長江源區高寒草甸植被覆蓋與地溫變化對土壤飽和導水率的影響

論文類別:理學論文 > 地質學論文
論文作者: 程艷濤 1 王根緒
上傳時間:2008/7/20 9:19:00

【摘 要】:入滲是水文循環過程中的一個重要環節,在長江源區,土壤水分入滲對徑流的產生影響很大,也是高原生態的重要影響因素。根據連續 3 年的入滲、地溫、植被觀測數據通過
分析得出:在剖面上,土壤飽和導水率由大到小的排列順序為 0~10cm、20~30cm、10~20cm 和 30~40cm;土壤飽和導水率與植被蓋度相關性顯著,植被蓋度越高土壤入滲能力越強,土 壤飽和導水率越大;溫度是影響高寒草甸土壤水分分布的重要因素,隨著地溫的升高,土壤 的飽和導水率也相應增大。植被和地溫是影響高寒草甸的土壤入滲能力的重要因素。

關鍵詞:入滲,飽和導水率,植被蓋度,

Abstract
Infiltration is an important process in hydrologic cycle, in the source region of Yangtze River, infiltration of soil moisture has impact in runoff and plateau ecology. Basing on the measured data in
infiltration, ground temperature and vegetation during three years, the results are as follows: in profile,
the sequence of saturation conductivity coefficient was soil layers 0~10cm, 20~30cm, 10~20cm and
30~40cm below the surface from max. to min.; There is positive and significant correlation between
the saturation conductivity coefficient and vegetation cover; when the ground temperature increased, the saturation conductivity coefficient too. So, the vegetation cover and ground temperature have important influence to the soil infiltration in alpine meadow.

Keywords:Infiltration; saturation conductivity coefficient; vegetation cover; the source region of Yangtze River

長江源區土壤入滲是指降雨落到地面上的雨水從土壤表面滲入土壤形成土壤水的過程,它是水在土體內運行的初級階段,也是降水、地表水、土壤水和地下水相互轉化過程中的一個重要環 節[1]。
土壤入滲是分析模擬土壤侵蝕過程的重要參數,同時也是實施水土保持規劃時需要認真 考慮的因素。總結各因子下的土壤入滲的變化規律,將有助於研究地表產流的機理及其規律[2],揭示水量轉化關系及“五水”(大氣降水、地表水、地下水、土壤水、植物水)轉化機理, 以從更深層次上弄清水量轉化規律。這對土壤侵蝕的預測和防治、洪水的預報、各種水土保 持措施的最優化配置及其效益評價都具有極為重要的指導意義,同時為增加土壤蓄水、土壤 水分最優化調控、合理有效地利用土壤“水庫”的調節功能,提高土壤水分生產力等方面具有 重要的理論和現實意義。
土壤的入滲性能受制於許多內在因素的影響,諸如:土壤剖面特征、土壤含水量、導水 率及土壤表面特征等[3~6]。特別是土壤導水率又取決於土壤孔隙的幾何特征(總孔隙度、孔隙 大小分布及彎曲度)、流體密度和黏滯度、溫度等因子[2,7]。不同林地、草地、地形地貌、土 地利用方式等外界條件對土壤內在理化性質均有顯著的影響,從而形成不同外界條件下土壤 入滲的特異規律。本文用土壤飽和入滲儀(2800K1)對不同植被蓋度、不同地溫、不同土 層深度的土壤進行觀測,得出飽和導水率,並進行統計分析,弄清長江源區高寒草甸植被覆 蓋與地溫變化對土壤飽和導水率的影響,找出高寒草甸生態環境下的土壤入滲規律。

1. 研究區概況
長江源區位於青藏公路以西的昆侖山和唐古拉山之間,平均海拔高度 4500m,生態環境 極為復雜、生物多樣性最集中的地區,該區域獨特的地理位置及其生態環境特點、特有的水 源涵養生態功能、豐富的自然資源與生物多樣性,以及對整個流域環境的深刻影響等,使該 區域近年來成為全社會所廣泛關註的熱點地區之一。
本文所選擇的研究區位於長江源區多年凍土和高寒草甸比較典型的小流域北麓河一級 支流——左冒西孔曲流域,地理位置9249′48~93°0′40E,34°39′36~34°46′50N,流域面 積為134km2。該區域深居內陸,屬高原寒帶半濕潤~半幹旱區氣候。年均氣溫為-5.2 ℃,多
年平均降雨量290.9mm,多年平均蒸發量1316.9mm,相對濕度平均為57%,海拔4680~5360
m(王根緒等,1998)。 該區域植被類型主要有高寒草甸和高寒草原兩大類。草甸植物以莎草科嵩草屬占優勢,
如西藏嵩草和嵩草等;草原植物以禾本科和菊科為主,如紫花針茅、羽柱針茅等。該區成土 母質多為第四紀沈積物及變質巖、中性侵入巖等巖石風化的坡、殘積物,砂礫石、碎石土基 亞粘土夾碎石(王根緒等,2001)。土壤發育很慢,處於原始的粗骨土形態。土壤類型基本 分為三大類:高山草甸土、高山草原土和高山荒漠土。凍土和地下冰比較發育,河谷中存在 著潛水,常形成冰錐、凍脹丘;斜坡地帶常有冰錐、冰丘、凍融泥流及凍融滑塌發育;連續 多年凍土地區的地溫為-3.0~-1.0 ℃,天然凍土上限為0.8~2.5m。

