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绿洲荒漠过渡区水热平衡规律及其耦合模拟研究

王兵  
【摘要】: 绿洲荒漠过渡区的生态系统属于典型脆弱的陆地生态系统类型,近年来该类型生态系统的生态平衡严重受到威胁。地处腾格里和巴丹吉林两大沙漠交汇地带的民勤,经过长期的演变和人为干扰,加之风沙侵袭、植被退化,造成目前绿洲萎缩,生态系统严重退化,成为目前我国西北典型的荒漠干旱区。众多研究表明,水热条件对退化生态系统的恢复具有限制作用,退化系统恢复过程就是以水热为代表的环境条件逐步改善的过程。因此急切需要研究绿洲荒漠过渡区生态系统的水热状况及其荒漠化过程,分析水热资源的平衡,在调节水热资源的基础上充分提高水资源的利用效率,最终使水热结构达到最优模式,从而促使该生态系统得以尽快恢复与重建,达到防治荒漠化的目的。 本研究选择巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠交汇之处的甘肃民勤绿洲荒漠过渡区为研究地区,按风蚀荒漠化的主风方向设置2km长的实验样带,选择红柳沙丘、白刺沙丘和流动沙丘三种不同植被覆盖梯度类型,利用3台自动气象站连续定位观测水、土、气、生等生态因子,研究分析其水热平衡变化规律,并分别对土壤-植被-大气连续体(SPAC)水热传输、交换以及绿洲荒漠过渡区土壤水热输移进行了耦合模拟研究,为研究该地区生态系统的水热结构优化模式以及荒漠化防治提供了科学的理论基础。本文的主要内容和结论如下: 1)在水量平衡规律研究中,系统研究了绿洲与荒漠过渡地带土壤水分状况及其时空格局和动态规律,研究结果表明:①绿洲荒漠过渡区红柳沙包与白刺沙包土壤水分年际变化不明显,流动沙丘年际差异较大,最高达2.538%;②对0~80cm土层的月平均土壤含水量进行比较:红柳沙包(5.61%)>白刺沙包(5.47%)>流动沙丘(5.22%),根据土壤水分季节变化特点,划分为土壤水分积累期、土壤水分消耗期与土壤水分稳定期;③土壤水分垂直变化规律是由表层到深层依次递增,受植被、气象、人为等外界因素影响,流动沙丘每层的土壤水分变化范围都很大,最大差值达13.81%,而红柳沙包变化较小,说明红柳沙包具有较好的水文效应;④不同坡位土壤水分差异很大,一般下坡位土壤含水量明显高于上坡位与中坡位土壤含水量,最高达到15.408%。 WP=5 2)本文着重分析了有植被覆盖下垫面实际蒸散的变化特征和规律,研究表明,在蒸散日进程中,植被覆盖的红柳沙包和白刺沙包的蒸散率峰值到来时间比流动沙丘早1~2小时,且日最大蒸散速率大小顺序为红柳沙包(0.24mm/h)>白刺沙包(0.20mm/h)>流动沙丘(0.18mm/h),通过灰色关联分析,找出了影响该地区蒸散的主要环境因子,实际蒸散与日照、气温、空气湿度亏缺以及风速的斜率关联度分别为0.717、0.643、0.649和0.705。 3)通过对绿洲荒漠过渡区辐射特征和热量平衡规律的研究发现:①研究地区辐射平衡各分量因子都具有明显的日进程和季节变化规律,且净辐射与太阳总辐射具有很好的相关性;有植被覆盖的下垫面(如红柳、白刺)反射率低于裸露流动沙丘。②在绿洲荒漠过渡区生态系统的热量平衡中,占比例大的仍然是潜热通量,其次为感热通量和土壤热通量,从实验测定结果来看:红柳灌丛沙包上净辐射较强,可达410 w/m2以上,而净辐射的60.3%左右的能量用于地表的蒸散,感热散失和土壤贮存能量分别占23.6%和16.1%;白刺灌丛沙包上,平均蒸散耗热占净辐射能的52.0%,相应的湍流热交换和土壤热交换有所提高,分别占27.8%和20.2%;裸露流动沙丘由于反射率大而净辐射通量小于植被区,最大值为294.5 w/m2,用于地表蒸发的热量大约为46.4%,湍流热交换量占29.5%,土壤热通量占24.1%。从而可以看出,随着荒漠化程度的加深,生态系统反射率增加,净辐射减少,而且热量平衡中土壤热通量所占比例增加,潜热通量比例减小。 4)本文还应用适合于干旱区土壤-植物-大气连续体(SPAC)水热传输模型,利用常规气象资料、植物生理水分资料以及其他水热参数,实现了对绿洲荒漠过渡区SPAC系统水热传输的数值模拟。通过对SPAC系统水热输移的模拟分析,全面揭示了该系统中水分迁移与能量转换所呈现出的规律性,为以后进一步研究SPAC系统的水、汽、热、质奠定了基础,为探索绿洲荒漠水热结构优化模式提供了科学依据。 5)为了定量描述绿洲荒漠过渡区不同程度荒漠化类型土壤的水热迁移与转化过程,本文运用经过Kay与Groenevelt(1974)及Milly(1982)等人改进后的PdV模型综合分析土壤水热输移的变化规律,耦合模拟结果可靠,与实测资料差异不大。


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