青藏高原典型多年冻土区高寒草甸覆盖变化对水循环影响的试验研究

摘要

本文以位于青藏高原典型多年冻土区的风火山小流域为试验研究区域，针对高寒草甸植被类型，采用相邻不同覆被盖度的样地比较方法，在植被覆盖变化比较大的典型高寒草甸覆盖区域，选择坡向、坡型、坡度、趋于一致的平均植被覆盖度变化为30％、65％和93％的坡面为研究对象，建立径流试验观测场，观测区域气象要素、水分入渗、陆面蒸散发、坡面产流与产沙、土壤冻结融化的温度和水分等因素，分析植被覆盖变化与各水循环各因素间的关系、影响程度以及响应机制。研究结果表明：
　　 1、(1)高寒草甸高覆盖度(93％)的土壤饱和导水率Kfs随着土壤深度h呈现显著的二次抛物线型的变化规律，随着深度增加入渗速率随之递减，但深度超过40cm后，入渗速率反而有所增加。高覆盖度草地(93％)7月份的饱和导水率大于6月份，且差异性极显著(p＜0.01)，充分说明冻土层融化层深度变化在土壤水分入渗中的重要作用。冻土融化初期(6月)，20cm深度30％覆盖度的饱和导水率大于65％和93％覆盖度草地，93％、65％和30％盖度饱和导水率分别为0.26 mm·min-1、0.16mm·min-1、0.68 mm·min-1，体现了植被覆盖变化在水分运动中的重要作用。(2)覆盖度较高(93％)的高寒草甸草地的土壤稳定入渗速率最大，为0.65 mm/min，达到稳定入渗所需时间最长；覆盖度为30％的工程扰动迹地的土壤稳定入渗速率最小，为0.16 mm/min。说明覆盖度较高的高寒草甸草地的土壤有利于水分入渗，而土层较薄的工程扰动迹地水分入渗性能较差。(3)通过双环入渗试验比较和回归模拟，得出了适合该研究区不同植被类型和覆盖度的入渗速率f(t)和入渗时间t的关系表达式为：f(t)=at-b及相关参数a、b。
　　 2、(1)高寒草甸地区年平均水面蒸发量为1735.8mm。植被生长季节(5月～10月)观测到的覆盖度30％、65％、93％的坡面平均累计土壤蒸散发量分别为：276.47mm、300.16mm、318.21mm。各覆盖度的累计蒸散发量为30％＜65％＜93％；相同覆盖度坡面上都是坡上的累计蒸散发量大于坡下的。(2)在连续无降水极端干旱情况下，整个坡面30％、65％、93％覆盖度平均日蒸散发量分别为2.75 mm·d-1、3.85 mm·d-1和2.74 mm·d-1。在无降水影响条件下，整个坡面平均蒸散发量是覆盖度65％最大(4.07 mm·d-1)，其次是93％(3.77 mm·d-1)，最小为30％(3.70 mm·d-1)，而平均凝结水量最高的是93％盖度(3.37 mm·d-1)，其次是65％(3.34 mm·d-1)，最小是30％(2.87 mm·d-1)。这一结果说明在极端干旱或是无降水影响的条件下，典型多年冻土区高寒草甸高覆盖度的草地非常有利于水分的保存，能有效减小蒸发，增加凝结水量，高原地区植被对凝结水量的影响不容忽视。
　　 3、(1)分析了不同植被覆盖对降水产流的影响，在相同降水条件下，覆盖度低的坡面产流量大于覆盖度较高的坡面的产流量。65％以上盖度的平均地表产流量比30％以下盖度的产流量减少61.2％。30°坡面上，65％以上盖度的径流系数小于0.0208，30％以下盖度的径流系数为0.0406。(2)植被退化的低覆盖坡面上，降水量是影响产流量的主要因子；但在覆盖度较高的坡面上，降水量和降水形态都影响着产流量，在降水量相同的条件下，降雪可比降雨和雨夹雪增加产流量2.1～3.5倍。(3)覆盖度越高，产沙量越低，植被退化至30％覆盖度的草地坡面累计产沙量是覆盖度65％的3倍多，是覆盖度93％的5倍多；65％以上覆盖度的土壤流失量比30％以下盖度的减少74.7％。所有结果体现了高覆盖度高寒草甸草地有效的保护水土、涵养水源的效应。
　　 4、(1)在同一覆盖度不同深度土壤，活动层约40cm以上部分的土壤温度与气温呈现出显著的线性正相关关系(P＜0.01)，随着土壤深度增加响应程度降低。30％覆盖度各层的土壤温度对气温的响应程度都高于65％和93％的。(2)覆盖度30％的土壤冻结和融化的起始时间都早于65％和93％两个高覆盖度的，最长时间早23天左右。(3)覆盖度为30％、65％、93％的40cm(根系集中分布层)土壤层全部冻结耗时分别占总耗时数的73％、82％、96％；覆盖度高的高寒草甸覆盖层土壤冻结耗时日较多，尤其是93％的草甸40cm土壤冻结耗时最为显著。
　　 5、(1)无论冻结过程还是融化过程，活动层土壤不同深度相变水量受植被覆盖度影响较大，随植被覆盖度降低，不同深度相变水量均表现为显著增加。植被覆盖度越小，土壤水分冻降和融升变化响应时间越早，活动层全剖面土壤水分冻降和融升响应历时越短，土壤水分在整个冻结过程和融化过程的减少幅度随植被覆盖度增加而减少。(2)覆盖度为30％的草地土壤冻结相变水量平均分别比覆盖度为65％和93％的草地土壤大10～47％和15％～55％，剖面上土壤冻结相变水量在40cm处达到最大值。(3)在活动层土壤完全融化时期，受土壤温度梯度和植被蒸散发影响，土壤水分具有向表层和深层两向分流汇聚特征，导致在剖面40cm以上深度和120cm深度的土壤含水量大于30％或是30％附近，而在65cm深度处，无论哪个植被盖度的土壤含水量都主要集中为25％左右，形成显著的土壤疏干层。
　　 6、(1)不同高寒草甸植被覆盖度土壤的冻结和融化温度均随含水量的增大而升高。含水量相同的情况下，不同覆盖度各层土壤的融化温度均高于冻结温度，植被退化对表层土壤温度的影响剧烈，覆盖度低的土壤表层比覆盖度高的土壤更容易传递温度，使土壤表层温度变化异常。植被覆盖具有明显的阻止能量向下传导和向上传导的作用，能很好地保护冻土。(2)土壤含水量在冻结状态和融化状态对植被高覆盖度的响应表现出了明显的不一致。30％覆盖度的冻结和融化拐点时间都早于65％和93％高盖度的，随着深度增加拐点出现时间越接近。≥0℃时植被盖度对土壤含水量和土壤温度的协同影响比较突出，在40cm深度的水分含量按覆盖度的大小依次是93％＞30％＞65％。(3)多年冻土区不同植被覆盖土壤完全融化阶段，水分含量和土壤温度无明显的相关关系；土壤冻结阶段活动层未冻水含量Wu(％)与地温较差△T(℃)间的关系可用指数方程表达为：Wu=Aeb△T。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1冻土活动层对水文循环因素的影响

