物理与生态环境(140809)土壤

土壤物理与生态安全黄土高原小流域土壤水分植被承载力研究邵明安

研究背景研究目标研究进展要不要种？种多少？生态和谐种什么？

ThelandscapeoftheexperimentsiteThefieldstationofShenmuExperimentalplotsWeatherstationNeutronprobeTrime-EZTheexperimentalsetupSoilwaterbalance

Salix(沙柳）Caragana(柠条）Medicago(苜蓿）Salix(沙柳）Wateruptakebyrootsandtranspirationrate分析土壤水分调节植被生长机理；提出缓解土壤干层的调控原理—

小流域水分植被承载力；为黄土区植被建设和生态恢复提供合理建议。研究目标研究进展经验模型概念模型机理模型基于Logistic基础之上未能反映土壤水分和植被密度变化之间的影响基于土壤水分消耗和补偿平衡基础之上模型难以推广，未能反映环境因子变化对植被生长的影响基于水文或生物地球化学循环过程基础之上受参数获取，模型的适用范围等约束土壤深度（cm）细根密度（m2m－2）幼年柠条幼年沙柳幼年苜蓿细根密度（m2m－2）细根密度（m2m－2）柠条沙柳苜蓿黄绵土柠条5100丛/hm21900丛/hm20.88kgC/丛绵沙土柠条6500丛/hm21700丛/hm2沙土沙柳6000丛/hm22570丛/hm20.94kgC/丛黄绵土苜蓿3.36t/hm22.18t/hm2ABCD水分循环分量黄绵土柠条承载力模拟2100丛/hm2模拟3400丛/hm2平均0.88kgC/丛2100丛/hm23400丛/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丛/hm2初始1700丛/hm2模拟2800丛/hm2平均C=0.94kg/丛

2800丛/hm2模拟3600丛/hm23600丛/hm2初始4800丛/hm2初始2570丛/hm2沙土沙柳承载力黄绵土苜蓿承载力模拟模拟2.58t/hm2

2.58t/hm2模拟2.87t/hm2

2.87t/hm2初始3.36t/hm2

初始2.18t/hm2

小流域SWCCV系统与模拟

水分过程模型气象社会土壤植被DEM蒸散发模型填洼模型径流模型入渗模型网格单元模型植被生产力过程模型气孔导度模型

光合速率模型

同化物形成模型蒸腾速率模型林冠截流模型土壤水分动态植被生产力土壤水分植被类型地形用dll方法开发的工具条系统界面CaraganakorshinskiiSalixMedicago3.46t/hm2

4.23t/hm2

1.57t/hm2

黄土高原的植被建设是改善该区生态环境的重大举措,人工植被面临的下伏干层是国家退耕还林草必须解决的重大科学问题。研究背景半干旱半湿润的黄土高原降水少,蒸发潜力大，森林覆盖率低;为减少水土流失，增加植被盖度，在半干旱区大量种植乔木，在半湿润区种植高密度、高生物量的林草植被；人工植被生长到6-10年后，植被退化，出现“小老树”，生态效益低；人工植被强化了土壤干燥化趋势,存在下伏干燥化土层,简称“干层”。坡地20年生小叶杨树高仅有4-6m，胸径仅为5-8cm；而正常条件下20年生树高可达15-20m，胸径20-25cm。土壤质量退化；植物生长缓慢，植被生长周期缩短，群落衰败和死亡；更新不良，衰败后的林草地再造林难度大。土壤下伏干层的发现和定义发现：上世纪60-70年代水保所在黄土高原多点研究中发现土壤下伏干层。定义：位于降水入渗深度以下，因植物蒸腾和土壤蒸发导致土壤水分长期处于负平衡，在土体内形成厚度不等的干燥化土层。其湿度下限为凋萎湿度，上限是土壤稳定湿度。特征：位于土体某一深度范围；土壤含水量处于稳定的低水平；具有相对持久性。土壤干层的潜在影响报告内容

研究背景研究目标研究进展揭示黄土高原土壤干层空间分布特征和影响因素；分析土壤干层的成因和机理；提出缓解土壤干层的调控原理—

流域水分植被承载力；为黄土区植被建设和生态恢复提供合理建议。研究目标研究思路植被建设-生态修复区域尺度小流域尺度土壤干化区域土壤水分空间分异土壤干层厚度土壤干层起始深度土壤干层预报模型土壤干层分异规律土壤水分环境与植被生长响应水分植被承载力模拟土壤-植被-大气系统水分传输SVAT系统CoupModel报告内容

