黄土高原北部典型灌丛降水再分配特征及其蒸散耗水规律

发布时间：2018-03-29 10:43

本文选题：降水再分配　切入点：穿透雨　出处：《西北农林科技大学》2016年博士论文

【摘要】：植被冠层对降水的再分配现象可以显著改变地表降水的空间分布格局,从而影响入渗、径流、蒸散发等一系列水文过程。茎干流对根区土壤水分的补给效应可能是旱区植被主动适应干旱逆境的重要机制之一。蒸散发是土壤-植被-大气连续体(SVAT)的重要组成部分,开展科学、高效的植被建设需要考虑造林树种的耗水特征及其对干旱瘠薄环境的适应能力。因此,研究植被冠层降水再分配模式及其蒸散耗水规律,在理论上有助于揭示旱区植被对干旱胁迫环境的主动适应机制,在实践中对于该地区开展合理的植被建设具有重要的现实意义。本论文针对“降水→冠层再分配→地表径流→土壤水分净输入→蒸散损失”这一关键生态水文过程,以黄土高原北部地区两种典型的人工造林灌木树种(柠条和沙柳)为研究对象,定量了穿透雨(指直接穿过冠层空隙和经冠层拦截后滴落至地表的水分)、茎干流(指沿着树干或茎干汇聚至根部土壤的水分)和冠层截留(指经冠层截获后而无效蒸发的水分)占林外降雨量的比例及其影响因素,采用染料示踪试验研究了茎干流在灌丛基部土壤的入渗情况及其对根区土壤水分的补给效应,建立了由灌丛枝条易测量指标(基径和长度)和生物量尺度扩展因子(标准枝数)估算个体以及小区尺度灌丛生物量的方法,动态监测并分析了灌丛小区尺度0~400 cm剖面土壤储水量的变化特征及其影响因素,最终在定量小区尺度灌丛降水再分配过程土壤水分净输入(指除去冠层截留外输入小区地表的水分)、地表径流和剖面土壤储水量变化的基础上,根据水量平衡原理对灌丛小区尺度的蒸散耗水特征及其影响因素进行了研究,所取得主要结论如下:1.柠条、沙柳灌丛具有大致相同的降水再分配模式。在降水再分配组分中,穿透雨占林外降雨量的比例(以下简称“占比”)最大,柠条和沙柳灌丛平均分别为73.0%和67.1%;其次为冠层截留的占比,二者平均分别为16.6%和25.7%;茎干流的占比最小,二者平均分别为10.4%和7.2%。灌丛可以高效地将枝条、叶片等部位截获的雨水通过茎干流汇聚至根部土壤,观测期内,柠条、沙柳灌丛茎干流水分汇集率(指以茎干流的形式汇聚到灌丛基部面积的降雨量与林外空地降雨量的比值)平均分别为124.9和87.5。2.降雨量是影响两种灌丛降水再分配模式最重要的因素。随着降雨量的增加,两种灌丛的穿透雨、穿透雨占比、茎干流、茎干流占比、冠层截留以及茎干流水分汇集率均以线性或指数函数形式增加,而冠层截留占比则以指数函数形式降低。灌丛形态特征对其降水再分配模式具有一定影响,但由于灌丛形态特征的复杂多变性,这种影响在两种灌丛种类之间存在差异。其次,在不同降雨量或雨强梯度下灌丛形态特征对降水再分配模式的影响也不同。3.降水再分配过程中,柠条、沙柳灌丛下土壤水分的净输入量(指穿透雨和茎干流之和)占林外降雨量的比例分别为83.6%和74.0%。降雨量是影响灌丛降水再分配过程土壤水分净输入的重要因素。回归分析显示,净输入量随降雨量的增加呈线性增加,净输入量的占比则以指数函数形式增加。灌丛形态特征对降水再分配过程土壤水分净输入的影响在不同灌丛种类和降雨量或雨强梯度下存在一定差异。染料示踪试验结果表明,茎干流汇集至灌丛基部土壤的水分主要沿着根系通道优先入渗,且入渗深度明显大于穿透雨在冠幅下土壤以及降雨在冠幅外临近土壤的入渗深度。茎干流可以明显增加灌丛基部土壤的水分含量。4.对于柠条和沙柳灌丛而言,可以利用枝条基径(D)、长度(H)这两个易测量指标对枝条生物量做出精确估计。对比4种生物量模型发现,基于D、H二者组合变量(D2H)的异速生长方程(幂函数方程)是估算灌丛枝条生物量的最优模型。模型经线性转化后,生物量数据的异方差性得以明显改善,模型拟合的决定系数最大,平均误差、平均绝对误差、总相对误差、平均系统误差和平均绝对百分误差整体上最小,可以满足生态学研究的精度要求。在枝条生物量估算模型的基础上,结合灌丛标准枝形态指标(基径和长度)和生物量尺度扩展因子(灌丛标准枝数)的测量与统计,最终可对灌丛个体或小区尺度的生物量做出合理估计。5.灌丛小区尺度0~400 cm剖面土壤储水量的动态观测表明,降雨量及其年内分布特征是影响土壤储水量大小的重要因素。灌丛小区剖面土壤储水量的变异系数随着土层深度的增加而减少,说明剖面土壤水分的波动程度随土层深度的增加而减弱。土壤剖面的颗粒分布特征是影响土壤水分垂直分布格局的重要因素。在0~400 cm土层范围内,随着土壤黏粒、粉粒含量的增加,柠条、沙柳小区剖面土壤含水量以指数函数或线性方式增加。坡位是影响坡面小区剖面土壤储水量的重要因素,储水量大小均表现为坡顶部坡中部坡底部的分布规律。小区内灌丛密度、灌丛盖度(总冠幅面积占小区面积的比例)以及单位面积灌丛干重等植被因子对剖面土壤储水量的大小有一定影响。6.灌丛小区尺度蒸散结果显示,随着生长季的推进,柠条、沙柳灌丛小区尺度蒸散量均表现为先增加后降低的趋势。在气象因子中,降雨量是影响灌丛蒸散最重要的因素,各监测时段内的蒸散耗水量随降雨量的增加呈线性增加。其次,大气温度也对灌丛蒸散具有重要影响。在地形因素中,灌丛蒸散量随小区坡度的越大而减小,这可能与坡度增大后径流增加从而导致输入地表的净水分通量减少有关。在土壤因素中,地表砂层覆盖厚度增加对灌丛蒸散有明显的抑制作用。在植被因子中,灌丛密度、盖度以及灌丛干重密度等对其蒸散耗水没有显著影响。综上所述,灌丛通过降水再分配效应可以显著改变降雨过程中输入地表的净水分通量。茎干流在灌丛根部土壤存在优先入渗的现象,对根区土壤水分具有明显的补给效应。灌丛小区尺度的蒸散耗水受降雨、冠层降水再分配模式、地形和土壤因素的深刻影响。
[Abstract]:This paper studies the spatial distribution pattern of soil moisture in the arid area , which is one of the most important mechanisms of soil - vegetation - atmosphere continuum ( SVAT ) . The results show that the variation coefficient of soil moisture in soil profile is the most important factor affecting soil water storage .

【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】：2016
【分类号】：Q948.1

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