三江源区主要类型草地土壤水分与蒸散研究.doc

硕士学位论文三江源区主要类型草地土壤水分与蒸散研究 指导教师 申请学位级别 硕士 学科专业名称 生态学 论文提交日期 论文答辩日期 培养单位 学位授予单位 中文摘要三江源地处青藏高原腹地，环境条件十分严酷，水资源短缺和利用困难是制约该区植被恢复及生态重建的主要限制因子。近年来由于受气候暖干化和过度放牧等因素的综合影响，天然植被退化严重，区域水土流失加剧，生态环境问题日益突出，因此开展与植被建设紧密相关的草地生态水文学研究变得十分迫切。本研究于2007年在三江源区域进行了相关研究，主要致力于以下三个方面的研究：1、不同类型草地土壤水分的时空动态比较分析；2、不同类型草地蒸散量动态及计测方法的研究；3、主要气象因子对土壤水分动态变化的影响。以期为该地区退化植被的恢复与生态环境综合治理提供科学依据。主要研究结果如下：1、 在植物生长季，不同类型草地土壤含水量的差异显著（P0.05）（除高寒草甸和高寒草原外），但其动态变化规律基本一致。土壤水分的季节动态均可划分为积累期、消耗期和稳定期三个时段。不同草地土壤水分垂直变化与土层深度的关系不完全一致，但其剖面变化均可分为活跃层、调节层和相对稳定层三个层次。2、对参考作物蒸散量计测方法相关分析表明：FAO P-M公式与P-48公式之间相关性较高，相关系数均在0.926以上；t测验表明温性草原和人工草地利用F-79公式计算的结果与FAO P-M结果的差异不显著，可用F-79修正式估算三江源温性草原和人工草地参考作物蒸散量。利用FAO-56和FAO P-M模型计算了四种类型草地群落的实际蒸散量，结果表明其动态变化过程具有相似性，蒸散强度均在8月中旬达到年度最高值，其中以人工草地最大，为2.408mm/d，而高寒草甸最小，为1.570mm/d。3、 土壤水分的动态主要受降水量及其季节分配的影响，并建立了降水量对土壤含水量的回归方程。实际蒸散量对020cm土层水分含量影响显著（P0.05），而愈向土壤深层，影响愈不明显。土壤含水量对空气温度、空气相对湿度和风速的响应由土壤表层至深层均呈递减趋势。关键词：三江源；草地；土壤水分；蒸散；气象因子Research on soil moisture and eavpotranspiration of different grasslands in the source region of Three RiversABSTRACTThe source region of Three Rivers is located in the Qinghai-Tibetan plateau, and soil water deficits is the main limit factors of vegetation restoration and ecology reconstruction in this region. In recent years, the ecological problem stands out by grassland degradation and soil erosion as a result of climate warm-drying and overgrazing. So it is important to carry out the research of eco-hydrology in this region.In order to provide some suggestion for restoration of degrade vegetation of this region, the three questions were answered in this research in 2007. 