大气–植被–土体相互作用:理论与机理

植物是天然的工程师,拥有防止浅层滑坡和地表侵蚀的潜能,并具备低投入、易养护、绿色环保和生态平衡等优点。目前国内外的研究和工程实践大多只考虑植物根系的力学加筋作用,而忽略了更为重要的水力作用。植物蒸腾能增加土体吸力,从而降低土体渗透系数且增加抗剪强度,所以能提高边坡稳定性和防止地表侵蚀。笔者的跨学科研究团队结合高等非饱和土力学理论和植物特征,从根本上研究了大气–植被–土体的相互作用机理;提出了新的理论模型,可预测植被土的持水能力;构建了考虑植物根系形状影响的地下水渗流与地表径流耦合运移的新模型;推导了计算植被边坡吸力分布与稳定性安全系数的解析解,引入了指数形、三角形、均布形和椭圆形4种典型的根系形状;并自主研发了用于离心机模型试验的人造根,能够模拟不同形状的植物根系的水力作用和力学加筋作用,并利用其揭示了根系形状对边坡的变形与破坏机理的影响。为保证研究的基础性和实用性,选取了百慕大草和鸭脚木树两种代表性植物,并考虑了种植间距与真菌等因素的影响。主要研究结果揭示:(1)植物在干燥与降雨条件下均能明显提高土体吸力,提高边坡稳定性;(2)植物引起的土体吸力可以用叶片面积指数和根表面积系数等植物特征参数量化,并且鸭脚木树的叶片面积指数和根表面积系数之间存在着线性关系;(3)真菌能显著提高植物根系的抗拉强度,加强植物的力学加筋作用;(4)所研究的4种根系形状中,指数形根最有利于提高边坡稳定性。上述研究包括室内试验、现场监测、离心机试验和理论建模等方面,建立了一套科学合理的理论框架与测试方法,并为植物护坡的工程实践和"海绵城市"的建设提供科学依据。

一个引入近地层的土壤一植被－大气相互作用模式

本文在国外同类模式基础上，结合自己特点建立了一个土壤一植被－大气近地层的相互作用模式。在这个模式中，土壤和植被与大气之间的各种通量输送是与近地层大气进行的，而不是同较高层大气直接交换，更符合实际情况。以大气几十米高处的风、温度、湿度为输入参数，驱动运行本模式，进行敏感性试验，并用有限的观测数据相比较。结果证明，本模式能合理模拟土壤、植被、大气的温、湿以及各种通量的变化。进一步与中尺度大气模式耦合可以用于气候研究。

年际时间尺度上全球植被与大气相互作用的诊断分析

利用NOAA AVHRR得到的19年（1982-2000）全球月平均的叶面积指数（LAI）与ERA40近地面气温和CMAP降水进行时滞相关分析，并研究了LAI的年际变化对后期温度、降水的反馈作用。结果表明，大部分地区LAI与同期气温的相关性更好，30°N以北（以南）基本上为正（负）相关。LAI滞后一个月时，北半球中低纬度和20°S以南大部地区LAI与降水的正相关更强；而在北半球中纬度大陆东部和南半球热带地区，LAI与前一个月温度的关系更密切。LAI与温度的相关性在春、秋季最明显，LAI与降水的关系在雨季最密切。LAI对气温比较显著的正反馈主要分布在北半球中高纬度地区；20°S以南大部地区为比较显著的负反馈。LAI对降水比较显著的正反馈分散在北美大陆西北部、东欧平原南部、欧亚大陆东北部和热带沿海地区。中高纬度（尤其是北半球）大部分地区LAI对气温、降水反馈部分的解释方差达到总方差的20％以上。

