干旱荒漠植物土壤水对降水的响应

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毕业论文 干旱荒漠植物土壤水对降水的响应 Ⅱ

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，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 IN

ARID DESERT PLANTS AREA TOWARDS

PRECIPITATION

Abstract

Being the switching hub of surface water and ground water,soil water has great significance on research of ecological and hydrologic processes in arid desert area,especically it’s 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 deeper 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 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 ................................................................. 错误！未定义书签。

1.1 研究背景及意义 ..................................................... 错误！未定义书签。

1.2 研究进展及现状 ................................................................................ 1

1.3 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 ................................................................................. 4

2.1 自然地理概况 . ................................................................................... 4

2.2 研究区基本情况 ................................................................................ 4

第三章 数据处理 ..................................................................................... 5

3.1 降水事件选取 . ................................................................................... 5

3.2 不同降水量下的入渗特征 .................................................................... 5

3.3 降水的湿、热影响.............................................8

第四章 讨论与结论................................................10

4.1讨论.......................................................10

4.2 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

[1]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。

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（

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，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

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°-101°30′E，38°-42°N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900～1127m ，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（

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。在干旱和半干旱地区（如北美草原），小降水

[3]事件占总降水事件的70%，总降水量贡献为25%，比较稳定，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

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，单位为百分比），降水量为8.7mm 。降水前0～20cm

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；40～100cm 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8.7mm 时减少近3d 。此时20～100cm 土壤水对该次降水没有明显响应。

图3.2（C ） 降水前后不同深度土壤湿度日变化曲线

——7月12日0.8mm 降水

图3.2（D ） 降水前后不同深度土壤湿度日变化曲线

——10月25日0.1mm 降水

图3.2（C ）为降水量0.8mm 时的情形，降水当天2cm 土壤含水量增长比4cm 的更高，增幅达到2.11%，随后在蒸发和下渗作用影响下快速减小，1d 时达到近平衡态；4cm 土壤含水量1.2%的增幅较小，但恢复阶段消减较为稳定，2d 后进入近平衡态；10cm 土壤含水量增加了0.25%，并在3d 时达到近平衡态；此时20～100cm 土壤水对0.8mm 的降水没有明显响应。

图3.2（D ）为降水量0.1mm 时的情形，显然该次降水没有克服表层截留作用，没能对下层土壤水形成补给，各深度土壤水分始终呈近平衡态，细微的含水量变化由气象因素导致。

3.3降水的湿、热影响

以9月30日2.4mm 降水为例，该日以前近一个月时间没有降水事件发生，因此9月27日-9月29日可作为典型干旱日，与降水后的三天作对比，绘制了如图3.3所示的4cm 深度土壤体积含水量及土壤温度的日变化曲线图。

图3.3（A ）水分胁迫状态日变化曲线

图3.3（B ）降水后的日变化曲线

降水前，在水分胁迫状态下4cm 土壤含水量与温度的日变化曲线基本吻合，含水量日峰值早于温度日峰值2小时出现。含水量日峰值均在14:00出现，温度日峰值均在16:00左右出现，呈现规律性。

在降水后，土壤含水量整体增大，但仍能体现一定的变化规律，且峰值推迟近两个小时出现。这是由于表层土壤含水量增大后，陆面气象因子对其产生作用所需的时间也相应增多。一般来说，降水前后土壤湿度的差异会导致太阳辐射的加热速率产生变化，使得浅层土壤温度日峰值出现时间延迟[11]。而在黑河下干旱

荒漠区，土壤温度日峰值虽然减小，但出现时间基本不变，说明该地区表层土壤温度的变化还是主要受气象因子控制。因此可以认为，平均气候条件下土壤湿度的动态特征受降水和温度的气候特征影响。

