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干旱荒漠植物土壤水对降水的响应-毕业论文.docx
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1、 毕业论文 论文题目(中文) 干旱荒漠植物土壤水对降水的响应 论文题目(外文) The Reaction Of Soil Water In Arid Desert Plants Area Towards Precipitation 干旱荒漠植物土壤水对降水的响应摘 要土壤水是地表水和地下水的转换枢纽,降水和土壤性质共同决定了土壤水的入渗特征,研究土壤水对降水的响应对研究荒漠区生态及水文过程有着重要意义。本文以黑河下游干旱荒漠区为背景,对年内降水及土壤水分数据的时空变化进行分析,结论如下:降水量越大,转化成土壤水的水量越大,能够影响到的土层深度越深,且土壤水分持续响应的时间越长;同一次降水事件中
2、,土层深度越深,其持续响应时间越长;该地区小降水事件以活塞流形式入渗,5mm(8.7mm)的降水可能以优先流形式入渗;以一年为周期,该地区夏末至冬初显著湿层位于20cm处,冬末至夏初时位于100cm处。关键词:土壤水,降水,响应特征,干旱荒漠THE REACTION OF SOIL WATER INARID DESERT PLANTS AREA TOWARDS PRECIPITATION AbstractBeing the switching hub of surface water and ground water,soil water has great significance on r
3、esearch of ecological and hydrologic processes in arid desert area,especically its reaction which depends on rainfall and soil property towards precipitation.Here takes the lower reches of Heihe River as background and comes the following results:The greater the precipitation is,the greater and deep
4、er conversion into soil water,so as the responsive time.Deeper soil makes a longer time in reaction in the same preicipitation. Water infiltrating in way of piston flow in little precipitation,while that of 8.7mm precipitation could running in preferential flow.Taking one year as cycle,the wet layer
5、 stay in 20cm from summer to winter and 100cm from winter to next year summer.Key words:soil water, precipitation, reaction characteristics, arid desert 目 录中文摘要I英文摘要II第一章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 研究进展及现状11.3 研究内容、数据来源及技术路线 .1 1.3.1 研究内容.1 1.3.2 数据来源.2 1.3.3 技术路线.3第二章 研究区概况42.1 自然地理概况42.2 研究区基本情况4第三章 数据处理5
