干旱半干旱草原土壤水分对降雨的响应及植物群落与气象因子的关系研究

论文摘要

草原生态系统的稳定一直受到人为因素和气候变化的威胁,草原荒漠化日益严重,人类影响下的草原水文变化特征和植物群落响应成为维持草原生态稳定的关键和研究热点。干旱半干旱草原是我国草原生态系统的主体组成部分,土壤水是连接大气水、地表水、地下水的纽带,同时显著影响着草地植被的生长发育。本文以内蒙古干旱半干旱草原典型区为研究对象,结合连续监测、定期采样和室内实验,基于气象数据、土壤水分数据、植被数据和土壤特征数据描述分析了放牧对草原土壤水分的影响及土壤含水率对降雨的响应规律;使用相关分析、聚合分类、广义可加模型（GAM）等方法探讨了植物群落（组成、综合地位）分布情况及其与气象因子的关系;分析研究降雨、相对湿度、温度、太阳辐射对地上生物量、地下生物量、根冠比变化直接或者间接的影响;以期总结降雨与土壤水分的转换规律以及气象条件对草原植被群落变化的作用特征,为了解当地草原水文过程,预测或改善草原生产力提供基础资料,同时为制定合理的放牧政策、保护草原物种多样性以及防治草原荒漠化提供基础数据与理论支持。主要研究结果如下:（1）放牧会导致草原地上生物量减少,土壤蒸发作用加剧,降雨转化率降低;放牧会影响0～15cm层植被根系,导致根系吸水能力减弱,上层土壤水分向下运移速度加快,因此放牧区0～15cm层含水量小于禁牧区,30cm层却大于禁牧区;禁牧区与放牧区5cm、10cm和15cm层土壤水分对降雨的响应相似,单次或累积降雨量大于10mm时,土壤含水量即有显著增加,但会因干旱间隔（两次降雨事件之间无降雨日数）时间的不同而变化;禁牧区含水量对降雨更加敏感,增加幅度较大,30cm层开始土壤水分对降雨的响应有明显滞后现象;禁牧区单次降雨量大于30mm或累积降雨量大于20mm且干旱间隔时间≤3d时,30cm层土壤水分有显著增加,放牧区30cm层只在干旱间隔较短（≤2d）的连续大降雨（降雨量>35rmm）后有明显波动;禁牧区0～30cm层的土壤水分增加量都与降雨量、降雨强度极显著相关,放牧区0～15cm层与降雨量极显著相关,0～10cm层与降雨强度极显著相关。（2）禁牧5年后土壤垂向异质性增强,降雨过程中各土层土壤含水量差异显著,放牧区则相反;两个区域土壤水分对降雨响应的滞后时间随土层深度增加而增加,相对于禁牧区,放牧区浅层土壤（5cm、10cm）持水性能较弱入渗完成用时较短;5mm以下的降雨对禁牧和放牧区土壤水分均无明显补给作用,当降雨连续均匀且强度不超过5mm/h时最有利于入渗,放牧区入渗深度达到15cm和30cm层分别需要7.9mm和大于25mm的降雨,而禁牧区大于5mm的降雨就可以入渗到30cm 土层;强度5～6mm/h的独立降雨只能入渗到表层土壤中（5cm）,强度大于15mm/h的降雨在禁牧区能通过大孔隙快速入渗到30cm及更深层土壤,放牧区则表层入渗较快（0～5cm）,深层入渗较慢,会形成地表径流甚至洪水灾害。（3）根据生长季植物在群落中的综合地位变化趋势,禁牧区植物主要分为Ⅰ类羊草,Ⅱ类黄囊苔草+糙隐子草,Ⅲ类米氏冰草+克氏针茅,Ⅳ类双齿葱+细叶葱,放牧区:Ⅰ类克氏针茅,Ⅱ类羊草+糙隐子草,Ⅲ类米氏冰草+黄囊苔草,Ⅳ类双齿葱+细叶葱。禁牧区降雨和温度是影响物种在群落中综合地位的主要因素,降雨对4类植物重要值都有显著影响（p<0.05）,GAM拟合的解释偏差分别为46.2%、30.8%、42%、24.7%,羊草对温度的响应不显著,温度对Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类植物的重要值的解释力分别为32.6%、56.8%、34.6%。放牧区温度和辐射是影响植物重要值的主要因素,除克氏针茅受气象因素影响很小外,Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类植物重要值对温度和辐射都有很明显的反应（p<0.05）,温度对各类植物重要值的解释力依次为76.2%、65.7%、39.4%,辐射的解释力分别为72.8%、68.7%、67%。