SCI论文发表栏目提供最新SCI论文发表格式、SCI论文发表硕士论文范文。详情咨询QQ:1847080343(论文辅导)

青藏高原多年冻土区土壤水热变化及其影响因素探讨

日期:2021年09月22日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:509
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202109131959134846 论文字数:35266 所属栏目:SCI论文发表
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis
相关标签:SCI论文发表

本文是一篇SCI论文发表,本文通过野外采样、试验、室内实验分析等方式,结合水文模型、统计分析方法对多年冻土区高寒生态系统土壤持水性、土壤入渗性能、活动层土壤水热变化特征进行分析研究。


第一章绪论


1.1  研究背景和意义

青藏高原被称之为“世界屋脊”以及“第三极” [1],它拥有世界上最高的海拔和最复杂的地形条件,包含地球系统的所有圈层[2]。由于独特的地貌特征和气候条件,使其在全球以及局部区域气候系统的演化中起着十分关键的作用[3]。在青藏高原上广泛分布着季节冻土、多年冻土和高山冰雪资源,这使它孕育了多条亚洲的大江大河[4]。青藏高原多年冻土面积约为 106 万平方公里,占青藏高原总面积的 40 % [5]。而青藏高原多年冻土作为构成我国冰冻圈以及青藏高原下垫面的重要组分,它的变化对于寒区生态环境、水文过程、陆气间水热交换、气候变化以及地面路基建设等均有显著的影响[6,7]。

在过去的几十年中,青藏高原经历了比周边地区更剧烈的升温过程[8]。在气温升高的影响下,区域内多年冻土发生快速、广泛的退化[9],表现为活动层厚度增加、多年冻土面积变小、多年冻土厚度逐渐减薄以及形成地面沉降等[10]。多年冻土退化将导致多年冻土区湖泊,地下冰,地面形态等均发生变化[11,12],改变区域内水文、地质环境,进而导致高寒生态系统土壤水热性质、地表水文过程,以及碳循环发生剧烈变化[13,14]。除了对该区域内造成影响外,多年冻土变化对周边地区的水文过程以及气候变化也具有一定的调节作用[15]。气候与多年冻土之间的相互作用与连接它们的活动层密不可分,活动层水分-能量传输过程是实现大气与多年冻土之间相互反馈的纽带[13]。目前,对活动层水热过程的研究已经成为研究多年冻土变化的重要内容,其对气候变化的响应已经成为国内外研究者关注的热点[6]。准确表征多年冻土区活动层土壤水热变化特征及影响因素,对预测全球气候变化大背景下的多年冻土变化情况和理解其对多年冻土区水文和生态系统特征的影响具有重要意义[8,16]。

...........................


1.2  国内外研究进展

1.2.1  土壤持水性能研究

土壤持水性作为重要的土壤水力性质,它决定着土壤水分的储存、再分配、有效性和潜在蒸发,对陆地生态系统的水文过程和生态功能具有深远的影响[33,34]。 土壤持水能力通常用可以土壤水分特征曲线以及土壤饱和含水量、田间持水量、凋萎系数等指标来衡量[35]。目前,关于土壤持水性的测定方法较多,主要包括直接测量,参数估计和间接方法。直接测量是指利用实验仪器直接对土壤样本进行土壤持水能力的测量[33]。但由于直接测量不同基质势下土壤含水量费时、费力、成本较高而且在大尺度范围内直接测定比较困难[36],因此参数估算法得以发展。参数估算法是通过估算数学表达式(经验公式)中的参数来确定土壤水分特征曲线,评价土壤持水性能。目前常见的模型主要包括 Van Genuchten 模型[37]、Brooks-Corey 模型[38]、Gardner 模型[39]和 Gardner-Russo 模型[40]等。间接方法是指使用测量较方便土壤属性(土壤质地、容重以及有机质等)与不同基质势下土壤含水量之间建立的函数关系,对土壤持水性进行估算。由于该方法使用相对简单、计算精度满足实际要求、而且可以解决分布式水文模型土壤水运动参数的空间分布问题,所以在实际流域水文模型的模拟计算中的到广泛应用[33]。

多年冻土区高寒生态系统十分脆弱。在近些年,由于气候变化和人类活动的影响,导致高寒植被发生严重退化,进而改变了高寒草地土壤的持水能力[41,42]。为进一步认识气候变暖背景下高寒草地土壤持水性变化规律,近年来,许多研究对高寒生态系统土壤水分保持影响机制进行探讨。如 Pan 等  [43]指出,随着高寒草地退化程度的增加,田间持水量和土壤饱和含水量均降低。Yi 等[44]也发现,随着高寒草地覆盖度的减小,不同深度土壤持水能力有减弱趋势。而 Wei 等[45]报道,随着高寒草地度盖度的减小,田间持水量先增大后减小。Dai 等[41]发现在0 ~ 10 cm 土层高寒草甸土壤持水能力呈现先增加后减小的趋势。Gao 等[36]探讨了青藏高原多年冻土区根系对土壤水分保持的影响,发现根系对土壤持水性  的影响是通过改变土壤有机质和土壤结构实现的,并且发现不同植被类型土壤持水性的大小为高寒沼泽草甸>高寒草甸>高寒沼泽草甸。除了分析高寒植被特征对土壤持水性的影响外。大量研究也探讨了土壤结构和有机质对土壤水分保持的影响。Yang 等[34]发现高寒草地土壤持水能力主要受土壤有机质含量的影响,而土壤质地的影响较弱。Zhang 等[47]发现在高寒生态系统中,草皮表层因其根系密集、有机质含量高而对土壤水分保持起着至关重要的作用。woseten 等[48]研究发现土壤质地是决定土壤持水能力的关键因素。孙岩等[49]发现土壤容重、有机质对土壤持水性的影响比土壤质地更显著。而且在高基质势条件下,容重是影响土壤持水性的主要因素,低基质条件下有机质影响更为显著。