6、3.1 降水事件选取53.2 不同降水量下的入渗特征53.3 降水的湿、热影响.8第四章 讨论与结论.104.1 讨论.104.2 结论.10参考文献致 谢12第一章 绪论1.1研究背景及意义土壤水是水资源的重要组成部分,可以被植物直接吸收而难以人工开发利用,并且能影响感热通量、潜热通量及地面长波辐射等交互过程,因此对生态环境及气候变化的响应都有重要意义。土壤包气带在地下水潜水面之上,通过其吸水、保水和输水能力,成为了地表水和地下水的交换枢纽。在降水补给水资源的过程中,不受任何产流机制的影响,土壤水资源都是优先得到补给的1。干旱荒漠区的降水事件一般以脉动的形式发生,并且以小降水事件(5mm)为
7、主,发生频率较高并且对总降水量贡献稳定2,3。降水事件的降水强度和频率在水分在土壤中的运移上有决定性的意义,其发生时间、持续时间等特征参数往往具有较大的变异性。而降水事件的间断性及不可预知性也导致土壤水分资源的可获得性呈现出不连续的脉动形式。土壤水分的动态变化是区域水循环的核心环节,这在荒漠区尤为突出。降水是干旱荒漠区土壤水分的主要来源,因此理解土壤水分对降水的响应关系是认识荒漠区生态及水文过程的重要助力。1.2 研究进展及现状针对降水、地下水和土壤水的研究都属于水文学领域。虽然上世纪中后期概念性水文模型及水资源试验研究都得到了发展,但这些研究仍是以定性研究居多,定量研究则较少4。周海2等以河
8、西走廊中部的典型荒漠区为背景,基于稳定同位素技术研究了土壤水分对降水脉动的响应,认为随着土壤深度加深,响应程度不断减弱并且响应时间越发滞后。王永东5等通过一维垂直积水入渗实验对沙漠腹地的原状风沙土进行了滴灌条件下的水分入渗、再分布过程中的湿润锋运动规律模拟。王胜6等利用我国西北干旱区陆-气相互作用试验的观测资料,分析了不同程度降水对土壤湿度的影响,认为降水量越大对土壤水影响的持续时间也越长,并提出土壤湿度大小在一次降水过程中会经历增长、减小和回归平衡三个阶段。郑丽媛7以太原市王家峰存为背景建立了降雨蒸发条件下的垂向一维土壤水分运动模型,并用预估-校正法拟合参数对模型进行了校正,模拟了不通过强度
9、降雨下黄土台塬区土壤水分再分布过程。类似的,左海军8采用修正的Richards方程模拟了不同降雨条件下土壤水入渗量的变化,并和实际降雨下的观测结果进行比较。研究显示,小于0.5mm的降水通常难以克服表层的截留作用,对下层土壤水分的补充几乎可以忽略。而当降水量超过5mm时,就能够对根层土壤水分进行有效补给。以往的研究方向主要在于土壤水分的时空变化和不同的植被覆盖类型及土地利用方式对土壤水分的影响,而对于土壤水分对降水的响应研究相对要少2。1.3 研究内容、数据来源及技术路线1.3.1 研究内容以往关于土壤水分对降水的响应研究相对较少,土壤水分运动研究往往仅限于简单坡面或者单点入渗点源入渗等理想水
10、分运动状态,更缺乏对更大尺度上水分运动模型的研究。而不同的植被类型和植被覆盖条件下,土壤性质和其对水分的利用状况不同,从而对土壤水分入渗和再分布过程产生影响9。本文以黑河下游干旱荒漠植物土壤水为研究对象,通过站点实测数据,研究该地区土壤水对降水的响应特征。包括不同级别降水下,各深度土层的响应速度及特性,以及降水入渗后可达到的最大深度和持续影响时间,以此作为大尺度土壤水分循环研究的依据。1.3.2 数据来源本文数据采自黑河生态水文遥感试验:水文气象观测网数据集(荒漠站自动气象站-2015)。该数据集包含了2015年5月2日至2015年12月31日黑河水文气象观测网下游荒漠站气象要素观测数据,站点
11、位于内蒙古额济纳旗荒漠滩,下垫面是荒漠。观测点的经纬度是100.9872E, 42.1135N,海拔1054m。空气温度、相对湿度传感器架设在5m、10m处,朝向正北;气压计安装在2m处;翻斗式雨量计安装在10m处;风速传感器架设在5m、10m,风向传感器架设在10m,朝向正北;四分量辐射仪安装在6m处,朝向正南;两个红外温度计安装在6m处,朝向正南,探头朝向是垂直向下;土壤温度探头埋设在地表0cm和地下2cm、4cm、10cm、20cm、40cm、60cm和100cm处,在距离气象塔2m的正南方;土壤水分传感器分别埋设在地下2cm、4cm、10cm、20cm、40cm、60cm和100cm处
