毕业论文外文翻译——华中农业大学资源与环境学院_农资.pdf

本科毕业本科毕业论文论文 设计设计 外文翻译 题 目 中国黄土高原植被恢复区降雨量对不同中国黄土高原植被恢复区降雨量对不同植被覆盖植被覆盖 土壤水分的影响土壤水分的影响 姓 名 学 号 2011303200615 专 业 农业资源与环境 指导教师 林丽蓉 职 称 讲师 中国 武汉 2015 年 04 月 华中农业大学本科毕业论文 或设计 外文翻译 1 中国黄土高原植被恢复区降雨量对不同植被覆盖土壤水分 的影响 原文来源 Shuai Wang Bojie Fu Guangyao Gao Yu Liu Ji Zhou Responses of soil moisture in different land cover types to rainfall events in a re vegetation catchment area of the Loess Plateau China CATENA Volume 101 2013 122 128 摘摘 要要 在过去几十年里 退耕还林政策的实施导致了中国黄土高原植被覆盖面积显著增加 植物群 落影响土壤水分的供给和利用 特别是水分进入土壤的过程 这与在半干旱黄土高原降水转化为土壤 有效水分有直接的关系 一次对典型土地覆盖土壤动态水分与降雨的相关性测量研究在一个植被恢复 集中区进行 智能探头分别插在 6 个不同深度的地表下面 地表植被分别为 草 须芒草 半灌木 蒿 灌木 绣线菊 树 刺槐 和作物 玉米 然后再以 10 分钟为间隔周期 60 天记录土 壤体积含水量 时间为 2011 年的生长季节 土壤湿润锋和累计渗透水提前已经进行测量 降雨具有 较大的不同强度的偶发性 土壤水分主要是通过 3 4 次七八月期间的强降水补充 5 个植被类型的平 均土壤含水量剖面可以排序为 作物 草 半灌木 乔木 灌木 这种关系显示出水分含量在时间上的稳 定性 不同的土地覆盖类型显然影响了水的渗透 和进入植被覆盖区的水分总量 在研究期间半灌木 区域土壤在降水量 227 毫米 表现出最高的总渗透量 164 毫米 草区域有 156 毫米的渗透量 树木区域一共有过 154 毫米的降水和 97 毫米的渗透量 灌木区域渗透量为 136 毫米 作物区域渗透 量最低 83 毫米 天然牧草表现出快速渗透和湿润锋能达到更大的深度 关键词关键词 土壤水分 植被恢复 生态水文 植被覆盖 黄土高原 1 前言 流域水循环包括降水 植物截留 穿透 树干流 渗透 蒸发 蒸腾 土壤水分含 量的变化是整个循环的中心和地球系统研究的中心和一致的主题 Legates 等 2011 在土壤水分变化方面 水分循环过程可以简单地分为两个部分 输入和输出 Qiu 等 2011 植物群落通过这两个过程影响土壤水分的时空变异 特别是输入过 程 这直接关系到有限的降水转变成存在于土壤的根区和可供给植物利用的土壤有效水 分 Mahmood 1996 在干旱和半干旱地区 降水是土壤水分唯一来源 了解降雨入 渗过程和数量是很重要的 这是因为它们代表了小流域水循环的初始阶段 Wang 等 2008 植被和水分之间的关系是生态水文的中心主题 它被广泛的讨论并且是许多重要的 新进展的学科 Li 2011 土壤水分含量已被证明能控制植物群落的建立 这反过来又 影响到土壤水分补给和利用 Legates 等 2011 植被在植物冠层的基础上直接通过降 雨分配影响土壤水分的注入 也就是说 降雨过程分为林冠截留 穿透雨 净降水量 和树干流 Li 2011 Marin 等 2000 通过植物冠层拦截降水不利于土壤水分补给 Llorens and Domingo 2007 穿透雨和树干流的输入直接影响土壤水分补给的时空 变化 Durocher 1990 Iida 等 2005 Levia and Herwitz 2005 这三个过程都依赖 于生物 树冠 和非生物 气候 二者综合的因素 例如地表区域和降雨特性 Levia and Frost 2003 2006 渗透 表面径流和蒸散已被确定为决定土壤水分含量关键因 素 Wang 等 2012 Murakami 2009 发现树干流的产生可以随林分年龄而变化 Li 等 2008 2009 评估了三个半干旱的灌木 