1. temporal-spacial dynamic of soil moisture of different grasslands, 2. research on evapotranspiration of different grasslands, 3. effects of main weather factors on dynamic change of soil moisture. Main results were as follows: 1 In growth season, there were significant difference (P0.05) in soil moisture among different grasslands except for alpine meadow and alpine pastureland , but the season dynamic of soil moisture of different vegetation types was almost similar, and it can be divided into three stages: accumulating stage, consumptive stage, stable stage. The relation of vertical change of soil water and soil depth was not uniform absolutely in four kinds of vegetation types. The vertical change of soil moisture can be classified three layers: active layer, regulative layer and relatively stable layer. 2 The ana1ysis results showed that the FAO Penman 1979 was all correlated well with the FAO PenmanMonteith. And the FAO Penman 1979 had a good agreement with FAO Penman-Monteith estimates in warm steppe and artificial grassland.The actual evapotranspiration of four type grasslands was calculated based on FAO-56 and FAO P-M model, and the result showed that the dynamic of the actual evapotranspiration was similar among different grasslands. It reached the peak value in the middle of the August; and the value (2.408mm/d) of artificial grassland was the highest, and alpine meadow was the lowest (1.570mm/d).3. The dynamic of soil moisture was affected by precipitation and its seasonal distributed, and the regression equation of precipitation and soil moisture was set up. The correlation between actual evapotranspiration and soil moisture in 020 cm soil layer was significant (P0.05), but the coefficient of correlation between evapotranspiration and the other deeper soil layers was lesser. Air temperature, air relative humidity and wind speed exert influences on soil moisture, and the responses of soil moisture to these factors were descending