青藏高原大气-植被相互作用的模拟试验 Ⅰ.物理通量和参数

在原大气－植被相互作用模式ＡＶＩＭ的基础上作了改进，包括对植被生理过程，如（１）光合作用；（２）呼吸；（３）分配和（４）物候等新的描述方法。对青藏高原上 ３０个站点进行模拟计算，给出了高原上地表辐射及水热物理通量以及地表拖曳系数和地面反照率的分布特征。模拟结果表明净辐射和感热通量山东南向西北增加，高原西北部地表反照率较高，东南部地表反照率较低。

青藏高原大气-植被相互作用的模拟试验 Ⅱ.植被叶面积指数和净初级生产力

利用大气一植被相互作用模式 ＡＶＩＭ对青藏高原上 ３０个站点进行模拟计算，给出了青藏高原上植被叶面积指数和净初级生产力的分布特征。模拟结果表明，高原上叶面积指数、净初级生产力出东南向西北减少，模拟和观测的分布相一致。分析指出，青藏高原净初级生产力的分布决定于水热条件的共同作用，降水充沛、温度适宜的青藏高原东南部净初级生产力较高，而青藏高原西北部由于降水过少或温度过低，初级生产力很低。

植被护坡中根土相互作用机制研究现状及趋势

基于根系的形态,探讨了根系中纤维素与木质素含量高低、拉伸延长率与根系力学强度的关系;由根系本身的强度、土体性质及根土接触程度对根土相互作用的影响,分析得出根系本身的力学强度越高、根和土的接触越紧密,越有利于根土相互作用时对土体抗剪强度的提高;提出根系中纤维素及木质素含量、拉伸延长率对护坡植物根系本身力学性质的影响而引起土体抗剪强度的变化,并指出植物根系通过生物化学作用改善植物生长环境、改良土质的工程应用前景.

一个植被模式的检验和它在陆气相互作用中的应用

简要介绍了一个植被模式（ＳｉｍｐｌｉｆｉｅｄＳｉｍｐｌｅＢｉｏｓｐｈｅｒｅＭｏｄｅｌ）的发展过程及其在气候研究中的作用。许多观测资料被用来检验和标定这个模式。文中着重介绍了俄罗斯土壤湿度资料和非洲的ＨＡＰＥＸ－Ｓａｈｅｌ观测资料如何帮助我们改进模式和对陆面过程的机制的认识，对观测误差的影响也作了讨论。在地气相互作用中，着重讨论了东亚地气作用的特征。在文中介绍的两个东亚地区的试验中，尽管地面的异常被假设在东亚的两个不同的地区，但都对夏季风传输途径上的降水有很大影响。最后用一个区域模式对陆面模式在预测试验中的应用作了简介。初步的结果显示，这将是一个有很大发展潜力的新领域。

基于植被光合有效辐射资料研究中国地区植被大气反馈作用

本文采用中国地区基于卫星观测的植被光合有效辐射资料(FPAR)和月平均气候数据(1982—2000年)来分析中国区域陆面植被与气温、降水的反馈作用.通过计算和分析超前滞后相关系数和反馈系数发现:春、夏季FPAR超前气温一个月相关系数在全国大部分地区为负值,反映出植被生长旺盛,可以降低局地气温.春、秋两季气温与FPAR的同期相关系数较大.夏季降水超前FPAR一个月的正相关性反映出夏季降水对于植被生长存在促进作用.在中国长江流域以南区域,植被对于气温的反馈系数为一致正值,可达0.5℃(0.1FPAR)-1;在30°N以北区域显示出一致的负反馈,可达-0.42℃(0.1FPAR)-1.FPAR对降水全年反馈系数全国区域平均可达-2.12cmmonth-1(0.1FPAR)-1.不同植被类型、不同季节的植被反馈效应也存在差异.植被反馈系数可以用来验证动态植被模式计算的植被大气反馈作用.

