土壤-植被-大气系统水分能量传输模拟与试验

本文着重探讨土壤一植被一大气各子系统之间的相互作用。用冠层蒸腾和地表蒸发有机分离的方法,确定冠层蒸腾和地表蒸发在总蒸散中的相对贡献。考虑土壤饱和一非饱和界面以及土壤温度梯度对系统水分迁移的响应,从摸型与试验两方面探求了土壤-植被-大气系统的水分能量传输机制。     

黄土高原半干旱区陆面温度和能量的气候特征分析

利用黄土高原半干旱区“定西陆面过程综合观测试验站”2004年11月至2005年10月的各种陆面物理量综合资料,比较系统地研究了黄土高原半干旱区土壤温度、降水量、地表反照率、地表辐射分量和能量平衡分量的年变化和日变化特征及其影响机制。结果显示,黄土高原陆面过程特征与其他地区有很大不同。土壤温度变化向下传播速度约为2.5~3.5 h/10cm;地表反照率随土壤湿度的增大而减小,两者的相关系数达到了0.5338;而地表反照率随降雪量增大而增大,与降雪量的相关系数为0.6645;长波辐射年最大值出现的时间比总辐射迟1个月左右,年平均日变化中地表和大气对太阳辐射加热大约需要1个小时的响应时间; 潜热通量夏季是冬季的5倍多,感热通量有了两个比较明显的峰值,潜热通量、感热通量和土壤热通量的日峰值比净辐射滞后30 min~1 h。     

藏北高原土壤的温湿特征

通过藏北高原两个站点(D110和安多)土壤温湿特性的分析,表明浅层土壤温度的变化幅度明显的比深层的要大,而且浅层土壤温度受地表随机天气过程的影响较大。浅层(20cm)土壤在未冻结前湿度的变化幅度不但受形成降水的地表随机天气过程的影响,而且受其下层土壤湿度状况的影响。下层土壤湿度越小,浅层(20cm)土壤湿度的变化幅度越大。土壤湿度和土壤温度之间存在着明显的相互关系,土壤的湿度状况能够影响土壤温度变化的幅度和土壤温度变化的趋势。     

荒漠下垫面陆面过程和大气边界层相互作用敏感性实验

建立了一个研究荒漠下垫面陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式. 模拟了荒漠下垫面的土壤环境物理、地面热量通量、蒸发、蒸散及大气边界层结构特征.并对主要的环境物理参数进行了敏感性实验.结果表明,本模式能合理地模拟荒漠下垫面地表热量平衡、土壤体积含水量、地表植被蒸发散阻抗、地表水汽通量日变化和湍流交换系数、湍流动能、位温和比湿廓线等.该模式还可进一步应用于研究区域陆面物理过程与大气边界层相互作用机制,及与中尺度大气模式耦合用于区域环境生态和气候的研究.     

陇中黄土高原土壤水分变化特征及其机理分析

基于兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2010年全年的观测资料,对陇中黄土高原半干旱区土壤水分的年变化和日变化特征进行了研究,并通过计算水汽通量与蒸散量,探讨了土壤-地表-大气间水分的交换和运移机理。结果表明：土壤湿度的季节变化主要受降水影响,各季节的平均土壤湿度均呈现出表层和深层低、中间层高的特点,最高值出现在地下10 cm附近;在无降水的情况下,土壤5~20 cm处的含水量呈现出夜间逐渐降低、白天逐渐上升的波形变化,这种变化与土壤水汽通量具有很好的一致性,而水汽通量的方向则受温度梯度的影响;在白天,地表温度高于气温与较深层地温,水汽在向空气蒸散的同时也由地表流向土壤深部,夜晚地表温度则低于较深层地温,水汽由土壤深部流向地表。因此土壤内部的水分蒸发主要出现在夜晚,且主要发生在地表40 cm以内的土壤孔隙中,而白天地表的实际蒸发主要存在土壤浅层0~5 cm,5 cm以下土壤水分的蒸发十分微弱。本研究结果对于改进半干旱区陆面计算模式以及当地的生态环境建设具有一定的参考价值。     

