毕业论文外文翻译——华中农业大学资源与环境学院_农资

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本科毕业论文(设计)

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中国黄土高原植被恢复区降雨量对不同植被覆盖

题 目 土壤水分的影响

姓 名

学 号 2011303200615

专 业

指导教师

农业资源与环境 林丽蓉 职 称 讲师

中国·武汉

2015 年 04 月

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中国黄土高原植被恢复区降雨量对不同植被覆盖土壤水分

的影响

原文来源：Shuai Wang,Bojie Fu,Guangyao Gao,Yu Liu,Ji Zhou. Responses of soil moisture in different land cover types to rainfall events in a re-vegetation catchment area of the Loess Plateau, China. CATENA, Volume 101, 2013, 122 – 128

摘 要：在过去几十年里，退耕还林政策的实施导致了中国黄土高原植被覆盖面积显著增加，植物群落影响土壤水分的供给和利用，特别是水分进入土壤的过程。这与在半干旱黄土高原降水转化为土壤有效水分有直接的关系。一次对典型土地覆盖土壤动态水分与降雨的相关性测量研究在一个植被恢复集中区进行：智能探头分别插在6个不同深度的地表下面，地表植被分别为：草（须芒草）、半灌木（蒿）、灌木（绣线菊）、树（刺槐）、和作物（玉米）。然后再以10分钟为间隔周期60天记录土壤体积含水量，时间为2011年的生长季节。土壤湿润锋和累计渗透水提前已经进行测量。降雨具有较大的不同强度的偶发性，土壤水分主要是通过3-4次七八月期间的强降水补充。5个植被类型的平均土壤含水量剖面可以排序为：作物>草>半灌木>乔木>灌木，这种关系显示出水分含量在时间上的稳定性。不同的土地覆盖类型显然影响了水的渗透，和进入植被覆盖区的水分总量。在研究期间半灌木区域土壤在降水量（227毫米）表现出最高的总渗透量（164毫米）。草区域有156毫米的渗透量。树木区域一共有过154毫米的降水和97毫米的渗透量。灌木区域渗透量为136毫米，作物区域渗透量最低（83毫米）。天然牧草表现出快速渗透和湿润锋能达到更大的深度。

关键词：土壤水分；植被恢复；生态水文；植被覆盖；黄土高原

1. 前言

流域水循环包括降水，植物截留，穿透，树干流，渗透，蒸发，蒸腾。土壤水分含量的变化是整个循环的中心和地球系统研究的中心和一致的主题（Legates等， 2011）。在土壤水分变化方面，水分循环过程可以简单地分为两个部分：输入和输出（Qiu等，2011）。植物群落通过这两个过程影响土壤水分的时空变异，特别是输入过程，这直接关系到有限的降水转变成存在于土壤的根区和可供给植物利用的土壤有效水分（Mahmood，1996）。在干旱和半干旱地区，降水是土壤水分唯一来源。了解降雨入渗过程和数量是很重要的，这是因为它们代表了小流域水循环的初始阶段（Wang等， 2008）。

植被和水分之间的关系是生态水文的中心主题，它被广泛的讨论并且是许多重要的新进展的学科(Li，2011)。土壤水分含量已被证明能控制植物群落的建立，这反过来又影响到土壤水分补给和利用（Legates等，2011）。植被在植物冠层的基础上直接通过降雨分配影响土壤水分的注入，也就是说，降雨过程分为林冠截留，穿透雨（净降水量）和树干流（Li，2011；Marin等，2000）。通过植物冠层拦截降水不利于土壤水分补给（Llorens and Domingo，2007）。穿透雨和树干流的输入直接影响土壤水分补给的时空变化（Durocher，1990；Iida等，2005；Levia and Herwitz，2005）。这三个过程都依赖于生物（树冠）和非生物（气候）二者综合的因素，例如地表区域和降雨特性（Levia and Frost，2003，2006）。渗透、表面径流和蒸散已被确定为决定土壤水分含量关键因素（Wang等，2012）。Murakami（2009）发现树干流的产生可以随林分年龄而变化。Li等（2008，2009）评估了三个半干旱的灌木（红柳，柠条和红砂）的树干流及其影响中国的半干旱黄土高原土壤水分的提高。研究发现，土壤灌木茎根部周围的区域水分含量显著高于灌木冠层以外的区域。这项研究表明，保存在深土层的灌木树干流可以为干旱条件下的植物生长营造一个有效的水分源，并且植物根孔是树干流水分最快运动进入土壤优先途径。Pan和Wang（2009）、Wang等（2011B）进行类似的实验得到一致的结

