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三峡库区紫色砂岩地主要森林类型水文效应研究

李婧  
【摘要】:三峡库区是国家重要的生态功能区和生态脆弱区,林草面积约占库区总面积的51%,森林植被类型多样。三峡库区森林水文效应研究对于库区水文过程调控、生态环境改善、发挥生态功能区作用等方面具有重要的理论指导和社会实践意义。由于建群植物种组成及其生物学特性不同,三峡库区不同森林类型的林分结构、林下枯落物特征、土壤理化性质和水文效应存在一定差异,本研究采取野外试验与室内实验相结合、数据实测与模型模拟相结合、定点试验与实时监测相结合、生物学特性与数学分析相结合的方法,对三峡库区分布较广的紫色砂岩地区常绿阔叶林、暖性针叶林、常绿阔叶+落叶阔叶混交林、落叶阔叶林四种主要森林类型林冠层水文效应、枯落物层水文效应、土壤层水文效应进行了研究,构建评价指标体系,采用主成分分析法对三峡库区主要森林类型的水文效应进行综合评价分析。主要研究结果如下: (1)三峡库区4种主要森林类型林冠最小截留量几乎无差异,平均值为1.65mm。落叶阔叶林和常绿阔叶林的林冠最大截留量相近,分别为9.3mm和9.4mm;常绿阔叶+落叶阔叶混交林和暖性针叶林的林冠最大截留量相近,分别为14.1mm和15.6mm。4林地林冠平均截留量为暖性针叶林(8.42±3.44mm)常绿阔叶+落叶阔叶混交林(6.46±2.84 mm)常绿阔叶林(5.35±1.91mm)落叶阔叶林(5.02±1.97mm)。 相同雨型时,不同森林类型林冠截留率存在不同程度的差异。小雨和暴雨时,4种森林类型林冠截留率无显著差异,平均截留率分别大于70%或小于15%;中雨和大雨时,暖性针叶林平均截留率分别约为50%和30%,较其他3种森林类型具有显著差异。 降雨动能的大小随着林外降雨量的增大而增大,二者呈幂函数正相关关系,y=0.077×1.142,决定系数为0.958。总体来说,林内降雨动能从大到小依次为落叶阔叶林常绿阔叶林常绿阔叶+落叶阔叶混交林暖性针叶林,且各林地林内降雨动能一般小于林外降雨动能。降雨侵蚀力与降雨量呈幂函数正相关关系,y=0.0343x1.9296,决定系数为0.845。从整体来看,在林冠截留和林冠阻挡的作用下,暖性针叶林消减降雨侵蚀力的能力最强。 (2)库区主要森林类型林下枯落物水文效应主要通过对枯落物分解层和未分解层最大持水量、持水过程和吸水速率三要素进行了分析。其中,枯落物持水过程显示,常绿阔叶+落叶阔叶混交林枯落物未分解层和分解层持水量分别在2h和3h左右趋于饱和,达到2.31mm和2.46mm,而落叶阔叶林、常绿阔叶林和暖性针叶林3种森林类型林下枯落物未分解层和分解层持水量分别在浸水3h和5h左右基本达到饱和。浸水24h时,各林地林下枯落物未分解层和分解层持水量均达到最大,常绿阔叶+落叶阔叶混交林未分解层和分解层持水量分别为2.61mm和3.31mm,落叶阔叶林分别为2.39mm和2.74mm,常绿阔叶林分别为2.34mm和2.54mm,暖性针叶林分别为1.68mm和2.17mm。 林下枯落物未分解层在浸水初始阶段,常绿阔叶+落叶阔叶混交林的吸水速率(3.38 mm/h)最高,落叶阔叶林和常绿阔叶林次之,分别为2.87 mm/h和2.59mm/h,而暖性针叶林的吸水速率最低,仅为1.70 mm/h。0.5h以后,各群落均出现较大幅度的下降,至3h时,基本接近饱和状态,仅为0.04-0.10 mm/h。林下枯落物分解层在浸水初始阶段,常绿阔叶林的吸水速率最高,为3.39 mm/h;落叶阔叶林和常绿阔叶+落叶阔叶混交林略低,分别为3.08 mm/h和3.20mm/h;暖性针叶林最低,仅为2.04 mm/h。至3h时,吸水速率基本接近饱和状态,仅为0.03-0.15 mm/h。在5h或6h之后,基本达到饱和状态。 (3)对土壤的持水能力与土壤物理性质进行相关分析,发现土壤持水能力与土壤粘粒含量、土壤毛管孔隙度、总孔隙度、土壤有机质以及0.25mm团聚体含量等因素显著正相关,与土壤砂粒含量负相关,与土壤密度极显著负相关。对土壤渗水能力与土壤物理性质进行相关分析,发现土壤渗水能力与土壤粉粒含量负相关,与土壤密度极显著负相关,与毛管孔隙度和非毛管孔隙度二因素呈极显著正相关关系。 4种主要森林类型土壤层的总持水量由大到小依次为常绿阔叶林(312.99mm)常绿阔叶+落叶阔叶混交林(302.03 mm)落叶阔叶林(279.07mm)暖性针叶林(237.64 mm)。常绿阔叶林林下土壤的初渗速率和稳渗速率分别为46.50mm/min和3.26 mm/min,显著高于其他3种植物群落。落叶阔叶林、常绿阔叶+落叶阔叶混交林的水分渗透速率居其次,初渗速率分别为21.17 mm/min和24.33 mm/min,稳渗速率分别为2.43 mm/min和2.92 mm/min。暖性针叶林的水分渗透速率最低,初渗速率和稳渗速率分别为10.08 mm/min和1.74 mm/min。 (4)研究综合考虑四而山主要森林类型林冠层、枯落物层、土壤层的水文效应特点,兼顾地形因子,按照综合性、主导性、科学性、地域性和可操作性的原则,选择38个指标,构建了三峡库区紫色砂岩地主要森林类型的水文效应评价指标体系框架。通过主成分分析法进行影响因子降维分析,确定对水文效应影响最大的主成分,并以各因子的方差贡献率为权值,对三峡库区4种主要森林类型水文效应进行综合分析评价。经综合评定,各主要森林类型水文效应从强到弱顺序依次为常绿阔叶林常绿阔叶+落叶阔叶混交林落叶阔叶林暖性针叶林。


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