六盘山香水河小流域植被结构水文影响及其坡面尺度效应

摘要

为认识水文要素的空间变化，量化其对水文过程影响及坡面尺度效应，本文于2012年和2013年生长季在六盘山香水河小流域对典型坡面和主要植被类型进行了立地因子和林分结构特征的调查，并利用传统水文学方法研究了林分生态水文过程。研究结果量化了植被的水文影响及坡位差异，分析了坡面尺度效应，加深了对植被系统结构的水文影响及坡面尺度效应形成机理的认识，可为发展森林生态水文学理论和促进林水综合管理提供科学指导。 1.主要植被类型结构特征及蒸散差异 香水河小流域内主要森林类型的结构特征差异较大。林分树高、胸径等分布存在明显差异。在整个生长季，华山松林、白桦林、辽东栎林的冠层LAI动态表现为生长初期快速上升，生长中期保持稳定，生长后期缓慢下降;油松林的冠层LAI变化幅度较小。 本文研究的所有森林样地的土壤均为灰褐土，土壤石砾含量大于20％。华山松林、油松林、白桦林、辽东栎林的土壤特征指标存在差异，0～100cm土层的土壤容重分别为0.83、1.04、0.79、1.14 g·cm-3;总孔隙度分别为66.5、59.6、68.0、56.4％;田间持水量分别为47.1、32.9、62.4、35.2％。 在2012年生长季观测期（5月11日-10月18日），林外总降雨量507.2 mm，属于平水年。受树种组成、林冠郁闭度、植被垂直分层等林分结构特征差异影响，各林分的蒸散量大小和组分差异较大，华山松林、白桦林、辽东栎林、油松林、华北落叶松林的蒸散量（和组分）分别为413.2、480.7、389.0、377.6，541.4 mm分别占同期降雨量的81.5、94.8、76.7、74.4和106.7％。 2.不同密度华北落叶松结构特征及蒸散（组分）差异 在2007年间伐后形成的不同密度（1811、1556、1134、1033、844株·hm-2）华北落叶松林平均树高相差不大(13.8～14.8 m)，但平均胸径随林分密度降低而逐渐增大(16.3～18.1 cm)。不同密度的华北落叶松林的林冠LAI变化趋势一致，表现为生长初期快速上升，生长中期保持稳定，生长后期缓慢下降;林冠LAI随林分密度增大呈直线上升。林分密度对土壤物理性质无显著影响。 在不同密度的华北落叶松林样地，其总蒸散量（和组成）分别为614.9、549.6、531.7、500.7、466.9 mm，分别占同期降雨量的121.2、108.3、104.8、98.7、92.0％，表现为蒸散量随林分密度增大而增加，即在间伐降低林分密度的5年后还可明显观测到其降低林分蒸散耗水的作用。 3.不同坡位华北落叶松结构特征、蒸散（组分）差异及坡面尺度效应 选择分布华北落叶松的半阳坡作为典型坡面，坡面林分胸径主要分布在16～24 cm，树高均在11m以上。不同坡位的（坡顶、坡中上、坡中、坡中下、坡底）华北落叶松林生长季平均LAI依次为2.97、3.14、3.20、3.19、3.24，随坡位降低逐渐增加，从坡顶向下的坡面滑动平均值随水平坡长增加而增加。7从坡顶开始坡长为200 m时(水平坡长395 m)，树高、胸径、LAI等结构指标的滑动平均值近似于整个坡面的平均值。为评价不同坡位处的林分结构对整个坡面的代表性及其随坡长的变化规律，建立了不同坡位处林分结构指标与坡面平均值的比值沿从坡顶向下的水平坡长的数量关系。 在2013年生长季观测期（5月16日-10月19日），林外总降雨量为815.9 mm，属于丰水年。在典型坡面上，各坡位的（坡顶、坡中上、坡中、坡中下、坡底）华北落叶松样地的林分蒸散量（和组分）依次为425.7、440.7、449.8、448.8、486.1 mm，分别占同期降雨量的52.5、54.0、55.1、55.0、59.6％，其占同期降雨量比例明显低于往年。林分蒸散及组分均存在坡位差异，冠层截留和蒸腾量随坡位降低呈增加趋势，林下蒸散趋势相反;总蒸散量随坡位降低逐渐增大。 森林的水文影响存在坡面尺度效应。从坡顶向下计算的2013年生长季森林蒸散及其分量的坡面滑动平均值，随水平坡长增加，冠层截留量表现为先减小后持续增加，林下蒸散表现为先增加后持续降低，乔木蒸腾量和总蒸散量表现为持续增加;当坡长约200 m时，森林的冠层截留、乔木蒸腾、林下蒸散、总蒸散量的坡面滑动平均值分别为140.5、119.7、181.0、441.2 mm，比整个坡面的平均值分别低3.9％(5.6 mm)、低9.4％(12.4 mm)、高5.6％(9.6 mm)、低1.9％(8.4 mm)。 建立了森林蒸散及其分量的样地测定值与坡面平均值的比值随离开坡顶水平距离而变化的统计关系，依此可将任一特定坡位分样地测定值尺度上推为坡面平均值，从而在减少工作量的同时还提升调查精度。 4.不同森林样地的产流特征 对2012年生长季森林样地的水量平衡计算表明，并非各林分样地均有产流，其中华山松林和辽东栎林分别产流16.6和54.7 mm，但油松林和白桦林的水量平衡项分别为-6.6和-82.1 mm，需消耗土壤水分。 随着华北落叶松林的林分密度由高至低，其计算产流量分别为33.1、31.9、68.5、85.9、89.5 mm，密度减少53.5％，产流量增加幅度为170.3％，表明在间伐降低林分密度的5年后还可明显观测到其增加产流效果。 在降水丰富的2013年生长季，在典型坡面上位于坡顶、坡中、坡底的华北落叶松林样地的水量平衡计算所得的产流量分别为353.7、344.4、301.4mm。 5.冠层LAI与水文过程的关系 冠层LAI与其他林分结构指标（郁闭度、树高、密度、胸高断面积）存在较高相关性，且LAI直接影响林分的各个水文过程。为了认识林分结构对水文过程的影响，利用2012年各样地生长季冠层平均LAI和水文过程观测数据，进行了相关分析。结果显示:冠层LAI与总蒸散(R2=0.56)、冠层截留(R2=0.59)、乔木蒸腾(R2=0.52)呈正相关且相关性较高，与林地产流量负相关且相关性较高(R2=0.53)，但与林下蒸散呈负相关且相关性较低(R2=0.12)。说明，林分结构是水文过程主要影响因素。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题依据

