全 文 ： 生 态 学 报
ACTA ECOL()G1CA SINICA
若2 )
VO】．16．No．1
Jan ，1 9 9 6
基于土壤水分平衡的沙地草地
最优植被覆盖率的研究
．
漂 专
(中国科学院植物研究所 ，北京，100044) ，，
摘要 本文从土壤水分平衡出发．甩动态仿真模型方法研究我国北方干旱半干旱 沙地草地土壤水分
平衡与立地条件 ，如坡度、坡向、土壤物理性状及植被爱盖率之间的关系 有如下初步结论和论点产
生：(1)地袁困植被的存在而形戚的结皮对降水^渗到土壤中的阻滞作用几乎可以忽略。只有在坡度
很大，瞬间降球强度很大时，结皮表面才可形成较大的迢流 ；(2)土壤水分的平衡随植被的覆盖率变化
的情况(上升或下降)取奂于立地条件的差异，笼统地讲“植被爱盖率越高越好 、或“植被爱盖率一概
不宜太高 未免失之偏颇。
糊词。圭 竺 塑 勇模 ，瓤
A STUDY oN THE 0pTIM AL VEGETATIoN CoVERAGE FoR
SANDY GRASSLAND IN NoRTHERN CHINA
BASED 0N SoIL W ATER BUDGET
Gao Qiong Dong Xuejun Liang Ning
Institute of 日 ⋯ Academia sin~ca Beibtg，Chir~a，100044)
Abstract A simple simulation model is developed for soil water dynamics on a sandy slope
with different soil physical properties，different geographical locations，different aspects and
slopes and different vegetation types and coverage．The model is parameterized with recent col—
lected experiment data from the target area．Conclusions are：1) the effect of resistance to
penetration of precipitation to soil by the“shell”formed on the surface soil with organic mat
ters and thus runoff in most eases are neglegible compared to the evapotranspiration，except
with a very steep hill；2)variation of yearly average soil water content is affected by all the
factors listed above．The efect of plant coverage is complicated by other factors such as topog-
raphy (slope and aspect) and root redstance to perculation． Simple conclusion can not be
drawn without specifications of all these parameters．
Key words： soil water buget．sandy grassland，simulation mod el
· 收稿 日斯 1994 03 26，修改祷收到 日期 1994 08 19
国家自然科学基金资助项 日。
期 ⅡL_
呷 ， 第 年
； 卷 6 6 9一 第
， ／
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生 态 学 报
1 背景情况
北方干旱，半干旱 区植被发展 的限制因子一般有水分和盐碱等。在毛乌素沙地 (东经
109。20 ，北纬 39。20 )，由于沙对地表蒸发的阻滞作用，盐碱的阿题不甚明显 ，而水分作为限
制因子则非常突出。高效 、合理的利用有限的 自然降水 ，成为沙地植被发展及资源利用的关
