1　绪论

1.1　概述

生态环境是人类赖以生存和发展的主要空间,目前全球生态环境的恶化强度和频率以前所未有的速度发展,人类正在渐渐失去许多宝贵的动植物资源和珍贵的土地资源,日渐恶化的环境正在吞噬着人类的生存空间,严重威胁到人类的生活和生存发展。植被维系着生态环境系统的安全,而植被需水量决定它的生长发育态势,水分在植物生命活动中扮演着重要的角色,植物的一切正常生命活动只有在一定的水分条件下才能进行。对于干旱区来讲,水更是制约因素,植被需水的研究涉及水文、气象、土壤、植物等多种交叉学科。

20世纪初,浑善达克还是一片肥美的草原,植物繁茂,物种丰富,水分条件好、沙地固定程度高。但是最近三四十年,由于自然因素、人为因素的双重影响,沙地植被遭到严重破坏,丘间低地草场严重退化,流动沙丘面积逐年增加,已由1960年的178km2增加到目前的2970km2,平均每年增长70km2。进入90年代以来,流动沙丘面积每年增加143km2。植被覆盖度已由60年代的阳坡30%～40%、阴坡60%～70%减少到现在的阳坡不到10%、阴坡30%～40%,特别是位于沙地内部的一些夏营盘,已成为光裸不毛的沙海,沙地产草量下降50%～70%。浑善达克沙地生态环境的恶化,使生活在沙地中的20万牧民面临失去家园的危险。在中国多个沙尘暴起源地之中,浑善达克沙尘暴源区对首都北京市的危害最重,影响最大,源于河西走廊和阿拉善地区的沙尘暴,风力达到十级、风速达到25m/s,沙尘持续三四天才能刮到北京,而源于浑善达克沙地的沙尘暴,当风力达到8级、风速达到17m/s时,6h沙尘就可刮到北京,严重威胁着首都的发展。

草原牧区的严重超载、气候的变化、水资源的不合理利用,以及农牧交错区的滥垦、滥牧、不合理的种植结构和耕作制度是造成大面积草场退化甚至沙化的主要原因。为恢复和重建人类赖以生存的生态环境,需要了解和掌握生态系统的需水规律,从可持续发展的角度确立人与自然和谐共存的发展方针,遵循自然规律,有效地开展生态环境建设。为此,必须准确地估算植被的蒸腾蒸发量,以陆地生态系统的水分平衡为依据,研究水在土壤-植被-大气连续大系统中的运移规律,确定植被耗水量,合理配置区域水资源,促进经济社会发展。

蒸散是土壤-植物-大气系统内连续而复杂的过程,已形成跨气象、水文、地球科学、农业和生态等多学科的前沿综合研究内容。蒸散是一定时段内作物蒸腾和土壤棵间蒸发之和,它与气象因素、土壤的供水状况以及作物种类和长势有关。以气象学为基础模拟作物蒸散的研究最为活跃并取得系列成果,其中包括不同精度的理论、公式与计算模型等。然而,蒸散所涉及的基础过程多而复杂,对这些过程的认识有待于进一步的深化。

模拟蒸散发的物理过程、估算植物蒸散量是进行生态系统水资源评价和管理的重要手段。目前,蒸散估算方法主要问题在于:首先,对蒸散的模拟基本上是将气象因素和土壤水分状况与作物的影响因素独立开来,模型多是在充分供水的情况下来估算蒸散量,水分胁迫下的蒸散估算方法涉及不多;虽然在FAO-P-M公式中涉及了作物生理特征的内容,但也只是从水汽传输阻力的角度来说明气孔对蒸散的影响,没能深入揭示作物本身形态结构和生理状况是如何来影响蒸散的;其次,综合模型所需参数较多,计算复杂,且数据的获取也有困难,不易推广,同时由于气象数据观测精度不够,常常使得估算值严重偏离真值。鉴于上述问题,本书的研究内容主要包括以下几个方面。

(1)在试验实测数据的基础上,深入研究人工牧草、天然牧草蒸散的物理机制和生理机制,模拟叶片气孔导度与各主要环境因子间的响应关系,建立气孔导度-光合作用-蒸腾耦合模型,模拟计算人工牧草冠层尺度和天然牧草群落尺度的蒸散量。在此基础上,提出应用能量平衡模型和气孔导度模型的耦合模型来估算模拟人工牧草冠层尺度、天然牧草群落尺度的蒸散量的方法。

(2)应用FAO-56推荐的二元作物系数模型模拟计算人工牧草的蒸散量,比较国际上通用的三种方法的优劣性,讨论各方法的适用条件和范围,并确定各种人工牧草基本作物系数的地区值。

(3)应用SWAP模型模拟田间尺度的土壤水分运移规律和蒸散发规律,摸清人工牧草三水转化的机理。

(4)在掌握人工牧草蒸散发规律的基础上,分析人工牧草需水量与干草产量、人工牧草需水量与水分利用效率以及人工牧草需水量与边际产量的关系,建立人工牧草的非充分灌溉制度和高效率用水灌溉制度。