土壤-植被-大气系统水分能量传输模拟与试验

本文着重探讨土壤一植被一大气各子系统之间的相互作用。用冠层蒸腾和地表蒸发有机分离的方法,确定冠层蒸腾和地表蒸发在总蒸散中的相对贡献。考虑土壤饱和一非饱和界面以及土壤温度梯度对系统水分迁移的响应,从摸型与试验两方面探求了土壤-植被-大气系统的水分能量传输机制。     

塔里木沙漠公路防护林带根灌节水试验研究

根灌技术直接把水分灌溉到一定深度的植物根系土壤层,是一项新的节水灌溉技术;在塔里木沙漠公路防护林带灌溉中,首次开展了根灌对土壤水分作用与影响的节水试验研究,并与传统的沙漠公路防护林带滴灌技术进行对比。研究结果表明,根灌技术比滴灌技术更加节水,其主要优点表现在增加土壤含水量、增加土壤层的湿润深度、提高灌水效率、节省灌水时间等。而且,根灌技术能有效地抑制滴灌造成的地表土壤水分的蒸发损失、地表土壤的盐分积累。根灌技术比滴灌要节水30%以上,是一项更高效的节水灌溉技术。     

用微型蒸渗仪测验根灌节水潜力的田间试验研究

本项研究在中国西北塔里木河下游兵团农垦区红枣生态经济林进行,用微型蒸渗仪（MLS）测定了根灌与滴灌条件下的田间土壤蒸发。通过试验研究,初步提出了可用于西北干旱区测定滴灌与根灌土壤蒸发的MLS的最佳长度,同时探索了根灌与滴灌的土壤蒸发规律,对根灌的节水空间进行了分析。根灌与地表滴灌的土壤蒸发对比试验表明,同等气象、灌溉条件下,根灌土壤蒸发损失约为地表滴灌的一半;而根灌与滴灌带的土壤蒸发对比试验则表明,同等气象、灌溉条件下,滴灌带土壤蒸发损失量比流速较大的根灌平均高12%左右。本项研究为根灌技术在干旱区的推广应用提供了依据。     

水分胁迫对绿洲影响的数值模拟

运用耦合了包含土壤-植被-水文参数化陆面过程的非静力平衡中尺度大气模式MM5,将水平分辨率提高到1km,通过数值模拟的方式,分别从地气间水热交换、对绿洲小气候影响、土壤湿度变化以及径流量的角度,研究了2002年7月下旬我国西北干旱区绿洲环境在不同水量滴灌条件下的变化,从理论上找到了较适宜绿洲小气候维持的滴灌水量。结果表明：1、绿洲下垫面为农田时,从土壤保湿和绿洲小气候维持角度考虑,500m^3／hm^2／10天的滴灌水量对7月下旬黑河流域中游绿洲是一个比较合适的灌溉量。2、500m^3/hm^2／10天的灌溉水量仅为同期大水漫灌定额下限的一半,上限的1／3,间接证明了滴灌是一种高效节水的灌溉方式,可以为干旱区节约大量水资源。     

灌溉在现代绿洲维持与发展中的重要作用

灌溉是荒漠绿洲农业发展的根本,没有灌溉就没有干旱区农业。本文运用美国NCAR的非静力平衡中尺度模式MM5V3,模拟了1991年8月1日到11日张掖绿洲地表感热、潜热通量和波文比,模拟结果表明此模式可以较好地反映张掖绿洲地表能量及水汽交换状况。同时模拟了当水源被截断后,地表感热、潜热通量及波文比随时间的变化:潜热迅速下降,感热迅速上升,波文比绝对值也迅速增大。如不及时补充水,绿洲将最终退化为沙漠。模拟结果证明了:①在我国西北干旱区有水才有绿洲,无水便成沙漠,水是绿洲的生命线,灌溉是现代绿洲维持与发展的基础;②绿洲一旦因缺水而退化为沙漠,就很难恢复。     

