南小河沟流域绿水的水文过程及其与植被类型的耦合关系

摘要

在生态水文学中，水资源可以被分为蓝水资源以及绿水资源两类，其中，蓝水资源主要是指存在于河流、湖泊以及含水层中的水，相比较于蓝水资源，绿水资源则主要是指直接来源于降水，并最终被用于蒸散的水。在干旱半干旱地区，绿水是支持雨养农业的重要水源，其在保持陆地生态系统中景观的协调和生态平衡、支撑雨养农业及维持与保护陆地生态系统生产功能多样性和服务功能全面性等方面均具有非常重要的作用。 黄土高原沟壑区普遍分布于黄土高原中南部，是重要的粮食生产基地及雨养农业区，受温带大陆性季风气候的影响，该区域内降雨量相对偏少却时空分布极不均匀，水资源短缺已成为该区环境与发展最大的制约因子。目前，退耕还林还草工作作为治理水土流失、涵养水源的主要途径，已经在黄土高原地区得到广泛应用与推广，但是，由于树种、草种间生理特征及其对气候、地理位置等特征的响应程度并不相同，使得不同造林树种、草种措施运用下回产生的水文效益及生态效益并不相同，加之植被的选择及配置方式不当，，使得黄土高原半干旱生态经济效益低下、土壤干层和植物生长不良等诸多现象频繁发生。因此，有必要在深入了解不同植被措施影响下绿水水文过程及分布特征的基础上，探索不周植祓措施条件下绿水转化关系及其支持功能与措施植被需水间的耦合关系，并基于此寻求植被合理恢复与管理模式。本研究在野外观测实验的基础上，对黄土沟壑区典型小流域南小河沟流域内刺槐、侧柏、油松、苜蓿、荒草及巨菌草样地内的植被截留及低效绿水特征进行模拟及分析，在此基础上，使用Hydrus-1D模型对各植被作用条件下的绿水水文循环过程进行合理再现，根据该模型对各植被作用条件下日尺度及月尺度绿水动态及绿水对气’候特征的响应动态进行分析，并对月及生长季尺度内实际高效绿水与潜在高效绿水间耦合关系及影响因素进行系统分析，最终得出以下结论： (1)刺槐、侧柏、油松林地内降雨量与穿透雨量间均呈极显著(P＜0.01)线性关系，穿透率与降雨量间均呈幂指数相关关系；各样地内，降雨量与截留量间均呈极显著指数函数关系(P＜0.01)，三种树种的稳定截留率分别为13%、20%以及18%。Gash模型可用于刺槐、侧柏及油松林地截留总量的模拟，而王彦辉模型则不适用与油松林地截留总量的模拟。次降雨截留过程中，王彦辉模型对刺槐、侧柏林地模拟结果的绝对误差分别分布在-1.07～1.19mm以及-2.06～2.59mm，模拟效果较好，且误差范围优于Gash模型。而在油松林地，Gash模型模拟结果误差分布在-1.7～3.4mm，模拟效果优于王彦辉模型。 (2)各样地内植被冠层阻力在生长季内表现出一定的动态性，根据其反推结果建立的土壤蒸发模型在刺槐、侧柏以及油松样地土壤蒸发模拟过程中的绝对误差分别分布在-1.6～2.4mm、-2.3～3.4mm以及-3.5～2.2mm之间，在苜蓿、荒草及巨菌草样地则分别分布在-1.1～1.1mm、-1.2～1.6mm以及-1.2～1.6mm之间，植被冠层阻力的反推结果具有一定的精度。各样地内土壤表面阻力与土壤含水率间均成极显著（P＜0.01）的线性关系，根据拟合结果建立的土壤蒸发模型在刺槐、侧柏以及油松样地土壤蒸发模拟过程中的绝对误差分别分布在-0.6～0.5mm、-0.9～0.8mm以及-0.4～2.1mm之间，在苜蓿、荒草及巨菌草样地则分别分布在-0.8～0.3mm、-0.1～0.9mm以及-0.3～1.0mm之间，土壤表面阻力的拟合结果具有一定的实用性。 （3）3个试验期内刺槐、侧柏、油松、苜蓿、荒草及巨菌草样地日尺度高效绿水分别分布在0～5.9、0～5.2、0～5.7、0～5.2、0～5.2以及0～7.6mm之间，低效绿水分别分布在0～3.5、0～3.6、0～4.0mm、0～2.8、0～3.3以及0～3.1mm之间，绿水储存量分别分布在301.0～416.9、252.5～382.1、356.6～891.4mm、262.2～375.0mm、416.0～553.2mm以及520.1～591.3mm之间。刺槐、侧柏林地在生长季初期，低效绿水为绿水流的主要组成部分，对油松而言，则为高效绿水，同时，油松在非生长季涵养水源的功能较强。三个草种中，荒草地具有较强的水源涵养功能。 （4）4个气候情景时期条件下，各样地内高效绿水量均表现为丰水年＞平水年＞枯水年。高效绿水量对未来及不同水文年气候特征的响应程度表现为：在乔木样地内为：刺槐＞侧柏＞油松，草地样地内为：苜蓿＞荒草＞巨菌草；对低效绿水而言，4个气候情景时期条件下，各样地内低效绿水量同样表现为丰水年＞平水年＞枯水年，气候变化对乔木样地内低效绿水的影响较大，而在草地样地内，其低效绿水量对气候特征的响应程度较差。 （5）各气候情景条件下，刺槐、侧柏、油松、苜蓿、荒草及巨菌草样地高效绿水亏缺量分别分布在320.2～430.7mm、226.9～424.0mm、113.9～258.6mm、370.6～538.6mm、298.8～425.7mm、303.5～391.4mm，均表现为枯水年＞平水年＞丰水年，乔木样地内，高效绿树亏缺量整体表现出刺槐＞侧柏＞油松的特点，在草地样地中，则表现为苜蓿＞荒草＞巨菌草。油松林地高效绿水满足度较高，其涵养水源功能与水分利用功能均优于刺槐与侧柏。巨菌草高效绿水满足度也较高，但其高效绿水耗散量较大，容易造成绿水储存量的大幅减小，因此不适宜进行大规模种植。乔木林中侧柏以及草地中的荒草地具有极大的低效绿水向高效绿水转化的潜力。 （6）气候特征变化对不同样地内高、低效绿水都会产生一定影响，生长季降雨量对于同期高、低效绿水量的影响明显强于温度的影响，其与高效绿水量、低效绿水量之间均呈极显著（P＜0.01）线性关系。与降雨对实际高效绿水的影响较强不同，高效绿水亏缺量主要是由于温度变化引起了潜在高效绿水量的变化，分析表明，各样地生长季内的高效绿树亏缺量与积温呈极显著（P＜0.01）线性关系，与降雨量则呈负相关关系。

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