六盘山坡面华北落叶松林水文影响的时空变化及尺度转换

摘要

受植被和土壤等水文要素坡位差异的影响，水文过程在坡面上往往具有很大的空间（坡位和坡长）和时间（月份）变化，目前有关水文影响时空变化的研究主要集中在样地和流域尺度，对坡面这个基本空间单位的关键尺度上关注很少，限制了对植被水文影响尺度效应形成机理的理解及应用。为理解水文影响在坡面上的时空变化机理，提高坡面水文影响评估的精度，在宁夏六盘山半湿润区香水河小流域，利用2015年选择的一个水平坡长425.1 m的华北落叶松人工林典型坡面，沿从坡顶至坡脚的30m宽样带，均匀划分了空间连续的16个样地，在生长季调查了植被和土壤结构特征的动态坡位差异，监测了相关水文过程，分析了水文要素及其影响下水文过程的时空变化，探讨了水文要素及水文过程从样地到坡面的尺度上推方法，并以各指标顺坡滑动加权平均值在水平坡长增加100 m时的变化量为指标评价坡长效应。
　　1.坡面林分结构特征的时空变化
　　林分地上总生物量随样地离坡顶距离增大（坡位变化）先升后降，在坡中上部最大。主导影响因素是土壤含水量坡位差异，表现为显著正相关。地上（乔灌草）活生物量和枯落物蓄积量的顺坡变化与地上总生物量基本一致。地上总生物量滑动加权平均值随水平坡长增加（坡长变化）呈先升后降的变化趋势，其坡长效应在0～244.2、244.2～425.1m坡段分别为+2.89、-2.46 t·hm-1/100 m。
　　坡面林分冠层叶面积指数(LAI)存在顺坡变化且月份差异明显。在整个生长季，LAI随样地离坡顶水平距离增加先升后降，最大值在坡中部;5月份，为逐渐降低;在6、7、8月份，为“中坡较大，上坡和下坡较小”;在9和10月份，为不断加大。导致LAI坡面格局月份差异的主导因素存在季节变化，5月份是由海拔（坡位）和地形遮挡共同引起的气温与辐射差异，6-8月份是土壤含水量的坡位差异，9-10月份是受海拔（坡位）、气象和土壤水文性质及土壤含水量的共同作用，其中10月份的影响强于9月份，尤其土壤含水量的影响。整个生长季，LAI滑动加权平均值随水平坡长增加也呈先升后降的变化趋势，坡长效应在0～296.7、296.7～425.1 m坡段为+0.07、-0.02/100 m。5月份为逐渐降低，坡长效应为-0.02/100 m;6、7、8月份，均为先升后降，坡长效应在0～244.2 m坡段分别为+0.15、+0.16、+0.18/100 m，在244.2～425.1 m坡段为-0.09、-0.08、-0.07/100 m;9、10月份，均为逐渐升高，坡长效应为+0.03和+0.09/100 m。
　　2.坡面土壤水文物理性质的空间变化
　　直接影响水文过程的主要土壤水文性质存在坡位差异，但0-100 cm土层各指标随样地离坡顶水平距离增加的变化趋势有所不同，土壤容重为“降-升-降”，饱和持水量和总孔隙度为“升-降-升”，田间持水量、毛管孔隙度和饱和导水率为“先升后降”;非毛管孔隙度为“先降后升”。植被结构（林分密度）和地形因子（海拔和坡度）是影响土壤水文性质顺坡变化的主要因素，表现为林分密度与容重显著负相关及与非毛管孔隙度正相关，海拔与饱和持水量和总孔隙度显著正相关，坡度与田间持水量、毛管孔隙度和饱和导水率显著负相关。顺坡滑动加权平均值对土壤容重和田间持水量为“降-升-降”，对毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、饱和持水量、饱和导水率为“先升后降”。各指标的坡长效应均存在坡段差异，容重为-0.05(0～134.9 m)、+0.02(134.9～351.9 m)和-0.01g·cm-3/100 m(351.9～425.1 m)，毛管孔隙度为+0.54％(0～314.6 m)和-0.61％/100 m(314.6～425.1 m)，非毛管孔隙度为+0.78％(0～94.7 m)、-0.60％(94.7～364.4 m)和+0.58％/100 m(364.4～425.1 m)，总孔隙度为+0.76％(0～143.6 m)和-0.52％(143.6～425.1 m)，田间持水量为-0.94％(0～77.9 m)、+1.16％(77.9～301.8 m)和-2.60％(301.8～425.1)，饱和持水量为+0.27％(0～179.3 m)和-0.96％/100m(179.3～425.1m)，饱和导水率为+0.04(0～170.1m)和-0.02 mm·min-1/100m(170.1～425.1m)。