along soil layer depth.Key words: the source region of Three Rivers; grassland; soil moisture; evapotranspiration; climate factor目 录中文摘要1ABSTRACT2目 录4第一章 前言51.1土壤水分研究51.2 蒸散量研究进展10第二章 研究的背景、目的和意义13第三章 研究区概况及研究方法143.1研究区自然概况143.2 研究方法15第四章 三江源区主要类型草地土壤水分的时空动态164.1 生长季降水量及其季节分配164.2 土壤水分的季节变化164.3 土壤水分的空间分布动态18第五章 三江源区主要类型草地蒸散量研究215.1 参考作物蒸散量计算方法的比较215.2 作物系数Kc的计算255.3 实际蒸散量的季节变化26第六章 影响土壤水分动态变化的气候因子分析296.1 降水296.2 蒸散306.3 空气温度306.4 空气相对湿度336.5 风速34第七章 主要结论367.1 土壤水分时空动态具有明显的规律性367.2 草地蒸散量研究367.3 土壤水分的动态变化与气象因子紧密相关37参考文献38参与课题及发表文章44致谢45独创性说明46第一章 前言1.1土壤水分研究1.1.1 国内外土壤水分研究概述早在2000多年前，土壤水分问题就已经引起了一些关注农耕生产的先哲们的重视。在我国最早的一部农书氾胜之书中就有了关于土壤水对农耕生产重要性的记载。书云：“凡耕之本，在于趣时，和土，务粪泽、早锄早获”（石声汉, 1956）。这里所讲的“务粪泽”，“粪”是保持肥沃，“泽”是保存水分，即今日所谓“保墒”。到了北魏末年至东魏初年，贾思勰所著齐民要术一书，在承袭氾胜之书论述的基础上又有了新的发展。贾思勰进一步阐明，耕田要“燥湿得所”，“若水旱不调，宁燥不湿”的见解。关于这一点，他写道：“凡耕高下田，不问春秋，必须燥湿得所为佳，若水旱不调，宁燥不湿。燥耕虽快，一经得雨，地则粉解，湿耕坚垎（即土垄，坷垃），数年不佳。”（齐民要术选注, 1977）在这里，贾思勰讲述了耕田要注意土壤墒情的道理。在禹贡一书中，土壤水分状况更作为当时全国土壤分类和土地生产力分级的依据之一。关于土壤水的重要性，俄国著名土壤水文学家.维索斯基（）曾作过如下生动的描述：“土壤和母质中的水连同其中的溶液，犹如活有机体的血液，无水就无土壤。”由此可以看出，土壤水在土壤形成过程中的积极作用。正是由于土壤水在土壤形成和植物生产中的重要作用，所以长期以来，土壤水一直受到土壤学、自然地理学、环境生态学、农学、林学、水土保持学、植物生理学以及其他相关学科的重视，从而形成最为活跃的研究领域。就土壤水研究发展史来说，可分为土壤水形态学研究和以土壤水能量为基础的动力学研究两大研究方向（杨文治等, 2000）。关于土壤水形态学研究，以前苏联和俄国为代表的许多研究者在土壤水研究方面进行了多方面的研究工作，包括土壤水的运动和保持、土壤水的物理性质、土壤水状况、土壤水的形态及分类、土壤水与植物生长的关系等。特别是.卡庆斯基（）和.罗戴（）在土壤水分研究方面的特殊贡献。.卡庆斯基早在20世纪30年代就对土壤物理性质的研究方法，尤其在土壤水分物理性质的研究方法及其标准化方面进行了十分有价值的研究工作。.罗戴于1972年发表了土壤水一书（D.R Nielsen, 1972），该书系统地阐述了土壤水运动、土壤水类型、各种土壤水类型的水分含量和水文常数、土壤水和植物的相互关系，同时还介绍了国际间有关土壤水的研究成就；嗣后，他又于1965年发表了土壤水理论基础一书，这两部专著是最近有关土壤水形态学研究比较系统而全面的著作，在土壤水研究领域有着重要的科学价值。关于土壤水能量状态及动力学研究，最早可追溯到20世纪初，E.白金汉（Buckingham）首次提出了毛管势的概念，并将其应用于土壤水的研究，从而开辟了利用能量观点进行土壤水研究的新途径。L.A.理查兹（Richards，1931）发明了能直接测定毛管势的张力计，从而使土壤水以能量观点为基础的研究又向前推进了一步。用能量观点研究土壤水正在逐步地取代以形态学观点的研究（雷志栋等, 1999）。