黄土高原水蚀风蚀交错带土壤一灌木系统水分运动试验研究

黄土高原水蚀风蚀交错带土壤一灌木系统水分运动试验研究内容摘要：

分类号 密级 UDC 编号 中国科学院研究生院 博士学位论文 黄土高原水蚀风蚀交错带土壤－灌木系统 水分运动试验研究 霍 竹 指导教师 邵明安 研究员 中国科学院地理科学与资源研究所 申请学位级别 理学博士 论文提交日期2006 年 3 月 培养单位 学位授予单位 学科专业名称 论文答辩日期 自然地理学 2006 年 6 月 中国科学院地理科学与资源研究所 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院研究生院或其它教育机 构学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均在论文中已作明确说明并 表示了谢意。 研究生签名： 霍竹 时间：2006 年6 月4 日 本文得到以下项目资助 z 中国科学院知识创新工程项目“土壤—植被—大气传输系统 （SVAT）物质交换过程”（CX10G-E01-08-04） z 国家基金委重大研究计划（中国西部环境与生态科学研究计 划）“黄土高原水蚀风蚀交错带小流域生态恢复模式与环境效 应研究”（90502006） 中国科学院博士学位论文 霍竹 黄土高原水蚀风蚀交错带土壤－灌木系统水分运动试验研究 i 黄土高原水蚀风蚀交错带土壤－灌木系统水分运动试验研究 中文摘要 黄土高原土壤侵蚀最强烈地区出现于年降水量 400mm 左右的水蚀风蚀交错 带，该区域气候变化剧烈，植被稀疏，土壤侵蚀全年发生，春季风蚀强烈，夏秋 暴雨侵蚀频繁，两者交替进行，相互促进，年侵蚀模数多在 10000t/km2 以上，为 典型的脆弱生态区。然而该区域煤炭资源丰富，神府－东胜煤田的大面积开发， 带来了经济繁荣的同时脆弱的生态环境可能继续遭受更为严重的破坏，生态恢复 意义重大而且紧迫。水分是制约该区植被恢复和生态重建的主要限制因子。因此， 研究黄土高原水蚀风蚀交错带土壤－灌木系统水分运动问题，对于该区的林草植 被的建设和生态环境的整治具有重要的意义。 试验主要在陕西省神木县六道沟小流域（110º20′38"～110º23′00"E， 38º49′00"N）进行。该流域位于黄土高原水蚀风蚀交错带的强烈侵蚀中心，面 积为 6.89km2。在两年的野外定位试验中，着重研究了柠条根系生长及根系吸水 规律，柠条、沙柳蒸腾耗水特点，灌木林地降水特点及灌木林冠对天然降水的截 留，人工降雨条件下灌木林地水分的入渗、再分布特点，灌木林地土壤水分运动 及其转化，切沟对沟岸灌草地土壤水分的影响等内容，取得的主要结论如下： （1）二年生柠条根系主要分布在地表0～20cm土层,根重密度在土壤剖面上 的分布遵循对数规律，函数表达式为R = a × ln(z) + b,并随深度的增加呈降 低趋势。通过对a、b 值与移栽后天数(T ) 的相关性分析, 得到沙黄土、风沙土 不同水分处理的根重密度在土壤中的分布与深度和移栽后天数的具体关系式为R =（AT＋B）×ln(z)+（CT＋D）。式中，R 为根重密度(10-4g·cm-3)，z 为土层深 度(cm ) , T 为柠条苗移栽后的天数，在本试验中，T的取值范围为（73 ≤T ≤ 168），A、B、C、D均为拟合参数。不同水分处理中，沙黄土质地柠条根系入 土深度、根重密度均大于风沙土。 （2）柠条根系吸水速率与剖面土壤含水量和根重密度密切相关。表层土壤 含水量较高时,根系吸水区主要分布在表层根密度较大的区域，随着表层土壤含 水量的降低,根系吸水区下移。在年内生育期，柠条根系吸水速率随着生育期的 推进逐渐增大，在生育中后期达到最大值。沙黄土中柠条根系吸水速率大于风沙 土中根系吸水同期水平，可能的原因是风沙土持水性能差，水分向下渗漏较多。 中文摘要 ii （3）柠条、沙柳蒸腾速率日动态曲线在7、8月份呈“双峰型”，在9月份呈 “单峰型”，柠条蒸腾量月变化明显，8月蒸腾量>7月蒸腾量>9月蒸腾量。灌木 蒸腾强度与太阳辐射、大气温度呈正相关，与空气相对湿度呈负相关。 （4）六道沟小流域灌木林地降水较少且具有明显的季节变化和年际变化， 全年降水的 68.6％～78.9％集中在 7～9 月份，具有典型的夏雨型特点。沙柳、 柠条林内降水量与林外降水量呈线性相关，林冠截留量与林外降水量符合幂函数 关系。林冠截留受林种、林分密度、降雨性质以及气候特征等多个因素综合影响。 林冠截留具有明显的月变化，一般而言，在黄土高原水蚀风蚀交错带灌木林地林 冠截留量在 7、8 月份最大，林冠截留率在 4～6 月份最大。 （5）柠条林地表产流是一个复杂的过程，受降雨量、降雨强度以及土壤质 地等因素综合影响，柠条林地表径流量占同期降水量的 1.53％～2.97％，平均 值为 2.25％。硬黄土柠条林地的径流系数高于风沙土柠条林地，侵蚀模数仅为 风沙土柠条林地的 35％。沙柳、柠条林地侵蚀模数远小于该研究区农田和裸地， 灌木林地水土保持作用明显。 （6）灌木林地人工降雨试验中，降雨累积入渗量与降雨时间呈指数关系， -bt 可用公式 y = a(1-e )来表达，式中：y 表示累积入渗量（mm）；t 为入渗时间 (min)；a, b 为经验参数。