12、,在距离气象塔2m的正南方;土壤热流板(3块)依次埋设在地下6cm处。观测数据的处理与质量控制:(1)确保每天144个数据(每10min),若出现数据的缺失,则由-6999标示;土壤热通量1由于传感器的问题,在2015.5.11-6.6间数据缺失;(2)剔除有重复记录的时刻;(3)删除了明显超出物理意义或超出仪器量程的数据;(4)数据中以红字标示的部分为有疑问的数据;(5)日期和时间的格式统一,并且日期、时间在同一列。如,时间为:2015-6-10 10:30;(6)命名规则为:AWS-站点名称。1.3.3 技术路线开题总结黑河下游干旱区土壤水分对降水的响应特征,作为区域大尺度土壤水分研究的依
13、据。分析研究区域持续干旱条件下的湿层,及降水造成的水热影响。讨论不同次降水量下,降水入渗深度以及对土壤水分的持续影响时间。选取典型干旱日,分析表层土壤含水率和土壤温度的日变化曲线;对比分析某次降水事件。分析降水前、降水后数天内,土壤不同深度的土壤含水量随时间的变化规律及特征。根据年内不同强度降水事件的分布,选择合适的降水事件作为典型。数据选取:2015年荒漠站AWS攥写论文第二章 研究区概况2.1 自然地理概况黑河流域是祁连山发育的内陆河流域之一,位于河西走廊中部,大致介于 98-10130E,38-42N之间,为甘蒙西部最大的内陆河流域。黑河流域位于欧亚大陆中部,远离海洋,周围高山环绕,流域
14、气候主要受中高纬度的西风带环流控制和极地冷气团影响,气候干燥,降水稀少而集中,多大风,日照充足,太阳辐射强烈,昼夜温差大。黑河从发源地到居延海全长 821公里,横跨三种不同的自然环境单元,流域面积约14.29万平方公里 ,北部与蒙古接壤,东以大黄山与武威盆地相连,西部以黑山与疏勒河流域毗邻。分属三省(区),上游属青海省祁连县,中游属甘肃山丹、民乐、张掖、临泽、高台、肃南、酒泉等市县,下游属甘肃金塔和内蒙古自治区额济纳旗。其水系在河西走廊干旱荒漠的生态背景上哺育了一系列绿洲,形成了山地-荒漠-绿洲复合生态系统。这个生态系统水资源短缺、生态脆弱,其绿洲进退和土地荒漠化等生态环境问题与水资源的开发利
15、用关系密切4。2.2 研究区基本情况黑河下游荒漠化平原区是指阿拉善以北、巴丹吉林沙漠与走廊北山之间的荒漠化平原,地势低平,海拔9001127m,自南向北,自西向东倾斜,区内为典型大陆性气候,具有降水稀少,蒸发强烈,温差大,风大沙多,日照时间长等特点;黑河是进入该区唯一的季节性河流,也是补给地下水的最主要水源,地下水的排泄方式主要表现为潜水蒸发及植被蒸腾;区内土壤属地带性灰棕荒漠土和石膏性灰棕荒漠土,天然绿洲内多是草甸土、盐化草甸土、风沙土等,局部有盐化沼泽土和沼泽盐土出现。区内植被种类十分贫乏,植被类型以旱生、超旱生、耐盐碱的亚洲荒漠成分占优势,在干旱的低山丘陵和广大的戈壁平原,生长稀疏耐旱的
16、荒漠植被,种属主要有红砂(Reaumuria soongorica)、泡泡刺(Nitraria sphae-rocarpa)、麻黄(Ephedra sp)、沙拐枣(Calligonum mon-golicum)等;在沿河及湖积平原地带,生长有茂密的中生和湿生的乔、灌木和草本植物,种属有胡杨(Populus euphratica)、沙枣(Elaeagnus angustifolia)、柽柳(Tamarix ramosissima)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、甘草(Glycyrrhiza uralensis)、芨芨草(Achnatherum splendens)等;土质疏