特别是随着电子计算机的广泛应用，更加推动了以能量观点为基础的土壤水的研究，逐步形成了土壤水动力学这一相对独立的研究领域。土壤水动力学的发展，使人们对土壤水的认识有了新的飞跃，使某些仅从形态学研究难以回答的问题，得到了解决。尤其是随着热力学原理引入土壤水能量状态的研究，“水势”已成为研究土壤、植物和大气中水分问题可统一使用的水分能量指标。水分由土壤进入植物体，再由植物体向大气扩散，都是在水势梯度这一驱动力作用下完成的，因而土壤植物大气系统可视为物理上的一个连续体。澳大利亚的J.R.菲利浦（Philip，1966）将这一水分循环过程，概括称为SPAC（soil plant atmosphere continuum），在SPAC中，由于统一了能量关系，为分析研究系统中的水分运移、能量转化的动态过程提供了方便，从而使田间水分循环研究开始了一个新的阶段，也使土壤水研究在理论和实践结合上向前跨越了一大步。关于土壤水分形态与能量状态的关系，杨文治等（2000）认为土壤水的形态学研究和土壤水以能量为基础的动力学研究二者不是相互排斥而是相辅相成的。因为从实际应用观点来看，土壤水分的形态分类，尽管其在界限上有不确定性，但仍不失其实用价值，这也就是为什么“田间持水量”等水文常数至今还被广泛采用的原因。如果将定量与定性结合起来研究土壤水分，这样不仅可以了解到当时土壤水分的能态，而且还可了解到土壤水分处于何种形态，就会使我们对土壤水分状况有更深层的了解。我国早期的土壤水分研究只有少量零星的工作，且大都局限于探讨土壤含水量对作物或树苗生长、产量的影响等（陈恩凤, 1952）。20世纪50年代中期至60年代中期，主要是围绕当时流域规划、农业发展和土壤普查等开展了大量工作，但研究创新较少。随着前苏联发生土壤学全面、系统地介绍到我国，以A.A.罗戴为代表的形态学水分研究观点和方法开始支配我国土壤水分研究，并对今后的工作产生了深远的影响（庄季屏, 1989）。20世纪70年代，各种学术流派在我国得以广泛传播，特别是1977年在杭州举行的第一次土壤物理学术讨论会上，土壤水分能量观点首次被介绍到国内（朱祖祥, 1979），使人耳目一新，对土壤水分的某些基本概念和认识都发生了根本性的改变，使得我国土壤水分研究步入了一个崭新的阶段（马履一, 1997）。从此，人们开始用定量的连续的能量观点代替以定性为主的间断的形态学观点来研究土壤水分。从80年代开始，我国科技工作者在吸收国际学术界各种有益的学术观点基础上，相继开展了深层次的土壤水理论与试验方面的研究。这20多年是我国关于土壤水研究发展最快的时期，除了一批译著的出现，基于国内研究工作的有关土壤水专著或著作陆续问世，例如雷志栋等所撰写的土壤水动力学（1988）；张蔚榛等所著的地下水与土壤水动力学（1996）；康绍忠等所著土壤-植物-大气连续体水分传输理论及其应用（1994）；李韵珠、李保国编著的土壤溶质运移（1998)；杨邦杰等所著土壤水热运动模型及其应用（1997）；荆恩春等著土壤水分通量法实验研究（1994）；杨文治等著黄土高原土壤水分研究（2000）等。这批著作反映了我国学者近年来的丰硕研究成果。全国性土壤物理学术讨论会至今已召开了多次，各次会上涉及土壤水分研究的论文约占土壤物理学论文的4060%，土壤水分始终是土壤物理学科中最为活跃的一个领域。综观国内外土壤水分研究的发展历程，土壤水分研究正从过去的单一学科走向多学科交叉；从以形态学的观点和方法研究走向能态观点；从点的研究走向面或区域的研究；从理论研究走向应用研究；数学模型和计算机模拟在土壤水分研究中将进一步加强和普及。1.1.2 土壤水分监测技术半个多世纪以来,科学工作者对土壤水分监测技术的研究一直进行着不懈的努力,各种测量技术方面的研究成果层出不穷。概括来讲，土壤水分测量技术可以分为如下几个方面：一是测量土壤的重量含水量或容积含水量,如取样称重烘干法、中子仪法等；另一类是测量土壤的基质势,如张力计法、电阻块法、露点仪测定法等；还有一类非接触式的间接方法,如远红外遥测法。张力计能够直接测定土壤水势,在目前的土壤水分研究中作为常规方法而得到了广泛地应用。但其测值范围仅在-0.085MPa以上,所以它在干旱、半干旱地区的应用受到了很大的限制。