基于冰雪融水转化过程与植被-土壤水热互馈机制的牧草生物量模型构建

Snowmelt water is a precious fresh water resources in cold and arid regions of grassland.The upper soil stagnant water caused by the existence of permafrost which is provides precious moisture for shallow herbs root,early,medium-term growth. The conversion process of snow and ice water transform to surface water,soil water influenced by the dried vegetation,soil heat and ice water phase chage latent heat.Different of grass species,biomass and coverage in different water and heat conditions.Characteristics of vegetation diversity ,in turn,will affect the surface temperature,which affect the soil moisture and heat transfer,it is a complex process.The project is to Xilin River Basin as the research object.Through field test and indoor simulation,to quantitatively determine the ice and sonw melt water transform to surface water,soil water,to reveal the vegetation-soil hydrothermal mutual feedback mechanism under the freeze-thaw action,build the herbage biomass model which is expressed by grass physiological indexes and thermal control by soil water in order to realize accurate simulation of herbage biomass.The project intends to solve the science problem: ①Ice and snow melt water into the determination of water in the process of heat exchange conditions and parameters, ②To identify the vegetation and soil hydrothermal mutual feedback mechanism which is affected by the heterogeneity of soil and differences of vegetation type, ③Affected by soil water thermal hysteresis of forage grass physiological index expression and calibration.The project expected to provide a scientific basis for protection and restoration of grassland ecology and evaluation management.

融雪水是寒旱区草原珍贵的淡水资源。冻土层的存在致使上层土壤滞水，为浅根系的草本植物返青、初、中期生长提供可贵水分。冰雪水向地表水、土壤水的转化过程受干植被覆盖、土壤传热和冰水相变潜热的影响。不同水、热状况下，牧草种群、生物量、覆盖度不同，植被特征的差异性反过来又会影响地表温度，进而影响土壤水分和热量传递，这是个复杂的互馈过程。本项目以锡林河流域为研究对象，通过野外试验和室内模拟，确定冰雪融水向地表水、土壤水的定量转化关系，揭示冻融作用下，植被-土壤水热的互馈机制，构建由牧草生理指标和土壤水热因子表达的草原牧草生物量模型，实现对草原牧草生物量的精准模拟。本项目拟解决的科学问题为：①冰雪融水转化过程中水热交换条件和参数的确定，②受土壤异质性和植被类型差异影响的植被-土壤水热互馈机制识别，③受土壤水热滞后效应影响的牧草生理指标表达与率定。项目预期成果可为草原生态保护修复及评估管理提供科学依据。

土壤水分是干旱半干旱典型草原区牧草生产的限制因素，由于干旱少雨，冬季降雪和积雪在春季融化形成的融雪水就成了当地土壤水分重要的补给源，融雪水对于牧草返青非常关键，而牧草返青的早晚对牲畜恢复膘情和水土保持具有重要意义。本项目的研究成果有以下几个方面：1. 建立了典型草原区降雪积雪融水与土壤水分、地表水之间的定量转化关系：研究了锡林河流域天然草场的降雪积雪规律，揭示了冻融期冻土影响下包气带水分存储、运移规律和发展变化趋势，查明冰雪融水向地表水、土壤水转化过程中的控制条件和影响因素，确定了有关阈值。2.揭示了冻融作用下，植被-土壤水热的互馈机制：冻土层的存在可以有效地阻止融雪水向深层渗漏，致使上层土壤富水，为浅根系的草本植物在干旱春季返青、初、中期生长提供可贵水分，不同水、热状况下，牧草的返青时间、返青数量、生物量、覆盖度不同，而植被这些特征的差异反过来又会使地表温度发生变化，影响土壤水分和热量传递，进而影响植物生长，这是个复杂的互馈过程。3.构建了典型草原牧草生物量模型：牧草生物量是天然草场产出的一个重要指标，能综合反映牧草不同生育阶段生长状况，它是制定合理草地管理和放牧制度的前提。基于冰雪融水向地表水、土壤水的定量转化关系和植被-土壤水热的互馈机制，利用草地牧草生理指标观测资料，分析水热变化对草地牧草生产力的影响，并以冻土层厚度、融雪水量、土壤温度、土壤水分及牧草生理指标为参数，建立多元逐步回归的牧草生物量估算模型。4.土壤类型、土壤水热对植物群落及生物量的影响研究：土壤类型对植物群落特征、种群生态位以及对资源的利用状况有着极大的影响，锡林河流域有12种土壤类型，本项目揭示了不同土壤类型中的植物种群特征、种群生态位状况以及对有限资源的利用状况。这项研究成果已在当地水资源管理、草原牧区规划得到应用，也有可为预测未来草原牧草资源发展态势提供科学理论和关键技术方法。