干旱区绿洲农田防护林耗水规律研究

Abstract

干旱区绿洲防护林是绿洲农业生态安全的维护屏障，具有改善近地面气候条件、减少或消除风沙危害、促进植被恢复和提高绿洲生产力等功效。在气候条件和人类活动等综合影响下，玛纳斯流域绿洲出现地下水位下降严重、降雨量减少等现象，绿洲内农田防护林出现大面积衰退现象，威胁着绿洲农林系统的持续稳定发展。本研究以气象要素变化和土壤水分变化为出发点，分析玛纳斯绿洲农田防护林主要树种小叶杨的边材液流变化规律、蒸腾耗水和冠层导度特征，探索该区域林木蒸腾耗水的影响因子与林木耗水的关系，寻找农田防护林衰退的原因；通过冠层导度和冠层蒸腾模拟，辨明影响因子与冠层导度和冠层蒸腾的关系；在水资源协调策略上，通过构建SPAC模型，模拟不同林龄及灌溉管理制度下农田防护林的水量平衡，提出相应的的灌溉管理策略；最后探讨玛纳斯流域绿洲农林生态系统水资源管理的结构和模式，建议玛纳斯河流域绿洲农田水资源的合理配置。 通过研究得出以下主要结论：(1)太阳辐射、空气温度、风速与水汽压亏缺与防护林蒸腾耗水呈正相关，而相对湿度与林木蒸腾耗水呈负相关，并可用多元线性方程描述：Tr=0.034T-0.027RH+0.26W-0.150P+0.029R+3.197，R2=0.86。 (2)在整个作物生长季，从日尺度考虑，气孔调节在控制防护林蒸腾耗水中占据主导地位。在土壤干旱、极度干旱和湿润的情况下，环境因子在中午对防护林蒸腾耗水的控制起主要作用，并且控制作用呈现出湿润>极度干旱>干旱；而在日进程中，气孔对蒸腾耗水控制的强度上午最高，并逐渐下降，中午时达到最低，而后下午控制强度逐渐提升，呈现出‘U’型变化趋势，相反，环境对蒸腾耗水的控制呈现出一个倒‘U’型。 (3)农田防护林小叶杨冠层导度也受到太阳辐射、水汽压亏缺、相对湿度、温度、风速和土壤水分影响。冠层导度与太阳辐射存在很好的正相关，在0.01水平上相关系数达到0.47，而与空气相对湿度和水汽压亏缺存在明显的负相关，相关系数分别为-0.614和-0.358(0.01)。冠层导度与太阳辐射成幂指数关系：gc=a*ebRn，与空气相对湿度的关系体现为方程：gc=-a*Ln(RH)+b，与水汽压亏缺的关系表现为：gc=-a*Ln(VPD)+b，而风速与冠层导度之间则具有二项式的关系：gc=a*wind2 + b*wind +c，冠层导度与土壤水分关系表现为分段函数特征，关系为：gc＝gcmax/[1+(REW/REW50)k]，REW低于0.4时，冠层导度迅速下降。 (4)基于Jarvis冠层导度计算公式与Penman-Monteith蒸散计算公式，建立了防护林蒸腾耗水模型，检验结果表明，模型可有效计算不同土壤水分和气象环境下的林木蒸腾耗水。基于此模型，本研究给出了玛纳斯河绿洲不同林龄杨树防护林在不受水分胁迫条件下的蒸腾耗水量计算公式：Tr=847-844/[1+(x/87.9)1.9] (Tr：年蒸腾耗水量；x：树龄)，并给出了土壤水分胁迫下蒸腾耗水的变化规律：土壤有效含水量(REW)的关系：Tr=Tr1/[1+e-60.67*(REW-0.402)](Tr:不同REW下蒸腾耗水量；REW：土壤有效含水量)。 (5)基于农田防护林系统水分运动构建农田防护林SPAC模型，经实测数据检验，模型能够较好地反映防护林土壤水分动态与蒸腾耗水规律；情景分析显示玛纳斯河绿洲，从幼期到成熟期的年灌溉额度分别是352mm、398.5mm、432mm和398.5mm，选择次灌溉量分别是30mm、60mm、90mm和90mm