CN107391953B - 固沙植被的生态水文阈值计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种固沙植被的生态水文阈值计算方法，通过建立耦合固沙植被盖度和土壤水分的生态水文模型，利用蒙特卡洛方法产生以天为尺度的降水时间序列，量化出干旱半干旱地区固沙植被的生态水文阈值，可以为干旱半干旱地区人工固沙植被生态系统的管理和沙地系统水分平衡的调节提供了科学的计算依据，对生态恢复效益的可持续发展和管理具有积极的意义。
Description
技术领域
本发明属于生态水文学领域，具体涉及一种固沙植被的生态水文阈值计算方法。
背景技术
为了有效遏制风沙危害，防止沙化土地进一步扩张，国家先后在风沙危害区启动了“三北”防护林建设、退耕还林和京津风沙源治理等以人工植被建设作为主要生态修复措施的一批重大生态建设工程。利用植物固沙，建立固沙植被是遏制风沙危害，控制沙漠化和区域生态重建恢复的重要手段与途径。60年来，中国在北方风沙危害区累计营建以防沙固沙为主的人工植被达600万公顷，构建了重要生态屏障，有效地控制了风沙危害，促进了沙化土地的恢复，取得了举世瞩目的成就。然而，实践中也出现了很多问题，固沙植被建立几十年后一些沙区的植被大面积退化，地下水位下降，甚至在原来的固沙植被区也出现了新的沙化。如何维持植被的稳定性和防风固沙效益的可持续性成为沙区生态重建与恢复所面临的巨大挑战。因此，开展我国不同生物气候带固沙植被区生态过程、水文过程及二者之间的互馈机理的研究，揭示一个能够表征该地区固沙植被生态系统演变规律及准确刻画其演变的机理，是解决上述问题的关键。
人工植被有别于天然植被，后者是长期适应区域或局地气候条件和土壤环境的产物，在干扰较小的情况下具有较高的稳定性，而人工植被是人为建立且具有明确目的或用途的，其稳定性需要通过适宜的人为调控或生态系统管理才能实现，而阈值是生态系统管理或调控必需面对的一个客观实际需求，即必须了解在什么样的阈值范围内人工植被是稳定的，反之，植被会发生退化或演变，系统向另外一种状态发生转移。在区域气候不发生显著变化的情景下，突破阈值下限引发的状态转移往往会导致防风固沙效益的不可持续。因此，探讨一个能够量化的固沙植被的生态水文阈值是人工植被系统管理和调控的重要前提和实践需求。
植被生态过程和土壤水文过程互馈互调的作用机理：较高的土壤含水量支持较高的灌木盖度，反之较低的含水量对应较低灌木盖度。在区域气候变异较小，特别是降水在一定范围内波动时，植被中灌木盖度的增加必然导致土壤含水量的下降，两者呈负相关关系，但这种变化在给定的生态水文阈值范围内属于“量变”，当突破阈值时，如灌木盖度增加超过阈值上限时，土壤水分下降至阈值下限，即突破了其承载的极限，植被就发生退化(优势种群发生替代，属于“质变”)，直接影响到固沙的生态效益和效果。由此可见，生态水文阈值的界定为现有固沙植被稳定性维持和未来植被建设和管理提供科学依据，可以对退化的植被系统进行生态系统管理来调节沙地系统的水分平衡，以实现防风固沙和生态恢复效益的持续发展。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够量化固沙植被的生态水文阈值，利于调控管理人工植被系统的固沙植被的生态水文阈值计算方法。
本发明提供了一种固沙植被的生态水文阈值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将地表划分成包含固沙植被斑块、空斑块的斑块，将固沙植被划分为草本植物、灌木幼苗和成年灌木，草本植物、灌木幼苗和成年灌木在斑块中没有重叠，斑块中植被的动态变化取决于空斑块上固沙植被的增长率和固沙植被斑块上固沙植被的死亡率，斑块被固沙植被所占据的比例称为固沙植被的盖度。