中子水分仪虽然难以做到如张力计那样多点测量自动化,耗时较多,且具有中子辐射危害的可能性,但由于它是原地定位监测而不必破坏土壤,被认为是间接方法测定土壤水分最准确、最快捷的一种方法,而在干旱、半干旱地区的土壤水分研究中得到了一定的应用,如冯起、高前兆等采用中子水分仪,在禹城沙地,进行了连续3年的土壤水分动态观测。由于各种仪器价格昂贵,所以目前的土壤水分研究中,传统的烘干称重法仍是最经典的土壤水分测量方法。随着能量观点的引入,测量的方法日趋多样化,测定土壤水分的方法和测量仪器的研制近几年发展很快。采用了诸如时域反射仪(TDR)、同位素技术、遥感技术等新手段开展了农田较大尺度的土壤水分监测。较之中子水分仪,TDR使用更为方便,精度亦高,是一种很有前途的测定土壤水分仪器，已经逐渐被应用于国内的研究工作。在土壤水研究中使用遥感技术已经有一些尝试。利用遥感技术对土壤水分的监测从宏观上可分为两大类:一类是利用微波遥感手段对地表土壤湿度进行直接测量;一类是依据可见光或红外波段遥感资料,利用热惯量、作物缺水指数、距平植被指数等方法,获得地表能量和作物生长状况信息,然后建立与土壤水分的相关函数、经验公式，从而计算得到土壤水分。总的来说，近年来土壤水分测量技术有了很大发展，但测量精度和自动化水平有待进一步提高。快捷、准确地测量土壤水势有待于现有仪器的改良和新型仪器的发明。1.1.3 土壤水分动态研究土壤水分动态研究主要表现为两个方面:土壤水分的时间动态变化和土壤水分的空间分布动态变化。李洪建等（1998）对晋西北人工林土壤水分与降水关系的研究表明：晋西北不同人工林的土壤水分季节动态变化规律基本一致，主要受降水量及其时间分配的影响；林地土壤水分循环水平及生长期末土壤的贮水量与降水量有显著的相关性，用生长期的降雨量预测生长期末的土壤贮水量是切实可行的。根据年内不同季节土壤水分的动态特点，张学龙、车克钧等（1998）将祁连山寺大隆林区土壤水分的季节变化划分为四个时期，即消耗期、积累期（补偿期）、消退期和稳定期。由于不同的研究工作所在的区域差异性，下垫面状态和降水量以及降水的时间分布差异大，因此不同地区的研究结果有一定差别，各个时期的具体时段分布略有差异。梁一民等（1992）对黄土高原林草地土壤水分的研究表明，该地区土壤水分季节变化可分为三个时期：春末和夏季强烈消耗期、夏末和秋季蓄积期以及秋末和冬季上移蒸发期。黄德青等（2005）对祁连山北坡土壤的时空动态的研究表明，山地草甸、山地草甸草原、高寒草原、山地草原以及山地荒漠草原等不同类型的草地土壤水分的季节变化都可以明显的划分为消耗期、积累期、消退期、稳定期。土壤水分季节性变化与当地气候的季节性变化，尤其是降雨的季节性变化基本是一致的。国外的研究也得出了类似的结论。李洪建等（2003）研究了晋西北黄土丘陵区人工林七个年份的土壤水分变化规律，根据年降水量多少(丰水年,贫水年,近正常年份)将土壤水分年内变化分为三种类型：积累型，消耗型和平衡型。邱扬等（2001）在黄土高原的研究表明，总体上土壤平均含水量年际变化与年降水量年际变化一致。由此可见，作为干旱半干旱地区土壤水分最主要来源的降水变化，是影响土壤水分时间动态变化的最重要的因子。土壤水分的时间动态除了表现为明显的季节变化和年变化规律性以外，还存在着明显的土壤水分垂直分布的空间动态变化规律性。王军德等（2006）研究黄河源区草甸土壤水分空间分布特征，按照土壤剖面的空间变异进行统计分析，把060cm剖面划分了速变层、活跃层、次活跃层和相对稳定层4个层次。王孟本等（2001）根据标准差判别法将河北杨林、刺槐林、柠条灌木林等3种林地土壤剖面按含水量变化幅度大小分为速变层、活跃层和相对稳定层。李凯荣等（1998）根据根系对土壤水分利用状况，将林地土壤水分的垂直分布自上而下分为弱利用层、利用层、调节层和弱调节层。虽然目前土壤水分变化垂直分层方法不一致，但对于上层土壤水分变化幅度大于下层的研究结论是一致的。土壤含水量从上到下的变化趋势一般具有季节性，雨季为降低型，旱季是增长型或各土层趋于一致，但也有例外情况。邱扬等（2001）分析了黄土高原土壤平均含水量的变化，认为不同深度土层平均含水量存在明显差异，随着土壤深度的增加，平均含水量显著增加，为增长型。这与大多数在黄土高原的研究结论是一致的。