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果。较小降雨通常会只影响土壤的的最上层几厘米和容易通过直接蒸发掉的土层，因此土壤水分是主要由大型降雨影响(Schwinning和Sala, 2004)。黄土高原半干旱地区植被类型的土壤含水量格局被很好地研究，并且相关数据在过去的几十年较好的记录。研究表明，裸露的土壤比被植被覆盖土壤有较高的水分含量，而且一年生的作物和禾本科植物比森林有较高的土壤水分含量（Fu等，2003；Qiu等，2001）。

在过去的一个世纪，人口增长导致黄土高原的环境的破碎和退化（Fu等， 2000；Su等，2011）。从1998年开始，中国政府实施了退耕还林政策，以防止黄土高原地区自然生态系统的进一步恶化。其中一个项目的最紧迫的任务涉及植被的恢复，因为其在水土保持方面的关键作用（Wei等，2012）。植被恢复会造成植被覆盖的增加（Xin 等，2008）、改良土壤养分水平（Zhou等，2008）和恢复土壤的物理性质（Vallauri 等，2002）。然而，植被恢复也加剧水资源短缺（Wang等，2011a），这是关系到可持续发展战略最突出的问题之一。权衡水分供应、粮食生产和碳固存之间问题的依据是确保能够持续为黄土高原生态系统提供服务，并要求对所涉及的生态水文过程有详细的了解。黄土高原常见的降雨模式特征是高强度降雨，这导致在很短的时间时期产生过量的水（Liu等，2012）。较高的径流量加大了水土流失，同时也降低土壤水分的供应。因此，土壤雨水渗透和存储对于径流量和土壤水分储量是非常重要，因为它们对于植物的生长有重要作用。

许多研究已经证实，植被恢复导致黄土高原一定区域范围内的径流减少(Sun等， 2006； Wang等，2011a,c)和一定区域范围内的土壤干燥化降低(Chen等，2008)。这些研究主要集中在植被恢复时，水分供给不充足导致的蒸散量增加（ET）。近几十年来，土壤水分动态变化受到相当的重视（Fu等，2003; Gao等，2011; Hu等，2009）。先前的研究已经表明，使用按时间顺序记录土壤水分含量的时域反射法能够反映浸渗过程，比其它方式更加可靠（Jones等，2002 ; Wang等，2008）。然而，关于渗透过程和累积入渗量对不同土地的影响的数据仍然十分缺乏。本研究的目的是分析黄土高原北部的降水特征，通过观测按时间顺序测定的土壤含水量，来反映水分的渗透过程，并比较了五种典型的植物对土壤水分输入的影响，这期间下了一场暴雨。特别地，我们研究了土壤水分运输过程来描述的基本的生态水文环境，阐明了典型植被对降雨分配的影响，理解了土壤含水量的差异来源。我们实时监控中国陕北黄土高原五种植物区域的降雨和土壤水分分布。

2. 材料与方法

2.1研究区概况

研究区位于陕西省延安市的黄土高原区中心的羊圈沟流域（36°42' N，109°31' E）（图1），该区总面积为2.02平方公里，坡度为10°到30°，海拔范围1050至1298米，代表着典型黄土高原丘陵沟壑地貌（Liu等，2012）。在过去20年（1988-2007），该地区年平均降水量498毫米，年平均气温10.6℃，属于半干旱大陆性气候。降雨主要集中在六月至九月，春季和初夏的通常是干燥的季节。大多数落叶植物的生长季节范围是四月至十月。研究区土壤主要来源于黄土，依据地形，形成了50-200米的深度。此区域中的黄土通常是由超过50％的粉砂（0.002 0.05毫米）、少于20％的粘土（<0.002毫米）组成的组合物，孔隙度大约50％。田间持水量和萎焉系数分别为20-24%和3-6%(Du等， 2011)。

羊圈沟的土地在之前集水区主要是作物地。在1998年退耕还林项目的实施的推动下，由于自然和人工植被恢复，大多数陡坡上的耕地逐渐荒废。目前，羊圈沟集水区是

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由斑块状覆盖土地拼接而成的典型景观格局。草地和森林占据了山坡的大多数部分。灌木占据了北面山坡的底部（Li，2011）。这个区域引进的森林物种主要是刺槐（Robinia pseudoacacia），它们种植时间为20世纪80年代或1999年以后。主要的半灌木和草种是黄蒿、长芒草和须芒草，主要的灌木植物是庄绣线菊和沙棘。研究基地的细节情况也被Liu等人 （2012）和Wang等人（2010年）很好的记录了下来。