土体-大气相互作用下土质边坡稳定性研究

土体-大气相互作用是指在多种气象要素共同驱动下,地表浅层土体与大气之间进行物质交换与能量传递的复杂过程.受全球气候变化影响,近年来极端气候事件频发.土体的工程性质在日益严峻的气候环境下发生剧烈变化,产生了大量滑坡灾害,给岩土和地质工程领域带来许多新挑战.系统总结了降雨、气温、空气湿度、风以及太阳辐射5个主要气象要素影响边坡稳定性的机制,分析了土体龟裂、地表植被和土体-大气相互作用之间的关联效应.通过介绍各因素在改变边坡稳定性过程中发挥的作用,构建了一个包括气象要素、土体龟裂以及地表植被的土体-大气相互作用分析体系.该体系为今后土体-大气相互作用下土质边坡稳定性研究确定了关键研究问题,所揭示的作用机理可为今后同类研究提供参考.针对该课题的研究现状,笔者提出了今后的研究方向和重点,包括土体-植被-大气相互作用的理论模型、气候作用下冻土坡体失稳机理、极端气候工程地质作用的生态调控措施三个方面.

全球陆地生态系统与大气之间碳交换的模拟研究

利用陆面物理过程和植被生理生态过程完全动态耦合的大气植被相互作用模式 (AVIM) ,对全球陆地生态系统的净初级生产力进行模拟。全球陆地生态系统植被分为 1 3类 ,土壤质地分为 7类 ,确定了各种植被和土壤的模式参数。采用全球陆地 0 .5× 0 .5网格点气候平均资料 ;以 30分钟为步长进行积分。并用全球不同地区各种植被类型的 1 9个 NPP观测样点数据校准模型。AVIM模拟全球陆地生态系统 NPP的主要模拟结果如下 :全球陆地生态系统净初级生产力 (NPP)总量约为 60 .72 Gt Cyr- 1。分析了不同植被类型的 NPP分布 ,模式较好地模拟了全球陆地生态系统净初级生产力的纬向分布和区域分布的差异 ,模拟出中国植被生产力的分布特征。陆地生态系统净初级生产力与温度、降水和辐射等气候因素在不同地区有不同程度相关性 ,北方针叶林地区气候因子与 NPP的相关性明显 ,反映出植被对环境因子的不同响应及其物候特征。赤道热带雨林地区NPP与气候因子的相关性不明显。

土体水分蒸发模型研究进展

土体水分蒸发是土体-大气物质和能量交换的主要过程之一,对土体的工程性质有重要影响。尤其是近些年来,受全球气候变化影响,极端干旱性气候频繁发生,与蒸发相关的岩土和地质工程问题越来越突出,逐渐成为国际研究的热点。建立土体水分蒸发模型是该课题研究的首要目标,对准确评估和预测气候作用下土体水分场信息有重要理论和现实意义。着重对国内外学者近几十年来围绕土体水分蒸发模型所取得的研究成果进行了归纳和总结,依据各种模型的理论基础进行了分类,总体上可分为表面能量平衡模型、水量平衡模型、质量传输模型、阻力模型、温度-风速模型及吸力模型等六大类别。在此基础上,分别阐述了各类模型的研究进展,并对其中一些代表性模型进行了详细介绍,对比分析了各个模型之间的联系与区别,并探讨了它们的优缺点和适应条件。总体而言,现有的模型存在重气象因素而轻土性因素的特点,对砂土和饱和土具有较好的适应性,而对黏性土和非饱和土的适应性较差。基于此,结合本学科的特色和研究背景,提出了今后该课题的研究重点,包括非饱和土的蒸发模型问题研究、黏性土水分蒸发模型研究、考虑土体裂隙参数的土体水分蒸发模型研究、构建通用型的土体水分蒸发模型等几个方面。