但杨新民（2001）在研究黄土丘陵区土壤水分动态时，得出了土壤水分含量为降低型的结论，即随着土壤深度的加深，土壤含水量呈下降趋势，土壤含水量的最大值出现在2040cm土层内。黄德青等（2005）对祁连山北坡高寒草地土壤水分空间动态的研究表明，不同草地土壤水分含量的垂直动态均可以从上到下划分为活跃层、调节层和相对稳定层。1.2 蒸散量研究进展1.2.1 国外蒸散量研究进展国外对蒸散的研究已有200多年历史，已取得了一系列成果。1802年道尔顿(Dal-ton)提出了道尔顿蒸散计算公式，使蒸散的理论计算具有明确的物理意义，对近代蒸散理论的创立有着决定性的作用。1926年波文(Bowen)从能量平衡方程出发，提出了计算蒸散的波文比一能量平衡法。1939年桑切斯特(Thomthwatie)和霍尔兹曼(Holzman)利用近地面边界层相似理论，提出了计算蒸散的空气动力学方法。1948年，彭曼(Penman)和桑切斯特同时提出了“蒸散力”的概念及相应的计算公式。1951年Swinbank提出用涡动相关法计算各种湍流通量。20世纪50年代苏联学者提出大区域平均蒸散量的气候学估算公式及水量平衡法。1963年蒙蒂斯(Monteith)在研究土壤的蒸发和作物的蒸腾中引入表面阻力的概念导出Penman-Montieth公式，为非饱和下垫面的蒸散研究开辟了一条新途径。20世纪70年代末，Hillel等从土壤水运动规律出发结合土壤物理学原理来确定蒸散量，开辟了蒸散计算领域的另一重要分支。20世纪60年代以来，出现了模拟土壤-作物-大气连续系统中能量与物质交换过程的研究，以克服传统方法所存在的缺陷。虽然其中一些参数目前还难以精确估计而未能达到应用的程度，但在理论上是继Monteith 1963年后蒸散计算领域的又一大突破，意义重大。20世纪70年代初以来，国外利用遥感信息计算区域蒸散。虽然还有许多问题有待解决。但由于此法能测定面上蒸散，应用前景广阔，预期会取得较快的进展。1.2.2 国内蒸散量的研究现展我国的蒸散研究工作始于20世纪50年代，新中国成立以来，许多科研单位和生产部门根据实际需要把四水(降水、地表水、土壤水和地下水)列为重要研究课题，蒸散在四水转换中是拟解决的关键性问题之一。在水分平衡诸要素中，蒸散的测定是最困难的，在热量平衡各要素中，显热流和潜热流(蒸发)的精确区分又相当困难，因此蒸散测定方法的研究就成为蒸发研究的主要内容之一。50年代中期之前，我国仅有水文、气象台站应用小型水面蒸发器测得的水面蒸发数据，开展工作甚少，陆面蒸散研究几乎是空白。60年代以来，注重蒸散测定方法的研究。研究主要包括：水利部在农田上采用水分平衡法测定农田蒸散（凌美华，1980），测定结果可供分析作物的需水量和耗水量。然而，由于这一测定结果的精度取决于水量平衡各分量的测定精度，测定结果的误差可能是各分量测量误差的累计值，所以不易得到精确的测定结果；水利和水文地质部门建立了若干均衡场(蒸渗仪)，研究地下水对非饱和带土壤水分的补给以及降水入渗关系，多数试验在裸地进行，场地的平坦和开阔程度没有高度重视，因此较难得到有重大实际价值的蒸散测定；一些科研单位在陆面、农田、森林进行蒸散测定研究和蒸散测定方法的比较研究。例如王积强（1982）用土壤蒸发器测定土壤蒸发，赵家义（1980）用水力蒸发器测定农田蒸散。中国科学院沈阳森林土壤研究所对森林的蒸散进行了测定，用Potometer法测定了森林的蒸散（覃世等，1964）。中国农业科学院对土壤蒸发器进行了研究，对土壤蒸发的观测方法进行了研究。北京大学地球物理系对水汽传输测定方法进行了研究；“七五” 以来，在我国实施的一些国家级科技攻关项目，国家自然科学基金重大项目，大大地推动了我国的蒸散研究，特别是农田蒸散实验研究。如中国科学院禹城综合试验站从1986年开始连续进行3年不同作物的农田蒸散实验研究，取得了大量的观测数据，比较了农田蒸散各类测定方法，探讨了农田蒸散规律和建立了一些计算模式（左大康等，1991）。中国科学院农业生态系统试验站(北京大屯)和中国科学院红壤生态实验站也都把土壤蒸发、农田蒸散研究作为一项重要内容，并取得了显著的成果；另外，许多学者结合中国的实际情况引用、推导或修正国外普遍流行的公式进行了大量蒸散计算工作。