次降雨特征与植被变化对半干旱黄土区土壤水分补充的协同影响

Water is the main limiting factor of the ecological restoration in the Loess Plateau, and the vital and core strategy for the sustainable development of vegetation is to improve the soil water recharge with the natural precipitation. The conflicting of ecological in semiarid becomes greater due to more soil water consumption of improved vegetation and more rainfall interception of its denser canopy that could reduce the recharge of soil moisture. The process of precipitation, interception and soil water will be much more complex if we considering the factor of climate change. The purpose of this project is to discover the synergic effect and mechanism of changes of rainfall events and vegetation restoration on soil water recharge of rainfall in the semiarid regions of the Loess plateau. The typical arbor forests and shrubs on the slops are selected to describe the process of microclimate, the coverage of canopy and litter relating, and their interception, etc. The relationships between characters of rainfall events, canopy, litter and the interception will be analyzed to draw the inner mechanism of this hydrological process. The models will be developed to describe the complex relationship and to assess the importance of rainfall interception on the recharge of soil water under the condition of characters of rainfall event and ecological restoration. The result would deepen our knowledge on the hydrological process and sustainability of re-vegetation and water management.

水是黄土高原生态恢复的主要限制因素，而提高有限天然降水对土壤水补充量是该区植被可持续发展的核心。大规模植被恢复一方面增了土壤水消耗，同时冠层与枯落物截留量增加会减少土壤水补充，加之气温升高和次降水特征等气候变化影响，降雨-截留-土壤水过程更为复杂。为揭示气候波动和植被恢复对半干旱黄土区土壤水分补充的协同影响程度、过程与机制，以黄土丘陵区安塞县纸坊沟小流域的典型乔木林和灌木林坡地为研究对象，采用传统方法与遥感定位观测方法对不同对照组的气象、植被冠层与枯落物及其截留量变化过程动态监测，分析次降雨特征、冠层盖度和生物量、枯落物层厚度与重量等截留影响要素与冠层与枯落物截留量动态变化特征，建立气候要素与不同处理的冠层与枯落物截留量关系模型，揭示次降雨特征与植被与枯落物特征对降雨-土壤水形成的影响机理。该研究可促进对半干旱区植被水文过程的深入认识，并为气候变化背景下生态恢复和水资源管理提供参考。

黄土高原地区大规模植被恢复能够有效控制水土流失，但会引起土壤水分过耗，生态系统退化风险加剧；同时植被快速恢复过程中冠层和枯落物截留增加，会导致土壤水分补给减少，在降雨量和降雨强度较小时影响更大，必然进一步加剧土壤旱化，为此开展次降雨特征与植被变化对半干旱黄土区土壤水分补充的协同影响研究，探讨黄土高原旱区植被可持续管理方法和途径。主要研究结果包括：（1）黄土高原植被速度快，1999年-2019年期间植被盖度从32%增加到65%，区域平均地表气温下降了0.05℃，其中地表蒸发潜热是降温的主要原因之一；植被生长和蒸发损失导致区域土壤水减少，而且其影响程度降雨量增大而减小；（2）黄土高原次降雨主要是短历时降雨和小雨，约占到总降雨事件的70%，而且近些年大雨和暴雨呈减少趋势，降雨量和降雨频率与植被发育时间同步，树冠截留量可达到次降雨的25%左右；通过砍伐枝叶等冠层管理技术，到达地表的降水每年可望增加30-60mm；（3）监测期间刺槐林地、柠条林地和荒地0-300 cm剖面平均土壤含水量分别为6.88%、7.55%和28.05%，远离树干处的土壤水分含量更高，刺槐林地土壤水衰减层约为0-80 cm，比柠条林地和荒地深；刺槐林叶面积指数最大，树冠截留量也相应多，土壤水分补给相对少；（4）黄土高原地区植被截留降水的数量与盖度密切相关，在东南年降雨量500 mm和更多地区约为10%-25%左右（年均约60-125 mm），在中部年降雨量350-500 mm地区年林冠截留量普遍降水量的12%-30%左右（年均约48-120 mm），林冠截留对土壤水分补给和区域水循环均有巨大影响。该研究提出次降雨特征与植被恢复对降雨-土壤水形成的影响机理，评估了生态恢复过程中植被变化和次降雨特征变化的协同作用对土壤水分补充的影响程度，可以为区域林灌草植被配置、高覆盖度植被冠层管理、土壤水分匮缺调控对策制定和流域水沙调控等技术研发提供科学依据。