中国季风区植被净初级生产力对东亚夏季风的响应机理研究

东亚夏季风可显著影响中国季风区气候变化,但是季风区植被净初级生产力(NPP)对夏季风气候变化的响应机理尚不明确。利用大气—植被相互作用模型(AVIM2)模拟了中国季风区植被NPP,分析了其与夏季风指数的相关关系,探讨了其对夏季风变化的响应机理。研究发现,我国南、北方植被对夏季风强度变化的响应方式和机理并不相同。强夏季风年北方植被NPP增加,而南方植被NPP减少。东亚夏季风对中国华北平原植被生长季NPP的作用主要是通过影响该地降水量实现的;京、津、冀地区植被NPP受东亚夏季风带来的气温和降水量变化的叠加影响,因而成为北方对夏季风变化最敏感的区域。东亚夏季风对我国南方江苏、安徽、湖南、湖北、江西植被NPP的作用是通过影响太阳辐射实现的,强夏季风导致太阳辐射减弱,从而使各省植被NPP减少。南方沿海的浙江和福建,强季风年带来的弱太阳辐射和低温是该地植被NPP减少的原因。广东、台湾植被NPP则主要受强夏季风带来的低温影响。

土体水分蒸发研究进展

土体水分蒸发是土体-大气物质和能量交换的主要过程之一,对土体的工程性质有重要影响,是许多工程和环境问题的直接诱因,但长期被本学科所忽视。基于国内外近些年来其他学科领域围绕土体水分蒸发问题所取得的研究成果,分别从土体蒸发量确定方法、试验方法、蒸发过程、影响因素及理论模型等几个重要方面总结了该课题的研究现状及进展,取得如下主要认识:(1)准确确定土体的实际蒸发量是土体水分蒸发研究的核心课题,目前主要有理论计算法和直接测量法两种途径;(2)开展蒸发试验是掌握土体水分蒸发过程和研究土体水分蒸发机制的重要途径,目前主要有室内试验和原位试验两种。相比而言,基于环境箱的室内蒸发试验方法具有较好的应用前景;(3)土体水分的蒸发过程可划分为3个阶段:常速率、减速率和残余阶段;(4)影响土体水分蒸发的因素归纳起来可分为内部土性和外部环境因素两类,前者主要影响土体水分的传输能力,后者主要影响蒸发能量的供应强度;(5)当前关于土体水分蒸发量的计算和预测模型较多,但往往存在误差大、适应范围窄或参数难于获取等不足。基于上述认识,并结合本学科的研究背景,提出了今后该课题的研究重点和方向,包括减速率阶段的蒸发机制、土性参数与蒸发速率之间的量化关系、黏性土尤其是膨胀土中水分的蒸发和迁移机制、高精度原位土体水分蒸发试验设备的研发和构建通用型的土体水分蒸发理论模型等。

干旱、半干旱地区蒸散过程的模拟研究

利用建立的土壤-植被-大气系统水分散失耦合模式,研究了一定植被覆盖下区域近地面层的水分蒸散过程。模式对土壤水分传导和恢复过程的参数化引入了一些改进。利用此模式模拟了黑河实验(HEIFE)中1991-08-13—17日张掖观测站所在位置的能量通量和近地面温湿度的变化,得到了与观测值相一致的结果,合理地再现了此阶段内蒸散过程的变化趋势。此模式能比较有效地模拟区域复杂下垫面与大气边界层的相互作用,对于区域气候和生态效应的研究有一定的帮助。

湿润气候区固废堆场封场土质覆盖层性状研究

固废堆场封场土质覆盖层由天然非胀缩土料组成,其造价及后期维护费用明显低于传统覆盖层,是填埋场封场覆盖的理想型式。采用基于非等温多孔介质中水热耦合运移控制方程的软件,考虑外界气候条件、地表蒸发作用、植被蒸腾作用,建立土质覆盖层–植被–大气相互作用数值模型,针对中国湿润气候区典型城市长期实测气象条件,系统分析了不同结构型式土质覆盖层的性状。分析结果表明,毛细阻滞型覆盖层可把水分阻滞在根系生长层,便于植被蒸腾作用的提取,其性能优于单一土层型覆盖层。土质覆盖层内水分的排出主要依靠植被蒸腾和地表蒸发,二者与植被特征相关,植被条件越好则腾发总量越大;根系生长区内的含水率变化幅度大于其它区域。在本文气候条件下,选择厚度为1.4 m的毛细阻滞型覆盖层并结合一定植被条件可防止产生深层渗漏。

