土壤-植被-大气传输模型的组成及其耦合方法研究

基于土壤-植被-大气系统水分和能量交换物理过程和生物物理过程的土壤-植被-大气传输模型(SVAT),描述了冠层辐射传输、径流交换和土壤垂直方向的水分和能量迁移过程,揭示陆面/大气物质和能量交换、土壤水热迁移的动态特征,以及该系统各组成要素间的相互作用机制。简述了SVAT模型的主要组成部分、水热过程参数化方案及其耦合模式,总结了SVAT模型的研究进展及应用,并提出了亟待进一步改进和完善的问题。

典型喀斯特白云岩小流域土壤-表层岩溶带厚度空间异质性特征

土壤-表层岩溶带厚度是喀斯特地球关键带的关键指标,明确其空间异质性特征对于理解地球关键带结构演化机理以及评估水源涵养功能具有重要意义。在广西环江木连小流域1.4 km 2范围内,通过高密度电法(ERT)探测45条样线,共获取1731个样点的土壤-表层岩溶带厚度及环境因子数据资料,研究了土壤和表层岩溶带厚度的空间分布格局及其影响因素。结果表明,土壤和表层岩溶带厚度平均值分别为1.15 m和6.44 m,且分别呈现强变异程度和中等变异程度。地统计分析结果表明球状模型和指数模型分别可以反映土壤和表层岩溶带的空间结构特征。土壤厚度呈现中等空间自相关性,变程长,空间连续性好;而表层岩溶带呈现强烈的空间自相关性,变程短,空间依赖性强。土壤厚度受到环境因子(地形湿度指数、垂直曲率、曲率、坡向、坡度、高程、覆盖度、出露基岩率和植被归一化指数)的多重影响,而表层岩溶带厚度受部分环境因子影响的同时,与土壤厚度和植被类型的相关性更高。研究结果有助于喀斯特区土壤-表层岩溶带演化机理认识,并为土壤-表层岩溶带厚度的空间预测提供科学依据。

黄土塬区果园-农田交界带土壤水分分布及农田对果园的供水特征

[目的]为探明黄土高原南部塬区果园-农田镶嵌格局下土壤水分空间分布与协同利用特征。[方法]选取长武塬区10龄、21龄和25龄苹果园(AO10、AO21和AO25)及其邻近农田,通过测定2021年雨季后果园-农田交界带有关位点的土壤含水量,定量计算农田土壤储水对果园耗水的贡献。[结果]2021年降水量756 mm,为典型的丰水年份,农田和AO21、AO25果园降雨入渗深度在11月底分别达8.4,7.0,5.0 m。AO10果园-农田交界带以4 m深度为界,其下部土壤含水量较上部大,4-10 m土层平均含水量为25.5%;AO21果园0-7 m土层平均含水量为22.1%,7-10 m为15.0%;AO25果园0-5 m土层平均含水量为20.9%,5-10 m土层平均含水量为13.6%,AO21和AO25果园分别在7.0,5.0 m以下仍存在土壤干层。水平方向上,AO21、AO25果园利用邻近农田土壤水分的距离分别达到5,8 m,农果交界面上农田向果园的供水量,当以干层上界划分土壤剖面,其上为表观供水量,2个果园分别为0.08,0.25 m^(3)/m^(2);其下为实际供水量,分别为0.45,0.81 m^(3)/m^(2)。[结论]黄土塬区果园和农田镶嵌布局是一种较为合理的利用结构,在其规划管理中应考虑果树年限及其相邻农田宽度等因素,研究结果有助于推进区域土壤水资源的可持续利用及其空间优化。

绿洲-荒漠交错带潜水-土壤-植被-大气连续体水热传输模型研究

该文以干旱区绿洲-荒漠交错带为研究对象,以质量守恒原理与能量平衡原理为基础,建立了潜水-土壤-植被-大气系统中水分与热量传输模式,并提出了求解潜水-土壤-植被-大气系统的数值模拟分解-协调新方法,用天山北麓三工河流域绿洲-荒漠交错带的实测资料验证了水热传输模型的可靠性.结果表明,植被冠层蒸腾量模拟值与实测值比较接近,其最大误差为11.3%,土壤含水率的模拟值与实测值的最大误差仅为5.9%,土壤温度模拟值与实测值的最大误差为8.3%,用该模型模拟绿洲-荒漠交错带潜水-土壤-植被-大气连续体水热动态传输过程、植被蒸腾量、地表蒸发量和植被的根系吸水率具有较高的精度.