图 1-1   技术路线图

图 1-1   技术路线图

.................................


第二章 区域概况与研究方法


2.1  研究区概况

2.1.1  地质地貌特征

风火山流域地处可可西里山系东南支,在区域内主要有发育于晚白垩世或始新世时期的砂砾岩、砂岩以及泥岩;发育于老三纪或渐新世的砖红粉岩以及泥岩;发育于中新世的灰黄色泥页岩;以及发育于第四纪的松散沉积物等四套不同世纪的沉积地层[85]。区域内地貌特征为山顶基岩裸露且山梁平缓,山坡上陡下缓,山间沟谷在区域内比较发育[85]。在区域内自然地貌的形成过程中,风蚀、水蚀、冻融侵蚀为其最基本的地貌营力,且水蚀和冻融侵蚀占主导地位[86]。


2.1.2气象特征

研究区的气候类型属于高原干旱大陆性气候[85]。在 2016 年 9 月至 2018 年 4月的监测时段内,研究区日平均气温、降水、相对湿度、风速、总辐射变化特征如图 2.2 所示。在此时段内,日平均气温的均值为-5.07℃,最高值为 14.1℃,最低值为-22.0℃。降水主要集中于 5~9 月,日降水量最高为 17.6 mm,总降水量为394.0 mm。风速均值为 5.43 m/s,日最高风速 15.28 m/s,最低风速 1.64 m/s。相对湿度的均值为 50.11 %,最小值为 4.60 %,最大值为 95.89 %。总辐射均值为191.67 W/m2,最小值为 54.32 W/m2,最大值为 372.30 W/m2。气温、相对湿度、总辐射在监测时段内具有相似的变化特征,均呈现出 W 型变化趋势。风速没有类似的变化特征,且没有呈现规律性。

图 2-2   研究区气象因子在监测时段内的变化特征

图 2-2   研究区气象因子在监测时段内的变化特征

...........................


2.2  实验数据获取及分析

2.2.1  土壤样品采集及分析

根据研究区生态系统特征,在区域内选择高寒草甸、高寒沼泽草甸、高寒草原不同退化程度(植被盖度分别为<35 %,50%~60 %,>80 %)的样地。在样地内选取 2020 cm 的样方,用刀和铲取出 0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm、40~50 cm 深处土样,用于地表及地下生物量的测量。然后在其裸露的剖面上 0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm、30-40 cm、40-50 cm 深处用 100 cm3的环刀取土样,每层有三个重复的样本被采集(图 2-3 a)。用于测量生物量的土块被取出后,用水进行冲洗,将根系分离出来,晾干后装入自封袋,然后将取的环刀和根系带回实验室测量。在测量土壤容重和土壤初始含水量时,将环刀放入 105℃的烘箱中持续 24 小时,然后取出称重,测定其初始含水量以及容重。提取的植物根系在烘箱中 65  ℃条件下烘干 72 h,称重测定根生物量。土壤粒径采用 Malvern Mastersizer 2000 激光粒度仪测定,  不同粒径范围(0~2 μm,2~50 μm,50μm~2 000 μm)的土壤占比分别被测量,测量误差在 2%以内;土壤有机质通过重铬酸钾容量法测定[49]。

2.2.2  土壤水分特征实验

在本研究中,通过 Himac CR-GIII 高速离心机进行脱湿试验获取不同基质势条件下土壤含水量数据。实验具体操作如下:(1)将装有原状土的环刀放置于水面略高于环刀高度的平底盘中,持续浸泡 24 小时使原状土饱和,接着放入离心管中,称重并记录。(2)对离心管进行配平处理,然后将其放入高速离心机,按仪器使用说明设置不同基质势对应的转速和时间。(3)等到离心实验结束后,将从离心管中取出的装有原状土的环刀进行烘干处理,然后称重计算不同转速下的土壤含水量。(4)依据操作手册,经转换得到在不同基质势下的土壤含水量。

2.2.3  土壤入渗试验

本研究采用双环入渗仪来测量高寒草地土壤入渗过程(图 2-3b 所示)。图中的白色管为马里奥特容器,其高度为 1.30 m。双环中内环的直径为 0.26 m,外环直径为 0.64 m,内环和外环高度均为 0.20 m。马里奥特容器(马氏筒)是为土壤入渗提供稳定入渗水头的装置,它还可以通过管旁边依附的带刻度的透明管读取入渗过程中的供水量。双套环的作用分别是内环作为入渗环,起供水作用。而外环在入渗试验中