　　坡面样地土壤含水量存在顺坡（坡位）变化，整个生长季为先升后降，最大值在坡中上部(水平坡长135.8 m)。其5-9月份的顺坡变化趋势与整个生长季基本一致，但10月份为逐渐降低，可能因10月份结冰后不利于土壤水分坡面再分配。在研究年份因降水较多，影响土壤含水量顺坡变化格局的主要因素是土壤持水性能，表现为各月土壤含水量均与土持水能力显著正相关。此外，枯落物层蓄积量对降雨较多月份（6、7、9月）的土壤含水量坡位变化也有重要影响，表现为土壤含水量与枯落物生物量显著正相关。生长季及各月的土壤体积含水量顺坡滑动加权平均值随水平坡长增加均有不同程度的变化，其坡长效应(含水量变化值/100 m)整个生长季为+0.61％(0～217.6 m)和-0.82％(217.6～425.1 m)，在5、6、7月份为+1.18％、+1.38％、+0.46％(0～217.6 m)和-0.95％、-0.92％、-0.82％(217.6～425.1m);8月份为+0.47％(0～171.1 m)和-0.52(171.1～425.1 m);9月份为+0.98(0～160.2 m)和-0.48％(160.2～425.1 m);10月份为-0.88％(0～425.1 m)。
　　3.坡面林分冠层截留量的时空变化
　　坡面林分冠层截留有明显的顺坡（坡位）变化且月份差异明显。整个生长季的林冠截留量顺坡变化总体为先升后降，最大值在坡中部;5月份总体表现为逐渐降低;6、7、8月份的总体趋势和整个生长季相同（先升后降）;9、10月份为逐渐升高。影响林冠截留时空变化的主导因素是林冠层LAI的坡位差异及季节变化，各月林冠截留率均与LAI显著正相关。整个生长季林冠截留滑动加权平均值随水平坡长增加先升后降，坡长效应（mm/100 m）为+5.62(0～316.6m)和-2.37(316.6～425.1 m)。5月份为逐渐降低，坡长效应为-0.26 mm/100 m(0～425.1 m)。6、7、8月份，均为先升后降，坡长效应(mm/100m)在6月份为+1.28(0～261.1 m)和-1.78(261.1～425.1m)，7月份为+0.92(0～267.6m)和-0.88(267.6～425.1 m);8月份为+1.28(0～211.2 m)和-0.34(211.2～425.1m)。9、10月份，均为逐渐升高，坡长效应分别为+2.38和+0.81。
　　4.坡面林分蒸腾量的时空变化
　　坡面林分的林木蒸腾同时受潜在蒸散PET、土壤湿度和林冠层LAI的共同影响。基于实测数据的上外包线，确定了林分蒸腾的响应函数，对PET为二项式方程，对不同土层的相对体积含水量REW和LAI为趋于饱和的指数增长方程。利用实测数据拟合了考虑大气蒸散需求(PET)、土壤供水能力(REW)和林分输水能力(LAI)综合影响的林分日蒸腾模型:T=(-1.151PET2+9.191PET-3.271)×[-7.170+0.335(1-EXP(-5.913RE W0-10cm)）+7.066(1-EXP(-11.813REW10-20cm))+21.333(1-EXP(-14.493REW20-40cm))+0.754(1-EXP(-8.180REW40-60cm))]×[-0.043+0.048(1-EXP(-1.681LAI))]，可很好地评估林分蒸腾量。坡面林分的林木蒸腾存在顺坡（坡位）变化，其随样地离坡顶距离增加的变化趋势在整个生长季总体上为先升后降;在5、6、7、8月份，林分蒸腾的顺坡变化总体趋势与整个生长季类似;在9、10月份，总体呈一直升高趋势。导致林分蒸腾坡面变化的主导因素是林冠层LAI、土壤湿度及海拔引起的气象的坡位差异，表现为林分蒸腾在5、6月份与LAI、土壤湿度显著相关，在7、8、9月份与LAI显著相关，在10月份与LAI、土壤湿度、海拔、坡度及PET显著相关。整个生长季，林分蒸腾滑动加权平均值随水平坡长增加先升后降，坡长效应（mm/100m）存在坡段差异，为+7.87(0～303.3 m)和-2.52(303.3～425.1 m);在5、6、7、8月份，其变化趋势与整个生长季类似，坡长效应（mm/100 m）在5月份为+2.64(0～293.5 m)和-1.00(293.5～425.1 m)，6月份为+1.75(0～283.4 m)和-0.96(283.4～425.1 m)，7月份为+1.07(0～276.8 m)和-0.67(276.8～425.1 m)，8月份为+0.97(0～307.4 m)和-0.42(307.4～425.1 m);9、10月份，均为逐渐升高，坡长效应分别为+0.62和+0.43 mm/100 m。