17、松的沙丘上主要生长梭梭( Haloxylon ammodendron)、白刺(Nitroria roborowskii)、红砂等灌木和草本植物。黑河下游荒漠平原区近年来由于河水流入量的持续减小,致使依赖河水补给来源的地下水呈减少趋势,造成区域性地下水位下降,因而引起一系列生态环境问题。概括起来有土地干旱、土壤盐渍化、湖泊干涸、地下水水质恶化、土地风蚀沙化及植被退化等几个方面,特别是植被退化,大片的胡杨林死亡,风沙侵蚀加剧。额济纳绿洲面临着生死考验,值得庆幸的是国内外许多学者和我国政府已经十分重视额济纳绿洲的前途问题,并有许多研究成果,包气带的水分状况与植被的生长关系最为直接,这方面的研究目前在
18、国外研究成果比较多,但在气候极端干旱的该区的研究还是比较薄弱的,因此地下水和土壤含水量与植被生长状况的研究对了解植被忍耐缺水能力及植被演替有重要意义10。第三章 数据处理3.1 降水事件选取2015年荒漠自动站气象站观测到的降水事件共15起;其中小降水事件(5mm)共11起,占降水事件的73.33%,对总降水量的贡献为21.04%;5mm以上的降水事件4起,仅占降水事件的26.67%,但对总降水量的贡献高达78.96%。降水集中发生在夏季和秋季(如图3.1所示),并且以小降水事件为主。降水事件的发生难以预测,但全球范围内关于各种干旱和半干旱区的研究发现,它们的降水格局都是相似的。在干旱和半干旱
19、地区(如北美草原),小降水事件占总降水事件的70%,总降水量贡献为25%,比较稳定3,其分布特征与本文所选观测站的数据相符,造成降水格局差异的主要是大降水事件。本文选取四个不同降水量的典型降水事件进行黑河下游干旱荒漠区对降水的响应分析:(1)7月21日降水为年最大降水量8.7mm;(2)9月30日降水量为2.4mm,属于小降水事件;(3)以往有研究指出0.5mm的降水几乎难以克服表层截留从而补给下层土壤水,因此这里选择7月12日0.8mm和10月25日0.1mm两次降水事件进行比对验证。这四个典型降水事件在发生时间上,均与其它降水事件有一定的时间间隔,可以避免其他降水事件引起的土壤水分变化重叠
20、效应。图3.1 年内降水事件分布3.2 不同降水量下的入渗特征一次降水事件发生后土壤湿度的变化可以划分为增大、恢复和近平衡态三个阶段6。整个引起土壤湿度变化的过程可以分为入渗和再分布两部分,入渗是土壤水分循环的重要组成部分,不仅直接影响着大气-植物-土壤连通体中水分循环,地表径流的数量,而且影响着植物根区的水分状况,同时也是合理调控土壤水分、预防季节性干旱的关键和基础。而水分再分布是入渗的后续过程,水分再分布决定着不同时间和不同深度土壤保持的水量,直接影响土壤水分的有效性以及植物水分的收支。图3.2(A)为降水前一天、降水及降水后1、2、3、5、8天时各深度土层的土壤含水量(体积含水量,单位为
21、百分比),降水量为8.7mm。降水前020cm土层的土壤含水量介于2%3%之间,降水当天2cm和4cm深度的表层土壤,其含水量快速提升;降水1d后,4cm土壤含水量的增速远远超过2cm土层,此时10cm土壤含水量也得到了补充,快速提升并超过了2cm的土壤含水量;2d后2cm及4cm土壤含水量都快速减少,进入恢复阶段,区别是4cm土壤水在5d时进入近平衡态,而2cm处在3d时就完成了恢复过程;降水对10cm土层土壤水分的影响在8d时才消退完毕,持续影响近8天时间;20cm土壤水分在2d时才得到补给并逐步缓慢增长;40100cm土层在该年最大降水量下依然没有明显响应。图3.2(A) 降水前后不同深
22、度土壤湿度日变化曲线7月21日8.7mm降水图3.2(B) 降水前后不同深度土壤湿度日变化曲线9月30日2.4mm降水图3.2(B)为降水量2.4mm时的情形,2cm及4cm处动态变化特征与降水8.7mm时相似,不同的是此时2cm土层在1d时就进入了恢复阶段,并和4cm处一样,在5d才时完成恢复过程达到近平衡态;10cm土壤含水量看似对降水没有响应,但降水前其在气象要素影响下明显处于下降的态势,而降水后却略有反弹的迹象,这表明2.4mm降水仍能影响到10cm土壤水分,只是效果不显著;在5d时10cm土壤含水量开始有重新下降的趋势,即5d时降水对其补给作用已基本消失,整个持续影响时间比降水8.7
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