本文關(guān)鍵詞：黃土區(qū)典型灌草植被土壤水分時(shí)空分布及其植被承載力研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：黃土高原北部的水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶是我國水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū),也是生態(tài)環(huán)境建設(shè)重點(diǎn)實(shí)施的區(qū)域之一,如何快速有效的進(jìn)行植被恢復(fù),有效控制水土流失,改善生態(tài)環(huán)境,已成為制約該地帶經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大問題。多年來,該區(qū)開展了大量的水土流失治理和植被恢復(fù)重建工作,但很多地區(qū)出現(xiàn)了人工植被和土地逐漸退化的新現(xiàn)象,表現(xiàn)出新的水資源—生態(tài)環(huán)境矛盾,這對(duì)黃土高原土地利用格局及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了強(qiáng)烈影響。造成這一現(xiàn)象的主要原因是對(duì)該區(qū)土壤水分—植被—?dú)夂颦h(huán)境條件間的相互作用關(guān)系缺乏深入了解,人工植被種植密度和初級(jí)生產(chǎn)力大于水資源的承載能力。因此,研究黃土高原北部的水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶典型小流域土壤—植被—大氣系統(tǒng)間的水分運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化規(guī)律,以及土壤水分植被承載力,可揭示該區(qū)代表性植被的耗水特性和土壤剖面水分變化規(guī)律,對(duì)合理規(guī)劃利用土壤水資源和重建生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。本文以位于水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶內(nèi)的典型小流域——六道溝流域?yàn)橹饕芯繀^(qū)域,選擇坡面典型的人工植被生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象開展了試驗(yàn)研究,通過小區(qū)—坡面尺度研究了不同土地利用及其土壤水分時(shí)空分布；不同降水年型下的土地利用對(duì)降水的響應(yīng)；不同植被密度和植被年限的灌草植被與土壤水分時(shí)空分布的相互關(guān)系,系統(tǒng)掌握了不同植被類型以及同一植被在不同密度和不同年限下的水分轉(zhuǎn)化特征和規(guī)律；并應(yīng)用SHAW模型模擬不同植被年限下土壤水分動(dòng)態(tài),分析典型植被長期耗水過程,探討研究區(qū)坡面的土壤水分植被承載力。本研究的主要結(jié)論如下：(1)四種土地利用類型(檸條林地、苜蓿草地、撂荒地及農(nóng)地)0-4.0 m的剖面土壤儲(chǔ)水量不同土層深度的土壤儲(chǔ)水量空間分布在十年的觀測期內(nèi)均能夠長時(shí)期維持較好的時(shí)間穩(wěn)定性。但檸條和苜蓿地中的土壤儲(chǔ)水量的時(shí)間穩(wěn)定性隨著觀測時(shí)期的延長,表現(xiàn)出減弱的趨勢,時(shí)間穩(wěn)定性的強(qiáng)度依次為農(nóng)地撂荒地苜蓿地檸條林地；利用時(shí)間穩(wěn)定性分析選取的最穩(wěn)定點(diǎn)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù),能夠準(zhǔn)確地預(yù)測研究區(qū)的平均土壤儲(chǔ)水量；每個(gè)土地類型中部單一測點(diǎn)也可以較好的預(yù)測小區(qū)儲(chǔ)水量均值。在該實(shí)驗(yàn)區(qū)用時(shí)間穩(wěn)定性方法所選擇四種土地利用類型中的代表性測點(diǎn)的水分?jǐn)?shù)據(jù)均能夠連續(xù)多年(8a)用于預(yù)測儲(chǔ)水量均值。(2)降水和土地利用方式共同控制著土壤剖面水分變化,并對(duì)剖面土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)變化具有明顯的影響。土地利用在剖面土壤水分的影響體現(xiàn)在整個(gè)0-4.0 m剖面中。