南小河沟流域不同植被地类绿水转化及模拟计算研究

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黄土高原地区绿水资源占降水90%以上,但一直未获足够重视。本文分析了研究区的降水变化特征、不同植被种类条件下的降水截留、土壤蒸发特征,并对该区域不同植被种类的绿水资源量及绿水消耗量进行了模拟,主要得到如下结论:  (1)研究区多年平均降水量为544.8mm,最大降水量为828.2mm,最小降水量为333.8mm;丰水年(降水频率为25%)降水量为611.7mm,平水年(降水频率为50%)降水量为529.9mm,枯水年(降水频率为75%)降水量为461.8mm。7月、8月和9月的降水量分别占多年平均降水量的21.09%、18.74%和16.06%,累积比例达到55.9%;植被生长季(4~10月)多年平均降水量为494.3mm,占全年降水量90.7%。  (2)用t假设检验近20年降水变化,近20年降水没有发生显著变化,降水稳定。用Mann-Kendall法对研究区降水序列进行趋势分析,发现该序列整体呈现下降趋势,20世纪60年代中期到70年代中期降水偏多,近20年(1990~2012)的降水偏少,该序列中没有出现突变点。对降水序列进行Mexhat小波分析,得出该序列存在3年和21年左右的周期。  (3)植被截留量随降雨量的增加而增加,林地的截留率随降雨量增加呈现下降趋势,苜蓿截留率变化不明显。同一树种不同树龄的截留率不同,树龄越长对降雨的截留效果越显著。35年侧柏、25年侧柏、10年侧柏和5年侧柏平均截留率分别为42.2%、39.3%、25.4%和21.2%,35年油松和10年油松平均截留率分别为38.2%和30.9%。树龄相近树种不同时,35年侧柏的截留作用更强,其次是杨家沟刺槐和35年油松。  (4)对4个树龄段的侧柏截留量进行经验统计模型模拟,发现35年侧柏、25年侧柏、10年侧柏、5年侧柏模拟效果较好的模型形式分别为幂函数形式、指数函数形式、幂函数形式和二次多项式形式。对杨家沟刺槐10次降雨截留和常青山刺槐4次降雨截留进行模拟,模拟效果较好的方程形式为幂函数形式,相关系数分别达到0.9452和0.9988。对苜蓿11次降雨截留模拟效果较好的是幂函数形式,相关系数为0.9356。油松和杏树的实测资料较少,采用线性形式的方程近似模拟截留量。  (5)常绿针叶林、落叶阔叶林和草类植被的土壤蒸发强度在整个生长季变化趋势相似,5月下旬至6月中旬、7月中旬至8月中旬、9月上旬至10月上旬这三个时期蒸发强度较小。整个生长季草类植被的土壤蒸发强度大于林地土壤蒸发强度,林地土壤蒸发强度大小关系为5年侧柏>10年油松>常青山刺槐>35年侧柏>25年侧柏>10年侧柏>杏树>35年油松>杨家沟刺槐。5月28日雨后连续观测土壤蒸发对土壤表层含水量的影响,连续多日的蒸发消耗使土壤表层土壤含水量迅速下降,雨后11至13天5年侧柏、10年侧柏、25年侧柏、常青山刺槐和荒草地的表层土壤水分呈现不同程度的亏缺,5年侧柏亏缺量最大,亏缺水深4.7mm。其余各地土壤表层含水量接近凋萎含水量。  (6)土壤蒸发强度与单气象因子的相关性较小,利用P-M公式计算参考作物蒸散量ET0综合表征气象因素对土壤蒸发强度的影响。土壤蒸发强度与表层土壤含水量呈线性关系,草类植被和常绿针叶林的相关系数较高,落叶阔叶林的较小。综合考虑大气因素和土壤表层含水量对土壤蒸发强度的影响,建立了各植被覆盖条件下的土壤蒸发强度经验公式,其统一形式为:0()vE= aθ+b?ET。  (7)利用径流系数法分析南小河沟流域绿水总量的变化情况,20世纪60年代到90年代绿水总量呈下降趋势,90年代多年平均绿水总量为461.3mm,占平均降水量88.78%,2003~2012年多年平均绿水总量为535.8mm,占多年平均降水量99.06%。土地利用变化影响绿水总量,林地草地面积的增加使南小河沟流域绿水比例上升。根据土壤水分平衡方程计算得到2012年不同植被绿水消耗量情况,落叶阔叶林最大为388.3mm,常绿针叶林375.4mm,草地362.0mm,低效绿水所占比例分别为63.3%、51.8%、76.5%。林龄相同时绿水消耗量顺序为杏树>刺槐>侧柏>油松,侧柏、杏树、苜蓿和荒草6月绿水消耗最大,油松、刺槐则在5月。  (8)利用植被系数法模拟绿水消耗量,不同植被的模拟值与实测值相对误差差别较大。不考虑模拟相对误差在50%以上的5年侧柏和杨家沟刺槐,则常绿针叶林、落叶阔叶林的模拟相对误差分别为3.1%和-17.4%。低效绿水模拟值小于实测值,荒草和25年侧柏模拟效果较好,相对误差小于20%,杨家沟刺槐、杏树和35年油松模拟效果最差,相对误差在60%以上。  (9)根据植被生长情况可以看出绿水资源多年平均值可以满足侧柏、油松、刺槐和杏树的生长需要。
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