红柳 柠条和红砂 的树干流及其影响中 国的半干旱黄土高原土壤水分的提高 研究发现 土壤灌木茎根部周围的区域水分含量 显著高于灌木冠层以外的区域 这项研究表明 保存在深土层的灌木树干流可以为干旱 条件下的植物生长营造一个有效的水分源 并且植物根孔是树干流水分最快运动进入土 壤优先途径 Pan 和 Wang 2009 Wang 等 2011B 进行类似的实验得到一致的结 华中农业大学本科毕业论文 或设计 外文翻译 2 果 较小降雨通常会只影响土壤的的最上层几厘米和容易通过直接蒸发掉的土层 因此 土壤水分是主要由大型降雨影响 Schwinning 和 Sala 2004 黄土高原半干旱地区植被类 型的土壤含水量格局被很好地研究 并且相关数据在过去的几十年较好的记录 研究表 明 裸露的土壤比被植被覆盖土壤有较高的水分含量 而且一年生的作物和禾本科植物 比森林有较高的土壤水分含量 Fu等 2003 Qiu 等 2001 在过去的一个世纪 人口增长导致黄土高原的环境的破碎和退化 Fu 等 2000 Su 等 2011 从 1998 年开始 中国政府实施了退耕还林政策 以防止黄土高原地区自然 生态系统的进一步恶化 其中一个项目的最紧迫的任务涉及植被的恢复 因为其在水土 保持方面的关键作用 Wei 等 2012 植被恢复会造成植被覆盖的增加 Xin 等 2008 改良土壤养分水平 Zhou 等 2008 和恢复土壤的物理性质 Vallauri 等 2002 然而 植被恢复也加剧水资源短缺 Wang 等 2011a 这是关系到可持续发 展战略最突出的问题之一 权衡水分供应 粮食生产和碳固存之间问题的依据是确保能 够持续为黄土高原生态系统提供服务 并要求对所涉及的生态水文过程有详细的了解 黄土高原常见的降雨模式特征是高强度降雨 这导致在很短的时间时期产生过量的水 Liu 等 2012 较高的径流量加大了水土流失 同时也降低土壤水分的供应 因此 土壤雨水渗透和存储对于径流量和土壤水分储量是非常重要 因为它们对于植物的生长 有重要作用 许多研究已经证实 植被恢复导致黄土高原一定区域范围内的径流减少 Sun 等 2006 Wang等 2011a c 和一定区域范围内的土壤干燥化降低 Chen 等 2008 这些研 究主要集中在植被恢复时 水分供给不充足导致的蒸散量增加 ET 近几十年来 土 壤水分动态变化受到相当的重视 Fu等 2003 Gao 等 2011 Hu等 2009 先前的研 究已经表明 使用按时间顺序记录土壤水分含量的时域反射法能够反映浸渗过程 比其 它方式更加可靠 Jones 等 2002 Wang等 2008 然而 关于渗透过程和累积入渗量 对不同土地的影响的数据仍然十分缺乏 本研究的目的是分析黄土高原北部的降水特 征 通过观测按时间顺序测定的土壤含水量 来反映水分的渗透过程 并比较了五种典 型的植物对土壤水分输入的影响 这期间下了一场暴雨 特别地 我们研究了土壤水分 运输过程来描述的基本的生态水文环境 阐明了典型植被对降雨分配的影响 理解了土 壤含水量的差异来源 我们实时监控中国陕北黄土高原五种植物区域的降雨和土壤水分 分布 2 材料与方法 2 1 研究区概况 研究区位于陕西省延安市的黄土高原区中心的羊圈沟流域 36 42 N 109 31 E 图 1 该区总面积为 2 02 平方公里 坡度为 10 到 30 海拔范围 1050 至 1298 米 代表着典型黄土高原丘陵沟壑地貌 Liu 等 2012 在过去 20 年 1988 2007 该地 区年平均降水量 498 毫米 年平均气温 10 6 属于半干旱大陆性气候 降雨主要集中 在六月至九月 春季和初夏的通常是干燥的季节 大多数落叶植物的生长季节范围是四 月至十月 研究区土壤主要来源于黄土 依据地形 形成了 50 200 米的深度 此区域中 的黄土通常是由超过 50 的粉砂 0 002 0 05毫米 少于 20 的粘土 3 毫米 降雨 的持续时间 数量和强度特性呈现于表 2 中 在羊圈沟研究期间降雨在数量 持续时间 和强度明显分散 最大强度降雨在 7 月 29 日发生 导致总降雨量达 68 毫米 最大强度 连续 30 分钟降雨量达 5 23 毫米的 平均降雨强度为 3 5mm 在 7 月 13 降雨强度最小 