2.研究方法
2.1 實驗設置
在研究區小流域內,根據流域兩側的地形、植被類型與植被覆蓋狀況布置觀測試驗點, 在每個觀測實驗點上進行以下試驗與觀測內容:地溫、植被類型與蓋度、土壤含水量、土壤 根系層深度、土壤容重、土壤飽和導水率及土壤取樣等。按植被蓋度分為 10%、40%、70%、
90%四個實驗點,每個實驗點重復實驗四次。
2.2 土壤飽和導水率的測定
土壤入滲采用 2800K1 土壤飽和入滲儀。在流域內選擇 10%、40%、70%、90%四個不 同蓋度的植被進行觀測,在每個蓋度下重復 4 次,求其平均值。數據讀取以 2 分鐘作為時間 間隔並記錄各個數據,直到土壤入滲達到飽和穩定入滲,停止觀測。求出液面下降速率,單 位為 cm/s。
設管中液面下降速率為 R(cm/s),測得 5cm 處入滲水頭為 R1,10cm 處為 R2,由此, 標準飽和導水率(Kfs)由下列公式計算:
當使用外部儲水管的時候使用以下公式:
Kfs=0.0041XR2-0.0054XR1; 當使用內部儲水管的時候使用以下公式: Kfs=0.0041YR2-0.0054YR1;
式中,X,Y 分別為外管和內管的面積值,分別為 X=35.22cm2,Y=2.15cm2。

2.3 主要環境因子的測定
(1) 利用地溫計對活動層5, 15, 25和35 cm的土壤溫度進行觀測, 每1 h 進行1 次; (2) 采用便攜式TDR 對活動層5, 15, 25和35 cm 的土壤水分進行觀測; (3)土壤的顆粒度通過取 樣用激光粒度儀進行測定;(4)土壤容重采用環刀法進行測定。

3. 結果與討論
3.1 土壤垂直剖面上的飽和導水率變化規律
土壤水分入滲過程受多種因素影響,在土壤水分入滲過程中,土壤剖面某一深度的土層 吸水過程或脫水過程往往相互交替或者同時並存,因此存在著滯後作用對入滲的影響[8]。當 有效降水進入土壤後,土壤水開始向下入滲並進行分配。在較大的時間尺度裏,土壤水分的
動態變化實際上是一時間序列的變化,分析土壤的入滲特性,可以通過分析不同層次土壤飽和導水率來進行研究。
长江源区高寒草甸植被覆盖与地温变化对土壤饱和导水率的影响