夏季不同土壤湿度和天气背景条件下绿洲土壤温湿特征的个例分析

 利用在甘肃省酒泉金塔地区开展的“绿洲沙漠能量和水分循环观测试验(JTEX)”获得的2005年5—7月的补充观测资料,分析了在不同土壤湿度和天气背景条件下的夏季绿洲农田土壤温、湿场特征。结果表明：一般来说,对于5—40 cm深度的土壤,随着深度的增加其湿度也随之增加。5 cm、10 cm的土壤湿度具有明显的日变化,且在中午时最为湿润;20 cm土壤湿度的日变化幅度小于上两层,变化趋势却与5 cm的相反;40 cm土壤湿度的日变化不明显。晴天浅层的土壤湿度日变化大于阴天。晴天个例中,土壤湿度较大时,5 cm土壤在白天比10 cm的湿润;当土壤较为干燥时,全天浅层土壤湿度都小于较深层的。各层土壤温度在一个中心值周围分布, 40 cm深度以上土壤温度均具有明显的日变化;土壤温度的极值出现时间滞后于地表温度,离地面的距离越大,峰值出现的时间比地表温度滞后的越长,且变化幅度越小。晴天的土壤湿度越小,浅层土壤湿度日变化幅度就越大,各层土壤温度也就越高。土壤深层基本不受天气情况的影响,但受灌溉的影响较大。     

干旱区典型绿洲地表温度与植被覆盖度相关性研究

 绿洲空间热环境的研究是深入了解绿洲-沙漠间,以及绿洲内部物质能量流动机理的重要手段。利用TM/ETM+遥感影像反演了于田地区地表温度以及植被覆盖度,在统计地表温度-植被覆盖度二维散点图的基础上,研究不同结构区域下绿洲地表温度与植被覆盖度的相关关系。结果表明:①于田地区地表温度与植被覆盖度呈显著负相关关系,相关系数在-0.79158和-0.48816范围之间。②从1991年到2002年,于田绿洲内部区域地表温度与植被覆盖度散点图上各点分布由密集到分散,表明原有相对整体的植被覆盖地块被打散,成为多种土地类型交错的破碎化地块。③外部荒漠带及绿洲与荒漠交错带区域地表温度与植被覆盖度散点图上各点分布由分散到集中,表明绿洲外部荒漠化程度的逐年加剧,导致了绿洲外围植被覆盖有所降低,植被物种单一,植被多样性也呈现下降趋势。     

基于改进BP神经网络的干旱区芦苇腾发量预测模型

植被蒸腾与地表蒸发研究是土壤-植物-大气连续体系统研究的核心部分,也是干旱区自然植被需水量研究的前提.计算植被蒸腾与地表蒸发的方法众多,但需要大量参数的输入,其中水分特征曲线、非饱和导水率、水分扩散率、比水容重、导热率、比热容等土壤水热特性参数很难获取.针对这些繁琐问题,在传统BP网络中加入有动量的梯度下降法,建立了基...     

西北干旱区绿洲不同灌溉制度的数值模拟

运用耦合了包含土壤－植被－水文－积雪参数化的陆面过程的非静力平衡中尺度模式MM5,将水平分辨率提高到1km,在“我国西北干旱区绿洲不同水量灌溉对环境影响的数值模拟”一文的基础上,通过数值模拟的方式,运用保持土壤体积含水量稳定的方法确定灌溉制度的方法研究了我国西北干旱区绿洲7月下旬在不同灌溉制度滴灌下土壤、径流与近地层大气的不同变化状况。结果表明：1. 当按50m³/hm²/天的水量进行隔天灌溉,或隔4天灌溉一次,土壤体积含水量不能保持稳定,需要补充灌溉才能保证其稳定,所以这样的灌溉制度不适合于7月下旬的河西绿洲。2. 均匀施灌10天,每天施灌50m³/hm²;施灌5天,隔一天施灌100m³/hm²,以及隔4天施灌一次,每次灌水250m³/hm²这三种灌溉制度中,前者形成的径流最小,土壤湿度变化幅度也最稳定,所以是最优的灌溉制度。但是现实生活中由于设备、人力等一系列客观条件限制,每天平均施灌的灌溉制度难以实现,可以采取相近的灌溉制度,如隔天施灌,尽量缩短两次灌溉间隔时间,每次所需的灌溉量很小,使得滴灌水量最大程度地转化为土壤水,减少地表径流的产生。所以说,为了不造成水资源的浪费,应该在选取合适灌溉水量的基础上,依合理的施灌制度进行灌溉,这样的水其利用率会比较高,达到节水灌溉的功效,从而为干旱区节约有限的水资源。     