总降雨量为 3 毫米 最大强度连续 30 分钟降雨为 0 9 毫米 0 65 毫米的平均降雨强度 这些结果表明 一些降雨不仅涉及小的降雨量 而且具有较高的强度 在七月和八月期 间有 3次降雨其降雨量超过 40mm 而这样的情况在今年其他月份几乎都有出现 最强烈的降雨用于分析湿润锋的前进 累积降雨曲线的斜率是相对较高 在两个月 的研究过程中 记录下的 30 分钟的降雨强度为 5 毫米约为的总时间的 23 4 5 毫米 为 48 3 4毫米为 8 3毫米为 23 华中农业大学本科毕业论文 或设计 外文翻译 5 3 2 土壤平均动态水分和降水概况 五个不同类型植被覆盖土地的土壤平均水分和降水概况随时间动态变化表示于图 2 中 不同类型植被覆盖的土地在土壤含水量显示出明显的差异 作物区域对比其它植被 覆盖类型土壤总是有着最高的含水量 pb0 001 LSD 法 动态范围 0 22 至 0 28 cm3cm 3 平均值为 0 25 cm3cm 3 灌木区域总是具有最低的水分含量 动态范围 0 06 到 0 18 cm3cm 3 平均值为 0 11 cm3cm 3 树木区域的结果类似于灌木区域 p 0 004 显 著不同于其他区域 p草 半灌木 乔木 灌木 简而言之 半灌木和草区域的结果较为相似 p 0 067 均大于树木和灌木 p40 厘米花了约 420分钟的时间 随后的 240分钟开始快速增长 其 水分含量赶超了 20 厘米的深度的含量 并且稳定在 0 22 cm3cm 3 60 厘米深度的土壤水 分含量持续增加 直到一天后才停止 80cm 和 100 cm 深度的土层含水量没有变化 降雨持续了超过 200 分钟后 灌木区域的润湿锋才达到 10 厘米的深度 土壤含水量 增加相对缓慢 润湿锋在 340 分钟以达到 20 厘米的深度 大约 90 分钟后快速增加 20 厘米深度土层的土壤水分含量超过了深度为 10 厘米的土层 并达到了 28 8 cm3cm 3的稳 定值 大约 12 小时后 润湿锋达到了 40 厘米的深度 经过一段时间的缓慢增加 土壤 水分含量达到大约 0 12 cm3cm 3的水平 大约 6天以后水分渗透到 60 厘米深度的土层 在半灌木区域 润湿锋达到 10厘米的深度比在树木区域晚约 10分钟 但花费了几乎 相同的时间 由初期的 0 14 cm3cm 3增加到第一个稳定水平 其值为 0 26 cm3cm 3 湿润 锋到达深度为 20 厘米的土层早于树木区域约 100 分钟 大约 50 分钟后 开始快速上 升 与树木区域有相似的到达稳定值和重新增长的过程 水分含量达到 0 32cm3cm 3 和 0 30 cm3cm 3的最大水平略晚于树木区域 然后开始下降 同时 80 分钟后水分渗透到 40 厘米的深度 开始快速增加到 0 23 cm3cm 3的稳定值 类似于树木区域 水分在同一 时间达到 60 厘米深度的土层 并最终达到 80 厘米的深度 草区域在 10 厘米的深度有最低的初始含水量 0 12 cm3cm 3 经过约 40 分钟降 雨 该深度的水分含量开始增加 大约 370 分钟后快速增加 水分含量保持在 0 24 cm3cm 3的稳定时间为 100 分钟 经过 80分钟增加后 达到了 28 5 cm3cm 3的水平 在此 时水分渗入到 20 厘米的深度 经过水分的急剧增加 稳定 缓慢增加等过程 160 分钟 后 水分含量稳定在在 0 21 cm3cm 3 在该区域 湿润锋花费了大约 7 小时到达 40 厘 米 12 小时到达 60 厘米深度土层 第二天水分渗透到 80 厘米的深度并最终到达 100 厘 米的深度 在作物区域 其具有最高的初始含水量 润湿锋花了约 300 分钟达到 10 厘米的深 度 经过 60 分钟的增加后 水分含量达到 0 28 cm3cm 3的稳定值 经过类似的过程 水 分渗透来 20 厘米的深度 和达到相同的水分含量水平 随后 40 厘米的深度土层的水分 含量开始增加 达到 0 33 cm3cm 3的水平 水分最终渗透到 60厘米的深度 3 4 降雨和累积渗透之间的关系 基于方程 1 对于降雨强度最大的时刻 7 月 29 日 累计渗透量 I mm 随降雨 总量 P mm 的变化如图 4 所示 四个区域之间呈线性相关性 