键。关于沙地植被与水分利用的研究，主要见文献[1—6]。
对沙地的管理，历来存在两种不同的观点：其一为“全固定”，即使地表植被的覆盖率达
到 lO0 ；其二为“半固定”，即将植被覆盖率控制在小于 100 的某一值的范围以内。全固定
论者的观点是植物的根系有利于提高土壤的持水特性 ，因而有利于土壤水分的保持。而半固
定论者的观点是植物的蒸腾耗水是最主要的作用，而地表蒸发极少 。根据这一思想，有人”
提出了沙地植被管理的半 固定原则。除了上述“蒸腾耗水”和 增加持水能力”以外，沙地植被
还有第三种作用：植物的凋落物及其分解的有机物质在地表形成一个有机质层的结皮壳层 ，
这种结皮有阻止降水的入渗，加强地表迳流的作用。本文所针对的问题是 ，在不同的立地条
件下(坡度、坡向、土壤导水特性、持水特性)，不同的植被类型和覆盖率对土壤水分的综合作
用。因此 ，本文试图解释土壤水分的动态平衡与植被类型、植被覆盖率、土壤物理特性之间的
定量关系。从这一关系出发，可以引伸出对给定的植被类型的基于土壤水分平衡的最优植被
种植、栽培方案 。
沙地草地生态系统模型的工作在近年也有所进展。但这些多变量、多参数的复杂系统模
型终围沙地立地条件和植被的复杂性及定量信息的缺乏，而难以在短期内取得准确的分析
结果。本文将以简单的水分平衡模型为基本手段 ，力求利用现有的沙地植物生理生态研究资
料来完成模型的参数化工作 ，使分析结果具有较高的准确程度。
2 沙地草地土壤水分平衡模型的建立
考虑一坡 向为 ，坡度为 “的坡面，其
地表的植被覆盖率为 C，植被覆盖率为 1．0
时的叶面积指数为 L。．(￡)．t为时间 这样地
表的表观叶面积指数 乙(￡)一c (f) 定义
土壤表面的入渗系数 为^降水渗 入土壤的
速率与降水速率之 比，并 以 、 分别表示
植被覆盖部分地表和无植被覆盖部分地表
的入渗系数。 、 除与土壤的物理特性有关
以外．还与坡度有关．在 0一 ／2范围内，坡
度越大 ，入渗的部分就越小 ，而形成迳流的
可能性则越大。更具体地说，由于入渗是由
于重力的作用的结果。 和 可以写成重力
图 1 沙地草地土壤水分平衡示意
Fig 1 Soil model ~andygr~sland
势的函数。由于植被覆盖部分的地表结皮的作用，因此， 除描述 了植被对入渗 的阻滞作用
外，更主要的是反映 了植被覆盖部分的地表结皮对入渗的阻常作用。所以，一般应有 L<
以 P(t)和 E(￡)分别表示降水和叶面积指数为 1时的可能蒸腾强度，实际蒸腾强度 为 CL ．
( )E(￡)。由于坡度的作用，地下潜流可表示为土壤水分w(地表 2m深度以内的土壤水分)，
由于植物根系的持水作用所形成的阻滞系数 r，植被盖度 C及坡度 “的函数。即 g(C．r，W ．
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1期 高 琼等 ：基于土壤水丹平衡的沙地草地最优植被覆盖率的研究
n)。在忽略地表蒸发的情况下．可以写出瞬时的土壤水分动态方程为
W — P(t)[ )f+ (Ⅱ)(1一 )j— CL ．( )E0)一 g(c．r，Ⅳ ，n) (1)
模型的结构如图 1所示。图中虚线箭头代表信息流动方向，而实线箭头代表物质或能量流动
方向。土壤水分 Ⅳ 有下界 Ⅳ⋯．由土壤最小持水量所决定；在上界 ⋯由土壤的饱和含水
量所决定。以下将就模型中的各函数和参数的确定展开讨论
2．1 入渗系数 ，^ 的确定
入渗系数主要由土壤的导水特性和坡度所确定。考虑坡度为0时的无限薄的土壤表层
的入渗情况 ，可以写出
f1， P(f)< K
∞ 1K~／P( )≥ ∞
式中 为植被覆盖地表所形成结层后的饱和导水率
假定无植被 覆盖地表与植被覆盖部分均匀镶嵌，则当 P(f)> 时，植被覆盖部分有迳
流产生。这部分迳流与 P(t)相加，形成无植被部分的有效降水 。所以，
f1， P(f)< (1一 C)K + CK
∞ 一1KofP(f)， P。)≥(1一c) +c 帅 ． ∞
根据对沙地草地土壤的导水实测的结果 ，可以初步确定， 在 1000 mm／B，K 一70
cm／)~左右。在坡度不为 0的情况下 ， (Ⅱ)一 (0)cos( )， (口)= (。)c0s(n)。因此 ，在坡度
为零的情况下，只有在降水的瞬时速率大于(1-C) + 时，地表才可能有迳流产生。当
