黄土高原沟壑区典型造林树种蒸散发对气候变化的响应

为研究黄土沟壑区典型造林树种蒸散发对气候变化的响应,基于黄土沟壑区小流域刺槐、侧柏、油松样地实测蒸散发数据,借助Hydrus-1D软件构建了黄土沟壑区刺槐、侧柏及油松植被蒸腾与土壤蒸发的模拟模型,使用修正Morris法对模型参数敏感性进行分析,结果表明:>40～100 cm土壤孔径分布参数(n2),>40～100 cm土壤饱和体积含水率(θs2),0 cm土壤田间持水率(θf),根系吸水最适水势上阈值(h1),根系吸水最适土壤水势下阈值(h2),植物出现永久凋萎时的土壤水势(h3),消光系数(μ),截留模型经验参数(a)等参数对植被蒸腾影响较大,植被生理特征相关参数h1,h2,h3,μ,a的不同是造成树种间蒸腾量出现差异性的重要原因。选取2015年试验观测数据对模型进行率定,2016年试验观测数据对模型进行验证,土壤含水率及土壤蒸发的Nash-suttcliffe模拟效率系数(Ens)均在0.700以上。采用率定后的模型对预设情景下的蒸散发量进行模拟,结果表明:未来及不同水文年气候特征对刺槐蒸腾的影响程度大于蒸发,对侧柏和油松而言,则正好相反。所有气候情景下,刺槐、侧柏、油松的蒸腾量分布在128.8～282.6、99.3～200.3和140.5～220.5 mm,蒸发量分布在94.6～135.4、116.5～187.3和123.8～212.5 mm,蒸腾量与蒸发量均表现为丰水年>平水年>枯水年。3个树种蒸腾量对未来及不同水文年气候特征的响应程度表现为:刺槐>侧柏>油松,并且,同一时期内,在丰水年及平水年,刺槐蒸腾量最大,在枯水年,油松蒸腾量最大。3树种蒸发量对未来及不同水文年气候特征的响应程度表现为:油松>侧柏>刺槐。生长季降雨量对于同期蒸腾量与蒸发量的影响明显强于温度的影响,其与蒸腾量、蒸发量之间均呈极显著(P<0.01)线性关系。

云南省不同生态水文分区参考作物蒸散量算法适用性评价

将云南省分为3个区域(Ⅰ,滇西—滇西南山原与高山多水区;Ⅱ,滇西北—滇东北山原河谷中水区;Ⅲ,滇中北高原中水-少水区),基于36个气象站点1958—2013年逐日气象资料,以Penman-Monteith法为标准,利用线性回归法、均方根误差、平均偏差和Nash-Sutcliffe系数对Hargreaves-Samani法、Irmark-Allen法、Priestley-Taylor法、Makkink法、1948-Penman法、Penman-Van Bavel法、Turc法、FAO 24 Radiation法和Jensen-Haise法9种算法的计算精度进行对比。结果表明:1948-Penman法在云南省的适用性最强、计算精度最高,FAO 24 Radiation法与JensenHaise法误差较大,其中Ⅰ区适用性最好的是Hargreaves-Samani法,Ⅱ、Ⅲ区1—6月份为1948-Penman法,7—12月份为Priestley-Taylor法;在相对误差空间分布中,Ⅰ区Hargreaves-Samani法、Irmark-Allen法、Priestley-Taylor法、1948-Penman法的相对误差均在20%以下;Ⅱ、Ⅲ区中,Priestley-Taylor法、1948-Penman法的相对误差较小,为0~20%,同时在Ⅲ区中,Irmark-Allen法的相对误差也相对较小;因此,计算云南省的参考作物蒸散量时,整个区域推荐1948-Penman法,滇西—滇西南山原与高山多水区推荐Hargreaves-Samani法,滇西北—滇东北山原河谷中水区和滇中北高原中水-少水区推荐Priestley-Taylor法。