土壤-植被-大气系统水和热传输机理及区域蒸散模型(英文)

在不同空间和时间尺度上建立了估算土壤 植被 大气系统水、热传输的模型 ,并且在华北平原中国科学院两个农业生态试验站设计了 3个试验 ,验证模型的精度和有效性 .第一个模型是基于瞬时通量观测基础上建立的植被冠层光合 导度 蒸散耦合模型 ,它模拟的结果与涡度相关系统测定结果比较一致 ;第二个模型为一维 3层的土壤水量平衡模型 ,此模型成功用于模拟 1 998— 2 0 0 3年度太行山山前平原不同灌溉条件下的土壤水分深层入渗和蒸散过程 ;第三个模型为区域能量通量和日蒸散模型 ,它基于卫星遥感数据和地面同步观测而建立 ,本模型可以监测区域地表的干旱状况 ,用于估算区域能量通量和日蒸散 .

土壤-植被-大气系统水分能量传输模拟和验证

本文建立了包括地下水的土壤－植被－大气系统水分能量传输综合模型，并对模型中冠层动量湍流交换反梯度传输现象的描述进行了改进。在此基础上，依据冠层内动量和热量的交换以及辐射传输过程，同时求解地表、冠层能量平衡方程，进而模拟饱和－非饱和土壤的水热传输。用浅地下水地区冬小麦田间试验资料对模型进行验证，结果表明，系统能量平衡各分量和土壤含水量的模拟与观测结果相当一致。模型敏感性分析发现，叶面积指数对总蒸散量的影响随叶面积指数的增加而逐渐减弱；叶片最小气孔阻力对总蒸散量的影响，在该阻力较小时更显著；地下水位对蒸散量的影响在它小于１．５ｍ时不显著，而在１．５～１．７５ｍ之间时，蒸散减小较快，主要由于土壤蒸发减小显著，冠层蒸腾稍有增加。

太行山坡地不同管理措施植被-土壤系统耦合关系

植被和土壤的耦合协调关系可以用来衡量生态系统的一致性和协调性程度。研究以河北省临城县太行山东麓丘陵坡地为研究区,以原生灌草地、不管理的人工核桃林、人工核桃林下清除灌草、人工核桃林下清除灌草并施肥等4种不同管理措施的植被-土壤系统为研究对象,建立由4个植被因子(Shannon-Wiener、Simpson、Margalef、Pielou等指数)和7个土壤因子(土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、pH、电导率、含水率等)组成的评价指标体系,采用层次分析法和熵权法确定各因子权重,以耦合协调度模型评价二者的协调程度。结果表明:(1)不同管理措施下,除植被因子Pielou指数外,其余植被和土壤因子均存在显著差异性(P<0.05)。(2)土壤有机碳与Simpson指数呈显著正相关(P<0.05),与Shannon-Wiener、Pielou、Margalef指数呈显著负相关(P<0.05),土壤全氮与Shannon-Wiener和Margalef指数呈显著负相关(P<0.05)。(3)不同管理措施下植被-土壤系统耦合协调程度总体处于失调发展状态,原生灌草地为严重失调发展模式的植被-土壤同步发展型,不管理的人工核桃林和林下清除灌草并施肥均属于中度失调发展模式的土壤滞后发展型,林下清除灌草属于轻度失调发展模式的植被滞后发展型。综上,种植人工核桃林并清除林下灌草有利于提升植被-土壤系统耦合协调度,但尚未达到最佳的协调状态。

王屋山不同海拔植被-土壤耦合协调度研究

【目的】探究不同海拔对植被与土壤耦合协调度的影响,为植被-土壤系统改善和山地生态系统管理提供依据。【方法】通过对王屋山5个海拔梯度(800、1000、1100、1200和1500 m)植被与土壤的全面调查与采样分析,建立植被-土壤耦合关系评价指标体系,运用层次分析法确定各评价指标的权重,构建不同海拔梯度下植被-土壤耦合协调度模型。【结果】不同海拔梯度下植物的物种重要值、多样性指标和土壤因子均存在显著差异,壳斗科栎属(Quercus fagaceae)在各个海拔均占据优势地位。1100 m处土壤综合评价指数最高,1500 m处植被综合评价指数最高,800 m处植被和土壤综合评价指数均最低。不同海拔梯度下植被-土壤耦合协调度依次为1500 m最大,1100 m次之,1000和800 m最小,其中1500和1100 m分别表现为初级协调土壤滞后型和初级协调植被滞后型,1200 m为勉强协调土壤滞后型,800和1000 m分别为严重失调共损衰退型和中度失调植被损益型。【结论】王屋山地区不同海拔植物-土壤耦合协调关系较复杂,高海拔植被演替和土壤发育协调一致性较好,低海拔耦合协调度较差。