耦合固沙植被盖度动态和土壤水分动态，建立固沙植被的生态水文阈值模型，表示为：
其中，t表示时间，
S表示土壤水分，
H表示草本植物的盖度，Y表示灌木幼苗的盖度，W表示成年灌木的盖度，0≤H+Y+W≤1，
dH表示草本植物的死亡率，
dY表示灌木幼苗的死亡率，
dW表示成年灌木的死亡率，
gH(S)表示草本植物的增长率，
gW(S)表示成年灌木的增长率，
gH(S)H(1-W-H)表示草本植物侵占空斑块的比例，
dHH表示草本植物由于死亡变为空斑块的比例，
gW(S)W表示灌木幼苗侵占空斑块的比例与成年灌木的盖度成正比，
(1-W-H-Y)表示灌木幼苗只能在空斑块中的繁殖，
gY表示灌木幼苗以增长率g长成成年灌木，其中灌木幼苗的增长率g是一个常数，
gH(S)HY表示灌木幼苗被草本植物所取代的比例，与灌木幼苗和草本植物的盖度成正比，
dYY表示灌木幼苗斑块由于死亡变为空斑块的比例，
dWW表示成年灌木死亡的比例，
n表示土壤的空隙度，
R表示以天为尺度的随机降水时间序列，
ZR表示植物根际层的有效深度，
I(S,R)表示土壤水分的入渗率，
E0(S)表示裸地的蒸发量，
EW(S)表示植被斑块中成年灌木的蒸发量，
EY(S)表示植被斑块中灌木幼苗的蒸发量，
EH(S)表示植被斑块中草本植物的蒸发量，
L(S)表示土壤水分的渗漏率，
步骤2，以天为尺度的降水时间序列产生方法为：根据一个服从均匀分布的年均降水量P序列，利用降水强度α(服从指数分布)和降水持续时间γ(服从泊松分布)产生不同的连续的以天为尺度的降水时间序列。
基于降水强度α和降水持续时间γ，计算降水间隔λ，具体采用下式计算：
其中，P表示年均降水量，
N表示生长季的长度，
α表示降水强度，
λ表示降水间隔，
γ表示降水持续时间，
步骤3，利用以天为尺度的降水时间序列，运用固沙植被的生态水文阈值模型计算固沙植被的生态水文阈值。
进一步，在本发明提供的固沙植被的生态水文阈值计算方法中，还可以具有这样的特征：其中，草本植物的增长率gH(S)和成年灌木的增长率gW(S)用gi(S)表示，其中，i＝W表示成年灌木，i＝H表示草本植物，
gi(S)采用下式计算：
其中，S表示土壤水分，sw,i表示萎焉点，smc,i表示固沙植被的最大增长点，gmax,i表示固沙植被的最大增长率。
进一步，在本发明提供的固沙植被的生态水文阈值计算方法中，还可以具有这样的特征：其中，土壤水分的入渗率I(S,R)采用下式计算：
其中，S表示土壤水分，Δt表示降水的持续时间，n表示土壤的空隙度，
ZR表示植物根际层的有效深度，
R表示以天为尺度的随机降水时间序列。
进一步，在本发明提供的固沙植被的生态水文阈值计算方法中，还可以具有这样的特征：其中，裸地的蒸发量E0(S)采用下式计算：
其中，S表示土壤水分，sh表示吸湿点，sfc表示田间持水量，Efc表示最大裸地蒸发量。
进一步，在本发明提供的固沙植被的生态水文阈值计算方法中，还可以具有这样的特征：其中，植被斑块中成年灌木、灌木幼苗和草本植物的蒸散量EW(S)、EY(S)和EH(S)用Ei(S)表示，其中，i＝W表示成年灌木，i＝Y表示灌木幼苗，i＝H表示草本植物，Ei(S)采用下式计算：
其中，S表示土壤水分，
Sfc表示田间持水量，
Sh表示吸湿点，
Sw,i表示萎焉点，
Si *表示气孔打开时对应的土壤水分点，
Efc表示在Sfc处土壤的蒸腾率，
Ew,i表示三种类型的植被在萎焉点时对应的蒸散量，其中，i＝W表示成年灌木，i＝Y表示灌木幼苗，i＝H表示草本植物，
Emax,i三种植被类型的最大蒸散量，其中，i＝W表示成年灌木，i＝Y表示灌木幼苗，i＝H表示草本植物。
进一步，在本发明提供的固沙植被的生态水文阈值计算方法中，还可以具有这样的特征：其中，土壤水分的渗漏率L(S)采用下式计算：
