CN102930162A - 一种人工林地下水合理埋深估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工林地下水合理埋深估算方法，属于林业生态工程技术、环境监测技术交叉的技术领域。本发明方法包括以下步骤：在人工林的不同区域，在具有代表人工林区不同地貌、土壤、植物及其生长状况背景下的小区域中确定多个地下水采样点；测量各地下水采样点的实际地下水埋深；采集各地下水采样点所对应样地的植被类型及其生长状况级别；根据所采集的信息，得到一组特定样地背景下保障植被正常生长的地下水合理埋深，进而估算出人工林地下水合理埋深。本发明为人工植被背景下的地下水埋深定量核算提供了新的模式与途径，可为实现人工林的可持续管理提供合理有效的依据。

Description

一种人工林地下水合理埋深估算方法

技术领域

本发明涉及一种人工林地下水合理埋深估算方法，属于林业生态工程技术、环境监测技术交叉的技术领域。

背景技术

地下水埋深指地下水水面至地面的距离，一般称的地下水是指潜水。地下还有上层滞水和承压水。潜水埋藏在地表以下第一稳定隔水层之上，具有自由表面的重力水。潜水的自由表面称潜水面，潜水面的绝对标高称为潜水位，潜水面距地面的距离称为潜水埋藏深度，即地下水埋深。一般埋藏在第四纪疏松沉积物的孔隙中或出露地表基岩的裂隙中，它的埋藏深度及含水层厚度各处不一。地下水埋深是目前水科学领域创新课题，地下水埋深与维持生态系统稳定性，实现水热平衡、水土平衡、水盐平衡、源汇动态平衡，提供生态服务价值具有密切联系。目前，有关地下水埋深的研究是在现有生态系统和生态水文条件下进行的，分析一个流域或区域的地下水埋深必须考虑最适宜的地下水位及合理的地下水埋深等问题，我们所监测与调查的地下水埋深往往是现状，与合理地下水埋深有诸多不同，合理地下水埋深与地表覆盖以及生态结构与功能有密切关联，进一步增加了估算的复杂性。浅地下水埋深条件下土壤水盐动态BP网络模型研究，浅地下水埋深区潜水对SPAC（Soil-Plant-Atmosphere Continum，土壤-植物-大气连续体）系统作用初步研究；潜水通过控制土壤水分分布影响冬小麦根系发育和冬小麦产量；地下水环境对植物的生长、发育及种群演化等生态过程起着重要的影响，地下水埋深通常会引起生态系统组成和结构的变化，地下水位的过高和过低都将造成生态环境的恶化。因此，探寻合理的地下水位阈值，即地下生态水位成为目前研究的关键。

近年来，随着学科的交叉与融合，不同学科围绕着地下水相关问题的研究备受关注，特别是关于地下水埋深的研究逐步得到加强。不同学者围绕内陆河流域不同地下水埋深下的土壤种子库特征；集约化农业生产区浅层地下水埋深的时空变异规律；考虑周期性变化的地下水埋深预测自记忆模型；不同地下水埋深条件下再生水灌溉对冬小麦生长的影响；荒漠区植被对地下水埋深响应；地下水埋藏较浅地区再生水灌溉对夏玉米生长的影响等。一些专家根据降雨、蒸发与地下水埋深关系相似的规律 ,仿照国内外排水计算中较为广泛应用的阿维里扬诺夫经验公式的结构形式 ,建立起降雨入渗补给与地下水埋深的关系 ,并采用室内外试验资料对该关系式进行了验证，系统探索农田排水条件下降雨入渗补给与地下水埋深关系。一些专家以典型农场为例,采用时间序列分析方法建立了农场地下水埋深动态预测模型,对地下水埋深进行模拟和预测,揭示其地下水动态变化规律,为区域地下水资源的可持续利用提供了科学依据。同时，一些学者为建立新型的节水型灌区,科学用水、计划用水,利用蒸渗仪,进行了多年的试验研究,并利用马氏瓶调控地下水浅埋区的水位动态变化,得出了最佳地下水埋深范围,建立了动态模拟的作物生育期内潜水蒸发模型。一些专家根据国内外的研究成果,对地下水埋深对作物的影响的研究现状进行了系统分析和总结。近年来，已有不同学者对不同生态系统的生态水位计算方法和合理阈值进行了探讨，并提出了相应的调控方案。樊自立，王让会等人在对中国西北干旱区生态地下水埋深适宜深度的研究发现，提出了内陆河流域合理生态水位、适宜生态水位、临界生态水位等概念机量化阈值。一些专家研究了骆驼刺幼苗生长特性对不同地下水埋深的响应；银川平原土壤盐渍化与植被发育和地下水埋深关系；和田绿洲地下水埋深的自然影响因素；石羊河下游民勤绿洲地下水埋深时空分布动态变化，黄淮海平原浅层地下水埋深对气候变化响应；汾河灌区地下水埋深变化规律；滹滏平原地下水系统脆弱性最佳地下水水位埋深；不同地下水埋深下胡杨叶片生理指标变化特点；不同地下水埋深对土壤水、盐及作物生长影响试验研究；石羊河流域地下水埋深时空变化规律研究等。在水资源短缺的条件下，地下水埋深往往被经济需水所挤占，如何实现生态系统可持续的水资源优化配置，保障合理生态水位十分重要，而对于合理地下水埋深的监测、分析与评价则具有不可替代的作用。