在青藏高原,土壤水分入滲對是高原生態環境變化影響顯著。由於生態環境變化引起土
壤水分的運移、儲存等過程嚴重變化。在垂直剖面上,土壤飽和導水率隨土壤深度趨勢有如 下特征(見圖 1):
(1)四種不同的植被蓋度下(10%,40%,70%,90%)變化曲線有著共同的變化趨勢: 隨著土層深度的增加,土壤飽和導水率總體呈現下降趨勢。產生這個影響的根本原因是隨著 土層深度的增加土壤空隙度在減小,這是因為在青藏高原的這種特殊的高寒草甸生態條件下,
隨著土層深度的增加植被的根系越來越少,也使得土壤空隙度減小,這勢必影響到飽和導水
率的減小。
(2)在 20~30cm 土層的時候,變化趨勢出現了一個拐點。這是因為在長江源區這個特 殊的高寒草甸區,主要植被就是藏嵩草和小嵩草,而嵩草的須根層主要分布在 20~30cm 的 土層,經過對土壤剖面的觀察,這個土層根系吸收水分很明顯,這就使得 20~30cm 土層的 土壤空隙度 10~20cm 土層的大,因此 20~30cm 土層的飽和導水率相應就大於 10~20cm 土層 的飽和導水率。
3.2 植被蓋度對入滲的影響
植被變化對區域水平衡的影響是目前國際水文科學最具活力的研究領域,尤其是大量研 究表明大尺度土地覆蓋與土地利用變化是導致區域氣候變化的重要因素,其中以水分、熱量 傳輸變化為改變氣候的主要方式[9],因此 IGBP 將水循環的生物圈作用研究(BAHC)一直作為 其核心計劃[9,10].在描述土壤-植被-大氣相互作用關系時,降水入滲不僅依賴於隨機的降水事 件,而且受制於土壤水分狀況[10,11].同時,不同植被類型的土壤具有不同的水分平衡關系,土壤 濕度依賴於植被類型和土壤特性,但反過來是決定不同植被蒸散量的關鍵因素[12].土壤水分 是連接氣候變化和植被覆蓋動態的關鍵因子,對不同地區的不同植被類型土壤水分平衡要素 的確定,是一個研究較早但始終未能解決的水文科學問題,也是新生邊緣學科———生態水文 學的主要研究內容之一[13].
影響土壤降水入滲的主要因素是土壤自身性質如土壤質地、容重、含水率、孔隙度、地 表結皮、水穩性團粒等因子[14],而植被蓋度的不同,改變了土壤質地,使土壤中各因子發生了較 大的變化,從而影響到土壤入滲速率之間有較大差異[2]。
植被蓋度是影響土壤入滲的重要因素之一。文章初步分析了長江源區高寒草甸區植被 蓋度和土壤飽和導水率關系。
在研究區小流域內,分別選取植被蓋度 10%、40%、70%和 90%的樣地。對 0~10cm,
10~20cm,20~30cm 和 30~40cm 土層進行試驗。
长江源区高寒草甸植被覆盖与地温变化对土壤饱和导水率的影响
圖 2 土壤飽和導水率與植被蓋度關系圖
Fig2. The curve between hydraulic conductivity and vegetation cover

表 1 土壤導水率回歸方程僅有相關系數,沒有顯著性檢驗,下面回歸方程難以成立
Tab.1 Hydraulic conductivity equation of regression
长江源区高寒草甸植被覆盖与地温变化对土壤饱和导水率的影响

研究結果表明:
1、0~10cm,10~20cm,20~30cm 三層土層的飽和導水率曲線都很好得表明了:隨著植被蓋 度的增大,土壤飽和導水率明顯有規律地增大(見圖 2)。這是因為植被的存在很好的增大 了土壤的空隙度,增大了土壤的飽和到水率。這對土壤水分的保持很水文循環有著很重要的 意義。這也是江源地區能夠為長江涵養水源的一個重要條件。
2、30~40cm 土層的飽和導水率曲線表明了:在植被蓋度 70%以下的區域,植被的不足以影 響到 40cm 的地層,而且飽和導水率很小。因為中低蓋度的植被須根層很少達到 40cm,
20~30cm 是須根的主要存在層。而在 90%的植被蓋度下在 30~40cm 的土層也有很大的飽和 導水率,這是因為在高蓋度的區域,植被的須根層生長良好,須根層達了 40cm,甚至更深。 這也說明了,植被蓋度越高越有利於水分的入滲和保持。

免費論文下載中心 http://www.hi138.com 3、表 1 表明了在長江源區的高寒草甸生態環境下,植被蓋度和飽和導水率之間的相關方程 為二次多項式。相關系數都在 0.98 以上。這對水文循環研究和高寒草甸下水文模型的建立 都是一個很大的幫助。
4、圖 2 中的三條變化曲線的變化趨勢,隨著土層深度的增加,變化越來越緩慢,這也表明: 植被蓋度對表層土壤飽和導水率影響最大,隨著土層深度的增加,植被的影響越來越弱。
30~40cm 的變化曲線也表明了 30cm 以下的土層,高寒草甸的植被對土壤的入滲較小。
3.3 地溫對土壤入滲的影響

土壤溫度也稱地溫,是影響凍結土壤入滲能力大小的一個主要因素。在非凍結條件下,
土壤溫度對土壤入滲能力的影響甚微,但是在凍結條件下,土壤溫度是土壤水分發生相變的 兩大條件之一,對土壤入神能力的影響顯著。土壤溫度的變化引起土壤中固、液相水分比例 的變化,進而引起土壤孔隙狀況的變化,對土壤的入滲特性產生較大的影響[15]。
為了觀測地溫對土壤入滲的影響,本試驗選取在 90%植被蓋度下 10~20cm 深度的土層, 做連續的飽和導水率觀測試驗。為了避免每次試驗對土壤結構和性質的破壞而引起的誤差, 試驗設計再 90%植被蓋度下,選取 5 個點,在 1 天內的 5 個不同時間分別對 10~20cm 深度 的土層進行飽和入滲試驗,測算出飽和導水率,別記下當時的 10~20cm 土層的地溫。為了 更好的看出地溫和飽和導水率的關系,把地溫從低到高排列,並與飽和導水率對應,得到下 面的地溫與飽和導水率關系圖。
长江源区高寒草甸植被覆盖与地温变化对土壤饱和导水率的影响
圖 3 地溫與飽和導水率關系圖
Fig2. The curve between hydraulic conductivity and ground temperature