2.2 实验设计和数据采集

我们选择了五种典型具有相似的坡位和坡度等方面类型的土地，除了农作物位点（图1），该位点的坡度大约为22°，与其他有较小差异。收集土壤样品以测量其粒径和容重，同时也对植物形态和植物覆盖度进行了测定，树木区域内是排成行种植的刺槐(R. pseudoacacia)，间隔距离为2.5或者3米。灌木区域覆盖茂密的豨签，同时有种植有较稀疏的刺槐。半灌木区域的特点是覆盖猪毛蒿，同时交叉分布了一些裸露区域。草区域覆盖胡须芒草同时也嵌入了裸露区域。农作物区域位于山谷（表1）的底部种植玉米（Zea mays）的坝地，草和半灌木在它们的自然演替中生长。

图 1 研究区域地图

表 1 五个观测点的植被和土壤特性

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为了测量土壤水分含量，仪器有H21土壤湿度器&温度记录仪Systemswith6 S-SMC-M005 soil moisture以及6个S-TMB-M006温度智能传感器（Decagon Devices Inc., Pullman,WA），6个传感器分别被安装在距地表深度为10，20，40，60，80和100厘米（图1）的土壤下。数据由一个HOBO气象站记录器每间隔10分钟采集一次，并计算五个试验点的降雨入渗数值。为了安装探头，在土壤挖出具有足够的宽度的凹坑，探针通过凹坑的侧面插入到土壤中，然后在坑内最大坡度的方向上水平地放置。然后再小心地填充凹坑，尽可能避免扰动，表面也填埋成与周围坡度类似的形状。每个试验点都安装了上述的测量设备，安装时间为2011年4月底，测量于两个月后开始，以使土壤自然沉淀。

土壤湿度传感器能够测量0％到100％的饱和容积值，具有±1.0％的精度和0.1％的分辨率。Wang等人（2008）建议，在较为湿润的位置，可以通过测量土壤剖面的水分含量的变化来进行检测。在本次研究中，基于水到达一定深度时土壤水分含量开始增加的假设，渗透过程通过测量深10，20，40，60，80和100厘米的土壤剖面水分含量的变化来确定。降雨量的测量方式是，使用翻斗式雨量计连接到精确度为0.2mm的数据采集器上采集数据。其他气象参数（空气温度，相对湿度，地面2米以上高度的风速）每30分钟记录一次。

2.3 数据分析

这五种类型的土壤水分数据分析工具为SPSS for Windows 16.0。采用单向ANOVA，核实正态分布和方差的均一性的假设后，然后测试不同类型土地对土壤水分的影响。

土壤体积含水量的测定是用探针采集不同深度的土壤剖面的数据。基于土壤水分平衡原理，累计渗透可以表示为：

I=(Se-Si)×Zf (1)

其中Se为最后的土壤体积含水量（cm3cm-3），Si是初始土壤体积含水量（cm3cm-3），Zf为渗透深度（cm），而I是累积渗透量（mm）。

3. 结论

3.1研究期间的降雨特点

研究时间为2011年7月1日到8月31日，期间总降雨量为227毫米，大约占年平均降水量的46％。两个月中，一次降雨有2小时的间隔，并有10次降雨量> 3毫米。降雨的持续时间，数量和强度特性呈现于表2中。在羊圈沟研究期间降雨在数量，持续时间和强度明显分散。 最大强度降雨在7月29日发生，导致总降雨量达68毫米，最大强度连续30分钟降雨量达5.23毫米的，平均降雨强度为3.5mm。在7月13降雨强度最小，总降雨量为3毫米，最大强度连续30分钟降雨为0.9毫米，0.65毫米的平均降雨强度。这些结果表明，一些降雨不仅涉及小的降雨量，而且具有较高的强度。在七月和八月期间有3次降雨其降雨量超过 40mm。而这样的情况在今年其他月份几乎都有出现。

最强烈的降雨用于分析湿润锋的前进。累积降雨曲线的斜率是相对较高，在两个月的研究过程中，记录下的30分钟的降雨强度为：>5毫米约为的总时间的23％，4-5毫米为48％，3-4毫米为8％，<3毫米为23％。