在不同降水年型下,剖面土壤水分始終表現(xiàn)為農(nóng)地最大,撂荒地次之,苜蓿地和檸條地中土壤水分均較低且兩者差異較��；與農(nóng)地相比可知,在不同的降水年型下,檸條、苜蓿地和撂荒地中的水分消耗深度超過了4.0 m,但在四種降水年下,撂荒地和農(nóng)地深層土壤剖面始終無干層產(chǎn)生,而檸條和苜蓿地土壤剖面產(chǎn)生嚴(yán)重干化。降水年型對(duì)土壤水分入滲和干層的厚度與恢復(fù)均存在不同的影響,平水年、枯水年和豐水年在植被生長季對(duì)檸條和苜蓿地土壤水分的補(bǔ)給深度不超過1.0 m,在極端豐水年,其水分補(bǔ)給深度也不超過2.0 m土層。因此降水主要影響著0-1.0 m剖面土壤水分的時(shí)空分布,在自然降雨條件下,研究區(qū)人工植被用地的深層土壤剖面一旦形成土壤干層,土壤水分狀況很難得到補(bǔ)給與改善,在極端豐水年條件下,干層得以緩解最大深度也不超過2.0 m土層。(3)植被密度影響植被生長和土壤水分的時(shí)空分布。檸條和沙柳的株高、基徑生長及地上干生物量隨著植被密度的變化而發(fā)生顯著變化,在一定的密度范圍內(nèi)株高、基徑和生物量指標(biāo)均隨著密度的增加而減小,但密度增大至一定值時(shí),株高、基徑和生物量呈現(xiàn)增大趨勢；檸條和沙柳剖面土壤含水量和儲(chǔ)水量隨植被密度的增加而呈現(xiàn)降低趨勢,土壤水分的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化幅度也隨著植被密度的增加呈減小的趨勢；土壤剖面干燥化程度隨植被密度的增大趨于嚴(yán)重化。為了確保降水補(bǔ)給能夠使得干層得以恢復(fù),我們建議檸條和沙柳的適宜種植密度分別為9000叢/hm2和8500叢/hm2,最大種植密度分別為14000叢/hm2和11000叢/hm2。(4)植被生長年限對(duì)植被的生長、土壤水分時(shí)空變化以及土壤水分消耗具有顯著的影響。2-12年生檸條地和1-19年生紫花苜蓿地土壤水分隨著植被生長年限的延長而呈下降的趨勢；多年種植檸條和紫花苜蓿會(huì)導(dǎo)致土壤產(chǎn)生干燥化,在幼齡期土壤水分消耗量較大且迅速減少至土壤干化,且土壤干燥化程度隨植被年限的增大趨于嚴(yán)重化,土壤深層干化后難以恢復(fù)。土壤干層的形成速率和厚度與植被類型相關(guān)。紫花苜蓿從第5年開始1.0 m以下土層出現(xiàn)永久性干層,檸條從第6年開始形成永久性干層。我們建議紫花苜蓿和檸條在該地區(qū)的種植年限不要超過5年和6年,其對(duì)應(yīng)的地上最大生物量為分別為1980kg/hm2和5050kg/hm2。(5)我們利用田間觀測的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)、土壤參數(shù)、植被參數(shù)和氣象資料SHAW模型進(jìn)行了校正和驗(yàn)證,結(jié)果表明校正后的SHAW一維模型可以很好地模擬黃土高原小流域典型灌草植被下的土壤水分動(dòng)態(tài)變化。檸條和苜蓿小區(qū)剖面土壤水分模擬值和實(shí)測值在95%的置信水平上顯著線性相關(guān)。校正階段,模擬平均誤差(ME)分別為0.34%和1.06%,模擬的均方根誤差(RMSE)分別為3.81%和0.17%,且相對(duì)平均絕對(duì)誤差(RMAE)分別為0.88%和3.12%；與校正階段模擬結(jié)果相比,模型驗(yàn)證階段精度相對(duì)偏低,檸條和紫花苜蓿RMSE值分別為5.71%和1.14%。(6)應(yīng)用校正和驗(yàn)證后SHAW模型模擬了代表性平水年氣象條件下檸條和紫花苜蓿生長年限和相應(yīng)生物量對(duì)1.0-4.0 m土壤剖面土壤水分變化的影響,結(jié)果表明植物生長年限和植被種類影響1.0-4.0 m土壤剖面的土壤水分分布和消耗。紫花苜蓿從第3年開始1.0 m以下土層出現(xiàn)干層發(fā)育現(xiàn)象,而檸條在生長5年后土壤干層開始出現(xiàn)。在干層發(fā)育的初期,紫花苜蓿地的土壤干層厚度大于檸條地,而在研究后期,檸條植被下的土壤干層厚度超過紫花苜蓿地中的干層厚度。在保證土壤水分可持續(xù)利用,并避免2m以下土壤干化的基礎(chǔ)上,模擬結(jié)果表明檸條和紫花苜蓿的最佳生長年限分別為5年和3年,其相應(yīng)的最大土壤水分植被承載力分別為4800 kg/hm2和1200 kg/hm2。