水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶土壤水分運(yùn)動(dòng)與數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文針對(duì)黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)地帶脆弱生態(tài)環(huán)境恢復(fù)中的土壤水分問題，在位于水 蝕風(fēng)蝕典型區(qū)陜北神木縣的野外觀測(cè)站對(duì)不同土地利用方式下土壤－植物－大氣水分傳輸過程參數(shù)進(jìn)行綜合觀測(cè)，利用數(shù)值模型對(duì)坡面種植苜蓿與作物條件下土壤水分動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行模擬，對(duì)苜蓿過渡消耗土壤水分造成的土壤剖面干燥化進(jìn)行逆向恢復(fù)試驗(yàn)并利用數(shù)值模型進(jìn)行恢復(fù)預(yù)測(cè)，主要結(jié)論如下： 1）驅(qū)動(dòng)土壤－植物－大氣水分動(dòng)力學(xué)模型的日氣象資料可以通過自動(dòng)氣象站獲取。坡面小氣象站與標(biāo)

2、準(zhǔn)氣象站測(cè)定結(jié)果比較結(jié)果顯示，主要差異是由于氣象站所在的地形差異造成風(fēng)速測(cè)定結(jié)果的差異，因此用Penman－Monteith 方法計(jì)算參考作物蒸散量會(huì)造成差異。不同的計(jì)算參考作物蒸散量方法之間也存在一定差異，在應(yīng)用簡(jiǎn)單方法時(shí)應(yīng)對(duì)其參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。 2）水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)太陽輻射6－9 月在13.6-21.5 MJ/m2d，天然草地的凈輻射為2.6-9.4 MJ/m2d，各輻射項(xiàng)有明顯的日變化規(guī)律，但是不同季節(jié)輻射項(xiàng)變化規(guī)律不同。夏季土

3、壤溫度最高達(dá)42.2 ℃，顯著高于近地表空氣溫度，高溫促使土壤水分以蒸發(fā)形式損失。冬季隨太陽輻射量的降低，氣溫與土壤溫度逐漸降低并進(jìn)入凍結(jié)期，在研究區(qū)土壤凍結(jié)深度可達(dá)土壤80 cm，地表日平均溫度在0 ℃以下的天數(shù)可達(dá)100 天左右，這有利于土壤水分的保蓄。能量平衡研究顯示，水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶神木六道溝小流域天然草地7－8 月的感熱通量明顯高于潛熱通量。 （3）測(cè)定坡地土壤導(dǎo)水率的Philip－Dunne 入滲儀、單環(huán)入滲儀及Gue

4、lph 儀測(cè)定結(jié)果之間存在一定差異，主要是儀器測(cè)定原理及土壤的時(shí)空變異造成。這些儀器可以很方便地應(yīng)用于坡地土壤導(dǎo)水率的田間測(cè)定。Philip－Dunne 入滲儀是一種簡(jiǎn)單快速的測(cè)定儀器，也可以測(cè)定計(jì)算Green－Ampt 入滲模型中的濕潤(rùn)峰吸力及土壤的吸水率，可用于田間大面積快速測(cè)定土壤導(dǎo)水率，特別適合入滲速度較慢的土壤。 4）盤式入滲儀可以應(yīng)用于坡面飽和－近飽和導(dǎo)水率的測(cè)定，但相關(guān)理論計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果之間存在一定的差異，用于

5、處理測(cè)定結(jié)果的瞬態(tài)方法好于經(jīng)典的穩(wěn)態(tài)方法。用多壓力連續(xù)入滲測(cè)定結(jié)果反推參數(shù)時(shí)，測(cè)定與擬合的累積入滲過程有很好的一致性，但是得到的飽和導(dǎo)水率偏低。盤式一維限制入滲過程與雙套盤入滲儀的測(cè)定結(jié)果比較顯示，雙套盤入滲儀可以同時(shí)測(cè)定一維與三維入滲過程，根據(jù)一維過程計(jì)算的導(dǎo)水率值與穩(wěn)定入滲率接近。但是限制入滲條件下，由于土壤空間變異性，三維與一維過程的結(jié)果易出現(xiàn)明顯差異，雙套盤入滲儀可以作為坡地土壤導(dǎo)水率快速測(cè)定儀器。 5）水蝕風(fēng)蝕地區(qū)坡地

6、退耕還草后，牧草植被有顯著的攔蓄徑流與泥沙作用。但是退耕還草后由于苜蓿和草木樨耗水量較一般農(nóng)作物高，因此造成土壤剖面水分含量降低，向干燥化方向發(fā)展。而農(nóng)田休閑后土壤剖面水分含量有一定提高，水分狀況已接近梯田農(nóng)地。農(nóng)地坡面水分變異程度較小，水分含量比較穩(wěn)定，梯田農(nóng)地因?yàn)檫M(jìn)行了整地措施，保證降水全部入滲，沒有徑流產(chǎn)生，剖面土壤含水量最高可以達(dá)到22﹪左右。由于農(nóng)地及裸地剖面水分含量處于較高水平，土壤水分入滲深度顯著高于草地。 6）多

7、年生人工苜蓿的耗水深度已超出試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的400 cm 深度，土壤剖面通體干燥化，降水入滲補(bǔ)給深度變淺。苜蓿地翻耕后土壤剖面水分含量有明顯的恢復(fù)，經(jīng)過一個(gè)雨季，200 cm 以上土層水分含量明顯增加，達(dá)到或超過12﹪。盡管對(duì)應(yīng)沒有翻耕的苜蓿地水分同樣也經(jīng)歷了雨季的水分恢復(fù)過程，但是其恢復(fù)深度在150 cm 以上，恢復(fù)程度也明顯低于翻耕后的裸地，僅在9 月初土壤淺層水分含量接近12﹪。簡(jiǎn)單數(shù)值模型模擬的恢復(fù)深度和程度與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。用模型預(yù)測(cè)

8、下一年土壤水分恢復(fù)深度將達(dá)到300 cm 左右，土壤剖面水分含量進(jìn)一步恢復(fù)。模型模擬的降水量增減及不同分布對(duì)土壤水分恢復(fù)的影響顯示，降水分布對(duì)土壤水分恢復(fù)影響顯著。 7）在水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)地帶，天然草地稀疏冠層條件下土壤－大氣水分交換的作用深度較淺，水分僅在降水集中的季節(jié)入滲到土壤100 cm 土層以下，在其余季節(jié)降水入滲與土壤水通過蒸散發(fā)的作用深度在60 cm 深度左右，蒸散發(fā)主要發(fā)生在降水之后。數(shù)值模型模擬結(jié)果顯示，土壤蒸發(fā)量超