　　5.坡面林分林下蒸散量的时空变化
　　坡面林分的林下蒸散同时受潜在蒸散PET、土壤湿度和林冠层LAI的共同影响。基于实测数据的上外包线，确定了林下蒸散的响应函数，对PET为正线性相关，对0-30 cm土层体积含水量SMC为趋于饱和的指数增长方程，对LAI为衰减的指数方程。利用实测数据拟合了考虑大气蒸散需求(PET)、土壤供水条件（SMC）及冠层覆盖(LAI)影响的林下日蒸散模型: E=(6.6971PET-2.7704)×(6.9274-11.2434EXP(-1.9588SMC))×(0.0324+1.1622EXP(-2.3069LAI))，利用该模型与实测林地土壤湿度数据校正了微型蒸渗仪测定的林下日蒸散量。坡面林分的林下蒸散存在顺坡（坡位）变化，在整个生长季总体表现为随样地离坡顶水平距离增大而逐渐升高，在5、6、7月份整体表现为先变化不明显后逐渐升高，8、9月份为逐渐升高，10月份为先升后降。影响林下蒸散坡面变化的主要因素有月份差异，5-7月份为LAI、海拔/坡度引起的气象条件差异及枯落物层生物量差异，8月份为海拔/坡度引起的气象条件差异，9月份为海拔引起的微气象及枯落物层生物量差异，10月份为山体遮挡及海拔导致的气象条件的复杂坡位差异。整个生长季，林下蒸散滑动加权平均值随水平坡长增加逐渐升高，坡长效应(mm/100 m)为+5.88。5、6、7、8、9、10月份，随水平坡长增加均表现为逐渐升高，坡长效应分别为+0.86、+0.89、+1.30、+0.72、+0.83、+1.28。
　　6.坡面林地产流量的时空变化
　　维持一定产流是水源涵养林管理的基本需求，需准确估计。坡面林地产流量存在顺坡（坡位）变化且月份差异明显。在整个生长季，各坡位样地产流随离坡顶水平距离增加总体表现为先降后升;6到10月份分别表现为“先降后升”、“升-降-升”、“升-降-升”、“降-升-降”和“降低”。影响林地产流坡位变化的主要水文过程及主导因子存在月份差异，6月份是林冠截留与坡度和持水能力，7、8、9月份是土壤蓄水变化量与土壤入渗性能以及9月份的上坡输入径流量，10月份是林冠截留与林冠层LAI和土壤的入渗及孔隙度。整个生长季，林地产流滑动加权平均值随水平坡长增加逐渐降低，坡长效应为-10.3mm/100 m。6月份为“先降后升”，坡长效应（mm/100 m）为-4.8(0～296.2 m)和+2.8(296.2 m～425.1 m);7月份为“先升后降”，坡长效应为+2.9(0～186.9 m)和-2.6(186.9～425.1 m);8月份为“先升后降”，坡长效应为+6.6(0～175.8 m)和-2.3(175.8～425.1 m);9月份为“先降后升”，坡长效应为-12.8(0～258.0 m)和+1.7(258.0～425.1 m);10月份为逐渐降低，坡长效应为-2.5(0～425.1 m)。
　　7.水文要素及蒸散分量从样地到坡面的尺度上推
　　为降低利用典型样地测定值评估坡面均值的不确定性和提高评估精度，拟合了坡面林分样地的地上总生物量、土壤物理性质与其坡面均值的比值随离坡顶距离变化的关系，藉此可将任何坡位样地的测定值较可靠地上推估计其坡面均值。整个坡面的平均土壤体积含水量的最佳代表点在相对水平坡长0.57处，此处测定值可代表坡面均值。
　　林分蒸散及其组成分量在样地和坡面间存在尺度效应，难以直接利用典型样地测定值评估坡面均值，因此提出了一套经尺度上推评估林分蒸散坡面均值的方法。可基于不同坡位样地LAI与坡面均值的关系、LAI与林冠截留量的关系，从任何坡位样地的LAI测定值上推估计林冠截留的坡面均值。可基于LAI和REW(和SMC)样地测定值向坡面均值的转换方法，以及林分蒸腾（和林下蒸散）与PET、REW(和SMC)、LAI的耦合关系，由任何坡位样地的LAI和REW(SMC)测定值及研究地点的PET测定值，实现对林分蒸腾（林下蒸散）坡面均值的评估。累加各蒸散的尺度上推估计值，可实现林分蒸散从坡面样地向坡面的尺度上推;再利用水量平衡方程，可得到林地产流的坡面值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究目的及意义

