喀斯特坡地典型用地类型植被蒸散规律及其影响因素

Water is foundational for vegetation in karst region. Owing to the specific geological backgrounds, the karst region in southwestern China is characterized by shallow soil, rapid infiltration rate and serious deep percolation. Hence, water shortage has become a serious obstacle for agriculture and ecological restoration in this region. Evapotranspiration is a key link in water circle, and also an important component of water use of ecosystem. Knowledge of evapotranspiration of typical vegetation in karst region is essential for agriculture and ecological restoration, and would improve our insight in water resource and transport in karst ecosystem. In recent years, some studies have focused on the water consumption and water sources of karst vegetation, however, the mechanisms and disciplines of evapotranspiration under different land use types need to be further studied. This study tends to determine evapotranspiration in 3 typical land use fields (farm land, grass land and shrub forest), by using TDP and ventilated chambers newly designed that suitable for determining evapotranspiration in complex terrain. The aims of this study are to clarify the principles of evapotranspiration under typical land use in karst region of southwestern China, to reveal the patterns and mechanisms of how the evapotranspiration response to environmental factors in karst area. The results would provide helpful advices for water management and ecological restoration.

水分是喀斯特地区植被生长的基础，而喀斯特独特的地质环境，导致地表水分亏缺，成为当地农业生产和生态重建的主要障碍。蒸散发是水文循环的重要环节，也是生态系统耗水的主要组成部分，研究喀斯特地区植被蒸散规律，对加深认识喀斯特区生态水文过程、指导当地石漠化治理和生态重建等，具有重要的理论和现实意义。近年来，国内外关于喀斯特地区植物耗水和水分来源方面取得了一定成果，但缺乏考虑不同用地类型的植被蒸散规律及机制方面的研究。因此，本研究综合利用适用于复杂地表的风室法、热扩散液流探针（TDP）以及彭曼联合原理，确定西南喀斯特坡地3种不同用地类型（坡耕地、草地和林地）植被蒸散特征，进而分析植被蒸散规律与季节变化特征，阐明植被蒸散对环境因素的响应规律，揭示喀斯特坡地不同用地类型植被对蒸散的控制机制，以期为喀斯特水资源管理和石漠化治理提供参考。

本项目在典型喀斯特峰丛洼地，选择三种典型生态系统（耕地-玉米大豆轮作、林草混合-任豆-桂牧一号和牧草-桂牧一号）建立试验小区；结合利用TDP、TDR、风室法、自动气象站、微型蒸渗仪等方法和技术，实时观测了降水、气温、辐射等关键气象因子以及植物液流、土壤水分、叶面积等关键要素，结合冠层结构实现了样地总体蒸散估算，在此基础上，阐明了不同农林生态系统蒸散发动态变化过程及其与气象因素、土壤水分和叶面积等之间的关系，揭示了湿润喀斯特地区典型生态系统蒸散发主控因素，结合PM模型探讨了不同生态系统对蒸散发的控制机制。所得出的主要结论（成果）包括：1）针对喀斯特等复杂地表地区的植被蒸散测定困难的问题，设计了一款风室蒸散发观测系统，验证结果和实际应用结果表明所设计的蒸散发系统精度较高；2）明确了三种农林生态系统蒸散总量和变化规律，其中蒸散总量顺序为耕地（4.24 ± 3.35 mm·day-1）< 牧草（5.78 ± 3.53 mm·day-1）< 林草混合（7.64 ± 5.75 mm·day-1）；3）明确了蒸散相对于气象因子存在明显滞后效应，期滞后强度表现出明显的季节特征，其中，三种生态系统蒸散对饱和水汽压差（VPD）的平均滞后强度依次为牧草（104.37 ± 82.93 min）< 耕地（120.10 ± 87.60 min）< 林草混合系统（142.48 ± 74.16 min）；4）构建气象因素变化强度因子（CR），发现蒸散滞后强度主要受到日内气象因子变化强度（CR）的控制；5）草地和耕地生态系统蒸散（最）敏感因子为气温，而林草混合生态系统则为叶面积指数，林草混合生态系统的蒸散对深层（＞30cm）土壤水分变化敏感，而耕地和草地生态系统则对浅层（10cm和20cm）土壤水分变化敏感；6）三种生态系统冠层阻力变化规律基本一致，都呈现在生长季较小、非生长季较高的规律，同时，冠层阻力与土壤水分没有明显统计关系，但与气温以及饱和水汽压差VPD呈明显的负相关，进一步说明当地蒸散主要受到能量供给的控制。