黄土高原丘陵沟壑区人工植被生态水文过程研究

发布时间：2017-06-22 04:05

  本文关键词：黄土高原丘陵沟壑区人工植被生态水文过程研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：黄土高原是我国乃至世界上水土流失最严重的地区,轻度水土流失面积达45.4万km2,多年数据显示输入黄河的泥沙量高达16亿吨,其中自然侵蚀量贡献约9.75亿吨。植被恢复成为黄土高原地区生态恢复与重建最直接、有效、经济的措施。长期以来黄土高原地区将植树种草作为生态建设的主要措施并且取得了巨大成功,但是仍然存在着造林树种成活率低、生产力低和保存率低的现象,究其原因是没有根据黄土高原水土资源特点合理科学地营造人工植被。“六五”以来,黄土高原生态环境问题和植被恢复一度成为研究的热点。通过长时间的研究,学者们对黄土高原的基本生态环境问题及其植被恢复方案已经基本达成共识,即按照因地制宜、适地适树适草的原则,宜乔则乔,宜灌则灌,宜草则草,农林复合,乔灌草结合,科学合理地建立与生态环境最为适宜的森林植被。植被恢复过程还存在“三低”问题。因此需要对人工植被的水量平衡各组分及其植被净第一性生产力进行研究,为合理有效配置水资源,对黄土高原的植被恢复与重建具有深远的意义。本研究以黄土高原小流域主要造林树种柠条、沙棘、油松、刺槐、农作物以及自然生长草地为研究对象,具体研究内容包括以下几个方面：(1)灌木林地林冠截留的观测与模拟；(2)灌木林地蒸散发的观测与模拟；(3)灌木林地植物水势及其光合作用的观测与模拟；(4)各人工林地根系分布特征及其根系吸水模型的建立；(5)各人工林地及自然草地地表径流的观测；(6)各人工林地及自然草地、农作物水量平衡过程的比较。主要得到以下结果：(1)柠条和沙棘截留量分别占降雨量的28%和18.3%,柠条和沙棘的穿透雨量分别占降雨的59.7%和73.3%,以及树干茎流量分别占降雨量的12.3%和8.4%。穿透雨和树干茎流的变化系数与其他灌木生态系统相似。当降雨量1 0 mm,穿透雨变化系数发生剧烈变化,然而对于大降雨事件,穿透雨变化系数就会稳定。树干茎流变化系数具有相似的规律。当截留量较小时,模拟值稍稍高出观测值,当截留量较大时,模拟值要低于观测值。(2)柠条和沙棘试验期间蒸腾量分别为173.4和236.6 mm,蒸腾量的变化主要依赖环境要素,比如光合有效辐射,饱水汽压差和土壤水分。当土壤水分充足时,光合有效辐射,饱和水汽压差为主要控制因素,反之土壤水分起主导作用。在半干旱区小降雨事件可以湿润植物表面,大降雨事件可以补充土壤水分,柠条和沙棘树干对降雨响应的阈值为5 mm,枝条为1 mm。因此,在半干旱区小降雨事件对于植被的生长和存活具有积极的作用。液流对于降雨的响应依赖于降雨量和降雨前后的天气情况。叶片与树干、枝条的水势差也强烈影响液流速率的变化。(3)黄土高原安家沟流域主要造林树种细根主要集中在土壤表层,径向分布超过冠幅范围。细根根长密度(FRLD)与土壤氮含量和有机质呈显著正相关关系,与土壤水分和土壤容重呈显著负相关关系,与土壤粒径组成关系不明显。本文所建立的柠条根系吸水模型基本可以反映柠条的真实情况。(4)黄土高原地区土壤水分唯一的补给源为降雨。然而,我们的研究展示这样的补给是不充足的,土壤水分赤字经常发生。这是由于低的降雨量,强烈的植被蒸散发,以及较大的地表径流所造成的,尤其是油松林地。各植被类型在生长季具有极低的ET/Ep比值。在试验期间,ET/EP和ET/P的比值在逐年下降,这表明,水分条件不能满足造林树种的正常生长。生长初期的土壤水分决定着ET/EP的比值,预示着水分的有效性将决定植被的生长。最后,我们强烈建议柠条和刺槐作为植被重建的首要物种选择。(5)油松和刺槐属于高光合-低蒸腾类型,WUE较高,然而具有较小的水分有效利用率；春小麦NPP很高,但同时也消耗大量的水分,WUE同样较高,类属高光合-高蒸腾类型；草地类属低光合-低蒸腾类型,具有最低的WUE和水分有效利用率：柠条和沙棘这两种灌木,NPP值居中,通过蒸腾消耗大量水分,WUE较低,水分有效利用率较高。通过5年的模拟得到,各植被类型土壤水分基本上可以到达平衡,但是不同物种存在不同程度的亏缺。除草地之外,其他植被类型土壤水分均有不同程度的下降,其中油松、刺槐和沙棘土壤水分亏缺较大。水土流失与荒漠化严重威胁生态环境安全,以成为我国最严重的生态环境问题之一。水土流失与荒漠化可以使耕地毁坏、土地退化,使人们失去生存的依赖,加剧贫困。因此,加强水土保持和荒漠化防治基础理论研究,找出科学合理的防治方法与措施,开展生态环境建设、资源与社会可持续发展的理论研究与实践,可以为国家生态安全和经济社会可持续发展提供坚实可靠的基础。
【关键词】：黄土高原 丘陵沟壑区 植被重建 土地利用变化 水量平衡 净第一性生产力
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q948.1
【目录】：