1．1．3 项目来源与经费支持

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 水文要素的坡面变化

1．2．2 水文过程的坡面变化

1．2．3 水文过程的空间尺度效应

1．2．4 水文要素及水文过程的尺度转换

1．2．5 存在问题及研究展望

1．3 研究目标和主要内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 主要内容

1．3．3 拟解决的关键科学问题

1．4 技术路线

第二章 研究区概况与试验方法

2．1 研究区概况

2．1．1 六盘山自然保护区地理位置

2．1．2 香水河小流域

2．1．3 研究期间气象特征

2．2 研究方法

2．2．1 研究坡面和样地设置

2．2．2 样地生态水文过程观测

2．2．3 坡面水文要素及水文过程观测

2．3 数据处理与分析

2．3．1 相关术语

2．3．2 水文要素由样地向坡面的尺度转换途径

2．3．3 水文过程的尺度转换途径

2．3．4 坡位变化的度量指标

2．3．5 坡长效应评价方法

2．3．6 统计分析

第三章 林分特征的时空变化及尺度转换

3．1 地上总生物量的空间变化及尺度转换

3．1．1 样地地上总生物量绝对值的坡位变化

3．1．2 样地地上总生物量相对值的坡位变化

3．1．3 地上总生物量的坡长效应

3．2 林冠层LAI的时空变化及尺度转换

3．2．1 生长季内各月的林冠层LAI绝对值及其坡位变化

3．2．2 生长季内各月的林冠层LAI相对值及其坡位变化

3．2．3 生长季内各月林冠层LAI的坡长效应

3．3 讨论

3．3．1 林分特征坡位变化的影响因素

3．3．2 林分特征的坡长效应

3．3．3 不同坡位样地林分特征的坡面代表性

3．4 小结

第四章 土壤水文物理性质的空间变化及尺度转换

4．1 土壤容重的空间变化

4．1．1 样地土壤容重绝对值的坡位变化

4．1．2 样地土壤容重相对值的坡位变化

4．1．3 土壤容重的坡长效应

4．2 土壤孔隙度的空间变化

4．2．1 样地土壤孔隙度绝对值的坡位变化

4．2．2 样地土壤孔隙度相对值的坡位变化

4．2．3 土壤孔隙度的坡长效应

4．3 土壤持水性能的空间变化

4．3．1 样地土壤饱和持水量和田间持水量绝对值的坡位变化

4．3．2 样地土壤饱和持水量和田间持水量相对值的坡位变化

4．3．3 土壤饱和持水量和田间持水量的坡长效应

4．4 土壤入渗性能的空间变化

4．4．1 样地土壤饱和导水率绝对值的坡位变化

4．4．2 样地土壤饱和导水率相对值的坡位变化

4．4．3 土壤饱和导水率的坡长效应

4．5 土壤物理性质的尺度上推

4．6 土壤体积含水量的时空变化及尺度转换

4．6．1 样地土壤含水量绝对值的坡位变化

4．6．2 样地土壤含水量相对值的坡位变化

4．6．3 土壤含水量的坡长效应

4．7 讨论

4．7．1 土壤水文物理性质坡位变化的影响因素

4．7．2 土壤水文物理性质的坡长效应

4．7．3 不同坡位样地土壤水文物理性质的坡面代表性

4．8 小结

第五章 林冠截留的时空变化及尺度转换

