黄土坡面脉冲式降水再分配对土壤水分动态的影响

Soil moisture is the most critical environment factor for maintaining vegetation growth in arid and semi-arid ecosystem. Each interactive process between vegetation and environment is concerned with the availability of water and the distributed amount of water. Against the background of climate change, the increasing of the extreme rainfall events and rainfall duration uncertain will significantly influence the soil moisture. The Loess Plateau is one of the regions for vegetation dramatically changing in China. Precipitation is the only available resource for revegetation of the most regions in the Loess Plateau, shrubland and grassland are the main type for vegetation restoration in this region. Large-scale vegetation restoration has appreciable impact on the hydrology processes, but reports are quite few about the impacts of redistribution of pulsed precipitation to soil moisture dynamics. In this study, therefore, a small typical watershed in the loess gully area of Dingxi City, Gansu Province is selected as the research region. The in-situ observation was combined with model simulation, 1) to quantify and analyze the redistribution processes of rainfall pulses events, and study the effects of rainfall redistribution on soil moisture variation at hillslope scale; 2) to determine the response threshold of soil moisture on rainfall pulse redistribution, building the soil moisture infiltration layer by layer model; 3) to quantify the soil moisture budget of different micro-topography before and after the pulse events. The results are expected to provide scientific basis for re-vegetation and “grain for green” in the semi-arid Loess Plateau area.

水分是干旱半干旱生态系统维系植被生长的最重要环境因子。在植被与环境间的相互影响中，每一个过程都涉及水分的可利用性及在各个环节所分配的数量。气候变化背景下，极端降雨事件和降雨时间不确定性的增加将对土壤水分产生重要影响。黄土高原是我国植被变化最为剧烈的区域之一，降水是该地区植被恢复唯一可利用的水源，灌木和草本是该地区开展生态恢复的主要植被类型。大面积植被恢复对水文过程产生显著影响，但有关坡面尺度脉冲式降水再分配对土壤水分动态的影响报道较少。本项目以此为背景，选择甘肃定西典型黄土沟壑区小流域，定位监测与模型模拟相结合，基于坡面尺度研究脉冲式降水再分配对土壤水分的影响，定量解析脉冲式降水的再分配过程。确定灌草植被土壤水分对降水脉冲的响应阈值，建立土壤水分逐层入渗模型，并实现脉冲降雨事件前后，不同微地形单元植被土壤水分收支过程的定量表达。研究结果为黄土高原开展植被恢复和退耕还林还草提供科学依据。

水分是干旱半干旱生态系统维系植被生长的最重要环境因子。在植被与环境间的相互影响中，每一个过程都涉及水分的可利用性及在各个环节所分配的数量。黄土高原是我国植被变化最为剧烈的区域之一，降水是该地区植被恢复唯一可利用的水源。大面积植被恢复对水文过程产生显著影响，但有关坡面尺度脉冲式降水再分配对土壤水分动态的影响报道较少。本项目以此为背景，选择甘肃定西典型黄土沟壑区小流域，定位监测与模型模拟相结合的方法，基于坡面尺度研究脉冲式降水再分配对土壤水分动态的影响，采用降雨量、降雨强度和降雨历时刻画脉冲式降水特征。运用网络分析与冗余分析相结合的方法，建立了定量解析生物因素（植被）和非生物因素（工程措施）对水分、养分以及径流泥沙的途径。植被主要通过生物因素（冠层结构和根系）对土壤理化性质产生影响。而工程措施改变了水文路径，由此导致土壤颗粒的再分布和养分传输，其通过非生物因素（泥沙运移和地表径流）影响土壤属性。在多次少量的降水事件影响下，降水对土壤水分形成了有效的补给，不同植被类型和工程措施的土壤水分变化较为剧烈。采用最优分割法将不同工程措施180 cm以内土壤水分的垂直变化划分为三个层次，活跃层、次活跃层与相对稳定层。定量分析次降水事件后，不同植被类型对次降水事件的响应。选择不同模型对相同植被类型不同工程措施土壤水分特征曲线的实测值与拟合结果进行比较，在低吸力条件下曲线比较陡直，在中高吸力段区间内的曲线渐趋平缓。鱼鳞坑和反坡台两种整地措施均有较好的保水功能。同时在流域尺度，采用INVEST模型对两个小流域固碳和产水特征进行模拟，从土地利用变化的角度评价植被恢复的涵养水源功能。研究结果为半干旱小流域植被恢复过程中的坡地改良，水土流失防控以及水土资源保育提供科学依据。