• 摘要3-6
• Abstract6-14
• 第一章 绪论14-27
• 1.1 引言14-15
• 1.2 国内外研究进展15-22
• 1.2.1 生态恢复理论15
• 1.2.2 生态恢复与土壤质量的关系15-16
• 1.2.3 水分对黄土高原植被的影响16
• 1.2.4 土壤-植被-大气水分传输系统16-22
• 1.2.4.1 林冠截留17
• 1.2.4.2 地表径流17-18
• 1.2.4.3 土壤入渗18-19
• 1.2.4.4 蒸散发19-22
• 参考文献22-27
• 第二章 研究目的和内容27-29
• 2.1 研究目的27
• 2.2 研究内容27
• 2.3 技术路线27-29
• 第三章 研究区概况29-37
• 3.1 黄土高原自然概况29-33
• 3.1.1 地理位置29
• 3.1.2 地形地貌29-31
• 3.1.3 气候特征31
• 3.1.4 土壤特征31-32
• 3.1.5 水文特征32-33
• 3.1.6 植被特征33
• 3.2 安家沟流域概况33-37
• 3.2.1 地理位置33-34
• 3.2.2 地形地貌34-35
• 3.2.3 植被与土壤35
• 3.2.4 水文与气象35-37
• 第四章 灌木降雨截留观测与模拟37-52
• 4.1 材料与方法38-39
• 4.1.1 降雨截留观测与模型选择38-39
• 4.1.2 气象要素39
• 4.2 结果与分析39-46
• 4.2.1 降雨特征39-40
• 4.2.2 穿透雨变化特征40-41
• 4.2.3 降雨对树干茎流的影响41
• 4.2.4 降雨对林冠截留的影响41-42
• 4.2.5 灌木持水能力42
• 4.2.6 树干茎流对土壤水分的补给42-45
• 4.2.7 林冠截留模拟45-46
• 4.3 讨论46-48
• 4.3.1 截留、穿透雨和树干茎流46-47
• 4.3.2 Gash模型的适用性47
• 4.3.3 Gash模型的应用47-48
• 4.4 小结48-49
• 参考文献49-52
• 第五章 灌木林地蒸散发的观测与模拟52-78
• 5.1 材料与方法53-55
• 5.1.1 蒸散发测定53-54
• 5.1.2 植被生理参数测定54-55
• 5.2 结果与分析55-71
• 5.2.1 土壤水分随降雨的变化55
• 5.2.2 蒸腾量尺度上推55-57
• 5.2.3 彭曼公式与包裹液流计的比较57-58
• 5.2.4 液流测定58-59
• 5.2.5 蒸腾速率日变化特征59-62
• 5.2.6 液流速率对降雨的响应62-68
• 5.2.7 液流对植被水势的响应68-70
• 5.2.8 土壤蒸发的测定和模拟70-71
• 5.3 讨论71-73
• 5.3.1 彭曼方法与包裹液流计比较71
• 5.3.2 蒸腾量的日变化71-72
• 5.3.3 液流对降雨的响应72
• 5.3.4 液流对植被水势的响应72-73
• 5.4 小结73-74
• 参考文献74-78
• 第六章 植被细根分布特征及其土壤水分模拟研究78-102
• 6.1 材料与方法79-82
• 6.1.1 造林树种根系取样方法79-80
• 6.1.2 土壤水分参数80-81
• 6.1.3 柠条根系吸水模型的选择81-82
• 6.2 结果与分析82-94
• 6.2.1 细根分布特征82-85
• 6.2.1.1 细根垂直分布82-83
• 6.2.1.2 细根径向分布83-84
• 6.2.1.3 细根二维分布84-85
• 6.2.2 土壤水分与FRLD85-86
• 6.2.3 土壤性质与FRLD86-89
• 6.2.4 根系吸水模型的建立89-90
• 6.2.5 柠条根系吸水模型的验证90-94
• 6.2.6 模拟结果94
• 6.3 讨论94-97
• 6.3.1 细根分布特征94-95
• 6.3.2 土壤水分与FRLD95
• 6.3.3 土壤性质与FRLD95-97
• 6.3.4 模型评价与改进97
• 6.4 小结97-98
• 参考文献98-102
• 第七章 植被重建对土壤水分储量以及水分利用的影响102-117
• 7.1 材料和方法103
• 7.2 结果与分析103-109
• 7.2.1 土壤水分变化103-106
• 7.2.2 地表径流106
• 7.2.3 ET/E_p比值特征106-107
• 7.2.4 ET/P比值特点107-108
• 7.2.5 SW、Q、P、E_p与ET/E_p的关系108-109
• 7.3 讨论109-112
• 7.3.1 土地利用类型对土壤水分变化的影响109-110
• 7.3.2 土地利用类型对ET/E_p和ET/P的影响110-111
• 7.3.3 SW、Q、P、E_p对ET/E_p、ET/P的影响111-112
• 7.4 小结112-113
• 参考文献113-117
• 第八章 植被生态水文过程模拟117-132
• 8.1 模型介绍118-128
• 8.1.1 土壤水分模型118
• 8.1.2 土壤水分模型结构118-121
• 8.1.3 各植被类型NPP模拟121-122
• 8.1.3.1 同化物模拟121-122
• 8.1.3.2 同化物分配122
• 8.1.4 模型运用与检验122-128
• 8.1.4.1 模型的运用122-124
• 8.1.4.2 模型的检验124-128
• 8.2 结果与分析128-130
• 8.2.1 不同土地利用类型NPP分析128-129
• 8.2.2 各植被类型土壤水分分析129-130
• 8.3 结论与讨论130-131
• 参考文献131-132
• 第九章 结论与建议132-134
• 9.1 研究结论132-133
• 9.2 建议133-134
• 在学期间的研究成果134-136
• 致谢136

【参考文献】

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  本文关键词：黄土高原丘陵沟壑区人工植被生态水文过程研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：470662