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《北京林业大学》 2008年
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盐池县沙地造林的水分环境容量与区域生态用水研究

段玉玺  
【摘要】: 为了改善干旱半干旱地区生态环境,近50多年以来,各地开展了大面积的植树造林工作,也取得了一些成绩。但由于西北地区降水资源匮乏,土壤水储量有限,大面积造林往往造成土壤水环境恶化,致使许多人工林生态系统衰退并功能丧失。本研究针对林草植被建设中的土壤水分承载力问题,依据土壤—植物—大气连续体(SPAC)理论,在2006年和2007年,对盐池沙地造林常见的灌木树种沙柳(Salix Psammophila)、沙枣(Elaeagnus angustifolia)、小叶锦鸡儿(Caragana microphylla Lam)和四翅滨藜(Atripldex canescens)及主要乔木树种白榆(Ulmus pumila)和新疆杨(Populus alba L.var. pyramidalis)的蒸腾耗水特性及林分蒸腾耗水规律、林地土壤蒸发耗水规律、林地实际蒸散量、林木需水量和林地土壤水分亏缺量等问题进行了研究,旨在为该地区植被恢复重建中树种选择和沙地水分环境容量的确定提供一定的理论依据。 在宏观上掌握盐池县水资源数量和分布规律、植被数量和分布特点以及社会发展现状的同时,建立了盐池县生态用水的划分体系和计算体系;系统研究了以盐池县生态环境现状为基础的生态用水量;以可持续发展为原则,深入研究了符合该县生态建设和环境保护目标的合理生态需水量,并探讨了盐池县水资源开发利用中存在的问题,试图为该县的生态环境建设和人口、经济、资源、环境关系的协调发展提供科学的决策依据。 论文主要研究结果如下: (一)水分环境容量 1.以Penman-Monteith方程作为林分蒸腾量预测模型的基本形式,依据在生长季内各月典型天气下用Li-1600稳态气孔计定位、定时观测得到的林分蒸腾数据,结合自动气象站观测得到的微气象因子数据,对冠层的反射率、消光系数、冠层阻力、净辐射等数量关系建立相应的模型,并将它们代入预测方程估算了在生长季的不同时段内林木实际蒸腾耗水量。同时,根据实测数据对模型进行了验证。结果表明,模型计算值与实测值的吻合效果很好,相对误差在10%以内,说明利用该方程可较为准确地测算出所研究树种的林木蒸腾量。 计算结果表明,树种年蒸腾量大小排列顺序为:沙柳﹥沙枣﹥小叶锦鸡儿﹥四翅滨藜。白榆表现出较低耗水特性,年蒸腾量与沙柳和沙枣接近;新疆杨耗水量约为白榆的1.5倍。 2.根据实测数据,建立林地土壤蒸发量(Z)与实验地水面蒸发(X)和土壤含水量(Y)关系的数学模型:Z=0.306-0.025X-5.387Y+9.851e-4 X2+1.423 X Y+22.335 Y 2,R2为0.713。以此分别计算得出了各林分生长季林地土壤蒸发量。在分别求出生长季每月各林分的蒸腾耗水量和林地土壤蒸发量后,进而推求出各林地全年的实际蒸散量。 3.依据Li-6400光合测定系统在不同土壤水分(SWC)下对林木蒸腾速率(Tr)和水分利用效率(WUE)的测定结果,经拟合,Tr(y)和WUE(y)与SWC(x)的关系曲线均符合三次方程:y=ax3+bx2+cx+d。通过计算,选取维持最高叶片水分利用效率的土壤含水量临界值和维持最高蒸腾速率的土壤含水量临界值,作为半干旱盐池沙地林木生长适宜土壤水分环境的下限值和上限值,结果为:沙柳10.72%~14.36%、沙枣9.12%~11.40%、小叶锦鸡儿11.39%~13.20%、四翅滨藜10.07%~12.20%。 4.在适宜的土壤水分条件下,在生长季(5~10月),研究地区各灌木的下限需水量分别为:四翅滨藜387mm、小叶锦鸡儿437mm、沙枣445mm和沙柳459mm;乔木的下限需水量分别为:白榆460mm杨新疆602mm。用适宜土壤水分条件下林地的蒸散量(林木需水量)代替潜在蒸散量,计算分析了林地土壤水分的亏缺状况。结果表明,该地区林木在生长季均受到不同程度的水分胁迫。 5.根据在适宜土壤水分条件下所得的林木蒸腾量(T)和林地土壤蒸发量(E),结合该地区生长季80%保证率下的降雨量(P),确定出了盐池沙地在保证林木下限需水量下的最小水分营养面积(A:m2),其关系为:A=1000·T/(P-E)。结果是:沙枣为7m2;沙柳和小叶锦鸡儿为5m2,四翅缤藜为4m2;白榆和新疆杨分别为15m2和20m2。结果表明目前各林分的林木水分营养面积明显不足,而乔木林分更是严重不足。 (二)生态用(需)水 6.以植被蒸散理论、水量平衡理论为基本依据,根据实测和调查资料,确定了盐池县各类型生态用水的定额标准,并以2005为基准年,计算了各类型的生态用水量。结果为:森林植被生态用水量6.05×108m3/a;水土保持生态用水量0.19×108m3/a;草地建设生态用水量8.18×108m3/a;湖泊洼地生态用水量0.0627×108m3/a;城镇绿化生态用水量0.0031×108m3/a。 7.通过生态用水特征分析,研究了盐池县生态用水量与总降水量的比例关系,即生态用水系数Cu;以及单位时间单位面积上生态用水量,即生态用水模数Mu。计算得出全县2005年的Cu为54.29%、Mu为16.73%;2010年的Cu为63.76%、Mu为19.65%。 8.以盐池县生态环境建设规划为计算依据,研究了其生态需水,结果为:到2010年,全县生态需水总量为16.93×108m3/a。届时,盐池县会产生1683.56×104m3/a的用水缺口;农业需水量达到1850×104m3/a,为最大用水产业。
【学位授予单位】:北京林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:S728

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