a 表示土壤最大累积入渗量，b 是与入渗强度有关的 一个参数，b 值越大，入渗强度衰减越快。沙黄土沙柳林地最大累积入渗量高于 风沙土，而入渗强度衰减又明显慢于风沙土，这说明沙黄土沙柳林地持水性能要 好于风沙土沙柳林地。 （7）沙柳、柠条林地土壤剖面水分含量和土壤储水量变化具有明显的季节 变化和年季变化。雨季来临前，灌木林地土壤储水量最小，在 8 月底 9 月初，灌 木林地土壤储水量达到最大值。沙黄土柠条林地土壤储水量﹥风沙土柠条林地土 壤储水量﹥硬黄土柠条林地土壤储水量。柠条林地土壤储水量主要受降雨量和降 雨强度的影响，土壤类型对柠条林地土壤储水增量影响不大。 （8）切沟的存在影响了沟岸灌草地的土壤水分运动。在沟岸柠条林地（切 沟深 10m 左右，沟宽 25～30m，沟长大约 80m），切沟在距沟沿 0～200cm 为强 烈作用范围区域，200～400cm 范围内为弱作用区域，最大作用范围位于距沟沿 300～400cm 之间，垂直作用深度超过 600cm。在沟岸苜蓿草地（切沟深 5～6m， 沟宽 10～15m，沟长约 50m），切沟在距沟沿 100cm 范围内为强烈作用范围区域， 100～200cm 范围内为弱作用区域，200cm 以上作用甚微，垂直作用深度位于 0～ 中国科学院博士学位论文 霍竹 黄土高原水蚀风蚀交错带土壤－灌木系统水分运动试验研究 iii 125cm。 （9）在黄土高原水蚀风蚀交错带，沟岸柠条林地距沟沿不同距离土壤剖面 储水量与沟沿距离间的关系可以用线性函数 y ＝ ax + b 来表达。沟岸苜蓿草地 距沟沿不同距离土壤剖面储水量与沟沿距离间的关系依季节变化而呈现不同的 规律。在雨季到来之前，幂函数关系拟合的相关系数比较高，函数表达式为：y = axb；雨季中期及雨季刚结束时，线性函数关系拟合的相关系数比较高，线性相 关函数表达式为：y = ax + b。式中参数 a、b 是变量，受降水特性、土壤储水量 测定时间、测定地点等因素综合影响，应根据实际情况来加以确定。 关键词：黄土高原；水蚀风蚀交错带；灌木林地；天然降水特点；土壤水分 动态；植被恢复 ABSTRACT iv Study on Water Movement of Soil-Shrub System in the Wind-Water Erosion Crisscross Region at Loess Plateau, China Huo Zhu (Physical Geography) Directed by: Prof. Shao Mingan ABSTRACT The most serious soil erosion in the Loess plateau exists in the wind-water erosion crisscross region where the annual precipitation is about 400mm. It’s the typical fragile eco-environment region showing that the climate change is very violent, the vegetation is very scattered, and the soil erosion occurs in the whole year. In the spring, the wind erosion is very serious and in the summer and the autumn the storm erosion is very frequent, wind erosion and water erosion occur alternatively and extensively, which makes the erosion modulus above 10000t/km2·a. However, the coal resource is very rich and the economy development is rapid in the region, the fragile eco-environment maybe will be damaged more seriously with the coal mine development in the Shenmu-Dongshen. Water is the main factor that refrains the vegetation recovery and eco-reconstruction. Therefore, it is very important to study water movement in the soil-shrub system, which is essential for eco-environment restoration. The experiments were carried out at Liudaogou Catchment with an area of 6.89km2, Shenmu county, Shaanxi province, which is the most serious erosion center o