三江源区主要类型草地土壤水分与蒸散研究.doc
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1、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
2、;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
3、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R
4、esearch 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 t
5、his 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 veg
6、etation 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 wer
7、e 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:
8、 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 l
9、ayer. 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 calculat
10、ed 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 lo
11、west (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), bu
12、t 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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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,
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、);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
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