黄土丘陵小流域土壤生态水文过程研究

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中文摘要：土壤水分是地表系统中一个重要的生态水文变量，连接着土壤-植被-大气系统，影响流域其他水文过程（径流、入渗、蒸发），表征植物形态与功能（蒸腾、光合速率），决定地表能量平衡（显热与潜热分配）。在陆地生态系统中，水是重要的驱动力，特别在干旱半干旱地区，也是重要的制约因素，水循环过程决定了生态系统基本的结构和功能，而土壤水分动态是地表水文过程的中心环节。黄土高原地处干旱半干旱地区，水分是当地植物生长最重要的限制因素，多年来被广泛研究，特别是退耕还林工程实施以来，不同植被类型的土壤水分差异已逐渐明确，但对土壤水分的收入和支出过程了解有限。因此，论文结合类型、格局和动态三个方面，选择5种典型的植被类型、5个典型的土地利用类型组合坡面，利用实时监测技术和定位观测手段，比较典型植被类型下土壤水分的收入和支出过程。分析土地利用格局的土壤水分效应，并进行时间稳定性分析，找出能够代表流域或坡面不同水分条件下总体平均水分状况的样点位置。在此基础上，基于水量平衡，利用植被最优性原理模拟在黄土高原典型的气候、地形和土壤条件下，植被自然演替形成的潜在属性特征。通过对5种典型植被类型下1米范围内6个深度的土壤剖面温湿度自动监测，发现铁杆蒿和草地样点水分含量较高。水分收入方面，在降雨过程中，这两样点的水分入渗较快，特别是铁杆蒿样点，通过斑块状的间隔分布格局，使水分入渗率增大，水分收入较多。水分支出方面，在降水之后的湿润阶段，水分含量较高的铁杆蒿和草地样地水分损耗较多，但是由于其在干旱阶段能够有效保持水分，而人工刺槐林和绣线菊样点一直保持较稳定的耗水速率，导致其土壤水分含量较低。雨季能够够缩小不同植被类型的土壤水分差异，可相对差异并没有改变。尽管雨季和生长季重合，水分含量总体仍呈上升趋势。利用2011年7至9月对5个典型坡面共52个样点0-180cm深度的土壤水分观测数据，发现土壤水分含量受地形、降水、土壤性质和植被类型等多种因素的综合影响。地形决定流域土壤水分的宏观分布格局，但不同的土地利用类型组合打乱了地形决定的土壤水分分布格局，包括不同坡面样线间以及样线内部。随着平均土壤水分含量的增加，不同深度内的空间标准差都与其表现正相关关系，变异系数反之。由于不同类型和位置样点的土壤水分剖面结构差异显著，导致垂直标准差和变异系数与平均土壤水分含量关系复杂。利用2012年对5个坡面57个样点共12次土壤水分观测数据，通过累积频率分布、相对差分法和Spearman秩相关系数等三种典型的时间稳定性方法进行分析，发现坡面土壤水分的空间分布格局是稳定的，也就是土壤水分存在类型稳定、空间分布格局稳定特性，并找到了坡面土壤水分的时间稳定性点。但是由于观测期降水频繁，使得水分差异缩小，以及传统时间稳定性分析方法的缺陷，并不能容易找到每个深度土层的时间稳定性点，只是可以较容易发现流域中那些水分含量较高的样点。利用水量平衡与植被最优耦合模型(Coupled Water Balance and VegetationOptimality Model)（简称VOM），根据黄土高原延安气象站1990-2010年的气象数据，和羊圈沟小流域的土壤和地形数据，模拟了该地区自然演替植被的潜在属性特征。模拟结果显示，在研究区的气候、土壤和地形条件下，植被覆盖度（包括草本和乔木）很高，在大部分时间内达到90％以上的覆盖度，导致水分损耗中的土壤蒸发较少。流域草本的同化速率约为乔木的6倍左右，也就意味着该地区植被大部分为草本，乔木植物较少。相应的，模型模拟的植物蒸散速率和根系呼吸也有类似的差异。

作者：

王帅

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关键词：

黄土高原土壤生态水文土壤水分动态陆地生态系统地表水文过程

授予学位：

博士

学科专业：

生态学

导师：

傅伯杰

学位年度：

2013

学位授予单位：

中国科学院研究生院

语种：

中文

中图分类号：