对其影响不大,而增大潜在蒸散发后,此时间会受到地下水位的影响,随着地下水位峰值出现的时间提前或延后一些,但仍出现在6-7月份。增大潜在蒸散发后,深层土壤水补给量、根系层水分渗漏量以及土壤含水量受地下水位变化的影响增大。(5)植被蒸腾和蒸散发量随LAI值的增大而增大,但是增长速率逐渐减小,曲线趋于平缓。随着LAI值增大,土面露出面积减少,土面蒸发量相应减小。若实验区均为泥滩,则蒸散发总量为106.38mm;若实验区均为水域,则蒸散发总量为186.8mm;对于有植被覆盖的洲滩湿地,当LAI为0.5时,湿地蒸散发总量要小于全是泥滩的蒸发量;当LAI值大于等于1时,湿地蒸散发总量大于全是泥滩的蒸发量;当LAI值大于等于2.5时,湿地蒸散发总量大于全是水面的蒸发量。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P426.2
【图文】：

水分特征曲线,实验区,观测系统

图 2-1 实验区观测系统括一个为微气象站，用于获取芦苇湿地的降雨量、最高温、最低、风向等气象数据；土壤水分传感器一组，包含三个土壤水传感深 10cm、50cm 和 100cm 处，用于获取土壤含水量实测数据；一于获得地下水位的实时数据；还有一个湖水位传感器，用于获得况，可用于分析鄱阳湖湖水位与地下水位之间的关系。除了多要壤组成、水分特征曲线和理化性质测定是利用人工采集土样带回查是利用样带法和样方法，通过人工测量获得物种组成、盖度、上、地下生物量等数据。013 年 1 月 1 日至 12 月 31 日为研究时间段，根据多要素联合观文数据对实验区内气象、水文、土壤、植被变化规律进行分析，：本实验区选取在芦苇群落内，因为有研究表明，芦苇群落对极敏感，水深对芦苇群落的种群、形态特征、根茎分布、生物量分缺水对芦苇的叶面积指数（LAI）也有显著影响[75]，而且芦苇是的一个物种，因此本文选择芦苇湿地进行研究十分具备代表性。

垂向运移,概念模型,水分,根系层

图 2-9 水分垂向运移概念模型图理，认为此系统进出水量的差值等于土壤含水量的及根系层底部深层土壤水向上补给，水分损失项主分渗漏，方程式如下所示：△W=R+G-Ea-Ta-D 壤含水量变化值(mm/d)，R-降雨入渗(mm/d)，G-深层面蒸发(mm/d)，Ta-植被蒸腾(mm/d)，D-根系层水分模型模型构建的基础，数值模型运用计算机软件和数学行定量的准确的描述和模拟[78]。根据研究目标和水分运移、蒸散发及根系吸水三大模块，为实验区学原理[79]

【参考文献】