基于CoupModel的三峡库区四面山典型农林地水、热交换模拟研究
【摘要】本研究选取位于长江三峡库区库尾的重庆四面山为试验区,利用CoupModel模拟了不同土地利用方式,即阔叶林(木荷×石栎)、针叶林(杉木×马尾松)和农地(玉米)2008—2009年土壤—植被—大气系统的水分和热量差异,可为三峡库区植树造林和生态重建等提供科学依据。(1)对CoupModel土壤参数,包括土壤颗粒组成、密度、孔隙度、水分特征曲线、饱和导水率、土壤水分和土壤温度等物理性质研究表明,农地土壤质地较细,孔隙度低,而林地土壤具有相对疏松、通透性好的结构,提高了水分的入渗能力。森林植被对土壤物理性质的改善和提高具有重要作用。试验地土壤水分和温度均具有明显的季节变化特征,土壤水分平均值大小依次为农地(12.57%)>针叶林(10.86%)>阔叶林(10.47%),农地土壤水分含量更高、变异性更小。土壤温度平均值大小依次为农地(19.41℃)>针叶林(18.95℃)>阔叶林(18.87℃)。冠层生长状况更好、郁闭度更大的森林植被对土壤表面的遮蔽作用更大,因而生长季期间林地土壤温度更低,且变化趋势更为缓和,振幅更小。(2)土壤水分、土壤温度和冠层截留量模拟值与实测值拟合度较高(决定系数R2为0.69-0.99),CoupModel在三峡库区四面山地区具有较好的适用性。采用OAT方法(即每次只改变一个参数的方法)对模型参数进行了敏感性分析,结果表明,对土壤水分模拟结果影响较大的参数有孔隙分布参数、进气吸力、残留含水量、饱和含水量、饱和导水率和蒸发阻力系数。而对土壤温度模拟结果敏感性较大的参数有土壤热传导系数、有机质层厚度、植被反照率、消光系数、水汽压亏缺、蒸发阻力系数。(3)CoupModel对农林地水量平衡模拟结果表明,2008-2009年3种植被覆盖类型SPAC系统水分输入均为2214mm,阔叶林水分支出(2224mm)高于收入,这是引起阔叶林地土壤储水而呈现负补偿现象的主要原因。蒸散是水量平衡中最主要的支出项,其比例高达61%,大小依次为阔叶林(720mm/a)>针叶林(700mm/a)>农地(601mm/a)；其季节变化规律主要由叶面积指数(LAI)的变化规律来决定(R2为0.61-0.77),而在日时间尺度上,植被蒸散量主要受气象和土壤因素的影响。农地年均深层渗透量为452mm/a,分别比阔叶、针叶林高60mm、47mm,且在降水较多的年份表现更加明显。研究区农林地水分条件具有较大差异,水分盈余是农地水量平衡的主要特征,而林地却发生了春旱和秋旱。造林对水量平衡具有重要影响,森林在提高系统蒸散量的同时,也减小了土壤水分的深层渗透以及对地下水的补给,使水分分配过程变得更加复杂。树种对水量平衡亦有影响,在以提高地下水补给为目标的造林地区应注意树种的选择。(4)CoupModel对农林地热量交换模拟结果表明,2008—2009年样地接收太阳辐射量实测值为7096MJ·m-2,与农地相比,林地能够接收到更大的净辐射量,这主要与地表反射率有关。潜热是热量耗散的主要支出项,其值从大到小依次为阔叶林(1702MJ·m-2)>针叶林(1642MJ·m-2)>农地(1415MJ·m-2),分别占净辐射的83%、81%和73%。感热通量的大小决定于乱流交换系数和温度的垂直梯度,农地感热通量大于林地,这主要是农地乱流作用更强、表层土壤气温更高的缘故。试验期间农地土壤热通量为正值(2MJ·m-2),处于热汇阶段,土壤吸收环境中的热量,阔叶林和针叶林分别为-35MJ·m-2和-28MJ·m-2。模拟结果表明,阔叶林、针叶林和农地植被层每蒸散1kg水分所消耗的能量分别为2.33MJ、2.30MJ和2.28MJ能量。林地系统获得的能量约60%用于植被蒸散耗能,农地则同时以植被蒸散和土壤蒸发耗能为主。水分条件决定了热量的分配形式和影响潜热通量、感热通量占净辐射的比例,同时热量供给的多少也决定了水分可以蒸散出去的量,土壤—植被—大气系统呈现一种水热相互制约的局面。森林植被恢复后,通过其反射率、蒸散等的变化对水分和热量具有调节作用,森林能够提高水分和热量的利用效率。
【作者】王贤；
【导师】张洪江；
【作者基本信息】北京林业大学，水土保持与荒漠化防治，2014，博士
【关键词】CoupModel模型；四面山；土壤水分；土壤温度；水量平衡；热量交换；
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