从国际上看，SPAC中的水分、能量和盐分传输属于国际前沿的课题之一。小尺度的研究越来越深入，有人专门针对小麦将SPAC系统具体为土壤－小麦－大气连续体，界面水分过程的研究十分活跃；大尺度的研究已不再单纯的从农业方面，而是从更广泛的水文循环着手研究大气与地表各种源汇之间的物质和能量传输，IGBP核心项目之一水文循环生物圈方面(BAHC)将其归结为土壤－植被－大气传输过程(SVAT)。在地下水埋深较浅的地区，SPAC中的水分因自然的和人为的作用必然要和地下水发生联系，不同埋深地下水对土壤水分分布和农作物产量、水分利用效率等有着不同程度的影响。从界面过程看，人们更多的侧重于土－气界面和植－气界面过程的研究，而对地下水－土壤水界面过程，尤其是地下水对土壤、作物的直接作用和对土－气界面和植－气界面水分过程间接作用研究较少。定量地研究地下水对SPAC系统水分过程，对于深入分析水系统水分运移规律和充分利用地下水、制定合理的节水灌溉方案以及通过控制地下水对农作物生长进行调控等有着一定的理论价值和生产意义。

地下水埋深的理论机制与计算方法研究包括不同生态类型的地下水埋深特征；基于生态过程的不同类型地下水埋深的量化模型，包括不同植被组合的地下水埋深，地下水埋深研究中的尺度问题及不同尺度转换方法等；地下水埋深监测预报方法有试验法、均衡法、数理统计方法、时间序列分析方法和水动力学方法等等，目前，区域地下水动态研究多采用水动力学方法，利用数值方法（有限元，有限差，边界元等）对区域地下水运动偏微分方程进行求解（石元春，1991）。建立地下水动力学模型对区域地下水动态进行模拟和预报，可加深对区域地下水系统内部结构的认识，掌握区域地下水的埋藏条件和水循环条件，更为重要地是为区域土地盐碱化预测预报提供必要的参数和基本条件。

地下水埋深研究涉及生态学、水文学、地学等学科，需要多学科联合研究。对于人工林合理地下水埋深的估算，对于相关领域的生态工程实践具有重要的理论指导价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种人工林地下水合理埋深估算方法，把地下水监测方法及植被生长监测方法结合起来，探索人工植被背景下，地下水埋深定量核算的模式与途径，从而为实现对人工林的可持续管理提供合理有效的依据。

本发明的人工林地下水合理埋深估算方法，包括以下步骤：

步骤A、在人工林的不同区域，在具有代表人工林区不同地貌、土壤、植物及其生长状况背景下的小区域中确定多个地下水采样点；

步骤B、测量各地下水采样点的实际地下水埋深；

步骤C、采集各地下水采样点所对应样地的植被类型及其生长状况级别；

步骤D、根据步骤B和步骤C所采集的信息，得到一组特定样地背景下保障植被正常生长的地下水合理埋深，进而估算出保障所有样地背景下植被正常生长的地下水合理埋深，即人工林地下水合理埋深。

     上述技术方案中，各采样点的实际地下水埋深可通过现有的各种方法进行测量，本发明优选通过在地下水采样点挖掘地下水观测井的方法测量各地下水采样点的实际地下水埋深。

     为了更准确地反映植被生长情况，为后续量化处理提供依据，优选地，植被的生长状况分为以下四个级别：长势良好：植被长势很好，枝繁叶茂，少数样方植被有轻微虫害；长势较好：植被生长状况较好，大多数样方植被有轻微虫害；长势一般：植株稀疏，虫害较严重；长势差：植株稀疏，虫害严重，叶子脱落严重。

     本发明将地下水监测方法与植被生长监测方法相结合，通过分析水分与植被生长的相关性，利用人工林各个样地实际地下水埋深数据以及各样地植被的实际生长状况，获得特定样地背景下的合理地下水埋深，并进而估算出整个人工林的地下水合理埋深。相比现有技术，本发明为人工植被背景下的地下水埋深定量核算提供了新的模式与途径，可为实现人工林的可持续管理提供合理有效的依据。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

人工林的生长状况直接受到气候、地形、地貌、土壤、水文状况的影响，特定自然地理背景下人工林的水分状况直接制约着其生长状况，研发人工林地下水埋深估算技术，并进行定量化估算具有重要的理论价值与现实意义。