其中，β＝2b+4，b表示土壤的孔径分布指数，
sfc表示田间持水量，
S表示土壤水分，
Ks表示最大饱和导水率。
进一步，在本发明提供的固沙植被的生态水文阈值计算方法中，还可以具有这样的特征：其中，固沙植被的生态水文阈值的区间下限和区间上限分别取第5％分位数和第95％分位数。
本发明的优点如下：
根据本发明所涉及的一种固沙植被的生态水文阈值计算方法，通过建立耦合固沙植被盖度和土壤水分的生态水文模型，利用蒙特卡洛方法产生以天为尺度的降水时间序列，量化出不同区域固沙植被的生态水文阈值，为人工植被系统的生态系统管理、沙地系统水分平衡的调节提供了科学的计算依据，对生态恢复效益的持续发展具有积极的意义。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例对本发明的固沙植被的生态水文阈值计算方法作具体阐述。
固沙植被的生态水文阈值计算方法通过建立耦合植被盖度和土壤水分的生态水文模型，利用蒙特卡洛方法产生以天为尺度的降水时间序列，从而进一步给出固沙植被的生态水文阈值。本实施例中，固沙植被的生态水文阈值计算方法包括以下3个步骤：
步骤1，将地表划分成包含固沙植被斑块、空斑块的斑块，将固沙植被划分为草本植物、灌木幼苗和成年灌木，草本植物、灌木幼苗和成年灌木在斑块中没有重叠，斑块中植被的动态变化取决于空斑块上固沙植被的增长率和固沙植被斑块上固沙植被的死亡率，斑块被固沙植被所占据的比例称为固沙植被的盖度。
耦合固沙植被盖度动态和土壤水分动态，建立固沙植被的生态水文阈值模型，表示为：
固沙植被的生态水文阈值模型中参数的含义、取值、单位，详见表1。
其中，t表示时间，
S表示土壤水分，
H表示草本植物的盖度，Y表示灌木幼苗的盖度，W表示成年灌木的盖度，0≤H+Y+W≤1，
dH表示草本植物的死亡率，
dY表示灌木幼苗的死亡率，
dW表示成年灌木的死亡率，
gH(S)表示草本植物的增长率，
gW(S)表示成年灌木的增长率，
gH(S)H(1-W-H)表示草本植物侵占空斑块的比例，
dHH表示草本植物由于死亡变为空斑块的比例，
gW(S)W表示灌木幼苗侵占空斑块的比例与成年灌木的盖度成正比，
(1-W-H-Y)表示灌木幼苗只能在空斑块中的繁殖，
gY表示灌木幼苗以增长率g长成成年灌木，其中灌木幼苗的增长率g是一个常数，
gH(S)HY表示灌木幼苗被草本植物所取代的比例，与灌木幼苗和草本植物的盖度成正比，
dYY表示灌木幼苗斑块由于死亡变为空斑块的比例，
dWW表示成年灌木死亡的比例，
n表示土壤的空隙度，
R表示以天为尺度的随机降水时间序列，
ZR表示植物根际层的有效深度，
I(S,R)表示土壤水分的入渗率，
E0(S)表示裸地的蒸发量，
EW(S)表示植被斑块中成年灌木的蒸发量，
EY(S)表示植被斑块中灌木幼苗的蒸发量，
EH(S)表示植被斑块中草本植物的蒸发量，
L(S)表示土壤水分的渗漏率，
草本植物的增长率gH(S)和成年灌木的增长率gW(S)用gi(S)表示，其中，i＝W表示成年灌木，i＝H表示草本植物，
gi(S)采用下式计算：
其中，S表示土壤水分，sw,i表示萎焉点，smc,i表示固沙植被的最大增长点，gmax,i表示固沙植被的最大增长率。
土壤水分的入渗率I(S,R)采用下式计算：
其中，S表示土壤水分，Δt表示降水的持续时间，n表示土壤的空隙度，
ZR表示植物根际层的有效深度，
R表示以天为尺度的随机降水时间序列。
裸地的蒸发量E0(S)采用下式计算：
其中，S表示土壤水分，sh表示吸湿点，sfc表示田间持水量，Efc表示最大裸地蒸发量。
植被斑块中成年灌木、灌木幼苗和草本植物的蒸散量EW(S)、EY(S)和EH(S)用Ei(S)表示，其中，i＝W表示成年灌木，i＝Y表示灌木幼苗，i＝H表示草本植物，Ei(S)采用下式计算：