土壤水分及土壤-大气界面对麦田水热传输的作用

文章根据１９９６年在中国栾城农业生态试验站观测的田间试验资料，分析了土壤水分和土壤－大气界面对麦田水热传输的抑制和加速作用。对于显热和潜热输送，土壤水分起决定作用，土壤水分越小，显热通量越大，潜热通量越小，反之亦然。只在土壤水分较小时界面厚度对显热和潜热输送作用较大。对于土壤热输送，界面厚度起决定作用，界面厚度越大土壤热通量越小。分析还发现６０ｃｍ深处土壤水势与叶水势和大气水势的相关系数较其它深度处的土壤水势大。

水循环的生态学方面:土壤-植被-大气系统水分能量平衡研究进展

针对中国水循环与土壤植物大气水分能量传输生态研究的问题， 进行了综述。阐述了水循环研究的需求与水量转化重要机制， 包括模式与子系统耦合的界面。评述了水、热平衡研究若干工作， 包括农田生态系统， 干旱、半干旱区， 陆面过程模式， 遥感信息的应用以及系统耦合的尺度问题。

基于大气-土壤-植被系统干旱发生发展过程的综合干旱指标构建与应用

适宜的干旱指标和高分辨率数据是准确监测干旱的基础。本研究从气象干旱和土壤干旱以及植被对干旱的响应出发,整合中国国家气象观测站、中国气象局陆面数据同化系统(CLDAS)土壤湿度(0.0625°×0.0625°)和MODIS叶面积指数(500 m×500 m)等多源数据信息,构建了基于气象干旱指数(标准化降水蒸散指数)、土壤干旱指数(土壤湿度百分位)和植被干旱指数(叶面积指数百分位)的综合干旱指数,并在中国东北地区开展了典型站点和区域10 km×10 km空间分辨率干旱监测试验。结果表明,综合干旱指数克服了单一气象干旱指数不能准确反映农业旱情及单一植被长势指数会将其他灾害引起的植被长势变差误判为干旱的不足,能够反映灌溉对干旱的影响,实现对大气-土壤-植被系统干旱发生、发展及其影响的监测。

土壤-植被-大气连续体中的尺度转换问题

土壤-植被-大气间的相互作用强度高度地依赖于时空尺度。其中,反馈机制贯穿于土壤-植被-大气相互作用的始终。在各个时空尺度中,多因子交互作用,尺度不同起主导作用的过程和控制因子可能有所不同,从而增加了土壤-植被-大气连续体尺度转换研究的难度。从空间和时间尺度上总结了近年来有关学者对尺度转换及反馈机制在模拟中如何应用的研究结果,并在该基础上指出了当前合理描述土壤-植被-大气连续体区域尺度系统行为需要关注的问题和挑战。

绿洲-荒漠过渡带景观的植被与土壤特征要素的空间异质性分析

采用变异函数的理论和方法 ,通过空间异质性特征比较 ,研究了阜康绿洲 荒漠过渡带景观中的植被盖度和土壤环境因子的空间异质性、空间格局及其关系 .在此基础上 ,应用Kriging局部块段插值法 ,以三维图形显示出各个要素的空间分布格局 .结果表明 ,除土壤全盐量空间相关性较弱外 ,其他各要素具有中等程度以上的空间相关性 ,且空间变异主要发生在较小尺度上 .其中 ,植被盖度的空间异质性程度较高 ,在 3km的尺度内具有明显的空间格局 .从空间分布格局看 ,植被盖度、土壤表层含水量和土壤 pH值沿样带相邻点差异对比明显 ,高值区和低值区交错 .草本盖度与土壤表层含水量、土壤 pH间有相关关系 ,灌木平均盖度主要依靠深层次地下水维系 .灌木和草本盖度的块金值具有明显差异 ,可能因为二者要求不同的生态条件 。

流沙固定过程中土壤-植被系统演变对水环境的影响

横穿腾格里沙漠的防风固沙体系始建于 1 95 6年 ,确保了包兰铁路近半个世纪的畅通无阻。在几十年的土壤 -植被系统演变中 ,花棒 +柠条 +油蒿 -干旱砂质新成土的人工系统演变为油蒿 +雾冰藜 +小画眉草 -简育正常干旱土的半天然、天然系统 ;生物结皮发育、结皮层形成改变了降水的再分配过程 ;在 2 0～ 5 0 0cm深度的干旱层因灌木的排水作用而形成 ,低等植物也开始与草本和灌木竞争水分 ,深根系的灌木很难得到降水的补给 ,逐渐退出了防护体系 ;土壤 -植被系统趋于更薄的活动层。