植被覆盖率为 1．0时，瞬时降水速率超过 1000 mm／月 ，当植被覆盖率为 0．5时，瞬时降水速
率须大于 5350 mm／B才可能有迳流产生。在植被覆盖率一般较低，土壤沙性较重 ，而降水
又是如此之少的毛乌素沙地来说，除在坡度较大的梁地上外 ，形成迳流的可能极小 。由此可
见，沙地困结皮所产生的迳流量在全年降雨中所占的比重极小 。只有在某些坡度较大的硬梁
或土质具较大粘性的软粱地上(此时 较小)，地表迳流才占有相当的比重。
2．2 叶面积指数 L ．(f)
根据大多数沙地草地的植物物候 ，植物叶面积指数在 5月初开始有明显上升，至 6月中
达到最大值，并一直维持到 9月初。此后叶面积指数下降，至 10月初活叶面积指数降至近似
为 。据此可写 工。 (f)的函数形式 (f)=LoV(t) 其中 是与植被类型(或群落类型)有
关的常数，而 (f)为峰值为1的梯形函数，即
f0． < 4．0
v(r)一
( 一 )／1_5 _。≤ t≤ 5_j
(4)
l， 5．5≤ f< 8．0
0 8．0≤ t≤ 1 2．0
根据实1侧得的毛乌素当地的蒙古岩黄芪的叶面积指数，可算出 在 1．966～3．30问。
2．3 潜在蒸腾 E(t)
考虑坡度为 n，坡向为 的坡面上的植物蒸腾耗水情况 。可将 E( )写成 E∞(f)，其中Eo
为常数．￡(r)为极大值 1的与辐射成正比的函数。当太阳高度角为 h、方位角为直 时(方位角
n、坡向 均以正南为 0度 ，地图平面上顺时针方向为正)，
￡O)= max[O，eos(h)sin(a)cos(a— A)+ sin(h)cos(口)] (5)
其中 ，^和 n与地理纬度 、太阳赤纬 d和时角 矗有关。h，a可以用普通天文公式求出
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生 态 学 报 16卷
根据实测的蒙古岩黄芪的分月蒸腾数据 ，用数值积分方法对方程的蒸腾项进行以月为
效应，即植被覆盖率越高，土壤中根系越多，持水能力越强的特点。由此取g为如下形式：
g ， 1 (1一，c；(w— )sin(口)， w， ≤ ≤w ∞
降水是生态学研究中随机性最强的量之一。但由于本文只关心多年的平均效应 ．故拟以
为常数)，且
=
8 t
· 。’
7
：。0 8。0 ㈩ l
一
． ． ≤ f< ．
【0 t≥ 8 0
参数组合 ，所得结果如图2—5所示。各图中纵轴表示非量纲化了的稳定状态下的年平均土
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期 高 琼等：基于土壤水分平衡的沙地草地最优植被覆盖率的研究 37
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麓 疆董事 P 鲋 枷B。
图 2 年平均土壤水分随埴被覆盖章和最大叶面积指数的变化(阻滞系数一0 64，坡度 -45。．坡向=0)
n 2 Yearly~verage sml wate~content aSa~unction。f plant coverage and leak levi"⋯ index with resistance
coeffkient— C 64⋯lop 一 45 degr nd D t- 0
图 2是平均土壤水分与 L^ 和 c之间的关系。当 厶 较小时，群落的叶面积指数较小．根
系的持水作用有可能超过蒸腾耗水作用，土壤水分呈随植被覆盖率增加而增加的趋势 当然
本文未考虑根系与地表叶面积指数之间的关系。当叶面积的峰值 超过某一临界值时，蒸
腾作用超过根系的持水作用，土壤水分呈随植被覆盖率下降而下降的趋势；当 厶 近似等于
1．75左右时，蒸腾耗水与持水作用近于相抵，土壤水分对植被覆盖率变化不太敏感。因此即
使是仅从土壤水分平衡来考虑，“植被覆盖率愈大愈好”的论点只适用于那些蒸腾耗水极少、
根系发达又密集 ，且有较强的辅助持水能力的植物 应该说，具体情形下的植被覆盖率应该
依具体的立地条件而论。对叶面积较小，而根系发达的植物 ，覆盖率可高一些。反之，对叶面
积指数大的植物，种植密度宜低一些 。从图 2对给定的土壤水分平衡中可以判读出不同的叶
面积指数的植被所宜选取的植被覆盖率