黄土沟壑区不同树龄侧柏林地土壤水分动态特征

[目的]研究黄土沟壑区侧柏林地土壤水分动态特征,为黄土沟壑区退耕还林、生态建设以及人工侧柏林地的经营管理工作提供支持。[方法]以黄土沟壑区典型小流域南小河沟流域内5,25以及35a树龄侧柏为研究对象,使用烘干法对其生长季0—100cm土层土壤水分进行观测,并对其时空分布特征、土壤层次以及各层次干燥化特征进行分析。[结果](1)降雨对侧柏林地土壤水分的补给深度集中在0—40cm范围内,侧柏根系吸水主要作用范围则分布在40—100cm土层中。(2)3种树龄侧柏生长季0—100cm土层中的土壤水分的时间变化可以分为恢复期(5月)与消耗期(6—9月)。在恢复期,树龄对于土壤水分分布的影响不大,5,25与35a侧柏0—100cm土层蓄水量分别分布在230.3~304.2mm,177.7~249.7mm以及202.2~283.6mm。在消耗期,10—40cm土层中,土壤水分分布表现为:5a侧柏>35a侧柏>25a侧柏,而在60—100cm土层中,则表现为:5a侧柏>25a侧柏>35a;3种树龄侧柏林地0—100cm土层蓄水量则分布在131.2~207.2mm,123.4~220.8mm以及109.6~204.7mm。(3)在恢复期,5a侧柏林地各垂直分层土壤水分干燥化指数(SDI)差异不大,25与35a侧柏林地SDI在活跃层与过渡层随着深度的增大而增大。在根系作用层,25与35a侧柏林地SDI保持相对稳定。在消耗期,3种树龄侧柏林地SDI在活跃层较小,在过渡层随深度增大而增大,而在根系作用层保持相对稳定。[结论]与恢复期相比,在消耗期,3种树龄侧柏林地土壤水分变化剧烈程度均显著增大,其根系吸水能力随树龄增大而增大。

黄土区人工林地土壤水分对气候特征的响应

选取南小河沟流域油松、刺槐、侧柏人工林地覆盖为研究对象,对2003—2012年作物生长季土壤含水率进行连续观测,利用Duncan法对比分析土壤含水率在不同年份、月份、深度的差异性,同时研究不同人工林地土壤含水率与标准化降水蒸散指数(SPEI)、温度、降水量之间的响应特征.结果表明:土壤水分随着土层深度的增加而逐渐降低,并长期维持在较为稳定的范围内,3种树种在不同深度差异性上体现出不同,油松林地体现在20,60 cm,呈现3个等级变化趋势,刺槐林地的差异性表现为0—20 cm与40—100 cm,侧柏林地的不同土层含水率在40 cm深度时出现了差异;土壤含水率与气温、降水量、SPEI的相关性随土壤深度的增加而变弱,其中与气温呈负相关,与降水量、SPEI为正相关,并且温度、降水量和SPEI对刺槐林地土壤含水率影响最大.

南小河沟流域干旱特征

黄土高原地区生态环境脆弱,干旱的发生严重影响该地区农业生产和经济发展。选用1970—2012年南小河沟流域的降雨资料,使用标准化降雨指数(SPI)对干旱进行描述。对该流域内年及季节尺度SPI序列进行Mann-Kendall检验,并对所建立的不同时间尺度的季节性交乘趋势模型进行验证。结果表明:流域内出现干旱的频率为48.84%,年际SPI变化剧烈,整体向干旱化方向发展。春季干旱有明显的分阶段特征;夏季干旱变化趋势不显著;除1975年以外,秋季干旱变化趋势也不显著;冬季的干旱程度变化比较稳定,主要集中在无旱和轻旱等级之间。季节性交乘趋势模型在年干旱以及秋、冬季干旱评估中效果良好,干旱等级预测合格率均达到71.43%,模型在对干旱等级的分析出现错估时,有向中旱水平辐射的强烈趋势。

黄土高原沟壑区典型小流域径流变化趋势及归因分析

为了探究黄土高原小流域径流变化的驱动因素,改进流域治理规划,实现黄河流域生态保护和高质量发展。以黄土高原水土保持治理的典型小流域--南小河沟流域为研究对象,基于1958—2017年实测的水文及土地利用资料,采用Mann-Kendall趋势检验法对降雨、径流资料进行了趋势分析及突变点检验;基于双累积曲线法和弹性系数法对该流域的径流变化进行了归因分析,定量揭示了气候变化和人类活动对于径流变化的贡献率,并对不同方法计算结果进行了比较。结果表明:(1)径流的突变点出现在1985年,在0.05的显著性水平之下,降水量和径流量在基准期呈波动趋势,降水量在变化期则呈不显著减少趋势,径流量在变化期则呈现显著的减少趋势;(2)双累积曲线法计算得到气候变化和人类活动对于径流减少的贡献率分别为7%,93%;弹性系数法计算得出气候变化和人类活动对于径流减少的贡献率分别为42.6%,57.4%。综上,人类活动是径流变化的主要影响因素;相比双累积曲线法,在对黄土高原小流域径流变化进行归因分析时更推荐采用弹性系数法。

黄土高塬沟壑区绿水变化趋势及驱动因素分析

绿水是维持黄土高原陆生生态系统用水的重要水源,它与植被的生长密切相关,分析绿水的变化特征并探讨影响其变化的因素有助于解决干旱半干旱地区水资源短缺以及生态环境安全问题。以黄土高塬沟壑区典型流域——砚瓦川流域为研究对象,采用傅抱璞模型评价了该流域1981—2016年的绿水资源量,利用Mann-Kendall统计检验和滑动F检验法对绿水量进行了趋势分析和突变检验,并用弹性系数法对影响绿水量的气候因素和下垫面因素进行了敏感性分析,最后基于水热耦合平衡方程对流域绿水变化进行了归因分析。结果表明:(1)流域多年平均绿水资源量为503.7 mm,呈小幅上升趋势,2003年发生突变,突变之后绿水量呈波动增长趋势;(2)在气候影响因素中,绿水对降水最为敏感,潜在蒸散发次之;(3)在气候变化和土地利用综合影响时,绿水对降水最为敏感,其次是下垫面参数,而对潜在蒸散发的敏感度最小;(4)气候变化和土地利用变化对绿水变化的贡献率分别为:74.42%和25.58%,表明气候变化是导致绿水变化的主要因素,其中降水和潜在蒸散发变化对绿水变化的贡献率分别为75.63%和-1.21%。