研究背景研究目标

研究进展40km×40km网格，每个网格内3个样点，代表林地、草地、农地；测定深度10m进展一：黄土高原土壤干层空间分布特征和预报模型样点：346个（1）地带性特点降水等值线图野外取样取样深度小叶杨样地果园－苹果农地－土豆乔木林地－北京杨灌木林－沙柳东西方向趋势线南北方向趋势线土壤水分空间分布黄土高原土壤水分具有明显的空间分布，土壤水分呈东高西低、南高北低的总趋势。这一趋势与降雨量南高北低的变异规律相一致。不同深度层土壤水分空间分布D=200cmD=400cmD=300cmD=500cm不同层次土壤水分空间分布D=600cmD=1000cmD=200-1000cm，取决于农地和草地，n=50；林地，n=60。为第i层的土壤含水量；为田间稳定持水量，设定为田间持水量的60%。其中，土壤干层计算指标：黄土高原土壤干层厚度空间分布图黄土高原土壤干层起始深度空间分布图(cm)（2）非地带性特点刺槐05010015020025030035040045050058111417质量含水量(%)深度(cm)沟坡下沟坡上沟台峁坡海拔(m)1110112311701220稳定湿度05010015020025030035040045050058111417质量含水量(%)深度(cm)台地峁坡沟坡下二级峁顶海拔(m)1230124512201260稳定湿度（1）黄土高原土壤干层的成因进展二：土壤干层的成因和形成机理气候：半干旱半湿润区，大气蒸发力大于降水量；土壤：土层厚，地下水位深；植被：深根系;自然生态系统:

在不同生态带，自然植被依据水热条件在自然演替作用下形成了与之相适应的植被系统，植被耗水与降水处于平衡状态，土壤水分相对稳定；人工生态系统：通过人工栽种，组建新的植被系统，打破了原有的平衡关系，植被耗水大于降水补给，土壤水分处于严重的负平衡，土壤干燥化程度不断加强。（2）土壤干层的形成机理思路：利用长期定位观测资料，借助SVAT模型，水平衡要素的相互转化关系，分析不同植被对土壤水分循环的影响，揭示干层形成的机制。——土壤-植被-大气系统水量转化水量平衡方程

式中：P是降水量；I是截留量；Rrunoff是地表径流；Es是土壤蒸发量；Tr是蒸腾量；Ppercolation是深层渗漏；ΔS是土壤储水增量。人工植被土壤水分处于负平衡陕西长武苜蓿地土壤干燥化过程总降水8638mm总蒸散9509mm土壤水库补给1020mm深层渗漏109mm降水入渗补给深度测定阳坡刺槐林阴坡刺槐林阳坡天然辽东栎林阴坡天然辽东栎林阳坡荒草地阴坡荒草地农地选择三种植被类型，考虑坡向的影响，研究植被和下垫面条件对降水入渗补给深度的影响。时间：2005.5—2006.102005.5-12降水418mm2006.1-10降水568mm降水入渗补给深度

160cm160cm200cm140cm220cm320cm120cm模型构建方法基于水文和生物地球化学过程的模拟模型土壤水分含量>水分调萎点增大叶面积指数土壤水分含量<=水分调萎点减少叶面积指数

小时过程LAI年输入-氮沉降-氮固定年分配：碳和氮-叶（LAI）-径-根年累积-光和作用-呼吸作用-蒸散-吸收PAR-产流

年过程气象数据：空气温度辐射/降雨风速/水汽压微地形存储林冠截留，农作物、草截留降雨量降雨强度降雨时间地块单元土壤水分活跃层坡面产流上游来水双向补偿层稳定层光合H2O降雪小时H2OH2OH2OH2OH2O蒸散H2OH2OC深渗H2O

日过程研究点数据纬度/高程坡向/坡度土壤结构存储C游离C分配游离NN损失叶径根叶、根凋落物土壤代谢CCNNCNCNCNCNCN呼吸作用C植被生理参数植被属性碳氮分配特点碳氮组成植被生长特点产流ETGPP呼吸NPP降雨LAI进展三：缓解土壤干层的调控原理——水分植被承载力80多个参数试验小区气象站中子仪Trime-EZ试验条件苜蓿沙柳沙柳柠条黄绵土柠条承载力模拟2100丛/hm2模拟3400丛/hm2平均0.82kgC/丛模拟结果初始6500丛/hm2初始2100丛/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丛/hm2初始1700丛/hm2点为当前植被实测值，黑线为模拟值，浅粗线为植被承载力时的模拟值土壤水分体积含量SWCCV：小流域尺度模拟系统（界面）柠条、沙柳和苜蓿承载力空间分布以长城沿线神木地区为例：１）柠条承载力：平均6.9t/hm2，范围4～8t/hm2内；当干重为1.6kg/丛时，平均密度4000丛/hm2，范围为2500~5000丛/hm2之间；２）沙柳承载力：平均8.5t/hm2

，范围6～10t/hm2；当干重为1.8kg/丛时，平均密度4500