森林下垫面陆面物理过程及局地气候效应的数值模拟试验

文中基于大气边界层和植被冠层微气象学基本原理 ,建立了一个森林植被效应的陆面物理过程和二维大气边界层数值模式。并应用该模式进行了植被和土壤含水量等生物和生理过程在陆面过程和局地气候效应方面的数值模拟试验。所得数值模拟试验结果与实际情况相吻合。结果表明 ,应用该模式可获得植被温度、植被冠层内空气温度、地表温度日变化特征 ;森林下垫面大气边界层风速、位温、比湿、湍流交换系数的时空分布和日变化特征。该模式还可应用于不同下垫面 ,模拟陆面物理过程与大气边界层相互作用机制及其局地气候效应的研究 ,这将为气候模式与生物圈的耦合研究奠定一个良好的基础。

一个植物冠层物理传输和生理生长过程的多层模式

通过提出一个多层的植物冠层和土壤的模式，对冠层中辐射、热量、水汽和二氧化碳的传输等过程，光合、呼吸等生理过程以及土壤中水、热传输等过程进行了详细描述，并把物理过程与生理过程联系起来，实现了植被与大气的双向反馈；应用此模式于小麦生长期各主要过程的模拟。

生态边坡稳定机制研究综述

从植物根系形态分布研究、植物根系力学特性及固土机理、大气-植被-土体相互作用和微生物固土4个方面,明确了生态边坡的概念,简要介绍了生态边坡稳定性机制的理论及试验进展,展望了该领域未来的发展方向。

末次冰盛期以来中国陆地植被净初级生产力的模拟

利用AVIM(植被与大气相互作用模式)模拟了末次冰盛期(21kaBP)、全新世中期(6kaBP)及现代中国陆地植被净初级生产力(NPP)的大小与分布特征,计算了3个时期陆地植被NPP的碳总量.研究结果表明,冰期-间冰期尺度下的东亚夏季风的变化是影响中国陆地植被NPP变化的主要原因,21kaBP时期中国陆地植被NPP最小,平均值为208gC/m2·a,NPP碳总量为2.05Pg/a;6kaBP时期NPP最大,平均值为409gC/m2·a,NPP碳总量为3.89Pg/a;现代陆地植被的NPP年平均值为355gC/m2·a,NPP碳总量为3.33Pg/a,温暖湿润时期中国陆地植被的NPP比寒冷干旱时期要高.对3个不同气候时期温度和降水与陆地植被NPP的相关性分析表明,温度是影响21kaBP中国陆地植被NPP的主要气候因子,而降水是影响6kaBP以及现代植被NPP的主要因子.

气候和土地利用变化对上海市农田生态系统净初级生产力的影响

以上海市主要植被类型农田为研究对象,利用大气-植被相互作用模型(AVIM2)模拟的近50年上海市农田净初级生产力(NPP)以及1987、1997和2004年上海市的TM遥感影像数据,分别计算了气候变化和土地利用变化对上海市农田生态系统NPP总量变化的影响.研究结果表明,如果只考虑气候变化,1961～2006年上海农田年平均NPP值增加了64.37g·m-2(以C计),平均每年增长1.43g·m-2.年平均温度和降水量均与NPP显著正相关.另一方面,上海农田面积占总面积的比例由1987年的76%递减到2004年的43%.在土地利用变化和气候变化双重因素的驱动下,自20世纪80年代以来,上海农田NPP总量减少了42%;相对于气候变化影响,土地利用变化对农田NPP总量影响较大,其中,20世纪80年代到90年代,土地利用变化对NPP总量变化的贡献率占78%;20世纪90年代到21世纪初土地利用变化的贡献率达92%.