植被对地下水依赖程度的实验研究

【摘要】：鄂尔多斯盆地能源矿产丰富,是我国新兴的能源化工基地,在我国实施西部大开发战略的总体格局中占有重要的地位。由于盆地内干旱少雨,水资源短缺和生态环境脆弱成为制约当地区域经济社会发展和能源基地建设的主要瓶颈。近年来,随着能源和矿产资源开发力度加大,地下水资源的开发利用规模也日益加剧,如何在保护植被生态的前提下合理开发地下水已成为社会可持续发展中必须要解决的重大问题。因此,研究地下水与植被生态的依赖关系,厘定主要植被种群对地下水的依赖程度,具有重要的理论和实际意义。 盆地内开展了大量关于植被与地下水关系的研究,主要采用生态水文地质调查与遥感定量分析相结合的方法,定性与半定量的分析了地下水的依赖关系,初步确定了区域尺度影响植被生态的地下水位阈值,对植被生态敏感性进行了区划,建立了植被生态与地下水耦合模型。但对不同植物种群对地下水依赖程度的定量研究开展的较少,研究不同植被的耗水量,厘定不同植被种群的水分来源是生态水文地质学研究的热点与前沿。 本文依托中荷合作亚洲基金项日《鄂尔多斯盆地海流兔河流域生态系统与水关系研究》,在宏观研究的基础上,针对定量确定植被对地下水依赖程度的科学问题,以文献阅读-野外实验-数据统计分析-数值模拟的思路开展了相应的研究工作。通过阅读国内外文献分析总结了植被对地下水依赖程度的定量研究方法及现状的不足,在此基础上,以大气-植被-土壤水-地下水连续体立体动态监测的实验手段开展野外实验研究,及通过自动气象站获取气象要素的变化、采用flow32获取实验植被沙柳的蒸腾量变化、采用基于TDR技术的土壤水分监测仪获取土壤水的变化、采用Minidiver获取地下水的水位变化,同时利用Rootauger获取植被根系分布特征。实验数据表明,实验期间总降雨量78mm、其中最大次降雨量48mm；净辐射在白天为正值,在夜间为负值,最大净辐射为847w m-2；空气湿度平均值为45%；风速日均值为2ms-1。在此气象特征下,沙柳蒸腾日动态呈现正弦变化特征,在降雨期间,蒸腾基本停止。受植被蒸腾的作用,在无降雨期间,土壤水、地下水基本呈下降趋势,但滞后响应。 为进一步探讨沙柳在不同气象、供水状态下的蒸腾特征,依据实验期内的降雨特征,将实验划分为干旱时段、湿润时段和相对干旱时段。据此得到的沙柳蒸腾与气象要素的关系如下：在三个时段内,植被蒸腾与气象要素的相关分析表明,净辐射、温度、风速与蒸腾呈正相关关系,与空气湿度呈负相关关系,并且净辐射与之关系最为密切；多元线性回归分析表明,实验期间气象要素与蒸腾量接近线性关系,决定系数达到0.85。沙柳累计蒸腾量与土壤水地下水的相关关系表明,在干旱时段内,土壤水、地下水皆为沙柳蒸腾的水源；且地下水位的变化与累计蒸腾量呈接近线性的关系,决定系数达到0.99；在湿润时段,受降雨作用,土壤水和地下水呈增加趋势,但存在滞后特征。在相对干旱时段,土壤水和地下水又都成为沙柳蒸腾的水源,回归分析表明,地下水水位的变化与沙柳累计蒸腾量的变化呈接近线性关系,决定系数为0.78,较干旱期内略小。 基于野外实验数据的大气-植被-土壤水-地下水连续系统动力学模型由Richards方程描述,并由美国岩土实验室的Hydrus-1d软件解算。数值模型很好的再现了实验期间的沙柳蒸腾和土壤水变化特征；以数值模型输出的数据为基础,采用水均衡方程计算分析表明,在干旱时段内,沙柳蒸腾贡献为土壤水42%,地下水58%；相对干旱时段内沙柳蒸腾量来源土壤水61%,地下水39%。上述研究成果从定量角度回答了实验期内在地下水位埋深小于4.8m的敏感区植被对地下水的依赖程度,为能源基地的建设和地方经济发展提供了科学依据。