黄土沟壑区典型人工林地及草地植被需水量研究

来源 :西安理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qunimad41197579
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干旱和半干旱地区是全球气候变化下的敏感地区,黄土高原沟壑区作为典型的半干旱区域,更是全球生态系统最脆弱的区域。水资源严重短缺的现实情况使得该地区进行造林、种草等生态治理措施时需要考虑所选植被需水量级以及需水能否能得到满足的问题,同时伴随着混交林地开始在植被恢复中占据一定地位,对其进行需水评价也是亟待解决的紧要问题。本研究以黄土沟壑区的典型小流域南小河沟流域为例,根据野外实地观测与调研结果,首先对试验期(2018、2019、2020年)不同降雨年份进行水文年份划分,接着对单双源ET0计算模型在黄土沟壑区的适用性进行了评价,对精度不高的模型进行优化使其精度符合要求,然后利用双作物系数原理来进行刺槐、侧柏、油松乔木纯林及刺槐-侧柏、刺槐-油松、油松-侧柏混交林地、忍冬灌木林地、天然荒草地和人工苜蓿地的生长季日尺度植被需水量推求,最后在利用模型计算有效降雨的同时,引入水分盈亏指数对不同植被地类的需水满足程度进行分析,根据实际情况建立起适用于黄土沟壑区的旱涝指标评价体系,最终得出以下结论:(1)单源模型分析时,以P-M模型模拟值作为标准值而言,未优化的H-S模型在不同水文年总量方面模拟偏大,纳什效率系数NSE、一致性系数d、均方根误差RMSE计算结果均显示其模拟值不符合精度要求。将H-S模型通过逐月线性回归进行优化,系数a分布于-0.061~0.908之间,常量b分布于0.318~3.726之间,枯水年到丰水年优化后的H-S模型的NSE增加到0.77、0.73、0.71;d增加到0.93、0.92、0.91;RMSE则减小到了0.50、1.05、0.90。总量上对标准值的偏离程度大幅减小到2%左右(1.70%~2.18%)。不同水文年P-T模型的NSE、d、RMSE计算结果显示P-T模型已经达到精度要求,但是模拟值总量是偏大的。对P-T模型的系数α进行调整,最终调整结果为α=1.122,从枯水年到丰水年优化后的P-T模型的NSE 增加到了0.86、0.95、0.95;d则变化为0.86、0.99、0.99;均方根误差减小到0.31、0.18、0.38。总量上对标准值偏离程度不超过8%(4.69%~7.85%)。整体来看,优化后的P-T模型的模拟精度高于H-S模型。(2)S-W双源模型和P-M模型基本具有一致的变化趋势(先增加后减小),对生长季蒸散量来说,从枯水年到丰水年,ET0-SW分别为533.29mm、703.77mm、754.38mm,表现出潜在蒸散出量在逐年增大但占比在逐渐减小的趋势。从枯水年到丰水年,S-W模型的NSE分别为0.52、0.57、0.56;其 d 分别为 0.85、0.88、0.89;RMSE分别为1.03、1.65、1.34。ET0-SW分别为 688.79mm、887.64mm、1050.29mm,相对于 ET0-PM分别偏大6.70%、3.75%、4.02%。综合来看,S-W模型模拟精度不高,意味着S-W模型在黄土沟壑区适用性不强。(3)从枯水年到丰水年均表现出生长季内6、7月份需水最大,占比都超过了 40%。纯林需水量分布在427.68mm~845.61mm;混交林需水量分布在432.91mm~801.00mm;草地需水量分布在371.2mm~730.98mm,草地需水量明显小于林地。(4)不同水文年,刺槐-侧柏混交林需水量均小于刺槐、侧柏纯林;刺槐-油松混交林在枯水年需水量大于任一纯林地的需水量,平水年处于两纯林之间,丰水年则小于任一纯林;油松-侧柏混交林地需水量都低于侧柏高于油松。不同水文年不同林草地需水量结果不尽相同,所以将过往50年的丰平枯水年发生频率作为不同水文年需水量权重,从大到小分别为侧柏>刺槐>刺槐-油松>油松-侧柏>油松>忍冬>刺槐-侧柏>苜蓿>荒草。(5)各纯林在枯水年表现出中度干旱的状态,在平水年和丰水年处于轻度干旱状态。各混交林在枯水年均处于中度干旱状态,平水年和丰水年均处于轻度干旱状态。总体来说,草地需水满足程度最高,灌木林地次之,乔木林地最低。乔木林地中,刺槐-侧柏混交林需水满足度最高,侧柏最低,其中纯林表现出需水满足度油松>刺槐>侧柏,混交林表现出刺槐-侧柏>油松-侧柏>刺槐-油松。(6)整体而言,所有林地和草地在生长季初期均评以干旱等级,这表明植被在生长季初期的需水都得不到满足。从具体的水分盈亏指数来看,需水满足度生长季末期>生长季中期>生长季初期,丰水年>平水年>枯水年。未来进行植被恢复时,应该优先选择进行种草,造林时推荐以混交林代替纯林来进行植被恢复,混交林种植时推荐以刺槐-侧柏混交林为主。
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