黄土沟壑区黑麦草植被冠层与根系坡面水沙效益及水力特性

基于野外人工模拟降雨试验和黑麦草全植被结构、根系结构及裸坡结构,通过设置不同雨强(30 mm·h^(-1)、60 mm·h^(-1)和90 mm·h^(-1))和不同下垫面坡度(1°、3°和5°),对坡面产流产沙特征、水力参数分布变化及坡面侵蚀特征和水力特征关系进行了分析,揭示了不同草被结构类型下坡面产流产沙特征与水力特性。结果表明:随着雨强和坡度的变化,全植被坡面具有最小的产流产沙率,根系坡面次之,产流产沙率最大的则是裸坡坡面。黑麦草冠层的减流贡献率优于根系,冠层与根系的平均减流贡献率分别可达到62%和38%,减沙贡献率则是根系优于冠层,冠层与根系的平均减沙贡献率分别可达到37%和65%,以上产流产沙特征均揭示了草本植被冠层和根系在抑制侵蚀当中的有效性。水力参数中,雷诺数和水流功率是适用的2个水力指标,与产流产沙速率显著相关(P<0.01)。本次研究可为不同草被结构下的水土保持效益提升以及水力特性的分析提供理论依据和试验参考。

基于Granger模型的黄土沟壑区典型人工林绿水流研究

[目的]对黄土沟壑区典型人工林刺槐、侧柏、油松的绿水流变化规律进行研究,为该区植树造林,促进水资源高效利用等工作提供科学指导。[方法]首先对Granger模型在南小河沟流域典型人工林内的适用性进行评价,然后结合实测的低效绿水,对各林地内高、低效绿水进行了分离,并基于分离结果,分析总结无雨期各林地高、低效绿水变化特征及其与太阳辐射、叶面积指数、土壤含水率的关系。[结果]①Granger模型在各林地内的适用性良好,其纳什效率系数在率定期以及验证期分别在0.67以及0.52以上。②各林地中,高效绿水在不同水文年的变化程度表现为:侧柏(45.93%)>油松(28.81%)>刺槐(6.11%);低效绿水变化则表现为:油松(52.73%)>侧柏(34.97%)>刺槐(21.16%);绿水流变化表现为侧柏(21.13%)>刺槐(12.37%)>油松(0.50%)。偏枯和特枯年份无雨期刺槐、侧柏、油松林地10 cm土层相对含水量低于50%的比例占90.1%,56.8%,64.0%和68.4%,70.1%,71.2%;20 cm土层相对含水量低于50%的占90.1%,61.0%,60.1%和80.0%,66.7%,50.5%。[结论]①侧柏是对水分最敏感的树种。②不同水文年对侧柏高效绿水(45.93%)的影响大于低效绿水(34.97%),对刺槐和油松的影响则正好相反。③太阳辐射对侧柏低效绿水的影响最大,对刺槐高效绿水影响最大。刺槐和油松的低效绿水都随叶面积指数的增加而减少,高效绿水则随之增加。侧柏的高效绿水受叶面积指数影响较小。3种林地在试验期大部分时段内都处于中度缺水状态。

黄土高原沟壑区典型草地小流域水沙特征对不同雨型的响应

在黄土高原植被恢复已不断接近可持续利用水资源极限背景下,研究草地小流域水沙特征对不同雨型的响应可为合理进行植被恢复提供参考。文中以典型非治理小流域董庄沟2005-2014年径流、泥沙等实测数据为基础,采用K-均值聚类分析法结合判别分析法对次降雨进行分类,在此基础上,对各降雨要素与径流、输沙量之间进行Pearson相关分析,并建立了径流、输沙与降雨要素间的多元回归模型。结果表明:该地区降雨事件划分为3种类型:即A雨型(长历时大雨或暴雨),频次较低(34次);B雨型(中历时小雨或中雨)频次高(196次),C雨型(短历时大雨),频次极低(5次)。其中,A、C雨型径流深与前3天降雨量相关性最高(p<0.05),而B雨型径流、输沙与降雨要素均无显著相关因子。前期降雨量对径流深的影响有效时间约为7d。加入前期降雨量因子可使降雨-径流多元线性回归模型的精度大幅提高。