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38 生 态 学 报 1 6卷
图 3表示了稳定年平均土壤水分与植被覆盖率和坡度之间的关系。在坡 向为 0(JE南
坡)情况下．土壤水分基本上呈与植被覆盖率下降的趋势。比较有趣的是当坡度为22．5。左
右时，土壤水分有峰值出现
檀蕞曩■率 PI-I-‘∞岬
图 3 年平均土壤水丹与植被爱盖率和坡度的关系(阻滞系数=0．64，最大叶面积指教=2．25，坡向=0)
Fig．3 Year]y average so：1 water rott~en"[ a function of ant coverage and slope wI ⋯ tance
， c。em㈣ t一 0 64．厶 = 2．25 and aspect~0
图 4 年平均土壤水分与植被爱盖率和坡向的关系(阻滞系数=0．64，最太叶面积指数=2．25，垃度一45 c)
g-4 Yearly average soil wa~er c呲 ne as a~unctlon of p t coverage and asp~t of the stope wlrh ⋯ tan
coeficiem ~0 64．Ln=2．25∞ d dope= 45 degre~
-5i8 { }●，0j 目 H ． h＼ rI^草霸 ● v 霄 苷
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土壤水分与坡向和植被覆盖率之间的关系可从图 4看出。在坡度为 45。时，阳坡土壤水
分随植被覆盖率递减 ．而阴坡随植被覆盖率递增；坡向为东北或西北时，植被覆盖率对土壤
水分的作用不明显。
图5所示为阻滞系数的作用 在适中的阻滞作用下，土壤水分对植被覆盖变化的响应仍
是下降的趋势，只有在 r>0．75以上时，阻滞潜流的作用才超过了植被的蒸腾作用 困植被
根系的存在而抑制了 75％以上的光沙坡上的潜流，直观感觉是不符合实际的 因此 ，在此提
出一假说：即对一般情况而言，植被的蒸腾作用超过根系的持水作用。尚待进一步验证 。
图 5 年平均土壤 水分与植被覆盖率和阻滞系数的关系(坡度一45 ．最大叶面积指数一2 25．坡向一0)
Fig 6 Yearly average soll wati~r content as a function of plarx coverage and res{stance coe{i{cient
slope- 45 degrees一 一 2．2 5 and aspect一 0
笔者做过关于 K。 的敏感度分析 ．结论是在 K 一70．0cm／月左右 ，土壤水分对 的变
化不敏感。关键是 K 远大于 只 ，形成迳流的可能性极小。只有在特大暴雨的情形时，才有形
成迳流的可能。所以，结论是地表结皮对降水入渗而形成土壤水分的过程影响一般不大。
参 考 文 献
1 李 博 内蒙古鄂尔多斯高原自然资源与环境的研究．北京：科学出版杜 1990，23—52，297—3O7
2 廖杖堂 ．张文军 毛乌索流动沙地适宜植被覆盖率的研究：1．沙生植物的舒带皿盖度状况：2．抄生植物的水分关 系与
适宜种植规模 ，见：王家祥主编．毛乌索抄地开发整治中心研究论文集第一卷 呼和浩特：内蒙古大学出 社，1992，
84— 97
3 铃束雅一．毛乌素沙地地下求变化和蒸散量．见：王家样主编．毛乌寨沙地开发 整治中心研究论 文集第一卷．呼和 浩
特 -内蒙古大学出版杜 ．1992．12O一 125
4 小林哲夫 ，橙田昭美-神术近男．毛乌隶抄丘表面的蒸发速率．见：王家祥主编．毛乌嘉沙地开盘 整治中心研究论文第
一 卷 呼和特特 ：内蒙古大学出版社 ，1 992．127～13o
5 拂洪林 ，和子杰 一高挨树 ，韩太平．提高沙地古水量的研究．见：王家祥主编．毛乌索沙地开发整治中心研究论文第一
卷．呼和浩特：内蒙古大学 出艋社．1992．131—136
6 高 琼．水分为限制固子的草地优化收获理论的研究．植物生志学与地植物学学报，1992．16(2)；1】8-1 25
7 张新时，毛乌紊沙地 的生态背景及其草地建设的原则与优化模式 植物生态学报，】994．18(1) 1-16
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