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《中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心)》 2015年
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黄土区典型灌草植被土壤水分时空分布及其植被承载力研究

刘丙霞  
【摘要】:黄土高原北部的水蚀风蚀交错带是我国水土流失最为严重的地区,也是生态环境建设重点实施的区域之一,如何快速有效的进行植被恢复,有效控制水土流失,改善生态环境,已成为制约该地带经济和社会可持续发展的重大问题。多年来,该区开展了大量的水土流失治理和植被恢复重建工作,但很多地区出现了人工植被和土地逐渐退化的新现象,表现出新的水资源—生态环境矛盾,这对黄土高原土地利用格局及生态环境产生了强烈影响。造成这一现象的主要原因是对该区土壤水分—植被—气候环境条件间的相互作用关系缺乏深入了解,人工植被种植密度和初级生产力大于水资源的承载能力。因此,研究黄土高原北部的水蚀风蚀交错带典型小流域土壤—植被—大气系统间的水分运动和转化规律,以及土壤水分植被承载力,可揭示该区代表性植被的耗水特性和土壤剖面水分变化规律,对合理规划利用土壤水资源和重建生态系统的可持续发展有重要意义。本文以位于水蚀风蚀交错带内的典型小流域——六道沟流域为主要研究区域,选择坡面典型的人工植被生态系统为研究对象开展了试验研究,通过小区—坡面尺度研究了不同土地利用及其土壤水分时空分布;不同降水年型下的土地利用对降水的响应;不同植被密度和植被年限的灌草植被与土壤水分时空分布的相互关系,系统掌握了不同植被类型以及同一植被在不同密度和不同年限下的水分转化特征和规律;并应用SHAW模型模拟不同植被年限下土壤水分动态,分析典型植被长期耗水过程,探讨研究区坡面的土壤水分植被承载力。本研究的主要结论如下:(1)四种土地利用类型(柠条林地、苜蓿草地、撂荒地及农地)0-4.0 m的剖面土壤储水量不同土层深度的土壤储水量空间分布在十年的观测期内均能够长时期维持较好的时间稳定性。但柠条和苜蓿地中的土壤储水量的时间稳定性随着观测时期的延长,表现出减弱的趋势,时间稳定性的强度依次为农地撂荒地苜蓿地柠条林地;利用时间稳定性分析选取的最稳定点的土壤水分数据,能够准确地预测研究区的平均土壤储水量;每个土地类型中部单一测点也可以较好的预测小区储水量均值。在该实验区用时间稳定性方法所选择四种土地利用类型中的代表性测点的水分数据均能够连续多年(8a)用于预测储水量均值。(2)降水和土地利用方式共同控制着土壤剖面水分变化,并对剖面土壤水分时空动态变化具有明显的影响。土地利用在剖面土壤水分的影响体现在整个0-4.0 m剖面中。在不同降水年型下,剖面土壤水分始终表现为农地最大,撂荒地次之,苜蓿地和柠条地中土壤水分均较低且两者差异较小;与农地相比可知,在不同的降水年型下,柠条、苜蓿地和撂荒地中的水分消耗深度超过了4.0 m,但在四种降水年下,撂荒地和农地深层土壤剖面始终无干层产生,而柠条和苜蓿地土壤剖面产生严重干化。降水年型对土壤水分入渗和干层的厚度与恢复均存在不同的影响,平水年、枯水年和丰水年在植被生长季对柠条和苜蓿地土壤水分的补给深度不超过1.0 m,在极端丰水年,其水分补给深度也不超过2.0 m土层。因此降水主要影响着0-1.0 m剖面土壤水分的时空分布,在自然降雨条件下,研究区人工植被用地的深层土壤剖面一旦形成土壤干层,土壤水分状况很难得到补给与改善,在极端丰水年条件下,干层得以缓解最大深度也不超过2.0 m土层。(3)植被密度影响植被生长和土壤水分的时空分布。柠条和沙柳的株高、基径生长及地上干生物量随着植被密度的变化而发生显著变化,在一定的密度范围内株高、基径和生物量指标均随着密度的增加而减小,但密度增大至一定值时,株高、基径和生物量呈现增大趋势;柠条和沙柳剖面土壤含水量和储水量随植被密度的增加而呈现降低趋势,土壤水分的时间动态变化幅度也随着植被密度的增加呈减小的趋势;土壤剖面干燥化程度随植被密度的增大趋于严重化。