1.2.2植被变化与土壤入渗

1.2.3植被与土壤蒸散发

1.2.4植被与产汇流

1.2.5植被与土壤水分

1.2.6植被与土壤温度

1.2.7相关的水循环因素模拟研究

1.2.8存在的问题与发展趋势

1.3本论文的主要研究内容、拟解决的关键问题、技术路线

1.3.1主要研究内容

1.3.2拟解决的关键问题

1.3.3技术路线

1.3.4观测试验布置与数据资料收集

第二章 典型多年冻土试验区的自然环境背景

2.1研究区自然概况

2.2高寒草甸生态系统的分布状况、特征及变化

2.3高寒草甸生态系统、多年冻土与气候

2.4试验区高寒草甸土壤理化性状

第三章土壤水分入渗及其对高寒草甸植被覆盖变化的响应

3.1观测试验与研究方法

3.1.1观测试验方法

3.1.2入渗基本理论评述

3.2土壤水分入渗及其对高寒草甸覆盖变化的响应

3.2.1土壤饱和导水率结果分析

3.2.2土壤入渗试验结果分析

3.2.3土壤水分入渗的数值模拟

3.3本章小节

第四章 高寒草甸土壤水分蒸散发及其对覆盖变化的响应

4.1试验观测方法

4.1.1水面蒸发观测的方法

4.1.2土壤蒸散发观测方法和资料计算分析

4.2水面蒸发观测结果对比分析

4.3土壤蒸散发对覆盖度变化的响应

4.4无降水影响下土壤蒸散发对覆盖变化的响应

4.5本章小节

第五章 多年冻土区高寒草甸覆盖变化对降水产流过程的影响

5.1典型坡面降水—产流的特征及其变化

5.1.1研究方法

5.1.2结果分析

5.2高寒草甸覆盖变化对坡面产流的影响

5.2.1不同植被覆盖变化对坡面产流的影响

5.2.2典型多年冻土区覆盖变化对降水—产流的机制的影响

5.2.3不同覆盖度坡面的平均径流系数

5.3高寒草甸覆盖变化对坡面径流产沙的影响

5.4本章小节

第六章 高寒草甸覆盖变化对多年冻土活动层冻融过程的影响

6.1研究方法

6.2活动层剖面地温的年内分布及其对覆盖变化的响应规律

6.3不同高寒草甸覆盖冻融过程中的土壤温度特征及变化

6.3.1气温的变化

6.3.2不同覆盖度的地温与气温的耦合关系分析

6.3.3气温与植被对土壤冻结融化过程的协同影响

6.3.4不同深度土壤冻融拐点的地温特征及其与植被覆盖的关系

6.4本章小节

第七章 不同高寒草甸覆盖的冻土活动层土壤水分变化过程

7.1研究方法

7.1.1土壤水分测定

7.1.2冻融过程中土壤水分融升冻降幅度与土壤冻结融化相变水量

7.2高寒草甸覆盖度变化对冻土活动层内未冻水的影响

7.2.1土壤水分变化的阶段划分

7.2.2不同阶段植被覆盖变化对土壤水分分布的影响

7.3高寒草甸不同覆盖的活动层水分融升和冻降规律

7.4本章小节

第八章 高寒草甸覆盖变化对冻融过程中活动层的水热协同影响

8.1研究方法

8.2冻土区高寒草甸覆盖变化对温度和土壤水分的协同影响

8.3高寒草甸变化对冻土的水热影响及水热耦合结果分析

8.3.1被覆盖变化对土壤水热影响的相关关系分析

8.3.2模拟结果和分析

8.4本章小节

第九章 结论与展望

9.1结论

9.2存在的问题与展望

参考文献：

附录：在读期间主持、参加科研项目、发表论文和获奖情况

致谢