青藏高原高寒草甸区包气带水分转化机制研究

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1、分类号：P64210710-BS2006112博士学位论文青藏高原高寒草甸区包气带水分转化机制研究乔冈导师姓名职称王文科教授申请学位类别工学博士学科专业名称地质工程论文提交日期2018年4月6日论文答辩日期2018年6月6日学位授予单位长安大学WaterTransformationMechanismofVadoseZoneinAlpineMeadowofQinghai-TibetPlateauADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorCandidate：QiaoGangSupervis

2、or：Prof.WangWenkeChang’anUniversity,Xi’an,China论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：年月日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专

3、利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。（涉密论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名：年月日导师签名：年月日本论文的研究工作得到国家自然科学基金项目“旱区地表地下水系统水循环及界面动力学研究”（41230314）及中国地质大调查项目“青海矿业开发地质环境效应研究”工作项目（1212011220224)的联合资助。摘要包气带水分转化界面动力学一直是植被生态环境、水文地质领域研究的热点和难点问题。本文以青藏高原高寒草甸（草场）区为典型研究区，以包气带水分为研究对象，以土-

4、气界面、土-根界面以及冻融锋面水分转化为主线，采用收集资料，野外调查，原位试验与数值模拟相结合的方法，开展青藏高原高寒草甸区包气带水分转化机制研究，取得以下几方面成果：（1）通过分析包气带剖面上不同时间含水率、总水头变化规律，结合外界气象要素变化，利用包气带水热运移力学理论，将青藏高原高寒草甸区包气带水分转化动力学过程划分为固态水潜热蓄积，固态水融化向液态水转化，液态水同气态水相互频繁转化，液态水冻结向固态水转化等4个阶段，对于正确理解包气带水分转化动力学过程具有重要意义。（2）依据包气带剖面上不同埋深地温梯度变化规律，结合外

5、界气象要素变化，利用热力学传输理论，分析了包气带热量收支热力学过程，包气带剖面不同埋深处热通量收支状况同外界气温变化趋势基本保持一致，在3月初至9月底，上边界地表的热通量为正值，包气带处于从外界吸热状态，反之，包气带处于散热状态；每年3、10月份分别属于包气带吸热、放热的转折时期，而6、12月份分别属于包气带吸热、放热的极值时期；在此基础上，探索了获取包气带热量收支平均气温阈值的方法，建立了平均气温同包气带近地表热通量的相关关系，确定了包气带热量收支平均气温阈值-0.73℃，这对于极端低温环境区外界气温的变化对冻土区活动层厚度

6、及水分固、液态相互转化量的研究具有重要意义。（3）水均衡量分析表明现状年试验区包气带水均衡接近于收支平衡；降水入渗包气带后的水分进行了重新分配，受蒸发作用影响，部分包气带水返回大气，受根系吸水作用影响，部分包气带水被草甸根系吸收腾发，受包气带储水作用影响，部分水分为维持包气带固有持水量而滞留在包气带中，受自身重力作用影响，剩余的水分则向包气带深层排泄，揭示了包气带表土入渗量的动态分配机理，为高寒区包气带水分涵养提供理论支撑。（4）利用彭曼公式计算参考作物蒸腾量的基础上，依据包气带水分均衡原理，对试验区实际蒸腾量进行计算，结果表

7、明：实际蒸腾量占参考作物蒸腾量的68%，在此基础上，计算了试验区5月份作物系数0.18，6-8月份作物系数0.9，9月份作物系数0.38，i对计算地区作物实际蒸腾量具有重要借鉴意义。（5）在基于不同环境区包气带水分转化机制研究的基础上，明确了高寒草甸生长是否受到水分胁迫的判别依据，建立了根系吸水强度同水分胁迫指数的相关关系，确定了高寒区草甸生长水分胁迫指数阈值0.43；而试验区计算水分胁迫指数0.68，以此为依据可知现状条件下高寒草甸生长不会受到水分胁迫，仅受到地区低温胁迫，且低温胁迫时间分布在6月上半月和9月中旬以后。（6）

8、利用构建的模型对根系吸水强度进行了定量计算，试验区草甸根系吸水强度是169.1mm/a；不同埋深根系耗水强度分别为0-0.05m处是108.4mm/a，0.05-0.1m处是44.1mm/a，0.1-0.2m处是16.6mm/a，0.2m以下是0mm/a；在此基础上，利用对数