物理與生態(tài)環(huán)境(140809)土壤

土壤物理與生態(tài)安全黃土高原小流域土壤水分植被承載力研究邵明安

研究背景研究目標研究進展要不要種？種多少？生態(tài)和諧種什么？

ThelandscapeoftheexperimentsiteThefieldstationofShenmuExperimentalplotsWeatherstationNeutronprobeTrime-EZTheexperimentalsetupSoilwaterbalance

Salix(沙柳）Caragana(檸條）Medicago(苜蓿）Salix(沙柳）Wateruptakebyrootsandtranspirationrate分析土壤水分調(diào)節(jié)植被生長機理；提出緩解土壤干層的調(diào)控原理—

小流域水分植被承載力；為黃土區(qū)植被建設和生態(tài)恢復提供合理建議。研究目標研究進展經(jīng)驗模型概念模型機理模型基于Logistic基礎之上未能反映土壤水分和植被密度變化之間的影響基于土壤水分消耗和補償平衡基礎之上模型難以推廣，未能反映環(huán)境因子變化對植被生長的影響基于水文或生物地球化學循環(huán)過程基礎之上受參數(shù)獲取，模型的適用范圍等約束土壤深度（cm）細根密度（m2m－2）幼年檸條幼年沙柳幼年苜蓿細根密度（m2m－2）細根密度（m2m－2）檸條沙柳苜蓿黃綿土檸條5100叢/hm21900叢/hm20.88kgC/叢綿沙土檸條6500叢/hm21700叢/hm2沙土沙柳6000叢/hm22570叢/hm20.94kgC/叢黃綿土苜蓿3.36t/hm22.18t/hm2ABCD水分循環(huán)分量黃綿土檸條承載力模擬2100叢/hm2模擬3400叢/hm2平均0.88kgC/叢2100叢/hm23400叢/hm2NPPLAINPPLAILayer1(0～0.3m）Layer2(0.3~0.8m)Layer3(0.8~1.4m)Layer4(1.4~3.0m)Layer5(3.0~6.0m)初始6500叢/hm2初始1700叢/hm2模擬2800叢/hm2平均C=0.94kg/叢

2800叢/hm2模擬3600叢/hm23600叢/hm2初始4800叢/hm2初始2570叢/hm2沙土沙柳承載力黃綿土苜蓿承載力模擬模擬2.58t/hm2

2.58t/hm2模擬2.87t/hm2

2.87t/hm2初始3.36t/hm2

初始2.18t/hm2

小流域SWCCV系統(tǒng)與模擬

水分過程模型氣象社會土壤植被DEM蒸散發(fā)模型填洼模型徑流模型入滲模型網(wǎng)格單元模型植被生產(chǎn)力過程模型氣孔導度模型

光合速率模型

同化物形成模型蒸騰速率模型林冠截流模型土壤水分動態(tài)植被生產(chǎn)力土壤水分植被類型地形用dll方法開發(fā)的工具條系統(tǒng)界面CaraganakorshinskiiSalixMedicago3.46t/hm2

4.23t/hm2

1.57t/hm2

黃土高原的植被建設是改善該區(qū)生態(tài)環(huán)境的重大舉措,人工植被面臨的下伏干層是國家退耕還林草必須解決的重大科學問題。研究背景半干旱半濕潤的黃土高原降水少,蒸發(fā)潛力大，森林覆蓋率低;為減少水土流失，增加植被蓋度，在半干旱區(qū)大量種植喬木，在半濕潤區(qū)種植高密度、高生物量的林草植被；人工植被生長到6-10年后，植被退化，出現(xiàn)“小老樹”，生態(tài)效益低；人工植被強化了土壤干燥化趨勢,存在下伏干燥化土層,簡稱“干層”。坡地20年生小葉楊樹高僅有4-6m，胸徑僅為5-8cm；而正常條件下20年生樹高可達15-20m，胸徑20-25cm。土壤質(zhì)量退化；植物生長緩慢，植被生長周期縮短，群落衰敗和死亡；更新不良，衰敗后的林草地再造林難度大。土壤下伏干層的發(fā)現(xiàn)和定義發(fā)現(xiàn)：上世紀60-70年代水保所在黃土高原多點研究中發(fā)現(xiàn)土壤下伏干層。定義：位于降水入滲深度以下，因植物蒸騰和土壤蒸發(fā)導致土壤水分長期處于負平衡，在土體內(nèi)形成厚度不等的干燥化土層。其濕度下限為凋萎濕度，上限是土壤穩(wěn)定濕度。特征：位于土體某一深度范圍；土壤含水量處于穩(wěn)定的低水平；具有相對持久性。土壤干層的潛在影響報告內(nèi)容

研究背景研究目標研究進展揭示黃土高原土壤干層空間分布特征和影響因素；分析土壤干層的成因和機理；提出緩解土壤干層的調(diào)控原理—

流域水分植被承載力；為黃土區(qū)植被建設和生態(tài)恢復提供合理建議。研究目標研究思路植被建設-生態(tài)修復區(qū)域尺度小流域尺度土壤干化區(qū)域土壤水分空間分異土壤干層厚度土壤干層起始深度土壤干層預報模型土壤干層分異規(guī)律土壤水分環(huán)境與植被生長響應水分植被承載力模擬土壤-植被-大氣系統(tǒng)水分傳輸SVAT系統(tǒng)CoupModel報告內(nèi)容

