干旱半干旱地區(qū)土地沙漠化是一種生態(tài)災害,它已成為中國干旱半干旱地區(qū)面臨的最大的生態(tài)環(huán)境問題。造成土地沙漠化的主要原因是生態(tài)系統(tǒng)中水分失衡,水資源失衡也是中國干旱半干旱地區(qū)土地沙漠化的主要影響因子。干旱半干旱地區(qū)因為特殊的地理位置和氣候類型,水資源量自然分布量少,其中主要的水資源以土壤水的形式存在,土壤中的水資源維持著干旱半干旱地區(qū)植被的發(fā)育和生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。干旱半干旱地區(qū)土壤水資源的補給來源為降雨和地下水,干旱半干旱地區(qū)地下水補給與埋深有關,人類過度不合理的開發(fā)經(jīng)營活動造成了地下水水位急劇下降,由于地下水補給來源主要為降雨和深層地下水,大部分干旱區(qū)缺少淺層地下水露出,使得干旱半干旱地區(qū)稀少的降雨成為土壤水重要的補給來源。降雨轉(zhuǎn)化為地下水這一過程主要發(fā)生在淺層-深層土壤中,國際上將淺層土壤不飽和水分帶稱之為地球關鍵帶,淺層土壤水分直接影響該地區(qū)植被環(huán)境的發(fā)育。因此研究降雨-土壤水分入滲過程,以及干旱半干旱地區(qū)土壤水分分布規(guī)律對植被恢復、生態(tài)環(huán)境建設以及人工生態(tài)林的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的科學意義。該研究以中國北方干旱半干旱地區(qū)典型沙地作為研究對象,通過對典型地區(qū)的沙地進行立體觀測和持續(xù)記錄,發(fā)掘中國北方干旱半干旱典型沙地的降雨入滲過程的發(fā)生機理,統(tǒng)計該地區(qū)水資源量及降雨的水分去向分布。其中,干旱區(qū)試驗地位于烏蘭布和沙漠(裸沙地)、半干旱區(qū)試驗地位于毛烏素沙地(人工樟子松林、人工油蒿固沙林、天然裸沙地)。研究采用雨量傳感器、土壤水分傳感器、自主研發(fā)的深層土壤水分滲漏測量儀。實時、連續(xù)、多要素同步監(jiān)測干旱半干旱地區(qū)各類型試驗樣地小時尺度的降雨量,20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、120 cm、160 cm、200 cm各層土壤水分含量,200 cm深處深層土壤水分滲漏量。通過監(jiān)測土壤水分的運動規(guī)律和淺層土壤水分儲量以及滲漏進入深層土壤的(200 cm)水量,系統(tǒng)分析了干旱半干旱地區(qū)喬木防風固沙林,灌木人工固沙林以及天然裸沙地在自然條件下土壤水分對降雨的響應,深層土壤水分滲漏量對降雨補給的響應,以及干旱半干旱地區(qū)降雨入滲過程中的幾種特殊現(xiàn)象和產(chǎn)生深層滲漏的邊界條件。統(tǒng)計了不同地區(qū)水量平衡各要素的量,評價了人工造林過程中應該注意的水分要素和遵循的合理種植密度,討論了沙地水分分布特征和人工林地的可持續(xù)發(fā)展評估,論證了兩種人工植被在雨養(yǎng)條件下固沙林建設的可行性,對沙區(qū)人工造林以及水量平衡的評估提供指導,試驗得出的主要結(jié)論如下:(1)通過推導的控制方程,計算出干旱半干旱典型地區(qū)風沙土試驗區(qū)試驗土壤的毛管持水高度為30-77 cm。根據(jù)這一結(jié)論,設計出符合試驗樣地的新型滲漏測量儀,并進行了四年的連續(xù)觀測試驗,精確測量降雨產(chǎn)生的深層滲漏量。該研究嘗試了一種新的直接測量土壤水分滲漏方法,不再需要對地表植被條件及氣象條件進行測量就可以實現(xiàn)蒸散發(fā)的計算。(2)試驗觀測數(shù)據(jù)表明:深層滲漏量的產(chǎn)生與降雨強度密切相關(大于10 mm/d),而與全年總降雨量沒有直接關系,使用一個固定的滲漏系數(shù)進行模型運算不夠精確。試驗觀測表明干旱半干旱地區(qū)大部分降雨事件無法產(chǎn)生深層滲漏。(3)氣象條件影響降雨的入滲速度和深層土壤水分滲漏(氣溫和土壤溫度)。對比春-夏、夏-秋時段兩次相同規(guī)模的降雨事件發(fā)現(xiàn),在降雨強度相似的情況下深層滲漏延遲時間不同,觀測到最長延遲時間為78天。(4)半干旱地區(qū)雨養(yǎng)型油蒿根系分布范圍為0-120 cm,根系主要集中在20-40 cm深度土壤層中。人工種植的油蒿促進了土壤發(fā)育,固定了風沙土,但是同時也增加了蒸散發(fā)量,消耗了大量的降雨補給,深層土壤水分滲漏量降低了86.4%。(5)半干旱地區(qū)人工樟子松林地土壤在一年內(nèi)有兩次明顯的水分補給過程,幾乎所有的干旱半干旱地區(qū)都在一年內(nèi)有兩次明顯的深層土壤水分補給時段:春季融雪水分入滲補給過程和夏秋季降雨補給過程,夏秋季降雨能產(chǎn)生明顯的深層土壤水分滲漏,現(xiàn)有種植密度下樟子松人工林同樣能固定風沙土,同時能夠兼顧降雨入滲到深層土壤中,樟子松人工林比油蒿人工林更節(jié)水,但是油蒿顯著改良了土壤質(zhì)量。(6)干旱研究區(qū)觀測年內(nèi)降雨量只有48.2 mm,仍然會產(chǎn)生深層滲漏。通過對冬季凍土層邊界消融狀況的觀測表明:干旱區(qū)降雪事件能夠在淺層間歇性凍土中以固態(tài)水的方式儲存水分,間歇性凍土中的土壤水能夠?qū)ι顚油寥浪之a(chǎn)生補充作用,主要的補給方式為:凍土層下界面與深層土壤之間存在能量交換和水分傳輸。多年觀測數(shù)據(jù)表明:流動沙地土壤間歇性凍土期表現(xiàn)出與未凍結(jié)時期相同的滲漏能力。(7)現(xiàn)有種植密度條件下樟子松、油蒿防風固沙林仍然有降雨補給深層土壤水,在該種植密度下的樟子松、油蒿林在雨養(yǎng)條件下能夠持續(xù)生存,降雨水分除了滿足植物生長需要和土壤蒸發(fā),還有剩余水分補給深層土壤水。證明該地區(qū)樟子松、油蒿能依靠天然降雨存活,但是隨著全球極端天氣頻發(fā),半干旱區(qū)降雨量突變的情況下樟子松、油蒿能否適應這一發(fā)展趨勢還需要長期觀測。
【學位單位】：中國林業(yè)科學研究院
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：S714
【部分圖文】：

