湖南会同杉木人工林水文生态功能研究

摘要

森林生态系统水文功能是森林生态功能的重要组成部分，对它的研究有助于更好地了解森林生态功能，制定森林经营措施，提高森林生产力。杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.) Hook.），作为我国特有树种，人工林种植面积广，其森林生态水文功能研究具有重要意义。本文以湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站第Ⅱ集水区杆材阶段杉木人工林为研究对象，利用2011-2012年定位观测数据，结合室内实验及模型模拟，分析了杉木林生态系统降水及气象因子特征，林冠层、枯落物层和土壤层的水文生态功能;运用涡度相关法测定了杉木人工林集水区水汽通量变化，探明了制约杉木人工林生态系统水汽通量的主要气象因子，利用杉木人工林集水区1993-2012年观测数据，通过SWAT模型对该区径流及水量平衡进行模拟，预测了水文要素对气候变化的响应，揭示杉木人工林水文生态功能，为区域水资源管理、水源涵养区生态效益评价、水源涵养林保护和抚育等提供理论依据和参考。主要研究结果如下:
　　(1)2011-2012年会同杉木人工林第Ⅱ集水区年均降水量1104.6 mm，雨季（3-10月）降水量占年降水量的84.4％，为研究区降雨的主要来源，研究区小强度降雨事件频发。林外年均空气温度(Ta)高于林内，林内年均空气相对湿度(Rh)林内高于林外，土壤温度(Ts)和光合有效辐射(PAR)月总量均呈单峰型，1月Ts较低，7月最高。降水量除了与Ta相关性不显著外，与其余气象因子均显著相关。气象因子中，除Ts与Rh无显著相关，其余均显著相关。
　　(2)杆材阶段杉木人工林林冠层降雨穿透率为74.3％，树干茎流率为0.8％，林冠截留率为24.9％。影响林冠截留的因素按影响程度顺序依次为降水量＞降雨强度＞气温＞风速＞相对湿度。运用Fan模型对穿透水及林冠截留进行模拟，模拟精度较高，适用性较好，可较好的模拟和估算杉木林冠层对不同降雨事件的穿透水量及截留量，可以在本研究区应用。不同生育阶段杉木林林冠层对降水的作用有所不同，林冠层的截留能力随着林分的发育而增强，但是当林分发育到过熟阶段时，林冠的截留能力退化，在杉木人工林的经营管理中，应充分考虑各发育阶段杉木林林冠层的水文功能，以便制定合理有效的杉木人工林经营方案。
　　(3)杉木人工林年凋落物总量为1311.3 kg·hm-2，凋落物组成为针叶(68％)＞枝条(26％)＞落果(5％)＞碎屑(1％)，不同坡度枯落物厚度及蓄积量无明显差异。枯落物平均厚度5.7 cm，平均蓄积量15.7 t·hm-2，枯落物厚度及蓄积量均为未分解层＞半-已分解。吸水速率在浸水初期，半-已分解层吸水量＞未分解层，在浸水半小时后，半-已分解层持水量＜未分解层。枯落物未分解层最大持水率为274.8％;最大持水量为23.5 t·hm-2，相当水深1.9 mm;半-已分解层最大持水率为243.4％，最大持水量为68.3 t·hm-2，相当水深6.2 mm。
　　(4)随着土壤深度加深，土壤容重逐渐增大，土壤总孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度都逐渐减少，0-60 cm土壤非毛管持水量、毛管持水量及最大持水量为684.0 t·hm-2、2770.5 t·hm-2和1405.5 t·hm-2，杉木人工林土壤持水量以毛管持水量为主，占最大持水量的80.2％。0-60 cm土壤初渗速率为5.4 mm·mn-1、稳渗速率3.6 mm·mn-1，达到稳渗时间为66.5 min，Kostiakov方程能较好地反应杉木人工林土壤入渗情况。1、4、7、10月4个典型月份土壤水分含量日变化为单峰型，上午9:00-10:30之问达到最大峰值后迅速下降。土壤含水量具有明显的季节变化特征，12月达到年度最大值。土壤含水量垂直变化的总趋势是:表层土壤含水量比较高，随着土层的深度增加，各层次的土壤含水量逐步递减。土壤含水量与风速、相对湿度、降水量均呈正相关，其中相对湿度与土壤含水量呈极显著正相关，降水量与土壤含水量相关性均不显著，而风速与土壤含水量的相关性最小。
　　(5)会同杉木林生态系统水汽通量的日变化呈单峰型，四季的水汽通量在11:30-14:00时达到最大值，此后逐步下降，在20:00时又回到0值附近。杉木人工林生态系统中，7月份的日变化的最高值能达到0.114 g·m-2·d-1，1月份的日最高值为0.029 g·m-2·d-1，水汽通量的年进程为不对称的单峰型，夏季时为最大。水汽通量的年积累量为561.7mm，占年降水量的52.5％，水汽通量变化情况与温度、风速、饱和气压差和光合有效辐射变化一致，与相对湿度的变化相反。单因子相关分析表明，水汽通量对气温、土壤温度、风速、饱和气压差、光合有效辐射及相对湿度的变化都有很好的响应。与气温、土壤温度、风速、饱和气压差以及光合有效辐射呈显著正相关关系，与相对湿度呈显著负相关关系。回归分析表明气温、土壤温度、风速、饱和气压差、光合有效辐射、相对湿度都对杉木林水汽通量有影响，杉木林生态系统水汽通量的变化受气候的制约比较大，其中以PAR和Ws对杉木林生态系统水汽通量的影响最大。
　　(6) SWAT模型对会同杉木人工林集水区适用性良好，对集水区水文过程有较准确的描述。验证期Ens为0.78＞0.5，Re为10.1％，且R2为0.77＞0.6，模型的模拟效果很好，构建的模型满足使用条件。对集水区1993-2012年年均水量平衡模拟结果为，年均降水量1285.4 mm，地表径流40.9 mm，占降水量的3.2％，壤中流217.3mm，占降水量16.9％，基流290.6mm，占降水量22.6％，集水区年均总产流548.8mm，占降水量42.7％，蒸发713.5mm，占降水量55.5％，土壤水变化为1.2 mm，占降水量0.1％。基流和壤中流是集水区产流的重要组成部分。在气候变化发生变化时，集水区地表径流、壤中流、基流及蒸发均对气候变化做出了响应。其中，气候变化对地表径流、壤中流和基流影响显著，这三者随气温的升高和降水量的减小有明显的减小。地表径流在气候变化是的变化差异是最大的，壤中流的变化差异是最小的。蒸发在降水量和气温均增大的时候最大，且变化差异不大。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 林冠层水文生态功能

