晋西黄土区降雨—径流—蒸散及其空间分布研究

【摘要】： 研究区位于山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站所在的蔡家川流域。本文将该流域划分为11种地类,选择典型样地展开坡面尺度的水文观测,观测内容包括:降雨、林冠截留、坡面径流、植物蒸腾、土壤蒸发等。在此基础上,本文结合气象、土地利用等基础数据,对比分析不同地类的坡面水文特征,探讨该流域空间水文分布状况。 研究结果表明,年侵蚀性降雨次数为6～13次/年,占全年总降雨量的52.3%～60.4%,是造成研究区水土流失的主要降雨。 研究区不同林分的林冠截留量分别为:人工刺槐林年均91.46mm,天然次生林年均90.73 mm,人工油松林年均68.96mm;林冠截留率从高到低的排序为:人工刺槐林(18.70%)＞天然次生林(18.55%)＞人工油松林(14.10%),林内降雨与林外降雨具有良好的线性关系,林内降雨随林外降雨的增幅从大到小依次为:人工刺槐林＞天然次生林＞人工油松林。 在坡面尺度上不同地类的径流系数差异显著,各地类径流系数由大到小依次为:裸地16.25%、人工油松林地9.60%、荒草地6.38%、灌木林地1.95%、人工刺槐林地0.82%、天然次生林地0.72%,全流域的平均径流系数为3.89%。各地类对地表径流的拦截率从大到小依次为:天然次生林地95.92%、人工刺槐林地94.95%、灌木林地88.00%、荒草地60.74%、人工油松林地40.92%。在同一地类上不同季节径流系数与雨强的关系不同,总体上径流系数与雨强呈指数关系;在雨强相同条件下,春秋季节的降雨比夏季更易形成地表径流。不同地类对洪峰流量消减率差异显著,天然次生林地(86.44%～98.38%)＞人工刺槐林地(64.21%～99.11%)＞灌木林地(51.93%～95.61%)＞荒草地(14.24%～84.79%)＞人工油松林地(17.74%～97.26%)。洪峰流量与I_(10)或I_(30)呈指数关系,但I_(30)与洪峰流量的关系优于I_(10)。按径流系数值将研究区的地类划分为四个级别,Ⅰ类微产流区的径流系数0～1.0%,包含天然次生林、人工刺槐林、人工混交林三种地类;Ⅱ类小产流区的径流系数1.0%～5.0%,包含灌木林和果园;Ⅲ类中产流区的径流系数5.0%～10.0%,包含人工油松林、荒草地和农地;Ⅳ大产流区的径流系数大于10.0%,指建筑用地和难利用地。 植物日蒸腾量由大到小依次排列为:天然次生林2.60mm/d、果园2.33mm/d、农地1.82mm/d、人工混交林1.51mm/d、人工刺槐林1.96mm/d、灌木林1.40mm/d、人工油松林1.27mm/d、荒草地0.75mm/d,全流域的平均植物蒸腾量为1.73mm/d。不同地类的植物日蒸腾变化曲线与太阳辐射日变化曲线紧密联系,均表现为单峰型或双峰型,太阳辐射是影响植物蒸腾的主要因素。按植物日蒸腾量从小到大将将研究区的地类划分为七个级别:Ⅰ类植物蒸腾区的蒸腾量0～0.5mm/d,指建筑用地和难利用地;Ⅱ类植物蒸腾区的蒸腾量0.5～1.0mm/d,指荒草地;Ⅲ类植物蒸腾区的蒸腾量1.0～1.5mm/d,包含人工油松林和灌木林;Ⅳ类植物蒸腾区的蒸腾量为1.5～2.0mm/d,包含人工刺槐林、人工混交林和农地;Ⅴ类植物蒸腾区的蒸腾量2.0～2.5mm/d,指果园;Ⅵ类植物蒸腾区的蒸腾量2.5～3.0mm/d,指天然次生林;Ⅶ类植物蒸腾区的蒸腾量为＞3.0mm/d,指水域。 各地类土壤日蒸发量由大到小依次排列为:农地1.82mm/d、灌木林地1.44mm/d、人工刺槐林地1.42 mm/d、果园1.15 mm/d、人工油松林地0.89 mm/d、天然次生林地0.75 mm/d、荒草地0.69 mm/d、人工混交林地0.53 mm/d,全流域的平均土壤蒸发量为0.95mm/d。土壤日蒸发量随着初始土壤水分含量的增大而增大;不同初始含水量的土壤日蒸发曲线一致,与太阳辐射、林内温度、林内湿度等气象因子紧密联系;土壤初始含水量与土壤日蒸发量呈线性关系。按土壤日蒸发量将研究区的地类划分为八个级别:Ⅰ类土壤蒸发区指民居、道路以及石质等难利用地,土壤蒸发量0～0.5mm/d;Ⅱ类土壤蒸发区指由刺槐、侧柏、油松为主要树种的人工混交林、荒草地和以山杨、辽东栎、侧柏等树种组成天然次生林,土壤蒸发量0.5～0.75mm/d;Ⅲ类土壤蒸发区指人工油松林地,土壤蒸发量0.75～1.0mm/d;Ⅳ类土壤蒸发区指以苹果、梨为主的果园,土壤蒸发量1.0～1.25mm/d;Ⅴ类土壤蒸发区指人工刺槐林地和灌木林地,土壤蒸发量1.25～1.50mm/d;Ⅶ类土壤蒸发区指以玉米为主的农地,土壤蒸发量1.75～2.0mm/d;Ⅷ类土壤蒸发区指水域,土壤蒸发量＞2.0 mm/d。