不同石漠化程度下地表水热传输变化机理研究

Lack of systematic study on water and heat transfer in Karst areas has hindered ecological restoration and recovery of degraded ecosystem. This project, with a case study in Chenqi catchment, Puding County, Guizhou Province, China, applied field survey, site-specific observation and numerical model to investigate the changes in water and heat transfer in Soil-Plant-Atmosphere Continuum (SPAC) between different stages of rocky desertification. The logic of this project is as follows: parameter optimization-water and heat transfer in SPAC-mechanism of differences in water and heat transfer. Two issues will be addressed by this project. Firstly, based on the optimization of SSiB land surface model, one experimental plot will be chosen to study the water and heat transfer in SPAC, and its main influencing factors will be detected. Then, the experiment will be conducted in more fields. Secondly, this project will identify the complex relationships between physical and physiological characteristics of vegetation, soil properties and water and heat transfer in SPAC in the rocky desertification process. The impact of different factors on the changed water and heat transfer and the influencing mechanism will be analyzed. And then the threshold values of influencing variables will also be identified. This project will be helpful to develop research method for ecosystem degradation, and promote study on land-atmosphere interaction in Karst region. Furthermore, this study can provide scientific basis for ecological restoration and recovery and sustainable development in the areas with karst rocky desertification.

喀斯特地区地表水热过程系统研究的缺失，已成为退化生态系统恢复重建的重要限制因子。本项目以贵州省普定县陈旗小流域为案例区，结合野外调查、定位观测与数值模拟等技术手段，按照模式参数优化-水热过程揭示-变化机理分析的思路逐层深入研究。重点开展：（1）基于SSiB陆面模式的参数化方案优化处理，选择典型样地，揭示研究区地表水热传输规律，识别水热传输过程的主要影响因子；（2）辨识不同石漠化程度下植被和土壤属性与地表水热传输之间的复杂关系，诊断分析水热传输变化的主导因子、影响机理与阈值。本项目在拓展生态系统衰退机理研究途径，提升喀斯特地区地-气相互作用研究水平，服务于石漠化生态系统的恢复与重建，实现区域可持续发展等国家目标方面具有十分重要的科学及实践意义。

在喀斯特水热过程机理模型与影响机制研究薄弱的背景下，项目设计两个研究内容，一是对陆面模式进行参数化方案的优化，识别不同下垫面类型下的水热传输过程特征，二是辨识不同石漠化程度下植被和土壤属性与地表水热传输之间的复杂关系，诊断分析水热传输变化的主导因子与作用机理。. 在三年多的项目执行期间，始终遵循地理学“过程-格局-效应”理论，按照既定研究计划，首先总结了喀斯特地区水热传输过程及生态系统脆弱性研究进展，提出生态系统多要素综合及其耦合作用机理的重点研究任务，以期为模型模拟与定量分析工作提供基础性知识；进而，探究了喀斯特地区气候水热要素变化的植被响应特征，在宏观尺度上揭示了过去30年温度显著增加对喀斯特地区植被活动增强的主控作用及其空间异质性，同时，面向该地区复杂的人地关系，从形态和功能两个角度，剖析了喀斯特不同岩性分布区，土地利用景观格局及其生态响应特征的差异性；最后，聚焦“喀斯特地表水热传输”这一科学问题，系统性、创新性地开展了从样地观测模拟到区域/流域石漠化与下垫面变化的水热和气候效应检测研究，结合持续的野外观测与室内测定，在对陆面模式进行土壤水分入渗过程参数化方案优化的基础上，从能量平衡和土壤植被属性退化的角度，揭示了地表反照率与温度升高所导致的净辐射减少，而叶面积指数、导水率和气孔阻抗对潜热和感热通量以及地表产流产生显著作用。得益于上述研究工作的顺利开展，已全面完成项目既定计划和内容，全部实现项目研究目标。. 在项目的支持下，共发表论文10篇，其中SCI论文4篇，CSCD论文6篇；培养博士生1名，本科生1名；出版专著3部，其中主编1部英文专著，参编1部英文专著、1部中文专著；同时参加国际学术会议3次，广泛宣传相关研究成果。总之，研究结论不仅从水热传输的视角反映了喀斯特石漠化过程中的生态系统退化本质，而且是石漠化遏制和生态恢复过程中的重要参考依据。