黑河下游五种不同植被类型土壤呼吸的差异性解析北大核心CSCD

土壤呼吸的微小变化会对大气CO_2浓度产生重大影响,尤其在极端干旱区。通过对黑河下游额济纳旗四道桥的混合林、胡杨、柽柳、农田及裸地的土壤呼吸进行研究,结果表明:2014年夏季5种不同植被类型的土壤呼吸速率大小排序:胡杨柽柳混合林>柽柳>农田>胡杨>裸地,各类型的5 cm处土壤温度和湿度无明显变化规律,土壤温度在22~35℃,土壤湿度集中在13%~61%的变化范围。探究了5种不同植被类型的土壤呼吸速率与土壤温度、土壤湿度、地表温度、空气温度及空气湿度的线性相关关系,发现它们的土壤呼吸速率与土壤温度、土壤湿度、空气温度、空气湿度之间无显著相关(P>0.05),表明水热因子对土壤呼吸的影响具有很大的不确定性。     

黑河下游五种不同植被类型土壤呼吸的差异性解析北大核心CSCD

土壤呼吸的微小变化会对大气CO_2浓度产生重大影响,尤其在极端干旱区。通过对黑河下游额济纳旗四道桥的混合林、胡杨、柽柳、农田及裸地的土壤呼吸进行研究,结果表明:2014年夏季5种不同植被类型的土壤呼吸速率大小排序:胡杨柽柳混合林>柽柳>农田>胡杨>裸地,各类型的5 cm处土壤温度和湿度无明显变化规律,土壤温度在22~35℃,土壤湿度集中在13%~61%的变化范围。探究了5种不同植被类型的土壤呼吸速率与土壤温度、土壤湿度、地表温度、空气温度及空气湿度的线性相关关系,发现它们的土壤呼吸速率与土壤温度、土壤湿度、空气温度、空气湿度之间无显著相关(P>0.05),表明水热因子对土壤呼吸的影响具有很大的不确定性。     

黑河下游五种不同植被类型土壤呼吸的差异性解析北大核心CSCD

土壤呼吸的微小变化会对大气CO_2浓度产生重大影响,尤其在极端干旱区。通过对黑河下游额济纳旗四道桥的混合林、胡杨、柽柳、农田及裸地的土壤呼吸进行研究,结果表明:2014年夏季5种不同植被类型的土壤呼吸速率大小排序:胡杨柽柳混合林>柽柳>农田>胡杨>裸地,各类型的5 cm处土壤温度和湿度无明显变化规律,土壤温度在22~35℃,土壤湿度集中在13%~61%的变化范围。探究了5种不同植被类型的土壤呼吸速率与土壤温度、土壤湿度、地表温度、空气温度及空气湿度的线性相关关系,发现它们的土壤呼吸速率与土壤温度、土壤湿度、空气温度、空气湿度之间无显著相关(P>0.05),表明水热因子对土壤呼吸的影响具有很大的不确定性。     

黑河下游五种不同植被类型土壤呼吸的差异性解析北大核心CSCD

土壤呼吸的微小变化会对大气CO_2浓度产生重大影响,尤其在极端干旱区。通过对黑河下游额济纳旗四道桥的混合林、胡杨、柽柳、农田及裸地的土壤呼吸进行研究,结果表明:2014年夏季5种不同植被类型的土壤呼吸速率大小排序:胡杨柽柳混合林>柽柳>农田>胡杨>裸地,各类型的5 cm处土壤温度和湿度无明显变化规律,土壤温度在22~35℃,土壤湿度集中在13%~61%的变化范围。探究了5种不同植被类型的土壤呼吸速率与土壤温度、土壤湿度、地表温度、空气温度及空气湿度的线性相关关系,发现它们的土壤呼吸速率与土壤温度、土壤湿度、空气温度、空气湿度之间无显著相关(P>0.05),表明水热因子对土壤呼吸的影响具有很大的不确定性。     

黑河下游典型植被下垫面与大气间能量传输模拟研究

在分析过去地-气间相互作用的物理过程、研究进展基础上,探讨了土壤、植被、大气系统中水分与能量的传输过程在模型中不同的计算方法。同时对不同计算方法进行对比,确定了分析土壤、植被、大气系统中水分和能量传输方法的优缺点。利用黑河下游额济纳地区绿洲试验区2003年9月的大气资料作为陆面模式的强迫场,研究陆面过程模式（LSM）在极端干旱地区的模拟能力。模拟结果表明,在观测资料的强迫下,LSM能够较好地模拟出地表特征量的变化趋势。根据实际情况,定义额济纳地区绿洲的植被覆盖率为0.7, 叶冠高度为1.5 m,位移高度为0.64 h,Karman常数取0.4。通过对比试验发现,采用LSM模型模拟的空气温度和地面蒸发比实际蒸发少,但地表潜热通量、辐射和土壤热通量的模拟结果与实测值的比较吻合。如果地表和植被的参数选择较好,采用LSM模型模拟本地区的陆面过程将有较好的结果。     