本研究表明黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶,雖然土地利用類型和降水共同影響著剖面土壤水分時(shí)空分布,但四種土地利用的深層剖面土壤水分的空間分布具有長時(shí)期的時(shí)間穩(wěn)定性；不同植被密度和不同生長年限對(duì)土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)變化和植物生長狀況具有密切的影響,土壤水分通常隨著植被密度的增加和生長年限的延長而減小；在自然氣象觀測條件下,檸條和沙柳的適宜種植密度分別為9000叢/hm2和8500叢/hm2,最大種植密度分別為14000叢/hm2和11000叢/hm2。在的適宜種植密度的基礎(chǔ)上,紫花苜蓿和檸條在該地區(qū)的種植年限不要超過5年和6年,其對(duì)應(yīng)的地上最大生物量為分別為1980kg/hm2和5050kg/hm2。應(yīng)用SHAW模型模擬研究表明適宜種植密度下的檸條和紫花苜蓿在代表性平水年的氣象條件下的最佳生長年限分別為五年和三年,其相應(yīng)的最大土壤水分植被承載力分別為4800kg/hm2和1200 kg/hm2。研究結(jié)果有助于量化黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶土壤水分植被承載力,對(duì)水資源的合理利用和植被恢復(fù)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo),并對(duì)該地區(qū)植被恢復(fù)和重建具有重要指導(dǎo)作用。
【關(guān)鍵詞】：SVAT系統(tǒng) 土壤水分 SHAW模型 植被承載力 生長年限 植被密度
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S152.7;Q948
【目錄】：

• 致謝4-7
• 摘要7-10
• ABSTRAT10-19
• 第1章 緒論19-33
• 1.1 背景及意義19-22
• 1.1.1 研究背景19-20
• 1.1.2 研究意義20-22
• 1.1.2.1 生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的需要20-21
• 1.1.2.2 量水布局是植被恢復(fù)建設(shè)的有效、科學(xué)途徑21-22
• 1.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展22-30
• 1.2.1 土壤水分空間分布的時(shí)間穩(wěn)定性22-24
• 1.2.2 土壤水分與植被生長相互作用關(guān)系研究進(jìn)展24-27
• 1.2.2.1 植被生長與降水時(shí)空分布24-25
• 1.2.2.2 土壤干層與植被生長25-26
• 1.2.2.3 土壤水分與植被生產(chǎn)力關(guān)系研究26-27
• 1.2.3 土壤水分植被承載力研究進(jìn)展27-30
• 1.2.3.1 土壤水分植被承載力的概念27-28
• 1.2.3.2 土壤水分植被承載力的研究方法28-29
• 1.2.3.3 土壤水分植被承載力模型29-30
• 1.3 存在問題30-33
• 第2章 研究區(qū)概況、研究內(nèi)容與方法33-49
• 2.1 研究區(qū)概況33-38
• 2.1.1 試驗(yàn)區(qū)地形地貌34
• 2.1.2 氣候特征34-35
• 2.1.3 土壤特征35-36
• 2.1.4 植被與土地利用特征36-37
• 2.1.5 主要研究植被特征37-38
• 2.2 研究內(nèi)容與研究目標(biāo)38-39
• 2.2.1 研究內(nèi)容38-39
• 2.2.2 研究目標(biāo)39
• 2.3 研究方法39-45
• 2.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)39-40
• 2.3.2 試驗(yàn)項(xiàng)目40-43
• 2.3.3 技術(shù)路線43-45
• 2.4 數(shù)據(jù)處理方法45-49
• 2.4.1 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法45
• 2.4.2 中子儀標(biāo)定45-47
• 2.4.3 土壤干層47
• 2.4.4 土壤干燥化強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法47-49
• 第3章 時(shí)間穩(wěn)定性預(yù)測土壤儲(chǔ)水量49-69
• 3.1 引言49
• 3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理49-52
• 3.2.1 布設(shè)與采樣49-51
• 3.2.2 土壤儲(chǔ)水量計(jì)算51-52
• 3.3 時(shí)間穩(wěn)定性分析方法52-54