并对潜在蒸散安和实际蒸散方面做了大量的工作。许多学者以自由水面蒸发资料作为基础，建立了一些潜在蒸散的经验公式。还有一些学者在特定场合下实地测出水分充分供给条件下的蒸散量作为这个特定场合的潜在蒸散值，特别在农田，建立了一些如小麦、玉米等的潜在蒸散计算公式。就实践目的而言，人们更加关心实际蒸散，但要得到实际蒸散量是相当困难的，把点上的测量转换到面上更加困难。尽管如此，我国实际蒸散的测定工作在灌溉农田上得到了一些结果。明确了作物生育阶段对农田蒸散的影响，探讨了土壤有效含水量在总蒸散过程中的作用，对作物蒸腾和棵间蒸发进行了分割（郑度，1964）等等。然而，我国蒸散计算工作也存在明显不足，这主要是由于测定工作还较薄弱，缺乏足够的实际测定资料，致使大多数蒸散计算结果没有经受实际的充分检验，常常缺乏供检验的实测数据；此外，很多计算公式都是为计算长时段、大范围的平均蒸散值而设计的，难于满足诸如农田灌溉、作物干旱机理以及光合产量形成等研究中所涉及到的蒸散计算问题。第二章 研究的背景、目的和意义三江源地区作为青藏高原的主体，其广褒的草地和林地构成了独特的高寒生态系统，是重要的水源涵养区。近年来，由于受气候暖干化和过度放牧等因素的综合影响，导致三江源地区天然植被全面退化，区域水土流失严重，土壤干旱化趋势加剧，致使生态环境退化日益严重。 近几年来，科技工作者们为了深入了解草地退化的机理，相继开展了一些草地土壤方面的研究工作。刘敏超（2006）利用已有的资料，运用通用土壤流失方程研究了三江源区域生态系统土壤侵蚀量和土壤保持量及其空间分布，并利用市场价值法、机会成本法和影子工程法评估了土壤保持功能的价值。王长庭（2006）研究了高寒草甸和高寒草原土壤碳、氮的变化，沿着海拔的逐渐升高，土壤有机碳和全氮含量均呈现出“v”字形变化规律，且有机碳含量和全氮含量均随着土壤含水量的增加而增加。高旭升（2006）研究了高寒草原不同退化程度土壤养分的变化，随着高寒草原退化程度加剧，土壤有机质含量逐渐减少。然而三江源区域的土壤水分研究工作很少报道，缺乏多种类型草地土壤水分的比较研究，对不同类型草地蒸散的研究更是缺乏。因此，我们选择三江源区4类主要草地类型（高寒草甸、高寒草原、温性草原和人工草地）对三江源区草地的土壤水分和蒸散进行系统观测研究，旨在：1、揭示不同类型草地土壤水分的时空动态，为研究草地土壤水分状况与草地植被群落关系提供理论基础；2、探讨不同类型草地参考作物蒸散量计测方法及实际蒸散量动态，为如何在有限的水分条件下选择适生植被类型提供理论依据；3、分析主要气象因子对土壤水分动态变化的影响，为建立草地土壤水分动态模型理论支撑。通过此项研究进一步阐明三江源区草地土壤水分和蒸散的规律，为退化植被的恢复和生态环境综合治理提供理论依据。第三章 研究区概况及研究方法3.1研究区自然概况研究区域位于黄河上游的青海省同德县境内，地处东经100º08101º10、北纬34º3935º38之间。地势南高北低，东高西低，呈西北东南走向，区域海拔在24604538m之间，海拔落差较大。研究区属于大陆高原性气候。受海拔和地貌的影响，导致气候资源在草地的水平分布、山地的垂直分布方向都有明显的差异。据三江源自然保护区生态环境引用有关气象站点的资料，同德县年均气温-3.0-6.1左右，最热月七月的月平均气温11.9，最冷月一月的月平均气温-13.2；年降水量为230540mm，各地降水差异悬殊，雨量分布呈南多北少、东多西少的趋势，降水多集中在59月，占年总降水量的85%以上，季节分布极不均匀。年蒸发量为1466mm，无霜期2864d，年日照时数25502760h。研究区域的土壤和植被因地形和气候的差异而形成明显的垂直分布带。随海拔的递增，土壤类型依次是栗钙土、黑钙土、山地草甸土、灰褐土、高山草原土、高山草甸土和高山寒漠土；植被类型从下到上依次为山地寒温针叶林带、高山灌丛草甸带和高山稀疏植被。主要的天然草地类型有高寒草甸、高寒草原和温性草原等。本研究以同德县四种主要的草地类型，即高寒草甸、高寒草原、温性草原和人工草地为研究对象，在各草地类型设立相应观测点。各观测点的基本概况和草地群落主要植物组成分别见表1与表2。