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六盘山洪沟小流域森林植被的水文影响与模拟

莫菲  
【摘要】: 为探讨北方干旱缺水地区森林植被的水文影响,在2006~2007年的两个生长季(5~10月)在六盘山南侧具半湿润气候特征的洪沟小流域,开展森林植被特征、森林水文过程、小流域径流的研究,以求深入认识森林植被的水文作用机理并为六盘山及类似地区的水源涵养林建设提供理论基础和技术支持。 六盘山位于我国黄土高原地区中西部和宁夏回族自治区南端,处于由半湿润区向半干旱区过渡的气候带上,黄河中游地区的主要支流泾河、清水河以及葫芦河都发源于此,在维持区域生态平衡和提供水源等方面具有重要作用。洪沟是典型的山地森林小流域,面积为10.49km2,海拔高度变化在2140~2598m,山高坡陡,土壤多石砾,植被类型丰富,森林覆盖率65.5%,年降水量591.6mm。 具体研究内容包括土壤物理性质空间分布、森林植被特征及空间分布、流域主要森林水文过程、流域径流规律、流域水文模型运用等,主要研究成果如下: 1.小流域内的植被特征和其空间分布 通过样线调查分析了六盘山洪沟小流域的森林植被群落结构和其空间分布。洪沟小流域植被可划分为华北落叶松人工林、华山松林、红桦林、山杨林和天然灌丛5个群落类型。在乔灌木树种组成上,乔木层优势种主要有华北落叶松、华山松、红桦、山杨等,灌木层优势种主要有稠李、刺翅峨嵋蔷薇、秦岭小檗、灰栒子、沙棘、华西箭竹等。 流域植被的空间分布规律是:华北落叶松主要分布在2200~2500m的半阳坡和阳坡;华山松在每个海拔带上都有分布,其中2100~2200m的阴坡和半阴坡分布最多;红桦集中分布于2200~2300m的阴坡和半阴坡;山杨分布在2400m以上的半阴坡和半阳坡;而天然灌丛分布在人工破坏后的2300m以上阳坡和半阴坡。从坡度分布上看,20o~40o的坡地占小流域面积的55.48%,各植被类型也在该坡度范围内分布较多。但华北落叶松人工林在0o~10o的缓坡分布最多;而华山松天然次生林多分布于30o以上的陡坡。 2.土壤物理性质的小流域空间分布规律 在洪沟小流域开展了大量调查,研究土壤物理性质随土层深度、坡向、坡位及植被类型的变化。结果表明:土壤容重和石砾含量的变化范围分别为0.905~1.31g/cm3和8.4~13.83%之间,并随土层加深逐渐增大,容重的增幅随土层深度增加而减小;石砾含量的增幅却逐渐加大。总孔隙度(46.51~62.69%)、毛管孔隙度(35.54~43.88%)和非毛管孔隙度(10.97~18.81%)都随土层加深而降低。 在不同坡向中,阴坡的土壤物理性质最好。随着坡位下降,土壤厚度、土壤容重、石砾含量、非毛管孔隙度逐渐增大,总孔隙度和毛管孔隙度逐渐减小,各种持水量指标基本上也有不同程度地减小,但上坡的持水量大于阴坡坡顶。 在华北落叶松人工林、华山松林、红桦林、山杨林、天然灌丛5种植被类型土壤物理性质中,土壤容重为天然灌丛(0.98)山杨林(0.91)华山松林(0.89)华北落叶松林(0.83)红桦林(0.73);土壤石砾含量最高的是华北落叶松林(19.21%),最小的是山杨林(9.33%);毛管孔隙度为华山松林(43.40%)红桦林(42.73%)山杨林(40.88%)华北落叶松林(40.35%)天然灌丛(34.36%);非毛管孔隙度为华北落叶松林(21.69%)红桦林(20.19%)天然灌丛(17.56%)山杨林(16.05%)华山松林(13.65%)。 3.流域的主要森林水文过程 测定了一次性降雨与截留量的关系,结果表明:当降雨量小于1.0mm时,不同林分的林冠几乎将降雨全部截留,截留率近100%。