分布式生态水文模型TOPOG在温带山地小流域的应用———以祁连山排露沟小流域为例

TOPOG模型是基于热带森林小流域研究而开发的生态水文过程模型.为了检验该模型在模拟温带小流域森林水文影响方面的适用性,本文应用祁连山排露沟小流域2001年和2002年生长季的生态水文数据,运用TOPOG模型的"水量"模式模拟了流域的林冠截留、蒸散与径流等生态水文过程,并对其进行了检验.结果表明:TOPOG模型能准确的模拟雨量为5～25 mm的次降雨截留量;也能较准确的模拟海拔2 730～3 100 m的青海云杉林总蒸散量及其组成,以及海拔2 700～2 800 m的阳坡草地总蒸散量;模拟的生长季小流域径流量与实测值相一致.     

泾河干流上游森林覆盖率水文影响的年份和月份差异

定量评价和预测西北干旱地区森林面积增加的水文影响,为基于水资源承载力的植被恢复与管理提供科学依据。以黄土高原泾河干流上游流域为例,制定森林植被恢复的多种情景,利用率定过的SWIM水文模型和1997—2003年间的气象数据,模拟森林覆盖率变化对蒸散和径流的影响。研究表明:1)草地变森林后,随森林覆盖率增加,年均总蒸散呈明显线性增加,年均径流则呈明显线性减少。在本研究范围内(森林覆盖率增加0~18.13%),森林覆盖率每增加10%平均导致年均总蒸散增加8.93 mm,年均径流减少6.04 mm;2)森林覆盖率变化对年总蒸散的影响具有年际差异,受年降水量影响,流域森林覆盖率增加10%时,对应的年蒸散增量分别为枯水年(10.1 mm)平水年(8.6 mm)丰水年(8.5 mm),而对应的年径流减少量分别为枯水年(9.0 mm)平水年(5.6mm)丰水年(5.1 mm);3)森林覆盖率增加导致的蒸散增大和径流减少还具有月份差异,其中蒸散在春季(3—5月)和初夏(6月)增大,而夏季中期(7、8月)至秋季中期(9、10月)则减少,在秋末(11月)和冬季(12、1、2月)则变化不明显;径流在春季和夏季明显减少,而秋季中期(9、10月)则呈增加趋势,冬季变化不明显。总之,在该流域增加森林覆盖率会导致年蒸散增加和年径流减少,这种变化在枯水年明显大于平水年和丰水年;森林覆盖率变化对蒸散和径流的影响还存在月份差异,表现为春夏季影响大于秋冬季;增加森林具有一定增加基流和枯水期径流的调节作用。     

六盘山北侧华北落叶松林分的水分利用效率研究

为定量研究华北落叶松人工林水分利用特征,2010年5-10月在宁夏六盘山北侧叠叠沟林场的华北落叶松人工林固定样地内,通过测定树干径向生长、林分叶面积指数变化、草本生物量变化、树干液流速率变化、植物降雨截持等,估计了华北落叶松人工林及各层的生产力、水分消耗和水分利用效率。研究表明：林分总生产力11.76t/hm2,其中乔木层占75.2%,草本层占24.8%;在整个生长期内,林分生产力各月的分量呈现先升高后降低的季节变化格局。林分总蒸散量为433.9mm,其中乔木层与草本层（包括土壤蒸发）耗水各约占一半,分别为总蒸散的50.5%和49.5%;林分蒸散在生长季中呈现先升高后降低的季节变化格局。在整个生长季,华北落叶松人工林的水分利用效率为2.71g/kg,其中乔木层的水分利用效率为4.04g/kg,草本层水分利用效率为1.36g/kg;其季节变化与乔木层的水分利用效率变化相类似,说明乔木层对于华北落叶松林分水分利用效率的影响较大。     

