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题名	多年冻土活动层土壤—植被系统水循环过程实验研究
作者	李春杰
学位类别	博士
答辩日期	2013
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	北京
导师	王根绪
关键词	青藏高原 土壤入渗 凝结水 地下水 活动层
其他题名	Experiment Research on Water Cycle of Soil-Vegetation System
学位专业	自然地理学
中文摘要	本论文以位于青藏高原长江源多年冻土区的风火山小流域，作为实验研究区域。观测实验过程中，针对高寒草甸和沼泽草甸两种草甸植被类型，以不同植被类型的植被覆盖度作为区分生态退化程度的依据和指标。实验地选择、设计在草地植被覆被盖度较高的区域。实验过程中选择坡型、坡度、坡向趋于一致的不同植被覆盖程度的区域作为研究实验区，并将降雨截留、土壤水分入渗、土壤的蒸发凝结等过程作为研究对象，建立实验观测场。通过分析不同植被盖度下流域气象要素，以及高寒草甸和沼泽草甸降雨截留、土壤水分入渗、土壤的蒸发和凝结过程、地下水动态、径流过程以及土壤的温度和水分的分布状况等因素，进而分析总结了植被覆被变化与水循环各因素之间的关系，以及它们之间的相互作用机制，突出了在不同植被盖度条件下，高寒草甸的地表水循环过程的变化。研究结果表明： 一、高寒草地植被的降雨截留：（1）沼泽草甸和高寒草甸两种植被类型的截留量和截留率，都存在着十分明显的差异，沼泽草甸的最大截留量和截留率要显著小于高寒草甸的最大截留量和截留率。沼泽草甸的最大截留量为0.18mm，最大截留率为3.8%；高寒草甸的最大截留量为0.61mm，最大截留率为12.4%。沼泽草甸和高寒草甸的截留率和截留量都与降雨强度、降雨量、降雨历时以及植被盖度等因素紧密相关，并且高寒草甸和沼泽草甸的降雨截留量与各因子之间，都有着较高的相关性。（2）植被盖度对降雨截留量有着十分显著的影响，随着沼泽草甸和高寒草甸植被盖度的增加，在相同的降雨强度条件下，截留量也呈现增加的趋势。随着植被盖度的增加，沼泽草甸的降雨截留量和截留率也随着植被盖度的增加而增大，高寒草甸的降雨截留量和截留率都有所提高，但沼泽草甸和高寒草甸降雨截留量和截留率随植被盖度增加的幅度存在差异，沼泽草甸随植被盖度增加的幅度，要明显的大于高寒草甸植被。（3）沼泽草甸截留量与降雨量之间具有二次多项式相关关系，高寒草甸截留量与降雨量之间具有幂函数相关关系。沼泽草甸和高寒草甸截留率与截留量之间具有幂函数函数相关关系，截留量与降雨强度之间也具有较好的幂函数相关关系。（4）通过对影响沼泽草甸和高寒草甸植被降雨截留的各个因子，进行多元非线性回归分析结果表明，沼泽草甸的截留量与植被盖度、降雨强度及降雨历时3者之间，存在I=0.00073C?Ri0.18?T0.33多元函数关系；高寒草甸的截留量与降雨强度、植被盖度及降雨历时3者之间，存在I=0.0025C?Ri0.34?T0.19多元函数关系。 二、高寒草地水分蒸发和凝结过程：（1）通过对高寒草甸土壤凝结水的夜间观测数据分析，结果表明：青藏高原风火山流域高寒草甸土壤凝结水，基本发生在前一日夜间20:00至次日8:00的时间区间内。并且在次日6:00~8:00之间凝结量达到了最大值。土壤凝结水的形成深度，主要集中0~5cm土壤剖面范围内。并且土壤的凝结量会随着高寒草甸的退化而减小。凝结水量一部分会贡献于白天的蒸发损失之中，这一部分生态水量对于青藏高原高寒草甸生态系统平衡的维持具有十分重要意义。（2）土壤凝结水主要形成的来源主要有两个方面，一为空气中的自由水汽凝结形成的吸湿性凝结水；二为包气带水汽在地温梯度的驱动下，向上运移凝结形成的凝结水量。并且包气带水汽向上运移形成的凝结水，要显著大于空气水汽凝结形成的凝结水。未退化、中度退化和严重退化草甸，包气带水汽上移形成的凝结水占总凝结水的比重分别为：67.3%、73.2%和85.3%；未退化、中度退化和严重退化草甸，空气中水汽形成的凝结水占总凝结水的比重则分别为：32.7%、26.8%和14.7%。（3）植被盖度越高，越利于对于空气中凝结水的吸附。随着高寒草甸植被盖度的增加，0-5cm土壤层的凝结水量呈现增大的趋势；而5cm以下土层，夜间的蒸发量会出现相应地减小的现象。较高的植被盖度条件下的土壤的结构更为疏松、有机质和土壤粘粒的含量更高，更加有利于土壤的凝结效率的提高。（4）气象因子对高寒草甸浅层土壤的凝结量的影响很大：气温和地温的变幅越大，土壤浅层的凝结量越大；近地面空气湿度越大，土壤浅层的凝结量相对越大；降雨量和风速等条件对于凝结量的形成影响也十分的显著，都与凝结量负相关。 三、高寒草地土壤水分入渗过程：（1）地温对高寒草甸土壤的饱和导水率有着十分显著地影响，在0-5℃的温度范围内，饱和导水率随着地温的增加，两者之间呈现负相关；在地温大于5℃的情况下，土壤饱和导水率随着地温的增加而变大。高寒草甸土壤的初始含水率状况，只会影响到土壤水分入渗的过程，对土壤水分入渗的最终结果不会产生显著影响。（2）随着高寒草甸植被盖度的增加，土壤水分的入渗速率和饱和导水率也明显增大。植被盖度较大的高寒草甸，植被的根系层在土壤中分布较为密集，土壤浅层的结构也相对疏松，易于形成优先流，固饱和导水率较大。（3）对影响土壤入渗过程的因子的旋转主成分分析结果表明，影响土壤入渗的因子主要包括：土壤质地及其理化属性因子、亲水有机胶体团粒的含量因子和土壤疏松程度3大因子，其中植被盖度、粒度、容重对土壤入渗影响最大，土壤温度影响最小。 四、从研究中发现地下水位与活动层的冻融过程密切相关，与其他非冻土地区相比，冻结过程不仅造成了不透水层，对地下水的运动造成了影响，并且通过冻结过程一部分的水量贮存在冻土中，作为固体水库，通过该部分水量的相变，使寒区水循环过程与其他地区相比有着显著而独特的规律。其中，年内降雨入渗补给时间明显滞后，补给时间限于融冻期，冻土层蓄水作用下降，冻土层不透水作用使补给量相应减少，随冻土季节性变化，地下水随融化深度而变动。土壤的融化过程直接增加的地下水位，并使一部分的水分补给地表径流过程，加剧了春汛过程；而在冻结过程中，液态水转化为固态水，降雨、融雪也通过入渗过程补给土壤，并冻结在土壤中，冻结过程不仅将部分液态水以固态水的形式贮存在土壤中（冬季某天的冻融过程），并且使整个水循环过程减速。到了完全冻结期，多年冻土区土壤整体冻结，区域活动层不同层次温度均低于0℃，土壤完全冻结，土壤形成不透水层，河流失去冻土融水和融雪的补给，河流干涸。（1）冻结层上水位变化与活动层冻融过程密切相关，冻结过程是水位由高低的变化过程，而融化过程是水位由低到高的变化过程，0℃水温一定程度上可以作为水位突变的阈值。（2）河流径流流量特别是汛期流量与高水位时的剧变密切相关。（3）融化过程中水位的突然上升可能来自土壤水位的补给。 五、在多年冻土区，径流过程存在两个明显的汛期，即春汛和夏汛，春汛期峰值和水量小于夏汛，且两个汛期的径流成分是不一致，春汛由降水、积雪融化和冻土活动层融化水组成，而夏汛主要是降雨形成。年均径流系数为0.47，径流模数为7.7 L?S-1?Km2，其中融雪期（5-6月）和秋季（9-10月）的径流系数远高于年均值有些甚至超过了1，这是多年冻土区独有的特征。对径流的影响因子研究表明：以高寒草甸—沼泽为主要下垫面的多年冻土区，气温、地温对径流起主导作用。径流过程中不同时段具有不同的影响因子，春汛期主要是65cm以上的土壤温度和水分其主导作用；夏季枯水期40cm以上土壤水分与径流是负相关，深层地温和土壤水分其主导作用；夏汛期气温、降水起主导作用；秋季枯水期的影响因子依次为土壤温度、水分及气温。
