中国西北干旱区GSPAC中

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,中国西北干旱区,GSPAC,中水分运移规律研究,朱永华,2005.10.11,选题意义,1999年,Baird,与,Wilby,的生态水文学一书，标志着交叉学科-生态水文学的形成,。,在此书中对干旱地区的生态水文研究进行了论述，但其干旱地区只指地中海地区和美洲西南地区。,生态水文学重点研究生态系统与水文过程之间的相互作用关系，以揭示水文过程对生态系统的影响和作用以及生态系统对水文过程的影响。土壤是植物与各种水分的联系纽带。,干旱地区生态环境由于水分短缺而十分脆弱，其植物常处于非充分供水状态，因而供水量的变化极易引起其植被的变化，进而影响脆弱的生态系统的变化,生态水文过程的了解在干旱地区很关键,是因为干旱地区水分供应是绝对控制植物生长和生存的因素且大部分干旱地区以可获得的水分的极大变化性为特征。,植被生态耗水是生态水文学的一个难点。干旱地区生态耗水的研究对于维持干旱地区现状生态环境和已恶化的生态环境的,恢复,提供科学依据，为确定干旱地区生态需水量提供基础数据。,干旱地区生态水文过程研究现状,国,外,J.Wainwright，M.Mulligan,和,J.,Thornes,在1999年,论述了,干旱地区的生态水文过程,干旱地区植物如何适应少而且高度变化的降雨条件,及,植物如何影响干旱地区的径流和由水引起的侵蚀作用,。,考虑了,研究尺度问题,。,但他们讨论的干旱地区,只指地中海地区和美洲西南部地区,。,中,国,已取得一些重要的成果（刘昌明和窦清晨，1992；刘昌明，1997；王根绪和程国栋，1998；莫兴国等，1999；赵文智和程国栋，2001；武强等，2001，等）,实际上，中国干旱地区的生态水文过程研究才刚刚开始，有许多问题还不清楚，如：,不同尺度荒漠植被变化条件下的耗水规律,荒漠植被耗水量、需水阈值和需水量,荒漠植被吸水模拟,荒漠植被与土壤水、地下水的关系等,主要研究内容,荒漠植物耗水规律,土壤水分状况与水分平衡,荒漠植物根系吸水模型,植物根区贮水量模型,荒漠植物生长与土壤水、地下水的关系,一、荒漠植物耗水规律,1、,天然植物耗水规律,2、人工林植物耗水规律,3、农作物耗水规律,4、作物生理生态特征对植物蒸腾耗水强度的影响,5、额济纳旗各种类型地的耗水比较,主,要,植,物,天然植物,：,乔木,、灌木、,小灌木、草甸植被,还,有喜水禾草,人工林植物,（防护林带、农田林网）,农作物,主要物理量,：,叶面蒸腾速率、单位叶面积月蒸腾量、单株月蒸腾耗水量、蒸散量,1、天然植物的耗水规律,天然乔木胡杨的耗水规律,：,幼龄（50年）、其余为中龄,胡杨蒸腾速率的变化,各个年龄的胡杨的蒸腾速率的日变化曲线都呈单峰型，均在晨7点为最小值，下午3点达最大值。,胡杨年龄不同，日蒸腾作用不同。,不同年龄的胡杨，上、下叶面的蒸腾速率的日变化不同，其中上叶面的变化更接近总蒸腾速率的变化，下叶面的稍稍复杂一些。,上下叶面的蒸腾速率的日变化幼龄胡杨的最为有序。中龄胡杨和老龄胡杨的就复杂的多。,胡杨叶形不同,（杨形叶和柳形叶）,，其叶面蒸腾速率既有年变化，又有日变化，既有共同点，又有不同点。,图 胡杨不同形态叶子的蒸腾速率的生长期变化,胡杨的蒸腾量的生长期变化,：,在生长期内蒸腾量呈单峰性变化，在8月份达到最大值，10月份达到最小值。,胡杨不同形态叶子单位叶面积上月蒸腾量的生长期变化,：,二者都呈单峰型变化，,柳形叶在5、6月份蒸腾量比杨形叶的大，但在其它月份都比杨形叶的小。在全生长期内，单位叶面积上月蒸腾量在8月份最大，在10月份最小，几乎为0。,2、人工林植物耗水规律研究,人工林植物指柳树、杜梨、新疆杨、榆树、沙枣和苹果梨树等。,额济纳主要人工林树木单位叶面积月蒸腾量的年变化,进行了非果树木与果树木的对比研究,额济纳几种人工林（杜梨、榆树、苹果梨、新疆杨）的单株生长季节蒸腾耗水量的变化规律,：,各种树木的最大蒸腾速率出现时期（蒸腾作用最强时期）与最大蒸腾耗水期同步出现。