圖 1-1 研究路線圖Figure1-1 Research procedure依據(jù)研究團隊近五年對中國干旱區(qū)流動沙地降雨的深層滲漏量及動態(tài)變化的研究結(jié)果看，除遇極端大降雨年份外，在干旱區(qū)降水對深層土壤（200cm 以下）水分幾乎無滲漏補給（觀測手段限制，只能粗略估算），而在半干旱區(qū)具有明顯的滲漏補給(楊文斌等，2014b)。故在本項研究中，將研究區(qū)域選在半干旱區(qū)的毛烏素沙地、烏蘭布和沙漠，地貌類型以固定半固定沙丘為主，在研究上具代表性。不同流動沙地風沙土深層滲漏觀測樣地分別設置在毛烏素沙地（烏審旗查干淖爾）、烏蘭布和沙漠（磴口縣沙林中心試驗二場），分別選擇立地類型相近的典型流動沙丘地作為監(jiān)測點。不同固定程度沙地深層滲漏觀測樣地設置在毛烏素沙地，選擇立地類型相近的典型固定沙地和半流動沙地作為監(jiān)測點，并以流動沙地為對照。不同植被型固定沙地

地形、地貌和植被等立地條件下的沙地入滲特征，并探討了降雨入滲過程因素，將雨養(yǎng)條件下干旱半干旱地區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)中土壤水分的季節(jié)變化水消耗期、降雨入滲補給期和季節(jié)性凍土穩(wěn)定期(Zhangetal.，2015)。但對水分的動態(tài)平衡及滲漏補給過程研究處于探索階段，且對不同沙地的土壤缺乏長期系統(tǒng)地觀測研究。因此，為了弄清干旱半干旱地區(qū)土壤水分動態(tài)深層土壤水分滲漏過程進行監(jiān)測研究。如圖 2-1 所示，該研究選取的試驗分。半干旱試驗點位于毛烏素沙地，干旱區(qū)試驗點位于烏蘭布和沙地。試分布在內(nèi)蒙古中西部地區(qū)。

是世界上陸地表面的 1/3(王濤和朱震達，2003)。半干旱地區(qū)面積覆蓋了全世0 多個國家地區(qū)。廣大的干旱半干旱地區(qū)是世界文明的發(fā)源地，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)發(fā)展中占有重要的地位，僅在美國半干旱地區(qū)為整個國家提供了 80%的農(nóng)業(yè)和畜牧品。前蘇聯(lián)中亞干旱半干旱地區(qū)為整個國家提供了 45%的商用產(chǎn)品(賈永瑩，1988)。西部干旱半干旱地區(qū)同樣為國家提供了大量畜牧業(yè)產(chǎn)品。中國是世界上主要的干旱旱分布地區(qū)之一，中國的干旱半干旱風沙區(qū)面積為300萬平方公里，占國土面積的1/些地區(qū)主要分布在昆侖山-秦嶺-淮河沿線以北，一直到東邊的大興安嶺，干旱半干旱覆蓋了全國 16 個省市自治區(qū) 965 個縣。在干旱半干旱地區(qū)，耕地面積達到 7.7 億畝全國耕地面積的 51%，其中 61%的耕地分布在干旱地區(qū)，特別是內(nèi)蒙古包頭以東，高原東部的廣大地區(qū)。因此研究干旱半干旱地區(qū)水資源的分布對中國有重要的意義，1983)。

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