一个区域呈多项式关系 用数学关系表示如下 Itree 0 5P 2 247 Ishrub 0 492P 4 93 Isubshrub 0 003P2 0 761P 0 318 Igrass 0 123P 1 135 Icrop 0 407P 1 492 华中农业大学本科毕业论文 或设计 外文翻译 7 图图 3 3 五种类型植被覆盖土地湿润锋入渗过程 五种类型植被覆盖土地湿润锋入渗过程 图图 4 4 降水和累积渗透之间的关系降水和累积渗透之间的关系 华中农业大学本科毕业论文 或设计 外文翻译 8 在两个月的研究期间内 半灌木区域有 227 毫米的降水总量 和最高的渗透量 164 毫米 渗透率 约 72 其次是草区域 渗透量 156 毫米 渗透率约为 69 对 于 8 月 8 日后数据缺失的树木区域 其降水量总共 154 毫米 渗透量为 97 毫米 大约 64 的渗透率 灌木区域渗透量为 136 毫米 渗透率约为 60 作物区域有最低渗透量 83 毫米 和渗透率 约 37 图 5 图图 5 5 七八月期间五种不同植被覆盖土地类型累积入渗量和入渗率七八月期间五种不同植被覆盖土地类型累积入渗量和入渗率 4 讨论 4 1 有效降雨对于土壤水分的补给 在陕西省北部黄土高原 农业生产 生活供水和自然植被所需水分主要依靠雨水补 给 Chen 等人 2003 夏天集中的降雨 连同较高的温度 有利于作物的生长 Messing 等 2003 连续三年的气象资料表明 在本次研究的时期内 七月至九月 是该年度的主要降水时期 大约占该年降水总量的一半 Liu 等 2012 如图 2 所示 土壤水分含量通过 2 3 次降雨补充到 10mm 相反地 7 月 26 日和 8 月 24 日的两次降雨 对土壤含水量几乎没有任何贡献 土壤水分含量和降水之间的关系 不同植被覆盖土地 水分含量的阈值显示于图 4 在生长季结束后 七月至九月土壤含的水量有所增加 在 整个雨季 蒸散损失的水分减少 土壤水分逐步累积 为明年春耕期间植物的生长提供 了所需要的水分 强烈降雨通常量大 持续时间短 带来较多降水和导致特大洪水 容 易造成严重的水土流失 近年来 由于植被覆盖和土壤性质的变化 黄土高原的水分径 流已经开始下降 由于水文过程的调节 土地利用方式的改变在这个区域创造出了新的 生态平衡 华中农业大学本科毕业论文 或设计 外文翻译 9 4 2 几种植物覆盖土地土壤水分和降雨的差异 羊圈沟流域不同斑块组成的土地 分布着许多天然物种的和栽培植物物种 它们之 间有不同形态学特征 Hu 等 2010 土壤水分利用效率 Fu 等 2003 土壤养分和 保护作用 Fu 等人 2009 Wang 等人 2010 和土壤水分进入途径 理解这些因素为预测 山坡 集水区以及被这些植物群组合占据的其他特征地形的水文特性提供了基础 在一 周前 有一个 10 5mm 的降雨被研究 该降雨导致了中等水平的土壤含水量 五个实验 区域的土壤初始含水量有显著差异 灌木区域的含量最低 0 07 cm3cm 3 引起茂密的灌 木层消耗过多的浅层水 树木区域的土壤水分含量比灌木区域高 因为它不存在一个密 集的灌木层 土壤水分含量最高的记录是在山谷底部种植玉米 Z mays 的坝地 黄土高 原坝地是独特而重要的地域 它专门用于生产粮食和研究环保 水坝建于山谷的底部 堆积的淤泥从山里冲刷到水库 最后进入农田的作为作物的养分 坝地是主要的实施退 耕还林政策后剩余可耕作的农田 该区域土壤具有较高的营养含量和较好得而保水能 力 在降水之前作物部位的土壤水分含量高达 0 223 cm3cm 3 半灌木和草区域代表了耕 作废弃后的自然植被演替 即羊圈沟流域占主导地位的天然物种是半灌木和草种 它们 在中等范围内有相似的土壤水分含量 在这五个植被覆盖区域 土壤垂直结构水分分布存在差异 渗透过程是由多个生物 物理因素决定 包括地面覆盖的植被 土壤类型 水力特性 降雨强度和土壤表面特征 粗糙度和结痂 Laio 等 2001 树 半灌木 草位点的润湿锋更迅速地达到 10 厘 米深 因为他们的地表植被覆盖度更低 密集的灌木层湿润锋的前进速度较慢 因为存 在茂密的灌木层 作物位点湿润锋的前进速度最慢 因为水分被玉米截获 同时土壤的 粘度也较大 湿润锋仅仅在草种区域推进到 80 厘米的深度 