黄土高原半干旱草地降水前后土壤的温、湿度及热力特征

本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站）陆面过程综合观测资料,分析了强降水前后榆中黄土高原半干旱草地土壤温、湿特征的差异,讨论了水分状况对土壤热力参数及地表能量分配的影响。结果表明:水分胁迫条件下,黄土高原半干旱草地土壤在10 cm深度存在一个湿层;强降水过程可使土壤湿度受影响范围接近40 cm深度。水分胁迫条件下,感热通量是黄土高原半干旱草地生态系统能量分配过程中净辐射的最大消耗项;无水分胁迫条件下,潜热通量是能量平衡系统中净辐射分量的最大消耗项。降水改变了土壤湿度并使得土壤热传导率发生变化,土壤热传导系数和土壤热容量随土壤湿度增加而增大。     

近45年青藏高原土壤温度的变化特征分析

利用青藏高原60 个气象站1960-2005 年的土壤温度观测资料, 采用Mann-Kendall 法和功率谱方法对不同深度土壤温度的时间变化进行趋势突变和周期检验, 并以主成分方法考察 其空间分布特征。分析结果发现青藏高原浅层土壤温度自1970 年以来升高趋势明显, 1969-1970 年为明显的突变点; 40~320 cm 的深层土壤温度存在3.25 年的显著周期变化; 浅 层土壤温度空间特征则主要体现为全区一致型和南北反向变化型。同时以浅层土壤温度梯度 (10~20 cm) 的变化特征讨论了青藏高原地气间能量的交换关系以及浅层土壤温度梯度对高原 多年冻土的响应, 认为高原地气温差和浅层土壤温度梯度之间存在一种涨落机制, 体现的是 高原地气间的耗散结构关系; 而浅层土壤温度梯度分布特征对高原多年冻土有明显的响应。     

Soil erosion and its response to the changes of precipitation and vegetation cover on the Loess Plateau

Soil erosion is a major threat to our terrestrial ecosystems and an important global environmental problem. The Loess Plateau in China is one of the regions that suffered more severe soil erosion and undergoing climate warming and drying in the past decades. The vegetation restoration named Grain-to-Green Program has now been operating for more than 10 years. It is necessary to assess the variation of soil erosion and the response of precipita- tion and vegetation restoration to soil erosion on the Loess Plateau. In the study, the Revised Universal Soil Loss Equation （RUSLE） was applied to evaluate annual soil loss caused by water erosion. The results showed as follows. The soil erosion on the Loess Plateau between 2000 and 2010 averaged for 15.2 t hm-2 a 1 and was characterized as light for the value less than 25 t hm-2 a-1. The severe soil erosion higher than 25 t hm-2 a-~ was mainly distributed in the gully and hilly regions in the central, southwestern, and some scattered areas of earth-rocky mountainous areas on the Loess Plateau. The soil erosion on the Loess Plateau showed a deceasing trend in recent decade and reduced more at rates more than 1 t hm 2 a 1 in the areas suffering severe soil loss. Benefited from the improved vegetation cover and ecological construction, the soil erosion on the Loess Plateau was significantly declined, es- pecially in the east of Yulin, most parts of Yah＇an prefectures in Shaanxi Province, and the west of Luliang and Linfen prefectures in Shanxi Province in the hilly and gully regions. The variation of vegetation cover responding to soil erosion in these areas showed the relatively higher contribution than the precipitation. However, most areas in Qingyang and Dingxi pre- fectures in Gansu Province and Guyuan in Ningxia Hui Autonomous Region were predomi- nantly related to precipitation.     

黄土高原土壤侵蚀规律研究工作回顾

1950年以来,黄土高原土壤侵蚀规律研究工作已建立了完整的分类系统,进行了侵蚀区划,查明了黄河泥沙及其中的粗泥沙来源。定量评价了各自然因子和人为因子与侵蚀量的关系。黄河自古多沙,而近期更加强烈。指出了过去研究工作中的主要问题。     

长江源区五道梁的土壤热状况研究

活动层土壤热状况是寒区陆面物理过程研究的重要内容之一。利用五道梁能量收支观测站1993年9月～2000年12月份实测辐射及土壤热通量资料结合五道梁气象站1961-2010时段的气象资料分析了近50 a来该地区活动层土壤的热状况。结果表明：五道梁地区土壤热通量有显著的年际、年代际变化;20世纪60～80年代,土壤热通量小于0.0 W/m²,活动层土壤以放热为主,自90年代以来,土壤热通量大于0.0 W/m²,活动层土壤以吸热为主。过去50 a中该地土壤热通量呈现增大趋势,平均每10 a土壤热通量增大0.31 W/m²。土壤热通量随净辐射的增大而增大。土壤热平衡系数的变化特点与土壤热通量的变化特点一致。60～80年代,活动层土壤热平衡系数<1,该地区冻土相对比较稳定,而自90年代以来此间土壤热平衡系数<1,表明该地多年冻土呈现出退化迹象。活动层土壤热平衡系数可表示为气温、地表温度及水汽压的函数。     

