降雨模式对禁放牧草地土壤植被和辐射差异及关系影响研究

作     者：李小院 

作者单位：内蒙古农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张圣微

授予年度：2022年

学科分类：09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 

主      题：半干旱草原 降雨模式 辐射通量 植被特征 生长季变化 

摘      要：干旱半干旱草原是全球自然生态系统的重要组成部分,也是我国北方重要的生态屏障。随着气候环境变化和人类开发利用,草原地表状态也发生了改变,尤其是近地面能量收支过程变化更为明显。局地气象因子、土壤温湿度和植被状况与陆地表面有强烈的相互作用,但由于缺乏对地表辐射能量通量的观测,对这些相互作用的了解受到严重限制。为深入理解半干旱草原地表辐射能量平衡过程对禁牧和放牧条件下影响因子的响应特征,本文利用内蒙古正镶白旗典型退化草地2020～2021年生长季的辐射通量观测资料,对比分析了人工增减雨试验下禁牧、放牧草地辐射通量(太阳总辐射、地表反射辐射、大气长波辐射、地表长波辐射、净辐射以及地表反照率)和植被状况(NDVI、盖度)变化规律的差异及其对气象因子和土壤温湿度的响应。探讨地表辐射收支的气候学意义,探明地表辐射能量和气象、土壤以及植被之间的相互作用,有助于加深对我国北方半干旱草原下垫面辐射平衡过程的认识,为准确评估草原生态系统与大气之间物质和能量交换提供科学依据。主要研究结果如下:(1)2019～2021年总降雨量为1006.9 mm,年均降雨量为335.6 mm,共降雨142次,年均47次,共分为30种降雨模式。其中降雨量最多的模式为10～15 mm二天;降雨次数最多的降雨模式是0～5 mm一天;降雨事件多集中于持续时长为一天、二天和三天的降雨模式,而连续四天及以上的降雨事件相对较少。研究区的土壤湿度具有明显的季节变化特征,且随着土层深度的不同垂向分布特征也不同。浅层土壤湿度记忆性约在5～10 d左右,土壤湿度的干湿异常持续时间较短。中层土壤湿度记忆性约在10～15 d左右,春、夏、秋季略高于冬季。深层土壤湿度记忆维持在20～25 d左右,土壤湿度的异常可能对后期将近1个月的天气或气候造成影响,禁牧区相对于放牧区土壤湿度记忆性略高,异常持续时长相对更长。(2)在研究期内,NDVI的变化与降雨时间有显著的关系,且具有滞后性,2019年禁牧区和放牧区NDVI滞后于降雨的时间为0～5 d或者10～15 d;2020年NDVI与降雨呈现出5～10 d的滞后效应;2021年则为0～5 d。在自然降雨条件下,2019～2021年生长季禁牧区的植被覆盖度相较于同时期的自由放牧区大约增加了1.7%～15.2%;禁牧降雨增加区(JPI)的植被盖度相较于同时期降雨减少区(JPD)增加了8.7%～22.7%;放牧降雨增加区(FPI)的植被盖度相较于同时期放牧降雨减少区(FPD)增加了12.0%～26.0%。由此可见,降水对于植被的影响要大于禁放牧的管理措施。研究区植被的反射率光谱曲线在特定波段有比较明显的吸收和反射特征。禁牧区植被的光谱曲线特征与放牧区基本上一致,不同波段的反射峰和吸收谷有“上移的趋势,降雨增加区相较于降雨减少区的植被光谱特征更为明显,反射峰和吸收谷也出现“上移的情况。(3)研究区太阳总辐射(Rsd)和地表反射辐射(Rsu)具有显著的单峰型日变化特征,禁牧区的Rsu总体小于放牧区。Rsd对降雨模式的响应是及时且显著的,且下降幅度随着降雨模式的持续时长和降雨量的增加而增加。不同降雨模式下大气长波辐射(Rld)的日变化幅度很小,基本上维持在300～350 W·m,每一次降雨事件的发生都会造成Rld的升高。不同降雨模式对草地Rlu的影响很微弱,它通过调节土壤温度进而间接地影响Rlu的变化。降雨模式对Rn的日变化趋势的影响与对Rsd的影响基本一致。禁放牧草地地表反照率(Albedo)的日变化都呈现“U型,每次降雨都对应着Albedo的下降,不同降雨模式下,Albedo的响应也存在差别。5～8月份Albedo较低,9月和10月则有明显上升趋势。(4)研究区辐射通量与表层0～10 cm和中上层10～20 cm土壤温度具有极显著的相关关系,与中下层和深层土壤温度相关关系则逐渐减弱。在禁牧区,VPD和土壤表层温度(Ts)对地表反照率(Albedo)具有显著的负向影响,植被指数(NDVI)对Rn的影响是正向极显著的;而在放牧区则无以上显著关系。因此,VPD、地表温度以及植被状况是影响禁放牧草地近地表辐射收支过程的主要因子。