六盘山香水河小流域地形与植被类型对降雨径流系数的影响

基于GIS和SPSS支持下的数据分析,结合宁夏六盘山区香水河小流域2004—2005年6—10月的降雨、径流观测资料,对流域的坡向、海拔和植被对降雨径流的影响进行研究,结果表明：就不同植被类型来看,径流系数以人工林的最大,灌丛的次之,亚高山草甸的最小;就海拔而言,径流系数大小依次为低海拔（2060-2350 m）〉中海拔（2350-2640 m）〉高海拔（2640-2930 m）,随着海拔从低到高的变化,天然林的径流系数表现为从高到低再升高的变化趋势,而人工林和灌丛则表现为先增加后减小的变化趋势,亚高山草甸从中海拔至高海拔区呈增大趋势;从不同坡向来看,径流系数大小依次为南坡〉西坡〉北坡〉东坡。     

六盘山华北落叶松人工林土壤水分空间异质性的降雨前后变化及其影响因素

为了阐明林冠叶面积指数、枯落物厚度等植被因子及降雨量影响下的林地土壤水分空间异质性变化规律,在宁夏六盘山香水河小流域选择了2个35a华北落叶松典型坡面(东南坡A、南坡B),遵循空间格局分析的小支撑、多样点设计原则,结合所选坡面特征,利用线状样带取样法,测定了坡面上各样点的表层(0—20cm)和亚表层(20—40cm)土壤水分、林冠叶面积指数、枯落物层厚度、坡度及离开最近一棵树主干的距离,采用经典统计结合地统计学方法,分析了降雨前后土壤水分空间变异特征;利用Pearson相关分析法分析了降雨前后坡面土壤水分与主要环境因子的数量关系;经Kriging插值得到了实验坡面降雨前后的土壤水分空间分布图。结果表明:本研究选择的2个坡面上表层和亚表层土壤水分均存在显著的空间自相关性,呈现明显的斑块状分布格局。A、B坡面雨前表层土壤水分的块基比分别为0.20和0.16,有强烈的空间自相关性;亚表层的块基比均为0.50,具有中等的空间自相关性;表层土壤水分变程分别为27.6m和23.7m,亚表层土壤水分变程为54.9m和186.0m,空间自相关性存在于较大的范围内。降雨后A、B坡面的表层土壤水分的块基比分别为0.13和0.11,亚表层的块基比为0.28和0.20;表层土壤水分变程分别为17.7m和17.3m,亚表层土壤水分变程为31.4 m和42.6 m,空间自相关性存在的范围变小。Pearson相关分析表明,A坡面土壤水分的空间变化在雨前主要受样点离开树木的距离和坡度的影响,雨后则主要受样点上方叶面积指数和枯落物厚度的影响。由此可见,此次11mm降水使2个坡面上土壤水分的空间异质性增加、空间自相关性增强,且乔木林冠层和枯落物层对降雨的截持和再分配是雨后土壤水分空间异质性增大的主要原因。     

六盘山华北落叶松人工纯林枯落物储量的空间变异分析

在六盘山南侧设置2个20 m×20 m的华北落叶松人工林样地,研究枯落物储量的空间分布.结果表明:枯落物储量空间差异明显,2个样地的枯落物储量平均值为1.80和1.68 kg·m-2,最大值为2.96和2.71 kg·m-2,最小值为0.35和0.34 kg·m-2,最大和最小值的比值变化在8～9之间;在不考虑测点空间位置及取样间距的情况下,2个样地枯落物储量的变异系数为0.41和0.56;枯落物储量的空间分布受空间结构性和随机性的多种因素影响,其中林地微地形能解释枯落物储量空间变异的56%,局部洼地利于更多枯落物堆积;2个样地枯落物储量的空间分布函数曲线的理论模型均符合球状模型,且空间自相关程度较呔;当以95%的置信区间准确估计华北落叶松林样地的枯落物储量时,最小取样数量为9个1 m×1 m的样方.     

