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《北京林业大学》 2013年
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基于COUP model的三峡库区紫色砂岩林地土壤水分运动模拟

吴煜禾  
【摘要】:深入、系统地研究林地土壤水分运动规律对于揭示森林流域径流形成机制、修正洪水预报模型具有十分重要的意义。本研究选择三峡库区紫色砂岩林地为研究对象,采用野外观测、室内试验、点格局分析与模型(COUP model)模拟结合的方法,探讨紫色砂岩区林地土壤水分运动影响因素及土壤优先路径对植物根系生长的响应机理,通过对观测样地土壤水分动态的耦合研究,并结合林地土壤优先路径分布特征对COUP model模型结构进行调整,最终建立适用于三峡库区紫色砂岩林地的土壤水分运动模型,促进三峡库区土壤水分运动规律研究。这对于进一步认识林地水分再分配、流域水循环机制和三峡库区洪水发生发展规律具有重要现实意义,并对深化森林水文学内容,丰富土壤物理学、流域水文学和水土保持学内容具有深远理论意义。 主要研究结论如下: 1)以土壤水分特征曲线为表征紫色砂岩林地土壤水分运动的指标,分别与土壤结构指标、植被类型和人为扰动进行分析,发现植被类型和人为扰动会影响紫色砂岩林地土壤水分特征曲线模型的模拟精度,导致不同林地采用同一模型模拟拟合精度不同、且同一样地底层土壤拟合精度高于表层土壤。以土壤砂、粉黏粒含量、土壤密度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度作为土壤结构指标与土壤水分特征曲线进行偏相关分析,发现土壤水分特征曲线与土壤黏粒含量和毛管孔隙度呈显著正相关,与土壤砂粒含量显著负相关,与土壤粉粒含量、土壤密度相关关系不显著,而与非毛管孔隙度在中吸力值下呈显著负相关。 2)紫色砂岩林地不同影响半径土壤优先路径空间分布与植物根系的关联性在表层0-20cm范围内为较显著的正关联性,说明表层土壤优先路径与浅根系植物生长有关,植物根系生长会导致表层土壤中优先路径数量增加。土壤优先路径数量及径级会影响土壤水分传导特性。 3)考虑优先路径前,COUP model模拟值对降雨的响应在土壤表层快于实际响应,在土壤底层慢于实际响应,且模拟的土壤底层水分动态起伏较小。考虑优先路径后,底层土壤水分COUP model模拟值对降雨的响应更敏感,较好地捕捉到底层土壤水分的波动,响应速度与实测较相似。可见优先路径存在影响了不同深度土壤对降雨的响应速度,使深层土壤水分峰值发生时间提前。针阔混交林地优先路径累计产流量均高于同期针叶林地,说明针阔混交林地优先路径较发育。可能与阔叶树种蒸腾量较大有关,根系周围土壤水分变化较剧烈,引起土粒的崩塌与重组,产生了更多易于水分通过的路径。 4)紫色砂岩区林地土壤水分对降雨的响应有一定的滞后,并呈现多峰值现象。对于针阔混交林样地,土壤水分变化主要受植物蒸腾影响,对于针叶林样地,土壤水分变化主要受土壤蒸发影响。暴雨过程下不同林地不同土层深度均发生优先流现象,随土壤含水量增加、降雨量增大,优先流现象越明显。 考虑优先路径后COUP model对不同类型降雨过程下紫色砂岩林地土壤水分动态拟合较好,捕捉到表层土壤水分峰值较小、底层土壤水分响应较剧烈的现象。
【学位授予单位】:北京林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:S152.7

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