《胡楊根系吸水機(jī)理與模擬》以我國極端干旱區(qū)額濟(jì)納綠洲的胡楊根系為研究對(duì)象,重點(diǎn)研究了胡楊根系的吸水機(jī)理和吸水模型。系統(tǒng)介紹了我國學(xué)者關(guān)于胡楊的研究進(jìn)展、國內(nèi)外關(guān)于植物根系研究方法的發(fā)展和植物根系吸水模型的研究進(jìn)展。以分形理論為基礎(chǔ),分析了胡楊根系的分布規(guī)律以及根系生長(zhǎng)對(duì)土壤水分的響應(yīng);建立了胡楊根系吸水的一、二維數(shù)學(xué)模型;利用對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)基本方程的差分處理,通過對(duì)比土壤含水率的模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差,對(duì)所建胡楊根系吸水的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。
《胡楊根系吸水機(jī)理與模擬》可供水文水資源、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、生態(tài)環(huán)境等相關(guān)專業(yè)的高年級(jí)本科生、研究生和科研人員參考使用。
《胡楊根系吸水機(jī)理與模擬》以作者博士學(xué)位論文為基礎(chǔ),收集前人大量的研究成果并加以分析吸收,最終撰寫而成,著重介紹了作者在胡楊根系吸水及其模擬方面的工作與成果。將胡楊根系分為運(yùn)輸根系(d>0.2 cm)和吸水根系(d≤0.2 cm)進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明,胡楊運(yùn)輸根系具有分形結(jié)構(gòu),并確定了適宜胡楊根系生長(zhǎng)的土壤水分區(qū)間;胡楊吸水根系根長(zhǎng)密度分布也具有與果樹相似的規(guī)律,基本符合指數(shù)分布;建立了胡楊根系吸水的一維、二維模型,通過對(duì)比土壤含水率的模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差,對(duì)所建胡楊根系吸水的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,《胡楊根系吸水機(jī)理與模擬》所建胡楊根系吸水的模型在額濟(jì)納對(duì)生長(zhǎng)季的胡楊具有較高的可靠性。
20世紀(jì)80年代以來,隨著水資源匱乏成為世界面臨的重大問題,國際上對(duì)全球范圍的水循環(huán)與水資源問題的關(guān)注提升到前所未有的高度。而且,水問題研究已完全擺脫傳統(tǒng)意義上的純水文問題,而是與生態(tài)環(huán)境、全球變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及可持續(xù)發(fā)展密切結(jié)合。在我國西北干旱地區(qū),由于降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)開發(fā)、用水量增加,水資源短缺問題更為嚴(yán)重。既促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,縮小東西部差距,又維護(hù)和改善已經(jīng)十分脆弱的生態(tài)環(huán)境,是本地區(qū)當(dāng)前最主要的問題。干旱少雨的氣候條件導(dǎo)致的先天性水資源短缺、生態(tài)系統(tǒng)脆弱,加之人類對(duì)水土資源的不合理利用,是制約該地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。過去幾十年來,我國西北內(nèi)陸河流域水循環(huán)過程在氣候和人為雙重因素的影響下已發(fā)生了顯著變化,在水文要素上表現(xiàn)為冰川后退、雪線上升、湖泊萎縮乃至干枯,水資源量減少,并導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重退化。這一狀況既是人類活動(dòng)所產(chǎn)生的負(fù)面后果,又是全球氣候變化在我國西北干旱區(qū)的具體反映,但究其更深層次的原因,實(shí)際上是干旱區(qū)水文一生態(tài)系統(tǒng)耦合制約關(guān)系和演化規(guī)律的基礎(chǔ)性研究落后于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求所導(dǎo)致的必然結(jié)果。
胡楊林作為極端干旱區(qū)最重要的森林資源,是綠洲自然生態(tài)系統(tǒng)的主體,在維持生態(tài)安全方面有著不可替代的作用。但是由于人口劇增、毀林、農(nóng)墾、開荒、流域上游截水和修建水庫,以及濫樵濫伐濫牧等原因,致使胡楊林面積極度萎縮。以我國為例,現(xiàn)今的胡楊林面積不足新中國成立初期的1/3。在世界其他地區(qū),胡楊林的破壞程度更為嚴(yán)重。胡楊林分狀況同綠洲生態(tài)環(huán)境一樣正處于危機(jī)關(guān)頭。隨著西部大開發(fā)的不斷深入推進(jìn),對(duì)干旱區(qū)資源的合理與持續(xù)利用提出了更加迫切的需求。因此,保護(hù)和恢復(fù)胡楊林是干旱內(nèi)陸區(qū)持續(xù)、科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。