1．2．2 枯落物层水文生态功能

1．2．3 土壤层水文生态功能

1．2．4 水汽通量

1．2．5 分布式水文模型

1．3 研究目的及意义

1．4 技术路线

2 研究区概况、研究内容及方法

2．1 研究区概况

2．2 研究内容

2．3 研究方法

2．3．1 气象因子

2．3．2 林冠截留

2．3．3 枯落物

2．3．4 径流量的测定

2．3．5 土壤物理性状测定

2．3．6 水汽通量

2．3．7 数据统计分析

3 研究区降水及环境因子特征

3．1 降水特征

3．1．1 降水按月分布

3．1．2 降水按降水强度分布

3．2 研究区气象因子特征

3．2．1 林内外空气温度(Ta)

3．2．2 林内外空气相对湿度(Rh)

3．2．3 林内土壤温度(Ts)

3．2．4 光合有效辐射(PAR)

3．2．5 风速(Ws)

3．3 降水量与其它气象因子的相关性

3．4 讨论与小结

4 杉木人工林林冠层水文生态功能

4．1 穿透水

4．2 树干茎流

4．3 林冠截留特征

4．4 林冠截留影响因素

4．5 Fan模型模拟

4．5．1 Fan模型参数确定

4．5．2 Fan模型模拟结果

4．6 林冠对降雨的分配作用

4．7 讨论与小结

5 杉木人工林枯落物层水文生态功能

5．1 枯落物蓄积量

5．2 枯落物持水量

5．3 枯落物吸水速率

5．4 枯落物最大持水能力

5．5 讨论与小结

6 杉木人工林土壤水分特征

6．1 土壤贮水能力

6．2 土壤渗透性能

6．3 土壤含水量的垂直动态分布

6．4 土壤含水量变化规律

6．4．1 日变化

6．4．2 年变化

6．5 土壤含水量与气象因子相关性

6．6 讨论与小结

7 杉木人工林水汽通量

7．1 水汽通量时间变化特征

7．1．1 日变化

7．1．2 年进程和月积累量

7．2 水汽通量与气象因子的关系

7．2．1 水汽通量与气象因子日尺度上的关系

7．2．2 水汽通量和气象因子的单因子相关分析

7．2．3 水汽通量与气象因子的回归分析

7．3 讨论与小结

8 SWAT模型对集水区径流及水量平衡的模拟

8．1 SWAT模型水文学过程原理

8．2 SWAT模型输入数据

8．2．1 DEM数据

8．2．2 气象数据

8．2．3 土壤数据

8．3 SWAT模型参数敏感性分析

8．4 SWAT模型校准及最优参数

8．4．1 SWAT模型校准

8．4．2 SWAT模型最优参数

8．5 SWAT模型对集水区水量平衡的模拟

8．5．1 集水区年水量平衡

8．5．2 集水区月均水量平衡

8．6 气候变化背景下的径流敏感性分析

8．6．1 地表径流对气候变化的响应

8．6．2 壤中流对气候变化的响应

8．6．3 基流对气候变化的响应

8．6．4 蒸发对气候变化的响应

8．6．5 土壤水贮量对气候变化的响应

8．7 讨论与结论

9 结论、创新点及研究展望

9．1 结论

9．2 创新点

9．3 研究展望

参考文献

附录

致谢