地下水位变化对塔里木河下游柽柳灌丛耗水和生长过程的影响

Groundwater table is the key factor cotrolling the growth and water consumption of desert riparian vegetation in the lower reach of Tarim river. The investigations about the impacts of groundwater table variations on the evapotranspiration and carbon assimilation processes of desert riparian vegetation can provide more intensive information about groundwater impacts on ecology and environments. They are also useful to the prediction of the trends and dynamics of ecological water requirment in lower reach of Tarim river. This project will be targeted at the Tamarix thickets, which is one of the main species among dersert riparian vegetations in lower reach of Tarim river. Through observing the water movements in the Groundwater-Soil-Plant-Air (GSPAC) system of Tamarix thickets, and developing a specific Groundwater-Soil-Vegetation-Air Tansfer model (GSVAT model), this project will be able to assess quantitatively the impact of groundwater table variations on environment, especially for the evapotranspiration and carbon assimilation processes of Tamarix thickets based on the GSVAT model. Considering the special characterization of GSPAC water movements and arid climatic environment, and the adaption of Tamarix to the special environment, this project focuses on the two critical water movement processes: groundwater evaporation process under plant growing condition, and the water-carbon exchange coupled process between plant and air under hyper-arid climate condition. Based on EALCO model code, considering the above-mentioned two critical processes, the project will develop a GSVAT model suitable to Tamarix water movement and growth in lower reach of Tarim river. Using local meteorological data and soil data, the project will reveal the evapotranspiration and carbon assimilation processes of Tamarix thickets under different groundwater tables and different seasons.

地下水位是影响塔里木河下游绿色走廊荒漠河岸林正常生长的关键因素。探讨地下水位变化对塔里木河下游荒漠河岸林耗水和生长过程的影响能为揭示河岸林需水量动态提供科学依据。本项目以柽柳灌丛为对象，拟通过构建完整的潜水-土壤-植物-大气系统（GSPAC）水热过程模型，基于模型分析定量评价地下水位动态变化对柽柳灌丛耗水过程和生长过程（碳同化过程）的影响。针对极端干旱的塔里木河下游荒漠河岸林水分垂直运移的特殊性，通过对GSPAC系统水热交换的全面观测，重点研究揭示柽柳自然生长条件的潜水蒸发过程规律及对植物根系和土壤水分的响应，以及植物冠层导度对水热交换过程的控制机制和水碳耦合过程。在此基础上改进已有EALCO生态模型代码，构建适合塔里木河下游柽柳河岸林的GSPAC水热过程模型。在当地气象数据和土壤数据的支持下，设置不同地下水位情景，通过模拟分析揭示不同季节、不同地下水位下柽柳灌丛的耗水过程规律和生长响应。

本项目针对极端干旱区河岸带植被的特殊生态水文过程特征，通过连续野外实验观测和基于陆面过程机理模型(EALCO模型)的模拟分析方法，揭示极端干旱区地下水-土壤-植物-大气系统(GSPAC)水分运动过程的特殊性，重点分析地下水位持续下降对地表蒸散过程的影响规律。主要发现：(1) 极端干旱区地表水热交换具有鲜明的特殊性：植被盖度与地表蒸散显著线性相关，盖度越大，蒸散量越大；蒸散的季节变化受植被物候的控制，气象要素主要影响日波动；土壤蒸发微弱；(2) 在一定的地下水埋深范围内，植被盖度与土壤含水量关系明显，但地下水是地表蒸散的水分来源，土壤水参与GSPAC水分运动不明显，这个结果暗示土壤水在极端干旱区生态水文过程中的作用机制并不体现在水分胁迫方面，有待进一步研究；(3)地下水位持续下降对地表蒸散过程的影响呈现出反S曲线形态，一个以地下水位下降速率为自变量的幂函数形式能很好地模拟这个影响过程；(4)地下水位下降的快慢对地表蒸散产生影响存在最小降速和最大降速两个水位变化关键阈值，水位变化关键阈值的大小主要受水位层土壤质地的影响，对地下水位初始埋深不敏感，表明在考虑地下水位下降对陆面蒸散和植物生长影响时，主要应关注土壤质地的差异，而地下水位初始埋深的作用并不大。本项目相关学术成果发表了SCI期刊论文5篇，国内核心期刊论文6篇，均发表在相关学科领域有影响的主流期刊。不同于以往主要针对干旱区生态水文空间格局和状态特征的研究，本项目专注于极端干旱区生态水文过程，通过高频度的连续观测和多情景的数值模拟分析，系统分析了极端干旱区特殊的生态水文过程特征，为深入认识极端干旱区生态水文学规律，及服务于干旱区水资源和生态系统管理提供了全新和重要的科学认识，推动了干旱区生态水文学研究的深入。