5．1 林地穿透雨收集器合理数量的确定

5．1．1 次降雨的穿透雨空间变异及影响因素

5．1．2 穿透雨取样器的合理数量

5．2 样地林冠截留量绝对值的坡位变化

5．3 样地林冠截留量相对值的坡位变化

5．4 林冠截留量的尺度上推

5．5 林冠截留量的坡长效应

5．6 讨论

5．6．1 穿透雨空间变异的影响因素及其收集器取样数量

5．6．2 林冠截留量坡位变化的影响因素

5．6．3 林冠截留量的坡长效应

5．6．4 不同坡位样地林冠截留量的坡面代表性

5．7 小结

第六章 林分蒸腾的时空变化及尺度转换

6．1 林分蒸腾对潜在蒸散、土壤含水量及林冠层LAI的响应

6．1．1 研究期间潜在蒸散、土壤含水量及林冠层LAI的变化

6．1．2 研究期间林分日蒸腾的变化

6．1．3 林分日蒸腾对单因子的响应

6．1．4 林分日蒸腾响应PET、REW及林冠层LAI的复合模型

6．1．5 模型的验证

6．2 样地林分蒸腾量绝对值的坡位变化

6．3 样地林分蒸腾量相对值的坡位变化

6．4 林分蒸腾量的尺度上推

6．5 林分蒸腾量的坡长效应

6．6 讨论

6．6．1 多因素共同影响下的林分蒸腾

6．6．2 林分蒸腾量坡位变化的影响因素

6．6．3 林分蒸腾量的坡长效应

6．6．4 不同坡位样地林分蒸腾量的坡面代表性

6．7 小结

第七章 林下蒸散的时空变化及尺度转换

7．1 林下蒸散对潜在蒸散、土壤含水量及林冠层LAI的响应

7．1．1 研究期间环境因子及林下蒸散的变化

7．1．2 林下蒸散对单个因子的响应

7．1．3 林下蒸散对PET、SMC及林冠层LAI响应的复合模型

7．1．4 模型验证

7．1．5 林地林下蒸散校正

7．2 各坡位样地林下蒸散测定值的校正

7．3 林下蒸散量绝对值的坡位变化

7．4 林下蒸散量相对值的坡位变化

7．5 从样地到坡面的林下蒸散量尺度上推

7．6 林下蒸散量的坡长效应

7．7 讨论

7．7．1 多因素共同影响下的林下蒸散

7．7．2 林下蒸散量坡位变化及其影响因素

7．7．3 林下蒸散量的坡长效应

7．7．4 不同坡位样地林下蒸散量的坡面代表性

7．8 小结

第八章 林地产流的时空变化及尺度转换

8．1 林地产流量的坡位变化

8．1．1 各坡位样地水量平衡特征

8．1．2 林地产流量绝对值的坡位变化

8．1．3 林地产流量相对值的坡位变化

8．2 林地产流量的尺度上推

8．3 林地产流量的坡长效应

8．4 讨论

8．4．1 林地产流量坡位变化及其影响因素

8．4．2 林地产流量的坡长效应

8．4．3 林地产流量的尺度效应及尺度转换途径

8．5 小结

第九章 结论与研究不足

9．1 结论

9．1．1 林分结构特征的时空变化

9．1．2 土壤物理性质的空间变化

9．1．3 土壤体积含水量的时空变化

9．1．4 林冠截留量的时空变化

9．1．5 林分蒸腾量的时空变化

9．1．6 林下蒸散量的时空变化

9．1．7 林地产流量的时空变化

9．1．8 水文要素和水量平衡分量的尺度转换技术

9．2 主要创新点

9．3 研究不足及展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