前言
第1章 根系吸水及胡楊研究進(jìn)展
1.1 水文水資源研究方向的拓展
1.2 土壤-植物-大氣連續(xù)體概述
1.3 植物根系吸水研究進(jìn)展
1.4 植物根系吸水模型的評(píng)述
1.5 胡楊生存現(xiàn)狀及研究進(jìn)展
1.6 研究目標(biāo)及研究?jī)?nèi)容
第2章 研究區(qū)域及試驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1 額濟(jì)納自然地理概況
2.2 額濟(jì)納水資源狀況
2.3 額濟(jì)納植被及土壤狀況
2.4 額濟(jì)納綠洲狀況及生態(tài)問題
2.5 試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)方案
第3章 胡楊運(yùn)輸根系分布特征研究
3.1 分形理論在地理學(xué)科的應(yīng)用
3.2 胡楊運(yùn)輸根系的分布特征
3.3 根區(qū)土壤水分分布特征
3.4 運(yùn)輸根系與土壤水分的關(guān)系研究
3.5 結(jié)果與討論
3.6 本章小結(jié)
第4章 胡楊吸水根系的根長(zhǎng)密度
4.1 吸水根系根長(zhǎng)密度的測(cè)定
4.2 吸水根系分布特征及根長(zhǎng)密度的擬合
4.3 關(guān)于擬合的討論
4.4 本章小結(jié)
第5章 胡楊根系吸水模型的建立
5.1 胡楊根系吸水模型的選擇
5.2 模型參數(shù)的確定
5.3 胡楊根系吸水模型的建立
5.4 模型參數(shù)的討論
5.5 本章小結(jié)
第6章 胡楊根系吸水模型的驗(yàn)證
6.1 模型驗(yàn)證原理
6.2 土壤水分運(yùn)動(dòng)基本方程中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的確定
6.3 模型的驗(yàn)證
6.4 模擬結(jié)果及分析
6.5 模型評(píng)價(jià)與改進(jìn)
6.6 本章小結(jié)
第7章 結(jié)論與展望
7.1 結(jié)論
7.2 問題與展望
參考文獻(xiàn)
20世紀(jì)80年代以來,隨著水資源匱乏成為世界面臨的重大問題,國際上對(duì)全球范圍的水循環(huán)與水資源問題的關(guān)注提升到前所未有的高度。而且,水問題研究已完全擺脫傳統(tǒng)意義上的純水文問題,而與生態(tài)環(huán)境、全球變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及可持續(xù)發(fā)展密切結(jié)合。
20世紀(jì)80年代末,美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局專門對(duì)全美主要河流流域地下水與地表水相互轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)查,獲得了不同流域不同地貌單元地表水與地下水相互轉(zhuǎn)換的水量及其在不同氣候和人類活動(dòng)干擾下的變化特征(Winter,etal 1998;Alley,eta1,1999);加拿大水資源供需研究計(jì)劃對(duì)大湖地區(qū)地下水與地表水之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系,以及水資源開發(fā)利用程度對(duì)湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)、地下水動(dòng)態(tài)變化的影響進(jìn)行了系統(tǒng)觀測(cè)(Asmuth,eta1,2001);荷蘭KIWA水研究計(jì)劃對(duì)不同地表水利用下的地下水動(dòng)態(tài)變化以及陸面生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能等的響應(yīng)特征進(jìn)行了研究(Environment Canada,2002);2003年由英國政府國際發(fā)展部發(fā)起完成的南非發(fā)展中國家流域水資源需求與利用報(bào)告指出,流域內(nèi)地表水和地下水是一個(gè)統(tǒng)一的水資源系統(tǒng),如何清晰地認(rèn)識(shí)地表水與地下水之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)流域水資源問題的關(guān)鍵(DFIID,2001)。國際水文計(jì)劃(IHP)的第五個(gè)研究計(jì)劃(1996~2001)以“脆弱環(huán)境中的水文水資源開發(fā)”為研究方向,把不同生態(tài)系統(tǒng)中地表水、地下水與大氣水之間的循環(huán)關(guān)系及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響列為該計(jì)劃的核心內(nèi)容,其目標(biāo)旨在從流域觀點(diǎn)、河流系統(tǒng)與自然社會(huì)經(jīng)濟(jì)的聯(lián)系中,理解水文系統(tǒng)中水文循環(huán)過程同生物過程的整體性(UNESCO,2001)。