在长期干旱影响下（如冬末至夏初）黑河下游干旱荒漠区存在一个显著湿层100cm ，随着土层深度减小土壤含水量也随之降低。而随着夏秋两季降水的增多，湿层逐渐上移到20cm 处。对比黄土高原半干旱草地土壤的深层存在于在10cm 深度，及定西干旱试验基地农田下垫面湿层存在于30cm 深度[11]，水分胁迫下黑河下游干旱荒漠区的土壤相对更疏松，下渗速度快，损耗于蒸散作用的水量更少，使得降水能够影响的深度更深。且长期来看，降水能逐步并显著影响到100cm 深度，大幅度改变该地区的土壤水分布形态。

第四章 讨论与结论

4.1 讨论

影响土壤渗透能力的因子首先是非毛管孔隙度，此外降水量的大小、降水空间分布和区域土壤性质的相互作用也会影响土壤水分响应的强度和深度[8,6]。水分分割理论认为小降水事件能有效地补给表层土壤水，而大降水事件能补给深层土壤水分[3,12]。在降水的动力作用下，一部分雨水可以入渗到一定的土层范围内，但另一部分尽管有重力梯度势推动，却往往由于上层土壤难以达到水分饱和状态而无法进一步向深层土壤入渗。

从图3.2可以看出，8.7mm 的降水量下0～10cm 土壤水都快速作出了响应，20cm 土层响应速度也不慢，甚至20～100cm 的土壤含水量都逐步地响应了该次降水。深层土壤的响应源于土壤水再分布过程，当地表积水因入渗而消耗完毕时土壤水的入渗过程就此结束，而土体内水分运动并没有随之停止，在基质势和重力势梯度的作用下继续向下层土壤推进。

Mathieu [13]等提出了不同量级的降水会有活塞流和优先流两种入渗补给的方式，小降水事件以活塞流形式居多，大的降水容易形成优先流而补给深层水。这是因为小降水事件只能打通部分输水通道，不能完全结合土壤原有水分，还受到土壤吸附作用，难以形成深层渗漏。较大的降水则能打通足够多的输水通道，并混合和进一步推动原有土壤水分继续向下层入渗[14]。

4.2结论

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；降水量8.7mm 、2.4mm 和0.8mm 的三次降水事件中，最大响应深度分别为40cm 、20cm 、10cm ，10cm 土壤的持续响应时间分别为8d 、5d 、3d ；如以往研究所指，0.1mm （

而在同一次降水事件中，土层深度越深，其持续响应时间也越长；8.7mm （7月21日）降水事件中，2cm 、4cm 、10cm 、20cm 、40cm 土壤的持续响应时间分别为3d 、5d 、8d 、8d 以上。

在黑河下游干旱荒漠区，8.7mm 的降水可以使40～100cm 土壤水1d 后便发生响应，且4cm 及10cm 土壤含水量提升速度远快于2cm 处，以优先流的入渗补给方式进行；而2.4mm 及0.8mm 的小降水事件则是以活塞流形式入渗，响应深度浅，且较上层的土壤水分比较下层增长更快。

长期来看，该地区湿层在再分布作用影响下以一年为周期发生变化，冬末至夏初主要湿层位于100cm 深度，随着雨期到来，夏末至冬初主要湿层逐步推进到20cm 处，和黄土高原半干旱草地及定西干旱试验农田相比，土壤透水性更好。本文没进行更长时间尺度的年际研究，如果结合多年年内的响应特征进行分析，结果将更加准确及可信，也可以挖掘年际的土壤水分变化规律。

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致 谢

时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。

首先，我要特别感谢我的指导老师xxx 老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。xxx 老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。

其次要感谢所有曾经授予我知识的老师，他们教会我的不仅仅是专业知识，更多的是对待学习、对待生活的态度。同时还要感谢我的父母亲，你们是我力量的源泉，只要有你们，不管面对什么样的困难，我都不会害怕。

最后，我要感谢我的舍友对我在学业和生活上的帮助，和他们一起生活，让我学会了很多东西，也无比快乐。