在雨量级1~10mm时,不同林分的林冠平均截留量多在1.11~3.0mm,平均截留率在20-57%,天然灌丛的截留率相对较小,只为20.5%;在10~50mm的降雨量时,大多数林分类型的截留量在5.0mm左右,截留率在10.28~21.5%,红桦的截留量较小,平均仅1.4mm(截留率10.28%);当降雨大于50mm时,多数林分的降雨截留量在3.0mm以上,截留率在5.78~14.06%以下,且随雨量增加而降低。 运用网格取样方法,测得华北落叶松林枯落物的储量为16.83 t/hm2,厚度为3.6cm。根据半方差分析,2个华北落叶松人工纯林样地的枯落物储量存在一定空间异质性现象,变异系数分别为0.41和0.56;以95%的置信区间,要准确得到华北落叶松样地的枯落物储量,取样数不能小于9个1m×1m的样方。 在六盘山地区自然雨强范围内(小于30mm/h),利用模拟降雨研究了枯落物的截持降雨过程,表明单位重量(1kg/m2)的华北落叶松林枯落物最大截持量对应为1.3mm、1.4mm、1.5mm,红桦林枯落物对应为2.1mm、2.3mm、2.6mm,枯落物的持水能力随雨强增大而提高;华北落叶松枯落物和红桦枯落物的最大截持量数值低于浸泡法测定的结果(华北落叶松林1.8mm;红桦林2.7mm),但吸持水分过程基本一致。并基于实验结果分析,构建了具有较好的截留机制、可同时反映枯落物含水量和降雨强度及降雨历时对枯落物持水动态和实际持水量影响的枯落物截持降雨过程模型: 洪沟小流域华北落叶松树干液流密度的昼夜变化趋势表现为明显的昼夜交替波动。在“相对静止期”内(20:00~次日07:00),树干液流密度比较稳定和微弱,其值约在0.05μl·cm~(-2)·min~(-1)以下;而“活跃期”(07:00~20:30)树干液流密度表现为持续快速上升,呈现出单峰、双峰或多峰曲线,峰值一般在0.25μl·cm~(-2)·min~(-1)以下。 土壤蒸发研究表明,林内与林外土壤的日蒸发变化规律相似;到12 :00~14 :00时达到最高,林外和林内土壤的蒸发速率分别是0.697mm/h和0.505 mm/h;选择土壤水分含量(SW,%)、太阳辐射(SR,lux)、空气相对湿度(RH,%)、风速(W,m/s)作为影响因子,建立了同时适合于林内外土壤蒸发的回归关系式:E=-0.468+0.205SW+0.01557SR-0.0137RH,R~2=0.8732 通过测定小流域内各植被类型典型样地不同深度土壤层次的水分渗透过程,得到各林分样地表层(0~20cm)土壤初渗速率(8.32~62.96 mm/min)和稳渗速率(7.55~40.91 mm/min),并用4种模型对环刀法测定的土壤分层渗透速率进行拟合,认为Horton公式模拟的比较合理。 4 .流域径流特征分析 洪沟小流域径流年内分配不均匀,主要集中在8和9月份即夏季,根据小流域现有实测径流资料(2006年1月-2007年12月)计算,小流域径流年内分配不均匀系数在0.44。采用滑动最小值法对小流域2006年和2007年生长季的径流过程线进行分割,计算出平均基流系数BFI为0.039;在此基础上的分析表明了径流增加量(Y)与单场降雨量(X)呈正相关关系:Y=145.11X~(0.5977),R~2=0.6499。 5.植被变化对流域径流的影响 应用分布式生态水文模型SWIM于洪沟小流域,分别利用2006年、2007年的气象数据和水文数据对模型进行率定和检验,并根据植被对水分条件的要求和生态环境建设与水资源保护对植被建设的需要,制定了华北落叶松覆盖率增加和降低的分布情景,模拟植被变化对径流的影响。结果表明,随着华北落叶松林的减少(替代为其它乡土阔叶林或灌木),洪峰流量增加,洪峰变得尖瘦,对降水的响应更敏感,整个流量过程线变化迅速,产流量增大;而随着华北落叶松林的增加(替代其它乡土阔叶林或灌丛),流量过程变缓,洪峰减小,蒸散量增加,产流量减小。


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