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《中国林业科学研究院》 2011年
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海南尖峰岭热带山地雨林生态系统水文特征与演变规律

邱治军  
【摘要】:海南尖峰岭热带山地雨林是我国保存较为完整的热带雨林生态系统之一,对调节区域水资源和水循环,维护陆地生态平衡有重要作用。20世纪末期周光益、陈步峰等在尖峰岭开展了一系列的森林水文学研究,但热带山地雨林长期水文特征及演变规律研究尚属空白。在全球气候变化对水资源影响日益严重的今天,探讨热带雨林水文特征及其演变规律具有十分重要的理论价值和现实意义。本文利用海南尖峰岭国家级森林生态系统定位研究站自1989年以来的径流资料以及自1957年以来的气象观测资料,分析了热带山地雨林降雨特征、径流特征,年降雨和径流时间序列的演变规律,以及径流对气候变化的响应。这对深入理解热带雨林生态系统的水文功能,揭示气候变化对森林径流的影响都具有重要的科学意义。 (1)尖峰岭热带山地雨林降雨特征 热带山地雨林年平均降雨量为2 478.9 mm,变化范围为1 305.5~3 662.3 mm(1980-2007)。从降雨的年内分布来看,雨季(5-10月)降雨占全年降雨量的87.74%,旱季(11-4月)降雨量仅占12.26%。降雨量最大的是8月份,其次是7月和9月份,这3个月的降雨量分别占年降雨量的20.1%、19.5%和16.8%。尖峰岭降雨的一个明显特点是暴雨多,主要出现在7-9月,其中以8月份最多,平均有2.7次/年,特大暴雨和暴雨分别占年降雨量的31.3%和17.9%。 (2)尖峰岭热带山地雨林径流特征 采用数字滤波法对尖峰岭热带山地雨林径流进行了分割,获得了很好的效果。热带山地雨林年均基流量、快速径流量分别为673.6 mm和721.3 mm,年均基流指数为0.48。1989-2007年年平均总径流为1 394.9 mm,其中雨季为1 103.3 mm,旱季为291.6 mm。一年之内,4月份总径流量最小(17.7 mm),9月份最大(349.4 mm)。19年中丰水年占6个,偏丰年2个,枯水年占8个,偏枯年1个,平水年只有2个。 (3)尖峰岭热带山地雨林水量平衡特征 热带山地雨林林冠截留效应明显,1989-1994年年平均穿透雨量、树干径流量和林冠截留量分别为2 104.6 mm、190.4 mm和373.3 mm;年平均穿透雨率、树干径流率、林冠截留率分别为78.7%、7.1%和14.2%。地表径流量很少,年平均值为17.1 mm,只占年降雨量的0.6%。1989-2007年热带山地雨林生态系统年平均降雨输入、径流输出、蒸发散损失分别为2 453.6 mm、1 345.4 mm和1 108.2 mm,年平均径流系数为0.53。 (4)水文时间序列演变规律 年降雨时间序列和年径流量时间序列在总体上都没有明显的变化趋势,但在某些局部存在着上升或者下降的趋势;年降雨序列存在多个突变点,而年径流序列以2000年的的突变最为明显。小波分析方法显示,年降雨量时间序列和年径流量时间序列都存在有10年和4年左右的变化周期,前者还存在有20年左右的变化周期。10年左右的周期可能与太阳的活动周期有关,而4年左右的周期则可能与ENSO天气系统有关。使用二阶自回归模型对年径流时间序列进行了模拟,模拟结果与实测值相当吻合,该模型可用于预测未来的径流量变化。 (5)气候变化特征及其对径流的影响 尖峰岭年均气温时间序列有明显的变暖趋势,并存在着2-4年、5-6以及10-12年的变化周期,其中10-12年的周期可能与太阳的活动有关。20世纪60年代、70年代属于相对低温期,气温变化缓慢;进入80年代后,气温持续增加,平均增温速率为0.15℃/10 a;21世纪的气温增速明显,2001-2006年年均气温较1990年代偏高0.4℃。气温突变发生在1979年,突变前的1957-1978的年均温为24.4℃;突变后的1979-2007年气温呈快速上升趋势,年均气温为25.0℃。 尖峰岭的年蒸发量在总体上存在下降的趋势,并存在5-6年和10年左右的变化周期。试验站年蒸发量下降趋势十分明显,特别是1987年之后呈快速下降趋势,而天池的年蒸发量呈缓慢下降趋势,这可能与天池的森林植被保护较好有关。尖峰岭年蒸发量总体下降的趋势是风速、日照时间下降趋势与气温上升趋势的综合结果。 在气候变化因子中,降雨量变化对尖峰岭热带山地雨林年径流量影响最大,气温变化对径流的影响较小。但气候变暖导致极端事件增多,可能对径流产生严重影响。模拟分析表明,年均气温每增加0.1℃,径流量减少6.3~6.7 mm。为了更好地反映气候变化对径流的影响,建立了以年径流量为因变量,年降雨量、年均气温、年蒸发量为自变量的时间序列多变量自回归模型,该模型能够很好地模拟多个气候因子变化对径流的影响。 创新点: (1)采用自动化程度高、重复性好的数字滤波法对热带山地雨林径流进行了分割,得出了历年的基流和快速径流量,并分析了其年内和年际变化规律。 (2)采用小波分析等时间序列分析方法,对水文、气候因子时间序列的趋势性、突变性和周期性进行了分析,详细阐述了水文、气候因子的时间序列特征。 (3)采用多变量自回归模型模拟了气候变化对径流量的影响,该模型能够结合径流时间序列和气候时间序列的变化特征来对分析和预测气候变化对径流量的影响。
【学位授予单位】:中国林业科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:S715

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【参考文献】
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