为了确保降水补给能够使得干层得以恢复,我们建议柠条和沙柳的适宜种植密度分别为9000丛/hm2和8500丛/hm2,最大种植密度分别为14000丛/hm2和11000丛/hm2。(4)植被生长年限对植被的生长、土壤水分时空变化以及土壤水分消耗具有显著的影响。2-12年生柠条地和1-19年生紫花苜蓿地土壤水分随着植被生长年限的延长而呈下降的趋势;多年种植柠条和紫花苜蓿会导致土壤产生干燥化,在幼龄期土壤水分消耗量较大且迅速减少至土壤干化,且土壤干燥化程度随植被年限的增大趋于严重化,土壤深层干化后难以恢复。土壤干层的形成速率和厚度与植被类型相关。紫花苜蓿从第5年开始1.0 m以下土层出现永久性干层,柠条从第6年开始形成永久性干层。我们建议紫花苜蓿和柠条在该地区的种植年限不要超过5年和6年,其对应的地上最大生物量为分别为1980kg/hm2和5050kg/hm2。(5)我们利用田间观测的土壤水分数据、土壤参数、植被参数和气象资料SHAW模型进行了校正和验证,结果表明校正后的SHAW一维模型可以很好地模拟黄土高原小流域典型灌草植被下的土壤水分动态变化。柠条和苜蓿小区剖面土壤水分模拟值和实测值在95%的置信水平上显著线性相关。校正阶段,模拟平均误差(ME)分别为0.34%和1.06%,模拟的均方根误差(RMSE)分别为3.81%和0.17%,且相对平均绝对误差(RMAE)分别为0.88%和3.12%;与校正阶段模拟结果相比,模型验证阶段精度相对偏低,柠条和紫花苜蓿RMSE值分别为5.71%和1.14%。(6)应用校正和验证后SHAW模型模拟了代表性平水年气象条件下柠条和紫花苜蓿生长年限和相应生物量对1.0-4.0 m土壤剖面土壤水分变化的影响,结果表明植物生长年限和植被种类影响1.0-4.0 m土壤剖面的土壤水分分布和消耗。紫花苜蓿从第3年开始1.0 m以下土层出现干层发育现象,而柠条在生长5年后土壤干层开始出现。在干层发育的初期,紫花苜蓿地的土壤干层厚度大于柠条地,而在研究后期,柠条植被下的土壤干层厚度超过紫花苜蓿地中的干层厚度。在保证土壤水分可持续利用,并避免2m以下土壤干化的基础上,模拟结果表明柠条和紫花苜蓿的最佳生长年限分别为5年和3年,其相应的最大土壤水分植被承载力分别为4800 kg/hm2和1200 kg/hm2。本研究表明黄土高原北部水蚀风蚀交错带,虽然土地利用类型和降水共同影响着剖面土壤水分时空分布,但四种土地利用的深层剖面土壤水分的空间分布具有长时期的时间稳定性;不同植被密度和不同生长年限对土壤水分时空动态变化和植物生长状况具有密切的影响,土壤水分通常随着植被密度的增加和生长年限的延长而减小;在自然气象观测条件下,柠条和沙柳的适宜种植密度分别为9000丛/hm2和8500丛/hm2,最大种植密度分别为14000丛/hm2和11000丛/hm2。在的适宜种植密度的基础上,紫花苜蓿和柠条在该地区的种植年限不要超过5年和6年,其对应的地上最大生物量为分别为1980kg/hm2和5050kg/hm2。应用SHAW模型模拟研究表明适宜种植密度下的柠条和紫花苜蓿在代表性平水年的气象条件下的最佳生长年限分别为五年和三年,其相应的最大土壤水分植被承载力分别为4800kg/hm2和1200 kg/hm2。研究结果有助于量化黄土高原水蚀风蚀交错带土壤水分植被承载力,对水资源的合理利用和植被恢复的可持续发展提供科学指导,并对该地区植被恢复和重建具有重要指导作用。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:S152.7;Q948

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