不同施肥处理条件下苗圃潮土硝态氮垂向运移特征

针对我国北方典型潮土区苗圃育苗过程中水肥利用效率不高的现状,选取北京市昌平区速生杨种苗培育基地为研究对象,开展不同施肥处理条件下0-100cm土壤剖面氮素养分垂向运移过程的田间定位监测试验。监测结果表明,3种施肥处理条件下的0-100cm土壤剖面中各土层硝态氮含量以表层土体为最高,由表层向底层土壤硝态氮含量呈逐渐减小的趋势,其中处理3条件下0-100cm土壤剖面中硝态氮含量均高于处理1条件和处理2条件下的;0-100cm土壤剖面硝态氮平均累积总量排序依次为处理3>处理2>处理1,其中处理3条件下土壤硝态氮平均累积总量高达307.85kg/hm2,表明过量施肥导致土壤中硝态氮大量累积,使得硝态氮极易随土壤渗漏水下移淋失。研究结果进一步揭示了北方典型潮土土壤水、硝态氮淋失的垂向迁移与渗漏损失机制,可为制定科学的苗木施肥方案、提高肥料的利用效率、完善林木抚育管理技术等提供有力的理论支撑和科学指导。     

间伐强度对华北落叶松林穿透雨和树干茎流的影响

量化间伐强度和林分特征对降雨分配的影响,可为基于水文基础的森林管理提供科学依据。利用传统水文学方法,在宁夏六盘山香水河小流域华北落叶松人工林设置4个间伐强度的处理与未经过间伐的对照林分,进行穿透雨、树干茎流对比。结果表明:研究期间总降雨量为507.2 mm,华北落叶松对照林分穿透雨量为56.6%,穿透雨量随着间伐强度增大而增大,分别占总降雨量的62.1%、60.9%、68.6%和74.5%;树干茎流量随着间伐强度增大而减小,分别占总降雨量的0.91%、0.73%、0.54%、0.37%和0.36%;与对照相比,截留量分别减少5.3%、4.0%、11.5%和17.3%。穿透雨量与叶面积指数、郁闭度、胸高断面积和林分密度都呈线性负相关,这些变量和总降雨量形成的指数方程(T=Re~(aX))可以很好地模拟穿透雨量(R~2=0.95)。华北落叶松林为30年左右时,间伐强度为43.0%~53.4%(林分密度844~1 033株/hm~2)是增加六盘山地区华北落叶松穿透雨量的最优范围,有利于实现林分结构稳定和区域用水安全等多重要求。     

六盘山叠叠沟华北落叶松人工林叶面积指数的时空变化特征

在具有半干旱气候的宁夏固原六盘山区叠叠沟小流域,于2009年整个生长季内(5-10月)监测了典型阴坡坡面上的华北落叶松人工林不同坡位的7个样地的林冠层、林下灌木层和草本层的叶面积指数(LAI)的数量变化和季节动态.结果表明:(1)华北落叶松不同样地的林冠层LAI随坡位升高的变化趋势基本上是逐渐减小,从坡下部的1.52～...     

六盘山分水岭沟典型森林植被对大气降雨的再分配规律及其影响因子

通过2009年5-10月定位监测的六盘山分水岭沟内的典型森林植被(华北落叶松林、白桦林)的穿透雨、树干茎流和林冠截留等数据资料,并基于样地调查数据和同期气象数据,对两种典型林分对大气降雨的再分配特征及其有关影响因子进行综合分析。结果表明:研究期间,林外降雨总量为727.5mm,六盘山分水岭沟华北落叶松林的林冠截留量、穿透雨量和树干茎流量,分别占林外降雨总量的15.26%,74.04%和0.22%;白桦林的林冠截留量、穿透雨量和树干茎流量分别占林外降雨总量的9.13%,76.98%和0.33%。两种林分的穿透雨量和树干茎流量与降雨量均呈极显著的线性关系(P0.01),穿透雨率、树干茎流率以及林冠截留率与降雨量呈极显著的对数函数关系(P0.01)。华北落叶松林和白桦林两种林分产生树干茎流的降雨临界值分别为6.0mm和3.5mm。对华北落叶松林冠截留影响程度由大到小的因子依次为:降雨强度降雨量空气相对湿度降雨期间的气温降雨历时风速;对白桦林林冠截留影响程度由大到小的因子依次为:降雨强度降雨量降雨历时降雨期间的气温空气相对湿度风速。降雨强度和降雨量是对该区森林植被林冠截留影响最显著的两个因子,均以风速因子影响程度最低。