黄土高原农牧交错带土壤－人工植被－大气系统水量转化规律及模拟

【摘要】： 黄土高原农牧交错带以干旱和半干旱气候类型为主,降水稀少,植被生物量普遍偏小、冠幅不大,大多数植被呈斑块状分布。研究黄土高原稀疏人工植被覆盖下土壤-植被-大气系统水分运动和转化规律,可揭示该区代表性生态系统植被的耗水特性,对合理规划、布局和重建可持续发展的生态系统有重要意义。本文通过调查典型乔灌木树种和草种的细根空间分布特征,监测SVAT系统水分平衡分量,系统掌握了不同植被类型水分转化特征和规律;并应用SHAW模型模拟不同植被覆盖下水分和能量在SVAT系统各层次间的传输特征,分析典型植被长期耗水过程,初步探讨该区坡面适宜的植被覆盖度。本研究的主要结论如下: (1)六道沟流域主要乔灌木树种0-100 cm土层中细根分布较多,100 cm以下逐渐减少。刺槐细根分布主要集中在0-340 cm;沙黄土柠条和沙柳细根分布主要集中在0-300 cm,而沙地柠条和沙蒿细根分布相对较浅,主要集中在200 cm以内。就0-100 cm土层中细根分布的比例而言,沙地柠条沙蒿黄土柠条沙柳刺槐。 (2)不同土地利用方式对剖面土壤水分有重要影响。油松和沙蒿的土壤水分状况较好,刺槐、小叶杨、沙柳、柠条和沙柳-柠条-沙蒿混交林土壤含水量较低,其中以0-200 cm土层较为明显。不同土质上生长的20多龄柠条均大量消耗了0-200 cm土层的土壤水分,但对200 cm以下土壤水分影响不尽相同,硬黄土深层土壤水分条件相对较好,其次为披沙地和风沙土,沙黄土深层土壤水分被大量消耗,水分状况最差。3-5年生的苜蓿大量消耗0-280 cm土层土壤水分,第3年土壤储水量只有农地的一半。 (3)不同植被覆盖下水量平衡分析表明,整个观测期沙黄土上生长的油松和柠条土壤水分变化基本保持平衡,平均蒸散量/降水量(ET/P)之比分别为97.6%和98.3%;而3-5年生的苜蓿土壤储水呈负平衡,平均ET/P高达107.5%。风沙土上生长的柠条、沙柳和沙蒿土壤储水也基本保持平衡,平均ET/P变化在95.7%-98.8%;刺槐、小叶杨和沙柳-柠条-沙蒿混交林蒸散量略高于同期降水量,平均ET/P分别为103%、101.6%和101.1%。 (4)通过验证SHAW模型可以很好地模拟黄土高原农牧交错带人工植被水分和能量动态变化。对苜蓿、柠条和油松小区剖面土壤水分模拟效率(ME)在0.54-0.82,相对平均绝对误差(RMAE)在9.2%-12.9%;对短波辐射、地表净长波辐射和净辐射模拟值与实测值的相对平均绝对误差(RMAE)分别为11.3%、18.4%和20.2%。能量平衡组成分析表明,阴坡苜蓿地、短花针茅地和谷子地能量主要消耗于蒸散发的潜热,而阳坡柠条林地和油松林地能量的消耗主要是感热。 (5)根据土壤允许流失量和植物对土壤水分的适度消耗与盖度的关系,对该区代表性灌草植物适宜生长冠层盖度进行了初步研究,确定六道沟流域坡地适宜的苜蓿和柠条盖度分别为33%-40%和25%-32%。