六盘山叠叠沟主要植被类型的水文过程及其坡面变化

发布时间：2017-12-08 11:40

  本文关键词：六盘山叠叠沟主要植被类型的水文过程及其坡面变化

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【摘要】：植被及其变化的径流影响有明显空间尺度效应,在评价植被水文影响和管理水资源时必须考虑。然而,目前研究集中在样地和流域两个尺度,缺乏坡面关键尺度的研究,限制着把样地研究结果上推到流域尺度,急需加强。本文在半干旱区宁夏六盘山叠叠沟小流域的华北落叶松林和草地坡面,调查植被与土壤结构的坡位变化,研究其坡位差异对水文过程的影响,重点分析了林木蒸腾的坡位差异原因和构建了反映多因素影响的林分蒸腾模型,并利用各指标的顺坡滑动平均值在水平坡长增加100 m时的平均变化量评价了水文影响的坡面尺度效应。以期推动林水相互作用理论和协调管理技术的发展。1.植被与土壤结构特征的坡面变化在林坡,生长季中期林冠层叶面积指数(LAI)和样地的平均树高及胸径均有明显的坡位差异,且LAI的坡位差异因年份降水量差异导致的坡面水分分布格局不同而存在年份差别。在丰水的2013年和干旱的2015年,样地LAI及其从上往下的顺坡滑动平均值分别为先增后减和逐渐减小,尺度效应为0.37/100 m和0.33/100 m,即丰水年尺度效应更强。树木平均胸径及其顺坡滑动平均值均先增后减,尺度效应为1.34 cm/100 m;平均树高为先增后减,顺坡滑动平均值先增大后趋稳,尺度效应为0.50 m/100 m。在草坡,生长季中期的草本高度和盖度均有明显坡位差异和年度差别。草高在2014和2015年均呈减-增-减-增的波动变化,顺坡滑动平均值2014年为减-增-减并趋于稳定,2015年为减小并趋于稳定,尺度效应分别为3.1和1.4 cm/100 m。草本盖度2014年为波动减小,2015年为先增后减,顺坡滑动平均值2014年为逐渐减小并趋于稳定,2015年为逐渐增大并趋于稳定,尺度效应分别为3.2%/100 m和4.8%/100 m。林坡和草坡土壤物理性质的坡位差异格局不同,且林坡尺度效应强于草坡。从坡顶向下,0-100 cm土层容重林坡为增-减-增,草坡为先增后减;总孔隙度在两个坡面均为逐渐增大;饱和导水率林坡为逐渐增大,草坡为增-减-增-减。两个坡面的土壤性质尺度效应也明显不同,随离坡顶水平坡长增加,0-100 cm土层容重林坡为先快速增大后渐趋稳定,草坡为逐渐减小,尺度效应为增大0.05和减小0.02 g·cm-3/100 m;总孔隙度林坡为先减后增,草坡为逐渐增大,尺度效应为1.77和1.30%/100m;土壤饱和导水率在两个坡面均线性增大,尺度效应为0.36、0.27mm·min-1/100m。2.水文影响的植被类型差别和坡位差异华北落叶松林阴坡坡脚固定样地和阳坡和半阳坡草地固定样地2011、2012、2014和2015年生长季蒸散分别为532.0、350.9和338.5mm,而降水量平均476.0mm;水量平衡项落叶松林为-74.5mm,远低于阳坡和半阳坡草地的115.5和155.4mm。在2015干旱年、2011平水年、2014丰水年,生长季降水量为332、472、617mm,落叶松林蒸散为570.0、450.6和567.8mm,阳坡草地蒸散为327.7、309.2和381.9mm,半阳坡草地蒸散为296.4、297.1和405.3mm。这说明森林常需消耗上坡输入径流或前期土壤储水。受植被和土壤结构的坡位差异影响,林坡和草坡均存在生长季水量平衡分量的坡位差异。在林坡,从坡顶向下,2015年林冠截持逐渐减小,林木蒸腾为减-增-减,林下蒸散为先增后减,总蒸散为逐渐减小;2014和2015年生长季0-100cm土层含水量均呈现“减-增-减-增”的波动变化;2015年6-9月的0-60cm土层水势为下坡中坡上坡,日均液流速率为下坡上坡中坡,差异显著。