土壤水分植被承载力模型构建与工作流程

   呵呵，前面说了为什么要植树，但是不合理的植树种草又会造成对生态环境的进一步恶化，所以要去寻求土壤水分和植被密度的平衡关系，建立分布式的模型能有效的解决小流域土壤水分植被承载力的问题，那么如何建模已及模型的工作流程是什么，这是编写程序实现模型的前提准备，本文就对这个问题做一些基本的叙述，希望能对大家有点帮助。本模型主要以黄土高原水蚀风蚀交错带神木为例子。神木试验站是水蚀风蚀区典型的生态脆弱区，根据我们在该地的长期观测和试验，采用分布式的数学模型对坡地植被恢复进行量化。本模型基于GIS基础之上，把坡地划分成10×10m的方格，假定在10×10m分辨率下，每个方格内部在水平方向上均匀一致，用于坡度、植被、土壤等一组自然地理特性，这些地理特性决定了该单元的水文过程和水文特征；在垂直方向上根据生态成层性和不同的生态层对水文过程（降雨、蒸散）的作用，以及垂直向土壤特性（入渗、含水量）的分层变异，把单元划分成6层，从上到下依次为乔木冠层、灌木冠层、草地与地表层以及3个土壤层；在时间方向上，由于降雨的不均匀性，根据雨量的大小，取时段的长度从1分钟到10分钟不等，采用差分的方法来模拟坡地的水文过程。植被生产力模型考虑到光合作用的物理机制及与土壤水分的关系，以每个网格为基本单元进行生物量的模拟计算。其整体构建如图所示。

    该模型以网格模型为基础，分别建立坡面水文过程模型和植被生产力过程模型。根据黄土高原水蚀风蚀交错带坡地的特点选定各种子模型及其参数，最后得出土壤水分动态为驱动、地形地貌为阻力、植被生产力变化为响应的反应模型，达到坡地治理量化的目的。

图 水蚀风蚀交错带坡地治理分布式数学模型集成结构图

 模型的工作流程

坡面水文过程模型在数据库支持下运行，从数据库文件向程序输入数据，输出的结果存于数据库。首先把坡面单元进行行、列编号，在每个坡面单元中，首先计算每个单元在垂直方向上水分输入输出，这包括截流、填洼、入渗、蒸发；然后根据每个单元在时段初时刻的土壤含水量和地表含水量，计算每个单元的地表径流量；在垂直方向和水平方向计算的水分输入与输出量和原有的水量，计算每个单元时段经水平和垂直方向的水文作用后的土壤含水量和地表累积量；根据每个单元的土壤含水量是否超过土壤分层的饱和含水量判断水流状态转换，超过的部分则以回流的形式回到地表。这样，就完成了一个时段坡面水文过程的模拟。再以该时段结束时刻流域的水文状况作为下一时段的初始状态，进行下一时段的计算，直至所有时段全部依次计算完成。就完成了一次坡面水文过程的模拟。

植被生产力过程模型引入基于气孔保卫细胞结构的力学性质和保卫细胞水分关系的机理性气孔导度模型，该模型充分考虑了土壤水分对气孔导度的影响，突出了气孔导度的控制作用。该模型能很好的揭示植物适应与干旱环境的关系^[1]。根据土壤质地以及不同植物群落土壤体积含水量，以每次观测到的气孔导度的平均值作为因变量，土壤水势、光合有效辐射和水汽压亏缺作为自变量对模型进行非线性拟合，模拟出典型植被在典型天气条件下的叶片尺度气孔导度、净光合速率和蒸腾速率的日变化。通过大叶模型将叶片尺度扩展到冠层尺度和景观尺度，考虑到环境因子的日变化和季节变化模拟逐日光合速率和光合通化物产量。完成坡面水文过程模型与植被生产力过程模型的耦合。

 参考文献：

 

1.             Gao, Q. and P. Zhao, A model of stomatal conductance to quantify the relationship between leaf transpiration,microclimate and soil water stress. Plant,Cell and Environment, 2002: p. 1373-1381.

 

 

 

图 水蚀风蚀交错带坡地治理分布式数学模型集成结构图

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