表1 各观测点的基本概况Tab.1 General conditions of every observation site草地类型试验区经纬度海拔（m）土壤类型高寒草甸赛前沟E100°50、N34°523824高山草甸土高寒草原嘎干沟E100°44、N34°583739高山草原土温性草原南巴滩E100°51、N35°153330栗钙土人工草地草工队E100°39、N35°053247栗钙土3.2 研究方法3.2.1土壤水分测定及计算从2007年4月开始在所选样地用土钻法分层取样，每月测定一次，到10月份土壤冻结为止。取样深度为120cm，7个层次，各层下限分别为10cm、20cm、40cm、60cm、80cm、100cm和120cm，每层样品重复取样5次，然后用烘干法（105）测定，取其平均值为该层的土壤水分含量。土壤含水量的计算公式为：土壤含水量 (土壤湿重-土壤干重)/土壤干重×100% （1）表2 观测区主要草地群落类型及其组成Tab.2 Mainly grassland type and constitutes of the observation site群落类型主要植物组成高寒草甸高山嵩草(Kobresia pygmaea)、矮嵩草(Kobresia humilis)、苔草(Carex spp.)、波伐早熟禾(Poa poophagonum)、垂穗披碱草(Elymus nutans)和异针茅(Stipa aliena)等高寒草原紫花针茅（Stipa purpurea）、矮嵩草(Kobresia humilis) 、草地早熟禾(Poa pratensis)、阿尔泰狗哇花(Heteropappus altaicus)、鹅绒委陵菜（Potentilla anserina）和蒲公英(Taraxacum spp.)等温性草原克氏针茅(Stipa krylovii )、青海固沙草(Orinus kokonorica)、芨芨草(Achnatherum splendens)、苔草(Carex spp.) 、草地早熟禾(Poa pratensis)和马先蒿(Pedicularis spp.)等人工草地垂穗披碱草(Elymus nutans) 、小嵩草(Kobresia pgymaea)、草地早熟禾(Poa pratensis) 、二裂委陵菜（Potentilla bifurca）等3.2.2气象要素的观测在定位实验区设立小型自动气象站（HOBO Weather Station, U.S.A.），按照地面气象观测规范的要求和试验研究的需要进行各气象要素的观测，包括土壤温度、土壤湿度，空气温度、空气湿度，气压，太阳辐射，风速，降水量等。3.2.3数据分析与处理数据处理用Microsoft Excel 2003、SPSS 13.0等统计软件进行。第四章 三江源区主要类型草地土壤水分的时空动态土壤水是植物生存的重要生态水源，是平衡河川径流季节丰枯变化的涵养水源，因此掌握土壤水分动态变化规律，是提高有限水资源的利用率，科学进行各项环境治理措施，实现三江源区生态环境综合整治和提高植被生产力的关键。为此，我们在不同的观测点进行了不同类型草地的土壤水分观测，对土壤水分动态变化规律进行了全面系统的研究和综合分析。4.1 生长季降水量及其季节分配观测区2007年植物生长季降水量季节分配情况见表3。各类草地生长季降水的特点为前期（45月）干旱少水，中期（68月）降水较多，降水峰期始于6月，终于8月，后期（910月）降水偏低，试验区68月份的降水量占生长季总降水量的比率在6568%之间，说明各草地类型降水的相对变率是春秋季变率大，夏季变率较小。方差分析显示同一草地类型不同季节间的降水量差异性显著，说明降水量季节分配极不均匀，降水分配的季节差异性表现了大陆性半干旱、半湿润气候的典型季风气候特征。表3 生长季降水量（mm）及其季节分配Tab.3 Precipitation and its distributing in growing season草地类型4月5月6月7月8月9月10月总计高寒草甸高寒草原温性草原人工草地6.42.63.60.456.241.638.444.2181.4172.0139.6175.697.491.853.293.494.295.0118.4108.890.475.281.287.849.260.447.446.