英文摘要	Fenghuoshan watershed loacted in Yangtze River valley of Qinghai-Tibet Plateau permafrost region had been selected as the study area. For the Alpine meadow and swamp meadow, the coverage cover is a basis for distinguishing the extent of ecological degradation. The changes of vegetation coverage, slope, aspect convergence had been as the research objection Rainfall interception, soil water infiltration, soil evaporation, groundwater process and dew process were the research contents. Through analysis basin meteorological factors of different cover of Alpine meadow vegetation, rainfall interception, soil water infiltration, soil evaporation and condensation processes, and soil temperature and moisture distribution and other factors, the results were analyzed between the changes in vegetation cover. The vegetation -soil and surface water cycle relationship between the factors indicated the extent and mechanism of interaction. The results of the study showed that: The maximum interception and retention rates of Alpine and swamp meadow vegetation varyed widely, the maximum interception of Alpine meadow was significantly greater than the maximum interception of swamp meadow. swamp meadow maximum interception capacity was 0.18mm, the maximum interception rate was 3.8%; The largest Alpine meadow interception was 0.61mm, the maximum retention rate was 12.4%. Alpine meadow and swamp of interception and retention rates and rainfall, rainfall intensity, rainfall duration, and factors such as vegetation cover is closely related to, and Alpine meadow and swamp in the strong correlation between the factors. Alpine meadow and swamp interception and retention function between the power function correlation between interception and rainfall intensity also had a better power function relationship. Alpine meadow interception and rainfall correlated the power function, swamp meadow between interception and rainfall had quadratic relationship. Rainfall interception was significant increasing with the vegetation coverage of Alpine meadow and swamp. Also, the rainfall intensity had increased interception. With the increase of vegetation cover, rainfall interception in Alpine meadow were improved the swamp meadow of interception, but the rainfall interception of the Alpine meadow and swamp cover increased with the magnitude of differences, Alpine meadow vegetation with the different of vegetation coverage. In order to more in-depth understanding of the Alpine cold meadow and swamp meadow vegetation, rainfall interception characteristics, and the relationship between the various influencing factors. The influence of Alpine meadow and swamp vegetation between the each factor can be multiple by nonlinear regression analysis. The statistical regression analysis showed that the interception of Alpine meadow had the relationship: I = 0.0025C ? Ri0.34 ? T0.19 multi-function to vegetation cover, rainfall intensity and duration of rainfall; and the swamp meadow had the relationship: I = 0.00073C ? Ri0.18 ? T0.33 multi-function.
语种	中文
公开日期	2014-07-26
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.imde.ac.cn/handle/131551/7059]
专题	成都山地灾害与环境研究所_山地表生过程与生态调控重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	李春杰. 多年冻土活动层土壤—植被系统水循环过程实验研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2013.

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