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北京山区主要优势树种森林生态系统生态水文过程分析

史宇  
【摘要】:植被与水资源之间的关系是华北地区森林植被建设的主要问题。本文以侧柏、刺槐、油松、栓皮栎四类北京山区典型优势树种森林生态系统为研究对象,利用在妙峰山林场的实测数据对不同优势树种森林生态系统各层次的水文过程进行研究,并通过生态水文模型模拟森林植被变化引起的森林生态系统内部水文过程的变化,力求揭示该区域主要优势树种森林生态系统的生态水文特征和规律,为指导该地区森林植被建设提供科学依据。主要研究成果如下: (1)研究期不同树种林分总林内降雨率为侧柏林(71.52%)刺槐林(68.32%)栓皮栎林(63.44%)油松林(62.44%),总干流率为侧柏林(2.61%)栓皮栎林(2.49%)油松林(1.73%)刺槐林(1.52%),总截留率为油松林(35.82%)>栓皮栎林(34.07%)刺槐林(30.16%)侧柏林(25.87%)。降水量、降雨历时和30min最大雨强是影响林冠层降雨再分配的重要环境因子。林外降水量和林内降水量有着非常良好的线性正相关关系,林冠截留量随降水量增加呈增加趋势。建立了4树种的林冠截留模型,经检验具有较高的精度。林内降雨的开始和结束的时间要晚于林外降雨。林内延迟降雨开始时间与延滞期雨强的相关性更为显著,林外降雨与单次累积降水量相关性更强。侧柏林冠对雨滴同时有分散和聚合两种作用。林外雨滴平均直径在中、低强度的降雨中随降雨强度的增加而变大,林内雨滴则变化不大。林内雨滴的终点速度有所减小,表现出林冠层对降雨雨滴降落速度减缓作用。林内降雨的总动能小于林外降雨。 (2)各林分枯落物总储量排序为侧柏林栓皮栎林油松林刺槐林。测得林分枯落物层的有效水分拦截量油松林(12.15t/hm2)侧柏林(10.19t/hm2)栓皮栎林(7.98t/hm2)刺槐林(5.40t/hm2)。阔叶树种比针叶树种的枯落物具有更好减流减沙效果。截持降雨能力强的枯落物类型其蒸发能力也较强,排序为栓皮栎侧柏油松刺槐。枯落物蒸发量日变化过程呈单峰状分布,各树种林分的枯落物日间蒸发量明显高于夜间。建立了四个树种枯落物的枯落物降雨截留模型和日蒸发量模型,模拟精度较高。 (3)各树种在晴天条件下,树干液流速率的日变化都呈单峰曲线趋势,典型阴天和雨天不同树种树干液流速率变化差异性较大。通过相关分析发现环境因子中气温、太阳辐射、VDP、土壤含水率和土壤水势与树干液流速率呈正相关,而相对湿度与树干液流速率呈负相关关系。利用树木边材面积作为尺度转化中间量,计算各样地6-9月林分蒸腾量油松林为165.28mm,刺槐林为112.82mm,栓皮栎林为218.88mm,侧柏林为214.29mm。4种林分林下灌木6-9月蒸腾总量油松林刺槐林栓皮栎林侧柏林,林下灌木蒸腾量不及乔木的10%。 (4)不同树种林分土壤层总持水深的大小排序依次为刺槐林侧柏林油松林栓皮栎林。不同树种林分的土壤入渗规律有一定的差异性,针叶林的土壤渗透能力要明显高于阔叶林。研究期各条件下土壤平均日蒸发量在0.68—1.51mm之间。各个树种整个生长季土壤平均含水率侧柏林为15.58%,刺槐林为15.69%,油松林为15.58%,栓皮栎林为15.03%。侧柏和刺槐林主要土壤贮水层为20-60cm层,油松和栓皮栎为40-60cm以下层。4种林分降雨后的土壤水分消退都体现出了蒸渗型的特征。研究期大部分时间内各树种林分的土壤水分处于中效水和易效水之间,不同树种林分研究期土壤水分有效性状况由好到差排序为:油松林刺槐林栓皮栎林侧柏林。 (5)将Brook90集总式生态水文模型应用于描述典型森林样地的生态水文模型,通过两年实测的土壤含水数据对模型进行参数率定和检验,使模型达到较高的模拟精度。用2001--2010年气象数据对4种森林生态系统生态水文过程进行了模拟,分析了其降水输入分配特征、蒸散输出特征和林地产流特征。模型模拟得出年均生态需水量栓皮栎林(954.1mm)侧柏林(811.0mm)油松林(498.4mm)刺槐林(420.1mm)。设定当生态需水满足率为90%和70%时对应的林分LAI和郁闭度数值分别为水源涵养林和水土保持林的最优植被承载力,模拟计算得出了北京山区主要优势树种水源涵养林和水土保持林的植被承载力取值范围。


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