而在其他植被覆盖区都能推 进到 60 厘米 由于土地已经被废弃 草种区域有比较松散的土壤 但它通常会产生较多 的径流 并最终表现出更低的渗透率 Liu 等 2012 同时 相比种植树木和茂密的灌 木 零散分布的半灌木能更加迅速获得水分 更有效保持土壤水资源 图 4 和图 5 这 是因为高效障碍的效果和半灌木植被区域的较低土壤容重 聚集并保持着较高比例的粘 粒含量 Wang 等 2012 长期如此 导致了半灌木的竞争优势 Odindi 和 Kakembo 2011 并使其在这个区域代表了一种自适应的植物类型 在灌木和作物区域 雨水渗 透到深土层需要较长时间 土壤平均水分含量增加量和土壤初始含水量呈负相关 树木位点具有最高的平均含 水量增加值为 0 07 cm3cm 3 累计渗透量为 30mm 观测到的最低值出现在作物位点 该 区土壤平均水分含量增为 0 03 cm3cm 3 降水结束后 其累计渗透量为 11mm 但是没有 径流 水仍然储存在土壤表面 因此坝地呈现出较高的水分含量 但是在其深土层 低 渗透和低电势土壤的盐渍化机率和较高体积密度的土壤和粘土层一样 Wang 等人 2012 降水对汇水区的土壤水分含量有均匀化效果 但它并没有改变这五种类型植被 覆盖土地水分的关系 这种关系表明 即使在较强降雨 大约 70 mm 土壤水分含量 具有时间上的稳定性 4 3 对水土保持的意义 径流的增加导致严重的水土流失 因此通过增加渗透量 减少径流量能够促进水土 保持效果 对于所研究的植被区域 除作物以外 水分积累但是没有渗透到土壤中 草 区域有最低的累计渗透量和最大径流 这与以前草种群落通常会产生更多的土壤流失的 研究结果一致 继退耕还林政策实施 10 年以来 随着自然与栽培物种的恢复 黄土高原 水土流失在逐渐下降 因此 研究重点应转移到水分输入和这些典型植被利用水分的特 华中农业大学本科毕业论文 或设计 外文翻译 10 性上来 大坝地区是有效利用十分的典范 始终保持着较高的含水量以供作物生长 人 为的植树造林消耗更加多的水 特别是覆盖密集灌木的土地 因为植物截留作用减少输 入到土壤中的水分 水分快速渗透能够到达自然植被下更深的土层中 特别是在半灌木 群落 该区在这两个月的研究期间表现出最高的累积渗透量 可以看出 天然植物是最 合适水土保持的植被 5 结论 陕西北部的黄土高原 七月和八月的降雨占全年降水量的一半 土壤中水分主要通 过 3 4 次大强度 持续时间短的降雨补充 该现象对下一年植物的生长来说十分重要 因为该地区在春季的降水一般比较少 渗透是对于土壤水分的平衡一个重要的过程 近 几十年 这个区域山坡上的大多数农田都被废弃 被草和半灌木 或者人工林和灌木交 替生长所替换 不同的植物群落在水分的截留 树干流 根和土壤性质方面都有差异 从而导致多元化的降雨分区和独特的土壤水分输入特性 天然草种和半灌木覆盖的土壤 往往具有较高的渗透率 湿润锋能够到达更深的土层 人造林的平均土壤含水量增加有 更高的速率 因为其初始水分含量较低 密集的灌木拦截水分和延缓水分入渗 从而导 致较低的平均土壤含水量 虽然水分渗透需要较长的时间 但坝地有很高的土壤水分含 量 因为其植被覆盖度高 土壤成分也更加紧实 致谢 这项研究赞助机构 National Basic Research Program of China no 2009CB421104 the National Natural Science Foundation of China nos 40930528 and 41101096 and the CAS SAFEA International Partnership Program for Creative Research Teams of Ecosystem Processes and Services 参考文献 1 Chen L D Messing I Zhang S R Fu B J Ledin S 2003 Land use evaluation and scenario analysis towards sustainable planning on the 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