其中，S表示土壤水分，
Sfc表示田间持水量，
Sh表示吸湿点，
Sw,i表示萎焉点，
Efc表示在Sfc处土壤的蒸腾率，
Ew,i表示三种类型的植被在萎焉点时对应的蒸散量，其中，i＝W表示成年灌木，i＝Y表示灌木幼苗，i＝H表示草本植物，
Emax,i三种植被类型的最大蒸散量，其中，i＝W表示成年灌木，i＝Y表示灌木幼苗，i＝H表示草本植物。
土壤水分的渗漏率L(S)采用下式计算：
其中，β＝2b+4，b表示土壤的孔径分布指数，
sfc表示田间持水量，
S表示土壤水分，
Ks表示最大饱和导水率。
表1固沙植被的生态水文阈值模型中参数的含义、取值、单位
步骤2，以天为尺度的降水时间序列产生方法为：根据一个服从均匀分布的年均降水量P序列，利用降水强度α(服从指数分布)和降水持续时间γ(服从泊松分布)产生不同的连续的以天为尺度的降水时间序列。
基于降水强度α和降水持续时间γ，计算降水间隔λ，具体采用下式计算：
其中，P表示年均降水量，
N表示生长季的长度，
α表示降水强度，
λ表示降水间隔，
γ表示降水持续时间。
本实施例中，以天为尺度的降水时间序列产生方法基于如下3个假设：(1)大气降水是土壤水分的主要来源，降水事件只发生的植被的生长季，生长季的长度N是一个固定的常数。尽管一部分降水事件也会发生在非生长季，假定这部分降水被转化为土壤水分，被转化的土壤水分在生长季会被吸收和利用。(2)没有考虑火、放牧和其他干扰因素对生态系统的影响。尽管火因子是干旱生态系统中的一个非常重要的限制因素，但是它通常发生在年降水量比较高且存在持续干旱的地区。火因子的干扰在我们的研究区很少发生。其他干扰因素(如放牧和养分限制等)可以看作隐含在模型中增长率和死亡率的表达式中。(3)植物有效根际层的土壤水分(0～150cm)和其下方土层(大于150cm)及地下水之间没有交互作用。主要因为研究区中地下水埋深要比有效根际层的深度深。在有明显水力提升和地下水补给的地区，模型的应用将会受到一定的限制。
步骤3，利用以天为尺度的降水时间序列，运用固沙植被的生态水文阈值模型计算固沙植被的生态水文阈值。
固沙植被的生态水文阈值的上限和下限受到当地气候、土壤质地和环境等因素的影响，在应用生态水文阈值时需结合当地独特的地理环境因素综合确定。本实施例中，优选固沙植被的生态水文阈值的区间下限和区间上限分别取第5％分位数和第95％分位数。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
Claims (4)
1.一种固沙植被的生态水文阈值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将地表划分成固沙植被斑块和空斑块两种类型，其中，固沙植被划分为草本植物、灌木幼苗和成年灌木，所述草本植物、灌木幼苗和成年灌木在植被斑块中没有重叠，所述固沙植被斑块中植被的动态变化取决于所述空斑块上固沙植被的增长率和所述固沙植被斑块上固沙植被的死亡率，所述固沙植被斑块被固沙植被所占据的比例称为固沙植被的盖度，在以天为尺度的随机降水序列驱动下，通过耦合固沙植被盖度动态和土壤水分动态，建立固沙植被的生态水文阈值模型，表示为：
其中，t表示时间，
S表示土壤水分，
H表示草本植物的盖度，Y表示灌木幼苗的盖度，W表示成年灌木的盖度，
dH表示草本植物的死亡率，
dY表示灌木幼苗的死亡率，
dW表示成年灌木的死亡率，
gH(S)表示草本植物的增长率，
gW(S)表示成年灌木的增长率，
gH(S)H(1-W-H)表示草本植物侵占空斑块的比例，
dHH表示草本植物由于死亡变为空斑块的比例，