可见额济纳盆地主要人造植物需水期在7、8月份，要保证在这个时期的供水，人造林才会长得更好。,3、农作物（棉花）耗水规律,日均蒸腾速率的年变化,：从6月23号到10月5号棉花生长期内日均蒸腾速率呈单峰型变化，在8月25日左右其日均蒸腾耗水强度达到最大值。,棉花单位叶面积月蒸腾量的年变化,（10月只按12天计算）：在6-10月12日内，棉花月蒸腾量呈单峰型变化，8月蒸腾量最大，其次是7月，可见，棉花主要耗水期在7、8月，尤其是8月。6月底7月初是额济纳棉花的主要灌水期。,4、作物生理生态特征对植物蒸腾耗水强度的影响（气孔阻力、叶面温度、光合有效辐射、叶面相对湿度,）,气孔阻力,（,r,s,）,总趋势是气孔阻力越大，蒸腾速率越小。但要精确来看：在此总趋势下存在许多波动。,蒸腾速率随气孔阻力的日变化呈多项式变化（定量）,胡杨柳形叶和杨形叶的气孔阻力对蒸腾速率变化的影响也不同,柳形叶,蒸腾速率随气孔阻力的变化符合,（,R=0.876）；,杨形叶,蒸腾速率随气孔阻力的变化符合,（,R=0.919）。,在气孔阻力、叶面温度、叶面相对湿度、光合有效辐射这四个生理生态因子中，对蒸腾速率有明显影响的是气孔阻力、叶面温度。,气孔阻力以反相关对蒸腾速率产生影响,，叶面温度以正相关对蒸腾速率产生影响，而,叶面相对湿度和光合有效辐射对蒸腾速率的影响比较复杂,5、额济纳旗各种类型地的耗水比较,实际蒸散量用潜在蒸散量乘以一个折算因子来计算。,潜在蒸散量用改进,的,Penman-,Montieth,法,计算（,Stockle,et al.1992)。,由于浇灌的缘故，人造林地和园地的实际蒸散量都是9月份最大；天然林地的土壤层的水分受到地下水补给和植被生长规律的影响，变化规律较复杂。,各种林地的实际蒸散量比起水面蒸发量要小得多，说明干旱区各种土壤中可供蒸散的水分很少,由于受人类活动（定时浇水、施肥）的影响，人造林地和园地的实际蒸散量的变化曲线与变化趋势很相似。人造林地的实际蒸散量普遍大于园地，是因为人造林地为新长起的林地，植株密集，且较高大，而果、菜园地以菜为主，果树分布稀疏,天然林地的实际蒸散量变化趋势与水面蒸发量变化趋势接近，说明天然林地的实际蒸散量变化规律纯受额济气候条件影响，可以得出额济纳天然林地的发展变化最能体现其自然条件（水分状况）的变化,天然林地年耗水量为735.4576,mm，2000,年天然林地面积为390.28,km,2,。,则2000年天然林地的生态耗水量为2.87,亿,m,3,/a,各种类型地的耗水比较结论,二、,土壤水分状况与水分平衡,试验方法,天然林地的土壤水分状况与水分平衡,人造林地的土壤水分状况与水分平衡,天然林地和人造林地的土壤水分状况对比分析,额济土壤水分亏缺的研究,1、试验方法,试验地点的选定,1)一道桥附近的胡杨林地。,2)王爷府东边的灌木林地。骆驼刺、胖姑娘是该区主要的矮灌木。,3)纳林河附近人造林地，红柳是主要的灌木,。,各类植物土壤层的地质剖面,蒸腾强度的测定,测定蒸腾强度的仪器是用美国,LI-COR,公司生产,的,LI-1600,稳态气孔计。,土壤水分的测定,用烘干法测定土壤含水率。其所用仪器为土钻。,2、,天然林地的土壤水分状况与水分平衡,胡杨林地的水量平衡方程：,P+,E,g,+W,初,-,W,末,-,ET,i,=0,ET,i,=E,+,E,tr,E,tr,是计算时段内植物蒸腾,量（,mm）,E,是计算时段内棵间土壤蒸发量,（,mm）,胡杨林地土壤容积含水量的深度变化,胡杨林地土壤容积含水量在0-80,cm,内变化较小,，尤其在0-10,cm,土层，土壤容积含水率很小，均小于凋萎含水量。,在80,cm,以下土层中含水率呈现较大的变化,，且6-8月份的80,cm,以下土层中的容积含水量较大，正好与植物的大量耗水期同步,。,胡杨林地土壤容积含水量的年变化,6-8月份的容积含水率随深度的变化程度比9-11月份的大，说明6-8月份土壤含水量受蒸腾影响很大。