基于SWAT模型模拟乌江三岔河生态系统产流服务及其空间变异

产流是生态系统水源涵养服务的重要内容,也是保水固土等服务的关键驱动。脆弱的喀斯特生态系统叠加人类活动的影响引起生态退化,在此背景下亟需深刻理解喀斯特地区产流服务空间格局及其影响因子。选择典型的喀斯特峰丛洼地流域,基于率定校准的SWAT水文模型,对喀斯特流域产流服务（包括地表、地下以及总径流量）进行模拟,并结合空间梯度分析和局部回归模型,剖析不同服务变量的空间变异特征。结果表明：研究区产流量空间分异规律明显,总径流系数约为70.0%;地表径流整体处于较低水平,地下径流量丰富（约为地表径流量的2~3倍）。地形因子对喀斯特流域产流服务具有宏观控制作用,随海拔和坡度升高,总径流量、地下径流量显著增加;植被分布特征对地表径流有重要影响,在上游林地和下游园地分布区存在空间差异,在植被因素的影响下随坡度的增加呈现转折性的变化趋势。此外,空间叠加分析表明林地总径流及地下径流最大：一方面是由于森林生态系统更强的土壤水分涵养能力以及水分快速入渗的地质背景特征;另一方面反映了地表覆盖与地形特征的复合效应,即林地大多分布在相对海拔和坡度较大之处。本文有助于推进喀斯特生态系统服务研究领域的发展与创新,并为生态恢复建设提供科技支撑。     

河西绿洲区储水灌溉节水技术研究

甘肃省河西地区储水灌溉的时间一般在10月中旬至11月中旬,这一时期河川的径流量减少,但储水灌溉面积大,灌水量超过200 mm,水资源供需矛盾突出。研究证明,储水灌溉始期可从习惯上的10月中旬提前到9月中旬,但灌水量不能低于150 mm;10月份以后灌溉,灌水量可降低到120 mm;储水灌溉后立即覆草或盖膜保墒,灌水量可降低至60~90 mm。储水灌溉节水潜力很大,每次灌水可节水50~80 mm。     

河西绿洲区春小麦蒸腾蒸散的变化研究

在甘肃张掖绿洲区利用浮力称重式蒸散仪对春小麦蒸散量进行了测定,对蒸散量的日变化和季节变化特征进行了论述。研究结果表明:小麦田的日蒸散量在白天12:00~16:00达到最大,夜间20:00~08:00最小甚至呈负值。灌溉前后蒸腾强度出现峰值的时间有所变化。但灌溉以后,蒸腾与蒸散量均呈增大趋势。日蒸散量随着净辐射的增加而加大。在小麦不同的生育阶段,蒸散量有所不同,小麦拔节以前较小,拔节以后开始增大,灌浆期达到最大,接近成熟时逐渐降低。     

内陆绿洲灌溉农田SPAC系统土壤水分动态模拟研究

基于土壤水动力学原理,建立了内陆河流域山前农田绿洲SPAC系统土壤水分运移的子模型。应用该模型对土壤剖面含水率、农田棵间蒸发和叶面蒸腾量进行了模拟研究,并以实测值进行了验证。对相同种植与田间管理条件下的春小麦生长季田间土壤水分、土壤蒸发和叶面蒸腾量进行了预报,得到了较满意的结果。对模型主要参数土壤饱和导水率Ks、土表排水系数Wmax、净辐射Rn、风速Uz、饱和差D、作物叶面指数LAI进行了敏感性分析,得出这些参数对土壤水分运移的影响显著。应用该模型对西北干旱区内陆河流域山前绿洲灌溉农田的土壤水分均衡和作物根系吸水规律以及SPAC系统中土壤水分运移规律进行了模拟研究。     

水肥耦合对玉米田间土壤水分运移的影响

以干旱区绿洲农田玉米水肥耦合试验为基础。利用含有根系吸水项的一维土壤水动力学模型,模拟了不同水肥条件下玉米蒸散、根系吸水、土体贮水量变化以及田间土壤水量平衡。结果表明：在玉米生长初期以棵间蒸发为主,其后则是以植株蒸腾为主;玉米在30-40cm土层吸水速率达到最大值;玉米灌水量为田间持水量的70％与85％对土壤0～80cm土层贮水量的贡献是相等的,并且高肥力在一定程度上可增强根系的吸水能力,高灌水可增强玉米根系对养分的吸收利用,但对于提高水肥利用率来说,理想的处理为中肥中水。     

绿洲农田土壤水分平衡及变化特征

本文利用位于塔里木盆地西北部平原上的阿克苏水平衡站近几年的有关试验和监测资料，对绿洲农田和裸地的土壤水分动态变化规律进行了初步分析，并用水量平衡法计算和对比农田和裸地的蒸发量，最后分析了田间灌溉水的有效利用率及提高措施。     