本发明的思路是将地下水监测方法与植被生长监测方法相结合，对生态水文与植被生态的相关性进行现实调查与实验室分析，利用人工林各个样地实际地下水埋深数据以及各样地植被的实际生长状况，获得特定样地背景下的合理地下水埋深，并进而估算出整个人工林的地下水合理埋深。本发明方法的流程如图1所示，具体包括以下步骤：

a）在人工林的不同区域，结合地貌特征（如地形起伏高低状况、地形空间位置、地表覆盖等差异性）、土壤类型（区域土壤类型的空间差异性）、树种类型（如俄罗斯杨、新疆杨、胡杨、白蜡、沙枣等人工栽植树木差异性）、植被生长状况（植被外貌所表现出的长势良好、长势较好、长势一般及长势差四个等级特征）等，选择具有代表人工林区不同地貌、土壤、植物及其生长状况背景下的小区域，结合上述要素采样调查的取样样地位置，对应其取样位置确定若干地下水采样点；

b）在步骤a)所述的采样点挖掘地下水观测井；

c）在步骤b)所述地下水观测井中采集地下水水样； 

d）测量步骤a)所述的采样点的地下水埋深；

e）采集步骤a)所述的采样点对应样地植被类型、郁闭度、高、胸径及生长状况；并界定俄罗斯杨、新疆杨、胡杨、白蜡、沙枣等人工栽植植被类型的单位面积数目、0.0-1.0之间的林分的郁闭程度差异，量测样地内树木的实际树高及胸径；并按照植被外貌表现确定植物长势良好、长势较好、长势一般及长势差等生长长势特征；

f）把d）及e）信息相联系，编制植物生长长势与地下水埋深关系表，并绘制其量化关系图，进一步凝练植被不同生长状况与地下水不同埋深之间的相关性；

g）基于f），利用人工林各个样地实际地下水埋深数据，剔除植被生长差的情况下的地下水埋深，就可以得到特定样地背景下保障植被正常生长（长势良好及长势较好等）的地下水合理埋深；

h）基于g）的思路，就可得到所有样地背景下保障植被正常生长的地下水埋深；根据所有样地的代表性就推出了整个人工林区的合理地下水埋深。

为了验证本发明的效果，进行了以下验证实验。

（1）林地选择。依托位于克拉玛依市市区东南约20 km处的人工林，面积约10.3万亩，地理坐标在东经84°58′～85°4，北纬45°22′～45°31′之间。人工林区由生态林区、苗圃区、林农复合经营区、中心管理区、荒漠植物保育区构成。

（2）监测与分析。对人工林通过上述a）-e）的步骤采集人工林各个样地实际地下水埋深数据以及各样地植被的实际生长状况，然后编制植物生长长势与地下水埋深关系表（如下表1所示）：

表1 人工林主要植被生长状况与地下水埋深关系

（3）估算与验证。从表1可以看出：当地下水埋深在2.3-4.0 m范围内时，4种植物均长势偏好；当地下水埋深在4.0-6.0 m范围内时，4种植物轻微虫害，长势较好；当地下水埋深在6.0-8.0 m范围内时，地下水埋深较深，地下水难以被植物根系很好的利用，4种植物长势一般；当地下水埋深在大于8.0 m时，地下水难以被植物根系吸收，4种植物均长势很差，其植物植株稀少、虫害严重、且叶子脱落严重。根据表1可很容易估算出保障该人工林所有样地背景下植被正常生长（长势良好或长势较好）的地下水埋深，即该人工林的地下水合理埋深（或称生态水位），应为2.5-5.0m 。

Claims (3)

1.一种人工林地下水合理埋深估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、在人工林的不同区域，在具有代表人工林区不同地貌、土壤、植物及其生长状况背景下的小区域中确定多个地下水采样点；

步骤B、测量各地下水采样点的实际地下水埋深；

步骤C、采集各地下水采样点所对应样地的植被类型及其生长状况级别；

步骤D、根据步骤B和步骤C所采集的信息，得到一组特定样地背景下保障植被正常生长的地下水合理埋深，进而估算出保障所有样地背景下植被正常生长的地下水合理埋深，即人工林地下水合理埋深。

2.如权利要求1所述人工林地下水合理埋深估算方法，其特征在于，通过在地下水采样点挖掘地下水观测井的方法测量各地下水采样点的实际地下水埋深。

3.如权利要求1所述人工林地下水合理埋深估算方法，其特征在于，植被的生长状况分为以下四个级别：长势良好：植被长势很好，枝繁叶茂，少数样方植被有轻微虫害；长势较好：植被生长状况较好，大多数样方植被有轻微虫害；长势一般：植株稀疏，虫害较严重；长势差：植株稀疏，虫害严重，叶子脱落严重。

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