Diurnal surface temperature difference index derived from ground-based meteorological measurements for assessment of moisture availability

Droughts have become widespread in the Northern Hemisphere, including in China, where they have affected farmland resources on the Loess Plateau. Given this background, we proposed a new index, the Normalized Day-Night Surface Temperature Index (NTDI), to estimate moisture availability (m_a), defined as the ratio of actual to reference evapotranspiration. The NTDI is defined as the ratio of the difference between the maximum daytime surface temperature and the minimum nighttime surface temperature, to the difference between the maximum and minimum surface temperatures estimated from meteorological data by applying energy balance equations.To calculate the index, we used data of 20 clear-sky meteorological observations made during the 2005 growing season at a natural grassland station in the Liudaogou River basin on the Loess Plateau. The NTDI showed a significant inverse exponential correlation with m_a (R² = 0.97, p < 0.001), whereas the numerator of the index (the maximum daytime surface temperature minus the minimum nighttime surface temperature) was only weakly correlated with m_a (R² = 0.24, p = 0.03). This result indicates that normalization relative to the index denominator (maximum surface temperature − minimum surface temperature) dramatically improved the accuracy of the estimate.     

Soil erosion and management on the Loess Plateau

The Loess Plateau is well known to the world for its intense soil erosion. The root cause for river sedimentation of Yellow River (Huanghe) and its resultant "hanging river" in certain section is soil and water loss on the Loess Plateau. The Loess Plateau has a long cultivation history, hence population growth, vegetation degeneration and plugging constitute the chief reason for serious soil and water loss on Loess Plateau. This paper analyses several successful cases and failures in soil conservation, presents practical soil conservation technique and related benefit analysis, and discusses some effective methods adopted in China in soil erosion control, research directions and future perspectives on Loess Plateau.     

青藏高原土壤水分变化对近地面气温的影响

青藏高原为全球气候变化最为敏感的区域之一,探讨该地区土壤水分变化对近地面气温的影响将为青藏高原水汽循环研究及该地区对周边气候与环境的影响研究提供重要理论支撑。利用NCEP-CFSR数据集,基于土壤水分对近地面气温的影响机理,揭示了青藏高原不同季节、不同植被分区下土壤水分时空分异规律、土壤水分与蒸发率的响应与耦合状态及土壤水分通过蒸散发过程对近地面气温的影响。结果表明：① 不同季节下青藏高原土壤水分空间分布基本一致,除西北地区和喜马拉雅山脉外,整体呈现由东南向西北递减趋势,青藏高原地区存在干旱区变湿,湿润区变干的空间特征;② 青藏高原大部分区域土壤水分处于干湿过渡状态,其中青藏高原南部和东南部地区全年处于干湿过渡状态,而柴达木盆地几乎全年处于干旱状态;③ 近地面气温对土壤水分的响应在冬季最弱,在夏季最强且空间差异较小,其中在冬、春、夏季为负反馈,另外不同植被覆盖区近地面气温对土壤水分的敏感性差异很大。此项研究对于进一步探讨青藏高原地区陆气耦合状态及变化环境下的区域水汽循环及其效应具有重要理论意义。     

黄土高原沟道流域产沙过程的初步分析

黄土高原的主要产沙地区是河口镇至龙门黄河干流两侧和泾、洛、渭河中上游,产沙时间集中7—9月或一、二次暴雨期。流域产沙量与河道断面输沙量基本一致。产沙最与降雨量加径流深组合因子成正比相关,并随坡度增大而增加,坡度超过25—28度水流面蚀强度减弱。砂黄土的可蚀性最大,黄土其次,粘黄土最小。灌木林的防蚀效果最好。近三十年来黄土高原的产沙量进一步增加,其中由人类活动而增加的沙量约占黄河平均输沙量的23～35%。沟道流域的产沙过程具有垂直分带规律。沟间地以细沟侵蚀产沙为主,沟谷地是水力、重力和洞穴侵蚀综合作用的场所。黄土丘陵区沟谷地的产沙量此沟间地大59.0%左右;黄土塬区产生的泥沙绝大部来自沟谷地。