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地处草原地带的沙地是一个独特的土地类型,与同气候条件下的草原相比,均表现出了不同程度的水分集中趋势。这一水分优势的形成机理目前尚不完全清楚,沙地水分的收支状况及其量化体系并不完全明确。在全球气候变化、沙地植被动态演变的背景下,沙地生态水文的响应机制及其机理就成为亟待研究的命题。本文以浑善达克沙地作为研究对象,通过系列生态水文试验,提升对沙地生态水文特性的认识;通过研究其植被动态、地下水变化、水分输入、输出模式以及气候变化,揭示了沙地水分收支状况以及与植被的耦合关系。现将研究成果概述如下:
1.植被分布与动态
浑善达克沙地植被的空间分布模式受四种梯度递变的作用,即从西到东降水量递增、海拔高度升高两种梯度叠加、边缘到腹地以及景观尺度的地形因素,这四种梯度共同决定植被的水分获取状况。1975-1990-2005这三个时间段,浑善达克沙地植被变化呈现出1975-1990大面积破坏,1990-2005部分恢复这样一种“U”型总体态势。这三十年间沙地植被的总体分布格局并未发生根本性的变化,沙地也并未出现大面积的扩张。
2.地下水动态
1975至2005年这30年间,研究区中西部的地下水位呈现出一种倒“U”型变化,即先上升后下下降。这种变化趋势空间分布也是呈现出一定的规律性,越往西部,这种变化的趋势越明显,东部地下水位相对稳定。
3.气候变化特点
近45年来(1961-2005)最典型的气候变化特征就是气温持续升高,且年均温度的升温幅度非常明显;降水的统计则显示一种平稳波动的趋势;大部分气象台站的蒸发量在降低。总之,研究区气候变暖这一气候变化特征无可争议,且升温明显,但气候变暖之后,研究区是否有干旱化的趋势目前尚存疑问。
4.蒸散与水分平衡
利用MODIS数据,以及气象资料,采用SEBS(surface energy balance system)模型,反演区域蒸散,与区域降水量比较发现典型草原植被对天然降水的利用非常充分,其水分输入、输出基本平衡,没有水分的盈余,而处于同一气候区的浑善达克沙地出现了水分盈余。
5.沙地生态水文特性
与典型草原土壤相比,沙地土壤对水分的吸收和渗漏速度快于草原土壤,同时沙地土壤的水分散失速率小于草原土壤:沙地内部,裸沙地对天然降水的吸收更为充分;经测定裸沙地的蒸散速率仅为草本群落的1/3。影响裸沙地蒸散速率的因素不光是干沙层的厚度,干沙层的复合层状结构也是抑制水分散失的原因之一。沙地这一系列特殊生态水文效应的存在,使沙地获得了对降水相对优越的吸收和保持条件,因而在相同的气候区中,浑善达克沙地的水分条件总是优于同气候区的地带性植被的水分条件。
6.沙地植被与水文系统耦合关系
沙地植被覆盖度低的区域地下水的年内变动较为剧烈,且与大气降水变化的同步性高;植被大面积退化、沙化的区域,地下水位抬升,随着植被的恢复,地下水位下降,植被动态与地下水动态呈相逆性,这形成了区域自我调节的负反馈机制;植被分布对水分的吸收与蒸散格局都有影响,植被分布格局与蒸散的空间分布相似度很高。