• 3.3.1 時(shí)間穩(wěn)定性研究52-53
• 3.3.2 代表性測點(diǎn)的鑒定方法53-54
• 3.3.3 代表性測點(diǎn)預(yù)測效果檢驗(yàn)54
• 3.4 結(jié)果與分析54-67
• 3.4.1 四種土地利用的土壤水分時(shí)間變化54-56
• 3.4.2 監(jiān)測時(shí)期長度對(duì)土壤儲(chǔ)水量時(shí)間穩(wěn)定性的影響56-59
• 3.4.3 四種土地利用各土層土壤儲(chǔ)水量時(shí)間穩(wěn)定性59-62
• 3.4.4 四種土地利用下平均土壤儲(chǔ)水量的長期預(yù)測62-67
• 3.5 本章小結(jié)67-69
• 第4章 不同降水年型下土壤水分動(dòng)態(tài)規(guī)律69-85
• 4.1 引言69-70
• 4.2 研究方法70-71
• 4.2.1 布設(shè)與采樣70
• 4.2.2 數(shù)據(jù)分析70-71
• 4.3 結(jié)果與分析71-83
• 4.3.1 不同降水年型年際變化特征71-74
• 4.3.1.1 降水年際變化特征及降水年型劃分71-73
• 4.3.1.2 極端豐水年降水及產(chǎn)流特征73-74
• 4.3.2 降水年型對(duì)土壤水分剖面分布的影響74-76
• 4.3.3 降水年型對(duì)土壤水分補(bǔ)給的影響76-80
• 4.3.4 不同降水年型下土壤水分消耗特征80-82
• 4.3.5 土壤干層的恢復(fù)82-83
• 4.4 本章小結(jié)83-85
• 第5章 不同密度灌叢植被土壤水分生態(tài)環(huán)境85-96
• 5.1 引言85
• 5.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理85-86
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)布設(shè)85-86
• 5.2.2 數(shù)據(jù)處理86
• 5.3 結(jié)果與分析86-94
• 5.3.1 植被密度對(duì)植被生長的影響86-88
• 5.3.2 植被密度對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)的影響88-90
• 5.3.3 不同植被密度下土壤水分剖面分布特征90-93
• 5.3.4 適宜植被密度選取93-94
• 5.4 本章小結(jié)94-96
• 第6章 不同年限檸條和苜蓿地土壤水分變化特征96-105
• 6.1 引言96-97
• 6.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理97
• 6.2.1 實(shí)驗(yàn)布設(shè)97
• 6.2.2 數(shù)據(jù)處理97
• 6.3 結(jié)果與分析97-104
• 6.3.1 紫花苜蓿與檸條間隨生長年限的變化97-98
• 6.3.2 不同年限苜蓿生長與土壤水分的關(guān)系98-103
• 6.3.3 不同年限檸條生長與土壤水分的關(guān)系103-104
• 6.4 小結(jié)104-105
• 第7章 典型灌草土壤水分動(dòng)態(tài)及其植被承載力模擬105-120
• 7.1 前言105-106
• 7.2. 材料與方法106-107
• 7.2.1. 實(shí)驗(yàn)布設(shè)106
• 7.2.2. 數(shù)據(jù)采集106-107
• 7.2.3. 模型模擬評(píng)價(jià)分析方法107
• 7.3. SHAW模型介紹107-110
• 7.4. 土壤水分植被承載力估算與量化110-111
• 7.5. 結(jié)果與討論111-119
• 7.5.1. 模型的校正和驗(yàn)證111-113
• 7.5.2. 土壤水分動(dòng)態(tài)模擬113-117
• 7.5.3. 土壤水分植被承載力模擬分析117-119
• 7.6. 本章小結(jié)119-120
• 第8章 主要結(jié)論和有待進(jìn)一步研究的問題120-124
• 8.1 主要結(jié)論120-122
• 8.2 主要進(jìn)展122-123
• 8.3 有待進(jìn)一步研究的問題123-124
• 參考文獻(xiàn)124-140
• 作者介紹140
• 一、 個(gè)人簡介140
• 二、 攻讀學(xué)位期間發(fā)表（待發(fā)表）論文情況140

  本文關(guān)鍵詞：黃土區(qū)典型灌草植被土壤水分時(shí)空分布及其植被承載力研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：375597