黄土高原降水梯度带生态水文过程演变与最佳植被盖度研究

黄土高原是一个具有完整生态属性、边界比较清楚的地形单元，从东南向西北，年降水量从700mm减少到200mm，土壤质地由细变粗，与之相适宜，植被由阔叶林逐渐过渡到荒漠草原，这些自然特性让黄土高原成为研究生态环境演变、揭示生态水文理论、建立生态水文模型的天然试验场。本项目拟在黄土高原中部选择一条与降水等值线垂直的横断面作为研究样带，通过对不同植被类型生态水文过程的观测，建立月时间尺度的统计-动力学生态水文模型；分析生态系统对水分胁迫的适应机制，改进和检验Eagleson生态水文最佳理论，选择适合黄土高原特定气候、土壤和植被类型的评价指标；与遥感技术相结合，确定黄土高原中部降水梯度带植被的最佳盖度和空间分布特征。从而将目前以小区为主的研究尺度拓展到样带尺度，将试验为主的研究方法提升到理论的高度。研究结果对黄土高原退化生态系统的植被恢复与重建具有重要的指导价值。

黄土高原是我国水土流失最严重和生态环境最脆弱的地区，植被盖度的提高可以有效减小土壤侵蚀，但有限的水资源限制该区植被盖度的提高，在高度治理区出现了人工植被逐渐退化的现象，表现出新的水资源-生态环境矛盾。主要原因是对黄土高原降水梯度带水资源植被承载力缺乏正确的认识，植被生产力过高，耗水量大，打破了生态系统固有的水分平衡关系。因此，定量确定黄土高原降水梯度带不同生态系统最适宜植被盖度，对黄土高原退化生态系统植被恢复与重建具有重要的指导价值。本项目在黄土高原中部选择了一条宽250km、长600km平行于降水梯度的样带，通过对样带内典型人工植物（刺槐和沙棘）、代表性土壤（黄绵土和中壤土）和气候（半湿润和半干旱）水量平衡要素的观测，分析了黄土高原人工乔灌林的耗水特点和水量转化特征；测定了不同土壤水力学参数和质地特征，建立了估算土壤水力参数的经验模型；改进了Biome-BGC过程模型，并利用降水梯度带内两个典型试验点刺槐和沙棘长期观测的水量平衡资料对改进的Biome-BGC模型进行了检验；最后利用验证后的模型模拟降水梯度带内75个代表性点刺槐和沙棘的实际蒸散量（ET）、净处级生产力（NPP）和叶面积指数（LAI）的动态变化，并利用空间插值方法绘出了两种植物多年平均ET、NPP和LAI值的空间分布。最后基于最适宜植被盖度的定义（以生态环境可持续发展为前提，在水分限制条件下，植被能充分利用水资源，最小化水分胁迫并维持一定生产力水平时的盖度）和黄土高原植被生态分区，确定黄土高原不同气候区适宜的人工植物类型和盖度。结果表明，在人工乔木林适生区（多年平均降水量大于550mm），最适宜盖度（以最大LAI表示）范围是2.5-3.5；在灌木林适生区（多年平均降水量小于250-350 mm），最适宜的植被盖度范围是0.8-1.5；在乔灌混交林适生区（多年平均降水量350-550mm），最适宜的植被盖度范围是2.5-2.5。这些定量的结果对黄土高原不同气候带植被恢复建设有实际指导价值。