研究背景研究目標

研究進展40km×40km網(wǎng)格，每個網(wǎng)格內(nèi)3個樣點，代表林地、草地、農(nóng)地；測定深度10m進展一：黃土高原土壤干層空間分布特征和預報模型樣點：346個（1）地帶性特點降水等值線圖野外取樣取樣深度小葉楊樣地果園－蘋果農(nóng)地－土豆喬木林地－北京楊灌木林－沙柳東西方向趨勢線南北方向趨勢線土壤水分空間分布黃土高原土壤水分具有明顯的空間分布，土壤水分呈東高西低、南高北低的總趨勢。這一趨勢與降雨量南高北低的變異規(guī)律相一致。不同深度層土壤水分空間分布D=200cmD=400cmD=300cmD=500cm不同層次土壤水分空間分布D=600cmD=1000cmD=200-1000cm，取決于農(nóng)地和草地，n=50；林地，n=60。為第i層的土壤含水量；為田間穩(wěn)定持水量，設定為田間持水量的60%。其中，土壤干層計算指標：黃土高原土壤干層厚度空間分布圖黃土高原土壤干層起始深度空間分布圖(cm)（2）非地帶性特點刺槐05010015020025030035040045050058111417質(zhì)量含水量(%)深度(cm)溝坡下溝坡上溝臺峁坡海拔(m)1110112311701220穩(wěn)定濕度05010015020025030035040045050058111417質(zhì)量含水量(%)深度(cm)臺地峁坡溝坡下二級峁頂海拔(m)1230124512201260穩(wěn)定濕度（1）黃土高原土壤干層的成因進展二：土壤干層的成因和形成機理氣候：半干旱半濕潤區(qū)，大氣蒸發(fā)力大于降水量；土壤：土層厚，地下水位深；植被：深根系;自然生態(tài)系統(tǒng):

在不同生態(tài)帶，自然植被依據(jù)水熱條件在自然演替作用下形成了與之相適應的植被系統(tǒng)，植被耗水與降水處于平衡狀態(tài)，土壤水分相對穩(wěn)定；人工生態(tài)系統(tǒng)：通過人工栽種，組建新的植被系統(tǒng)，打破了原有的平衡關(guān)系，植被耗水大于降水補給，土壤水分處于嚴重的負平衡，土壤干燥化程度不斷加強。（2）土壤干層的形成機理思路：利用長期定位觀測資料，借助SVAT模型，水平衡要素的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，分析不同植被對土壤水分循環(huán)的影響，揭示干層形成的機制。——土壤-植被-大氣系統(tǒng)水量轉(zhuǎn)化水量平衡方程

式中：P是降水量；I是截留量；Rrunoff是地表徑流；Es是土壤蒸發(fā)量；Tr是蒸騰量；Ppercolation是深層滲漏；ΔS是土壤儲水增量。人工植被土壤水分處于負平衡陜西長武苜蓿地土壤干燥化過程總降水8638mm總蒸散9509mm土壤水庫補給1020mm深層滲漏109mm降水入滲補給深度測定陽坡刺槐林陰坡刺槐林陽坡天然遼東櫟林陰坡天然遼東櫟林陽坡荒草地陰坡荒草地農(nóng)地選擇三種植被類型，考慮坡向的影響，研究植被和下墊面條件對降水入滲補給深度的影響。時間：2005.5—2006.102005.5-12降水418mm2006.1-10降水568mm降水入滲補給深度

160cm160cm200cm140cm220cm320cm120cm模型構(gòu)建方法基于水文和生物地球化學過程的模擬模型土壤水分含量>水分調(diào)萎點增大葉面積指數(shù)土壤水分含量<=水分調(diào)萎點減少葉面積指數(shù)

小時過程LAI年輸入-氮沉降-氮固定年分配：碳和氮-葉（LAI）-徑-根年累積-光和作用-呼吸作用-蒸散-吸收PAR-產(chǎn)流

年過程氣象數(shù)據(jù)：空氣溫度輻射/降雨風速/水汽壓微地形存儲林冠截留，農(nóng)作物、草截留降雨量降雨強度降雨時間地塊單元土壤水分活躍層坡面產(chǎn)流上游來水雙向補償層穩(wěn)定層光合H2O降雪小時H2OH2OH2OH2OH2O蒸散H2OH2OC深滲H2O

日過程研究點數(shù)據(jù)緯度/高程坡向/坡度土壤結(jié)構(gòu)存儲C游離C分配游離NN損失葉徑根葉、根凋落物土壤代謝CCNNCNCNCNCNCN呼吸作用C植被生理參數(shù)植被屬性碳氮分配特點碳氮組成植被生長特點產(chǎn)流ETGPP呼吸NPP降雨LAI進展三：緩解土壤干層的調(diào)控原理——水分植被承載力80多個參數(shù)試驗小區(qū)氣象站中子儀Trime-EZ試驗條件苜蓿沙柳沙柳檸條黃綿土檸條承載力模擬2100叢/hm2模擬3400叢/hm2平均0.82kgC/叢模擬結(jié)果初始6500叢/hm2初始2100叢/hm2NPPLAINPPLAILayer1(0～0.3m）Layer2(0.3~0.8m)Layer3(0.8~1.4m)Layer4(1.4~3.0m)Layer5(3.0~6.0m)初始6500叢/hm2初始1700叢/hm2點為當前植被實測值，黑線為模擬值，淺粗線為植被承載力時的模擬值土壤水分體積含量SWCCV：小流域尺度模擬系統(tǒng)（界面）檸條、沙柳和苜蓿承載力空間分布以長城沿線神木地區(qū)為例：１）檸條承載力：平均6.9t/hm2，范圍4～8t/hm2內(nèi)；當干重為1.6kg/叢時，平均密度4000叢/hm2，范圍為2500~5000叢/hm2之間；２）沙柳承載力：平均8.5t/hm2

，范圍6～10t/hm2；當干重為1.8kg/叢時，平均密度4500