在草坡,从坡顶向下,蒸散量无明显增减趋势,但0-100cm土层含水量在2014年和2015年生长季均呈多次“增-减”的波动变化。3.华北落叶松林蒸腾的坡位差异和影响因素林坡样地树干液流速率的坡位差异是土壤水分及坡面气象的共同影响结果。2015年6-9月不同坡位森林样地日均液流速率与气象因子和0-60cm土层水势(?0-60)的相关分析与回归分析均表明,影响液流速率的主要环境因子存在明显坡位差别。在土壤水势较高的下坡样地,前两个因子依次为日均太阳辐射强度r和?0-60;在土壤水势较低的上坡为?0-60和日均饱和水汽压差(vpd),在中坡则是vpd和?0-60。建立了日均液流速率与主要环境因子的多元线性回归方程。定量解析了不同因子对上坡和下坡林分日蒸腾量差异的贡献。对2015年7-9月的59个完整观测日,下坡样地总蒸腾实测值比上坡样地虽然仅高4.5mm,但单个因子的影响却相差很大。与上坡样地相比,土壤水势的坡位差异对下坡样地蒸腾为促进作用(+16.4mm),边材面积和地形遮挡的坡位差异为限制作用(-6.6、-2.9mm),三个因子的交互作用也为限制作用(-2.4mm)。这说明,在半干旱区将样地蒸腾量上推到坡面时,不仅需考虑林分结构(如边材面积)的沿坡变化,更需关注土壤水分的坡位差异,其贡献很大,可能超过其他因子贡献之和。4.能反映多因素影响的华北落叶松林蒸腾模型将影响林分蒸腾的诸多因素归结为空气蒸散拉力(潜在蒸散PET)、土壤供水能力(0-60cm土层相对含水量REW)、植被输水能力(冠层LAI)三方面,建立了反映这些因素综合影响的蒸腾模型。首先,基于实测数据确定了林分日蒸腾T响应PET、REW、LAI变化的函数类型,T对PET的响应符合二项式方程,当PET4 mm·day-1时T随PET增大而快速增大,但当PET4 mm·day-1后T的增速趋缓,在PET5.4 mm·day-1后T反而减小;T对REW和LAI的响应均符合趋向饱和的指数增长方程,当REW0.4时T随REW增加快速增大,但当REW0.4后T的增速渐缓;由于实测LAI最大值为5.35,因此T随LAI增大一直近线性增大,虽在LAI4后有明显变缓趋势。利用连乘函数了建立反映多因素影响的林分蒸腾模型,利用2010、2012及2014年生长季实测数据率定了模型参数和进行了模型检验,纳什系数为0.88、0.87和0.79,表明可在多因素变化条件下准确估算华北落叶松林日蒸腾量。5.坡面植被水文影响的尺度效应在草坡,植被坡位差异的水文影响的尺度效应和年份差别明显。在丰水的2014年和干旱的2015年生长季,随离坡顶水平坡长增加,蒸散量滑动平均值为逐渐减小并趋于稳定,尺度效应为12.3和3.5 mm/100 m;土壤蓄水量滑动平均值先微弱增加后渐趋稳定,尺度效应为11.6和11.3 mm/100 m;产流量滑动平均值逐渐减小并渐趋稳定,尺度效应为21.2和19.0 mm/100 m。表明草坡的植被水文影响的尺度效应在丰水年强于枯水年。在林坡,植被坡位差异的水文影响也有明显的尺度效应。在2015年生长季,随离坡顶水平坡长增加,蒸散量滑动平均值为逐渐减小并趋于稳定,尺度效应为20.1 mm/100 m;土壤蓄水量滑动平均值基本呈逐渐减小,尺度效应为8.3 mm/100 m;产流量滑动平均值为先减小后趋于稳定,尺度效应为30.4 mm/100 m。
【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】：2016
【分类号】：S718.5
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本文编号：1266260