研究結果表明:長江源區高寒草甸生態環境下,土壤的入滲與地溫關系密切。隨著地溫
的升高,飽和導水率隨之升高,兩者的關系是二次多項式。在地溫 0℃以下的土層,為凍土 層。在凍土層上,土壤水分是不會下滲的。
3.4 次降雨入滲過程隨植被覆蓋的變化
在一次降雨後,土壤水分在垂直剖面上的變化過程是土壤水分變化的主要過程之一,是 研究降雨、地表徑流、降雨入滲以及土壤水分變化的重要內容[16]。為了研究一次降水後, 土壤水分在不同植被蓋度下的分布變化,選取典型的樣地和地段,對不同植被蓋度下
(10%,50%,90%)土壤剖面深度 0~10cm,10~20 cm,20~30cm 和 30~40cm 範圍的土壤含水 量進行了觀測和分析。
結果表明,高寒草地土壤含水量與植被蓋度有密切的相關性。從 0~10cm 土壤含水量 變化可以發現,在 0~10cm 的土層範圍內,蓋度不同,土壤水分變化明顯(圖 4),雨後在植 被蓋度為 10%的草地的初始土壤含水量最高,90%蓋度草地的初始含水量最低。在一次降雨 後,植被蓋度較高的地表土層較疏松,空隙度相對較大,土壤的入滲能力較好,使水分很好 得下滲到深層土壤。所以,在雨後的初始階段,植被蓋度越高,0~10cm 土層的水分含量越 越低。隨著時間的變化,含水量總體都有減少的趨勢,這是水分不斷向下入滲的原因。植被
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圖 4 不用植被蓋度相同土層深度的水分變化
Fig4.ange of the soil moisture for different coveragein the same soil depth
蓋度越高的草地,土壤含水量變化越慢。90 分鐘後 90%蓋度草地的含水量遠遠高於低
蓋度的草地,這也表明了高植被蓋度的草地良好的持水能力。這主要是植物的地上部分吸收 太陽輻射,減少了輻射到地面的熱量,降低了土壤表層的蒸發量.植物根系有很好的親水性,由 於表面張力作用使根系對土壤中的水分起阻滯作用[16]。10~20cm 和 20~30cm 土層的雨後土 壤含水量變化曲線圖呈現出和 0~10cm 土層相同的變化趨勢。
30~40cm 的土壤水分變化與 30cm 以上的土層含水量變化曲線不同。雨後初始含水量不 再是 10%蓋度的草地,而是 50%蓋度的草地,而 10%蓋度的草地含水量最低。這說明了在
30~40cm 土層,10%蓋度的草地土壤空隙度小,水分不利於下滲到 40cm 的深層土壤,而 90% 蓋度的草地持水能力比較強,這也使 30~40cm 的土層的含水量小於 50%蓋度的草地。隨著 時間的變化,含水量總體仍然是減少趨勢。90 分鐘後 30~40cm 土層的土壤含水量仍然和初 始含水量關系一樣:50%蓋度草地的最高,10%蓋度草地的最低。
以上關系充分說明植被蓋度對土壤水分入滲的影響。土壤的入滲能力和持水能力的對比 都對土壤含水量有很大影響。隨著植被蓋度增大,土壤的入滲和持水能力都增加,入滲能力 變化得更明顯。!
4.結論
綜上所述,
1. 隨著土層深度的增加土壤飽和導水率總體呈現下降趨勢。30cm 的須根分布層增大了 土壤的入滲能力。土壤飽和導水率從大到小依次為在 0~10cm、20~30cm、10~20cm 和 30~40cm 土層;
2. 在 0~10cm,10~20cm,20~30cm 的 3 個土層剖面上,隨著植被蓋度的增大,土壤飽
和導水率明顯有規律地增大,並呈現出二次多項式關系;
3. 在 30cm 以下的土層,植被影響較小,只有在 70%以上的高蓋度植被覆蓋下,影響 才比較明顯,並呈現出 3 次多項式關系;
4. 長江源區高寒草甸生態環境下,土壤的入滲與地溫關系密切。隨著地溫的升高,飽 和導水率隨之升高,兩者的關系是二次多項式。
5. 次降雨量的試驗充分驗證了植被和土壤飽和導水率的關系。植被是高寒草甸生態環 境下,影響水分循環的重要因素,好的植被有利於水分的入滲和保持,對長江源區生態水文 環境有重大意義。

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