隴中黃土高原典型人工林土壤水文過程研究.pdf

1、植被與水分的關(guān)系問題是生態(tài)水文學(xué)研究的核心問題，正因為如此，生態(tài)水文學(xué)一經(jīng)提出便備受青睞，為干旱半干旱區(qū)以植被建設(shè)為主的生態(tài)恢復(fù)實踐提供了理論基礎(chǔ)。在水土流失十分嚴重的黃土高原地區(qū)，植被恢復(fù)與重建迫切需要我們深入研究植物生長與水分之間的相互關(guān)系。因此，本文以隴中黃土高原安家溝小流域為研究區(qū)，以該區(qū)主要的水土保持樹種檸條、沙棘和油松為研究對象，緊緊圍繞土壤水文過程開展研究。首先收集了研究區(qū)近30年的降雨資料，分析了多年平均降雨分布格局，研

2、究了整個小流域的土壤物理性質(zhì)及其土壤入滲過程；其次，建立了檸條、沙棘和油松的野外觀測樣地，對三種造林樹種的土壤水文過程進行定位觀測?；趯崪y數(shù)據(jù)，以生態(tài)水文學(xué)的理論與方法，研究了檸條、沙棘和油松的冠層降雨截留特征、冠層蒸騰及林下土壤蒸發(fā)過程，然后對比分析三種造林樹種的土壤水文過程，以期為黃土高原生態(tài)重建中的適宜樹種的選擇提供理論依據(jù)。通過研究，主要結(jié)論如下：
　　1.對安家溝小流域1981-2010的日降雨數(shù)據(jù)分析表明：生長季年均

3、降雨量為：271.56 mm，年際變異系數(shù)為29.14％。降雨事件以≤5mm的降雨為主，占全年降雨事件的44.55%，≥10mm的降雨頻率很低，但對年降雨的貢獻大，占降雨總量的64.87%。0-10d間隔期（無降雨日）所占比例最大，為年無降水期的87.03%，﹥10d間隔期呈增加趨勢。近30年來，≤5mm d-1的降雨呈下降趨勢，而≥10mm d-1的降雨略有上升，年內(nèi)總降雨日數(shù)與降雨量均呈下降趨勢。
　　2．研究區(qū)的土壤物理性質(zhì)

4、及土壤入滲特征均受地形特征和植被類型的影響而具有空間異質(zhì)性。具體表現(xiàn)在：①陰坡的土壤有機質(zhì)、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均大于陽坡；陰坡的土壤容重小于陽坡；從整體來看，土壤容重從坡頂?shù)綔系妆憩F(xiàn)出高－低－高的變化規(guī)律?？偪紫抖取⒚芸紫抖群头敲芸紫抖葎t呈現(xiàn)出低－高－低的變化規(guī)律；②安家溝流域陰坡的初始入滲率小于陽坡，而穩(wěn)定入滲率和平均入滲率均大于陽坡；坡位對土壤水分入滲也有較大影響，具體表現(xiàn)為坡中>坡上>坡下>坡頂>溝底，這恰好與

5、土壤容重在整個流域的分布相反。由此可見，除了坡度與坡向之外，土壤容也是土壤入滲的主要決定因子；③不同樹種入滲過程有明顯的差異性，針葉樹種的入滲率大于灌木樹種。初始入滲速率、穩(wěn)定入滲率、平均入滲率及60min累計入滲量的大小依次為：檸條<沙棘<油松。植被分布對土壤入滲過程的影響僅限于0-40cm的淺層土壤，對于60cm以下的深層土壤入滲影響不顯著。
　　3.基于安家溝小流域三種植被類型（檸條、沙棘和油松）下的土壤入滲實測數(shù)據(jù)，采用K

6、ostiakov公式、Horton模型和Philip模型進行入滲過程擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Horton模型對油松林下的土壤入滲過程模擬精度最好，相關(guān)系數(shù)可達0.92，但對檸條和沙棘林下的土壤入滲模擬效果差； Kostiakov公式則能較好的模擬油松和檸條林下的入滲過程，但是對沙棘林下的入滲模擬精度不高；Philip模型則對檸條、沙棘和油松的三種林下的土壤入滲模擬精度都比較高，因此。Philip模型適合于安家溝小流域土壤入滲過程模擬。
　

7、　4．研究期間檸條、沙棘和油松的林冠截留率分別為28%、18.3%和22.4%，樹干莖流率分別為12.3%、8.4%和1.1%。灌木樹種的樹干莖流率大于針葉樹種油松的樹干莖流率。三種林分下穿透雨的變異系數(shù)均隨降雨量的增大而減小。采用Gash解析模型對三種人工林的冠截留模擬結(jié)果表明：檸條、沙棘和油松的冠層截留量的模擬值均低于實測值。由于Gash模型涉及的參數(shù)較多，因此，模型參數(shù)的估算的準確性決定了冠層截留量的模擬精度。本研究以油松冠層截留

8、模擬為例，做了模型參數(shù)敏感性分析，結(jié)果表明冠層持水能力 S對模型有較大的敏感性，其次，林冠蓋度C及平均蒸發(fā)速率E也是影響冠層截留模擬的重要因子。
　　5.油松在單株和樣方尺度上穿透雨具有相似的空間變異性，即穿透雨的空間異質(zhì)性隨著降雨量的增大而降低。在降雨量較小時，冠層結(jié)構(gòu)是穿透雨的主要影響因子，而當降雨量較大時，測量誤差與其它非空間因素是影響穿透雨空間分布的主要因子。油松冠層邊緣對穿透雨具有匯聚作用。樹木的冠層結(jié)構(gòu)是促使邊緣效應(yīng)發(fā)

9、生的主要因素。
　　6.采用熱脈沖技術(shù)觀測了灌木樹種檸條、沙棘和油松單株的樹干液流量，基于單株蒸騰觀測的液流量，通過尺度上推（灌木林尺度上推的空間純量為葉面積指數(shù)，喬木的空間純量為邊才面積）獲得了2013與2014年兩個生長季林分尺度的日蒸騰量。其中，2013年油松、沙棘和檸條的蒸騰量分別為：305.09mm、243.17mm和203.4mm；2014油松、沙棘和檸條的蒸騰量分別為：251.24mm、220.02mm和189.35

10、mm，由于2013年較2014年高溫多雨，2013年三種林分的蒸騰量均大于2014年。三種林分相比較而言，喬木的蒸騰量大于灌木，其中灌木林中，沙棘的蒸騰量大于檸條。樹木蒸騰量的變化主要受環(huán)境因子的影響，當土壤水分充足時，氣象因子中太陽輻射和飽和水汽壓差是主要影響因子，當土壤水分脅迫時，蒸騰主要受土壤水分的影響。檸條、沙棘與油松生態(tài)系統(tǒng)的土壤水量平衡分析表明，灌木樹種的蒸散耗水量小于油松，其中檸條蒸散的耗水量小于沙棘，三種造林樹種中，檸條