gW(S)W表示灌木幼苗侵占空斑块的比例与成年灌木的盖度成正比，
(1-W-H-Y)表示灌木幼苗只能在空斑块中的繁殖，
gY表示灌木幼苗以增长率g长成成年灌木，其中灌木幼苗的增长率g为常数，
gH(S)HY表示灌木幼苗被草本植物所取代的比例，与灌木幼苗和草本植物的盖度成正比，
dYY表示灌木幼苗斑块由于死亡变为空斑块的比例，
dWW表示成年灌木死亡的比例，
n表示土壤的空隙度，
R表示以天为尺度的随机降水时间序列，
ZR表示植物根际层的有效深度，
I(S,R)表示土壤水分的入渗率，
E0(S)表示裸地的蒸发量，
EW(S)表示植被斑块中成年灌木的蒸发量，
EY(S)表示植被斑块中灌木幼苗的蒸发量，
EH(S)表示植被斑块中草本植物的蒸发量，
L(S)表示土壤水分的渗漏率，
步骤2，以天为尺度的降水时间序列产生方法为：根据一个服从均匀分布的年均降水量P序列，利用降水强度α和降水持续时间γ产生不同的连续的以天为尺度的降水时间序列，
基于降水强度α和降水持续时间γ，计算降水间隔λ，具体采用下式计算：
其中，P表示年均降水量，
N表示生长季的长度，
α表示降水强度，服从参数为α指数分布，
γ表示降水的持续时间，服从参数为γ的泊松分布，
λ表示降水间隔，
步骤3，利用以天为尺度的降水时间序列，运用固沙植被的生态水文阈值模型计算固沙植被的生态水文阈值；
利用不同地区降水强度α和降水持续时间γ的取值范围，产生连续的以天为尺度的降水时间序列驱动模型；通过改变产生随机数种子的初始值，产生不同的随机降水时间序列，以此来消除随机降水序列对模型模拟结果中植被盖度和土壤水分动态的影响；
所述草本植物的增长率gH(S)和所述成年灌木的增长率gW(S)用gi(S)表示，其中，i＝W表示成年灌木，i＝H表示草本植物，
所述gi(S)采用下式计算：
其中，S表示土壤水分，sw,i表示固沙植被的萎焉点，smc,i表示固沙植被的最大增长点，gmax,i表示固沙植被的最大增长率；
所述土壤水分的入渗率I(S，R)采用下式计算：
其中，S表示土壤水分，Δt表示降水的持续时间，n表示土壤的空隙度，
ZR表示植物根际层的有效深度，
R表示以天为尺度的随机降水时间序列；
所述植被斑块中成年灌木、灌木幼苗和草本植物的蒸散量EW(S)、EY(S)和EH(S)用Ei(S)表示，其中，i＝W表示成年灌木，i＝Y表示灌木幼苗，i＝H表示草本植物，Ei(S)采用下式计算：
其中，S表示土壤水分，
sfc表示土壤的田间持水量，
sh表示土壤的吸湿点，
sw,i表示三种植被类型的萎焉点，其中，i＝W表示成年灌木，i＝Y表示灌木幼苗，i＝H表示草本植物，
Efc表示土壤水分达到田间持水量sfc时土壤的蒸腾率，
Ew,i表示三种类型的植被在萎焉点时对应的蒸散量，其中，i＝W表示成年灌木，i＝Y表示灌木幼苗，i＝H表示草本植物，
Emax,i三种植被类型的最大蒸散量，其中，i＝W表示成年灌木，i＝Y表示灌木幼苗，i＝H表示草本植物。
2.根据权利要求1所述的固沙植被的生态水文阈值计算方法，其特征在于，所述裸地的蒸发量E0(S)采用下式计算：
其中，S表示土壤水分，sh表示土壤的吸湿点，sfc表示土壤的田间持水量，Efc表示最大裸地蒸发量。
3.根据权利要求1所述的固沙植被的生态水文阈值计算方法，其特征在于，所述土壤水分的渗漏率L(S)采用下式计算：
其中，β＝2b+4，b表示土壤的孔径分布指数，
sfc表示田间持水量，
KS表示最大饱和导水率。
4.根据权利要求1所述的固沙植被的生态水文阈值计算方法，其特征在于，所述固沙植被的生态水文阈值的区间下限和区间上限分别取稳定状态下该地区植被盖度和土壤水分的第5％分位数和第95％分位数。
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