,9-11,月份各深度的容积含水量普遍低于6-8月，这是因为在6-8月份胡杨蒸腾作用强而大量耗水,而在9-11月的蒸腾作用渐渐减弱,胡杨林地的土壤水分平衡,3、人造林地的土壤水分状况与水分平衡,人造林地的水量平衡方程：,I,+P+,E,g,+W,初,-,W,末,-,ET,i,=0,人造林地表土层的容积含水量大于天然林地表土层的容积含水量，说明天然林地的表土层很干；,在主要根系分布层（60-100,cm）,天然林地的容积含水量比人工林地的容积含水量低且变化大,，天然林地的容积含水量在8-10月份依次减少，而在11月份有所回升。而人工林地的容积含水量在10、11月份变大。天然林地只有地下水补给（每年的1-4月和11-12月份）。而人工林地的水分主要来自于灌水。,4、天然林地和人造林地的土壤水分状况对比分析,5、额济土壤水分亏缺的研究,人造林地和胡杨林地的土壤容积含水量亏缺数都随着深度增大而减小，均呈近似直线变化。,表土层（0-10,cm）,亏缺在90%以上，说明不管是无人干扰的天然林地还是有人定期灌溉的人造林地，它们的共同点是表土层很干。,人造林地虽然受人类的干扰，但在根区层纵剖面上土壤水分亏缺数随深度变化的总趋势与天然林地一致。,三、荒漠植物根系吸水模型,1、骆驼刺的根系吸水函数,2、苦豆子的根系吸水函数,1、骆驼刺的根系吸水函数,提出根系生长半径的概念。（因为,骆驼刺的侧根非常发达）,构造了骆驼刺根系吸水的数学模型,上左图：根系分布图；,上右图：根系吸水模拟；,下左图：根深与根系生长半径,下右图：不同根系层土壤水分模拟值与实测值,骆驼刺的根系吸水函数表达式,：,2、,苦豆子的根系吸水函数,刘昌明先生在模拟栾城试验站冬小麦根系吸水模型时，引进了与土壤湿度有关的参数，并提出了根系吸水模型，该模型从机理上接近植物根系吸水的实际过程,。,本节以其模型为基础，修正与土壤湿度有关的参数的表达式，通过对野外实测资料的分析，用多元回归分析方法，拟合了中国内陆干旱荒漠区域多年生灌木苦豆子的根系吸水公式,苦豆子根系吸水函数表达式,：,四、从地表测量值估算荒漠植物根区的土壤水分贮存,量,重要性,：,从表层土壤含水量确定根区贮水量是非常重要的。因为遥感资料只能提供土壤表层0-20,cm,的含水量，要在大范围内确定植物根区贮水量必须要建立一个合理的模型。,本节利用土壤含水量和植物根系分布密度间的关系来确定。,原理,：,根部完全长成的植物在土壤充分干燥时期其根区土壤中的水分运移主要受根系控制。垂向上不同土层中土壤含水量与基质势成比例关系，而垂向上不同土层中基质势的变化决定于根密度的变化。从而找出土壤含水量与根系密度之间的关系,。,小 结,对荒漠区的天然小灌木苦豆子来说，用基于在一定边界条件,下,Richard,方程的解的方法通过地表层测值估计其根区贮水量是可行的。,用遥感资料确定的020,cm,地表层的容积含水量可用于确定干旱荒漠区的天然小灌木的根区贮水量。,中国干旱荒漠区的天然植物林地地表层的容积含水量与根区贮水量间，在生长期内成线性关系，但在生长期内土壤干燥期呈零截距的线性关系，与地中海地区的农作物地的结果一致,本文只对干旱荒漠区的天然小灌木苦豆子作了试验研究，需要进一步对中国干旱区其它天然植物和农作物和其他气候区的植物进行推广研究。,五、荒漠植被生长与土壤水、地下水关系,1、天然荒漠河岸林与土壤水、地下水的关系,地下水的补给期在每年11、12月和第二年的1至4月份。排泄期在6至10月份，正是各种植物的生长期,胡杨的根系只有个别月份与地下水直接接触，小灌木的根系没有与地下水直接接触，主要靠地下水的向上渗流供给水分。小灌木的土壤层受到地下水的上渗水流的补给只发生在4月份，说明其余月份其水分来自乔木胡杨吸收的剩余水分,乔木胡杨蒸腾量远大于小灌木的蒸腾量，故胡杨对土壤水的消耗量远大于小灌木对土壤水的消耗,对维护生态环境的作用来说，以胡杨为代表的乔木的作用是不