奈曼沙地春小麦蒸散量及其分析

运用波文比-能量平衡法和大型蒸渗仪对沙地春小麦的蒸散量进行了连续的测定和估算,并对由于降雨和灌溉所引起的土壤有效水分变化与沙地春小麦蒸散量之间的相关关系进行了初步探讨。结果表明:①春小麦蒸散量在降水或灌溉后1~2 d最大,然后逐渐下降,说明春小麦的蒸散速度受土壤有效水分含量的影响;②春小麦出苗前和生长初期,蒸散以地表蒸发为主,蒸散量较小,感热通量和土壤热通量较大;随着时间推移,L AI(叶面积系数)逐渐增大,由于作物遮蔽,感热通量和土壤热通量减小,潜热通量对净辐射贡献增大;③测定期间,波文比在早晨日出前(5:00)达到最大,至下午15:00左右下降为最小,然后开始增大至次日凌晨;④应用波文比-能量平衡法估测的沙地春小麦蒸散量与大型蒸渗仪的测定值一致性较好,相关系数R²为0.9055。     

干旱区绿洲荒漠带土壤水盐异质性及生态环境效应研究——以黑河中游张掖绿洲为例

对黑河中游地区典型绿洲的土壤含水量与含盐量分析表明,在无灌溉情况下,绿洲及绿洲边缘过渡带表层土壤含水量水平分异明显,由绿洲区的20%左右递减到绿洲荒漠生态过渡带的2.9%。绿洲荒漠带土壤水分变化反映了人类利用绿洲水资源的程度,在绿洲地下水资源开发过度和绿洲边缘人类活动剧烈的区域均存在着生态裂谷,对绿洲生态系统的稳定极为不利。绿洲荒漠带土壤可溶性盐分含量的水平分异表现为绿洲土壤可溶性盐分含量比绿洲荒漠生态过渡带和荒漠区低;绿洲界外区不同荒漠类型土壤含盐量变化不同,在绿洲外围沙质荒漠区,土壤含盐量较低,在绿洲外围砾质荒漠（戈壁）区,土壤含盐量明显高于绿洲区;荒漠区土壤含盐量的垂直变化表明,含盐量最高的聚集层一般不在表层,而在40～60 cm的亚表层。受土壤水盐分异的影响,绿洲外围荒漠植被类型出现分异,从高位绿洲到中位绿洲,外围区荒漠植被的耐旱性和耐盐性均增加。     

黑河中游绿洲及绿洲-荒漠生态脆弱带 土壤含水量空间分异研究

以黑河中游平川绿洲和六坝绿洲为例,对绿洲及绿洲-荒漠生态过渡带土壤含水量空间分异进行了分析研究。结果表明:在无灌溉条件下绿洲及绿洲-荒漠生态过渡带的土壤含水量水平分异明显,绿洲土壤含水量高于绿洲-荒漠生态过渡带和荒漠地区土壤含水量,并出现从绿洲到绿洲-荒漠过渡带和荒漠依次递减的趋势,主要受土壤性状、土壤水分水平运动和绿洲-荒漠局地大气环流影响;绿洲活动层土壤含水量垂直分异上表现为从表层向下逐渐增加,而过渡带和荒漠区活动层土壤含水量垂直分异则是表层和底层比20~30cm处低,可能与荒漠土壤凝结水的形成与运动有关。受绿洲地下水过度开采和绿洲边缘人类活动影响,在绿洲-荒漠过渡带形成了生态裂谷,对绿洲生态系统的安全构成威胁。     

山地绿洲边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V35非静力平衡模式, 采用三重嵌套的降尺度方法, 通过设计理想的地形和山地绿洲, 模拟研究了山地绿洲环流及边界层特征。山地绿洲的地面感热通量和潜热通量与周围沙漠差异较大, 对形成沙漠绿洲环流有明显贡献。在无山地绿洲的情况下, 地形仅对感热通量有影响, 对潜热通量影响不大。山地绿洲可以使绿洲上空的干冷气流通过下沉气流向下层输送, 在山地绿洲上空形成下沉干冷气流的边界层特征, 它可以抑制由地形形成的向上输送的暖湿气流, 改变地形形成的边界层特征。地形引起的环流是低层复合, 高空辐散。绿洲引起的环流是低空辐散, 高空复合。两种环流呈完全相反的情况。山地绿洲的气候效应可以抑制山地地形的气候效应。