降雨是影响地上生物量的主要决策变量,除通过自身对生物量起直接的促进作用外,还间接通过改变相对湿度,进一步影响地上生物量;触发植物枝叶生长的降雨阈值并不是固定的,阈值下限随生物量增加而增加,5月初下限最小;降雨量、降雨事件大小和降雨强度是影响草原地上生物量的主要降雨参数,当降雨总量或每场降雨量增加1mm时,禁牧区生产力变化量分别增加3.1g和5.85g,而放牧区生产力变化量更多取决于放牧强度,与降雨模式相关性不显著;禁牧区温度和太阳辐射是改变地下生物量的主要影响因素,对地下生物量起直接的抑制作用,放牧区地下生物量只受温度的显著影响,温度过高或辐射太大,都不利于植物根系的生长发育;禁牧区地下、地上生物量的分配受降雨、湿度、辐射、温度的综合作用,温度和辐射的直接作用较大,对其他气象因子的间接作用较小,降雨能直接作用于根冠比还能通过影响相对湿度和温度间接影响根冠比,放牧区根冠比只与降雨和温度显著相关。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 选题背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 放牧对草地生态过程影响的研究进展
•     1.2.2 多因素耦合作用对草地水文生态过程影响研究进展
•     1.2.3 土壤水分动态研究进展
•     1.2.4 植被对土壤水分影响的研究进展
•     1.2.5 降水对土壤水分影响的研究进展
•     1.2.6 生物量与环境因子的关系研究
•   1.3 存在的问题及发展趋势
•   1.4 研究方法与技术路线
•     1.4.1 研究目标与内容
•     1.4.2 技术路线
• 2 研究区概况与数据获取
•   2.1 研究区概况
•     2.1.1 地理位置与地形地貌
•     2.1.2 研究区气象
•     2.1.3 研究区土壤及植被
•   2.2 数据获取
•     2.2.1 气象及土壤水分数据
•     2.2.2 植被数据获取
•     2.2.3 土壤数据获取
•   2.3 数据处理与研究方法
•     2.3.1 经典统计学分析
•     2.3.2 交叉相关分析
•     2.3.3 绿度指数计算
•     2.3.4 植物重要值计算
•     2.3.5 广义可加模型（GAM）
•     2.3.6 通径分析与决策系数分析
• 3 土壤理化性质及气象状况
•   3.1 土壤理化性质
•   3.2 气象状况
•   3.3 土壤水分与气象因素的相关关系
•   3.4 土壤含水量对降雨的响应
•     3.4.1 土壤含水量剖面分布
•     3.4.2 土壤体积含水率与降雨的关系
•     3.4.3 土壤水分对降雨响应的滞后效应
•     3.4.4 土壤含水率变化量与降雨
•     3.4.5 土壤蓄水量与降雨
•   3.5 小结
• 4 土壤水分对降雨模式的响应
•   4.1 降雨量梯度分布特征
•   4.2 降雨模式分类
•   4.3 降雨模式对应土壤水分剖面分布
•   4.4 降雨中的土壤水分变化
•   4.5 降雨前后土壤水分变化
•   4.6 小结
• 5 植被群落特征与气象因子的关系
•   5.1 西乌旗植被群落组成
•   5.2 主要植物变化趋势聚类
•   5.3 植物重要值的气象因子解释
•   5.4 生长季生物量分布特征
•     5.4.1 植被生长季地上生物量
•     5.4.2 植被生长季绿度指数与地上生物量
•     5.4.3 植被生长季地下生物量
•     5.4.5 生长季总生物量与根冠比
•   5.5 生物量分布与气象因素的关系
•     5.5.1 生长季降雨总量与生长季植被地上生物量
•     5.5.2 地上生物量对气象因素的响应
•     5.5.3 地下生物量对气象因素的响应
•     5.5.4 地下/地上生物量对气象因素的响应
•   5.6 小结
• 6 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 徐冉

导师: 张圣微

关键词: 干旱半干旱草原,土壤含水量,降雨模式,重要值,生物量,气象因子

来源: 内蒙古农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 气象学,农业基础科学,畜牧与动物医学

单位: 内蒙古农业大学

基金: 国家自然科学基金(51779116),中科院“西部之光”项目

分类号: S812;S16

总页数: 81

文件大小: 8624K

下载量: 195