土壤-植被系统及其对土壤健康的影响

在总结分析土壤健康概念与内涵、土壤-植被系统的组成与边界的基础上,着重从植被类型与特征对土壤生态系统的物理健康、化学健康和生物健康3方面的影响进行了综述。

流沙固定过程中土壤-植被系统演变

包兰铁路横穿腾格里沙漠沙坡头段,全长45km,年降水量186mm;流动沙丘相对高度20m,以每年4m的速度向东南方向移动。无灌溉条件下、工程措施与生物措施相结合的防沙固沙工程体系始建于1956年,近半个世纪以来该体系确保了包兰铁路畅通无阻。几十年的土壤植被系统演变正影响着整个防护体系。植被在从人工系统向自然系统的演变中经历了覆盖度从增加到减少的自疏过程、从灌木到半灌木到草本的变化;土壤从流动风沙土向钙积旱成土发育,地表生物结皮发育;降水在生态系统中的再分配过程已经彻底改变,新的水分平衡格局明显影响现有防沙固沙体系。

利用大型蒸渗仪模拟土壤-植物-大气连续体水分蒸散

在农田水量转化各分量中，蒸散与潜水蒸发是最难测定的．在地下水浅埋地区，地下水通过毛管上升而补给包气带土壤水的作用十分明显，对作物生长意义重大．利用大型蒸渗仪、波文比、水力蒸发器等仪器，获得了大量水平衡因子的试验数据和土壤植物大气连续体（ＳＰＡＣ）模型中的有关参数．以大型蒸渗仪实测值为基准，验证了农田土壤植物大气连续体模型的模拟值，并主要就蒸散和潜水蒸发量，对实测与模拟值作了比较分析，探讨了导致两者差异的原因．

农田水循环:地表-大气界面水分传输研究进展

对地表 -大气界面水分传输影响因素做了简要概括。重点从液态水分消耗的速率和大气净得的水汽速率两个方面探讨了土壤 植物 大气系统 (SPAC)界面过程中地表 大气界面水分传输的研究进展和各种研究方法的原理、优缺点 ,并探讨了今后的研究方向。

绥满公路两侧森林区土壤-植被重金属的分布特征及污染评价

测定绥满公路(301国道)海林至亚布力段森林区路侧土壤及红松等19种植物叶片中Pb,Cd,Cu,Zn,As的质量分数,研究5种重金属元素在公路路侧森林区土壤-植被中的质量分数分布特征。结果表明:土壤中5种重金属平均质量分数普遍高于背景值,土壤的单因子和综合污染指数计算结果显示,Cd为重污染,Zn,Cu,Pb,As为轻度污染,综合污染指数等级达到中度污染,但重金属质量分数除Cd略高外,其余均低于国家二级标准。Cd是道路交通重金属污染的主要污染物之一,公路两侧植物叶片中Cd质量分数随距离的增加而逐渐降低,土壤中Cd质量分数随距离增加先升高后降低。研究结果还进一步表明,公路旁侧森林区土壤与植被主要重金属富集区距公路约40～60m范围之内。19种植物作为防治公路重金属污染林带树种的适宜性比较研究表明:蒙古栎、白桦、臭松等树种可以作为公路旁侧防治重金属污染林带的骨干树种推广使用;春榆、裂叶榆和毛赤杨等树种可作为重金属污染区绿化重点选用树种。

浅埋条件下地下水-土壤-植物-大气连续体中水分运移研究综述

地下水-土壤-植物-大气连续体系统中水分运移研究对于水资源的有效利用及生态环境问题有着重要的科学研究意义。在地下水浅埋条件下,地下水、土壤水、植物水、大气水是一个连续的水分过程。通过归纳国内外在地下水浅埋条件下土壤水分运移、土壤盐分运移、以及水盐运移对植物生长发育等生物过程作用的机理等方面的研究成果,综述了近年来国内外在地下水浅埋深条件下GSPAC系统水运移在研究方法、试验和模型方面的进展、各种研究方法的原理、优缺点和今后的研究方向,分析指出定量地研究浅埋深地下水对SPAC系统水分过程、生物过程和能量过程等的作用和影响是一个复合过程,由单个过程研究向过程的综合分析发展难度较大,目前研究相对比较薄弱,是今后需要重点发展的一个方向,在此基础上阐述了GSPAC系统水运移的研究需要深入发展的几个方面。