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究目的和意义

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 森林生态系统的水文过程

1．2．2 植被特征的尺度差异

1．2．3 植被水文影响的尺度效应

1．2．4 植被水文影响的尺度变化

1．2．5 生态水文模型

1．3 研究需求与发展趋势

1．4 研究目标和主要内容

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

1．4．3 研究技术路线

第二章 研究区概况与研究方法

2．1 研究区概况

2．1．1 六盘山地理位置

2．1．2 实验小流域概况

2．1．3 实验坡面基本情况

2．1．4 流域气象水文

2．1．5 研究期间的气象特征

2．2 研究方法

2．2．1 标准样地选设及调查

2．2．2 林内外气象特征监测

2．2．3 样地土壤物理性质测定

2．2．4 林分特征调查

2．2．5 水文过程监测

2．2．6 数据处理和分析

第三章 主要森林类型样地结构特征

3．1 华山松次生林

3．1．1 样地特征

3．1．2 林木层特征

3．1．3 华山松林地土壤物理性质

3．2 油松人工林

3．2．1 样地特征

3．2．2 林木层特征

3．2．3 油松林地土壤物理性质

3．3 白桦次生林

3．3．1 样地特征

3．3．2 林木层特征

3．3．3 白桦林地土壤物理性质

3．4 辽东栎次生林

3．4．1 样地特征

3．4．2 林木层特征

3．4．3 辽东栎林地土壤物理性质

3．5 小结

第四章 不同密度华北落叶松林结构特征

4．1 间伐处理及样地特征

4．2 林木层特征

4．2．1 径级分布特征

4．2．2 树高分布特征

4．2．3 胸径与树高关系

4．2．4 不同密度林分的生长季LAI比较

4．3 不同密度华北落叶松林地土壤物理性质

4．4 小结

第五章 典型坡面上华北落叶松林结构特征及坡位差异

5．1 坡面样地特征

5．2 林木层特征

5．2．1 径级分布特征

5．2．2 树高分布特征

5．2．3 胸径与树高关系

5．2．4 冠层叶面积指数的生长季动态

5．3 林分结构的坡面差异和坡面尺度效应

5．3．1 林分结构的坡位差异

5．3．2 林分结构的坡面尺度效应

5．3．3 林分结构特征的坡面尺度上推

5．4 不同坡位华北落叶松样地的土壤物理性质及其坡面变化

5．4．1 土壤物理性质的坡位差异

5．4．2 土壤物理性质的坡面尺度效应

5．4．3 土壤物理性质的尺度上推

5．5 小结

第六章 华北落叶松林冠叶面积指数时空变化规律

6．1 华北落叶松林样地

6．2 林冠叶面积指数的生长季动态

6．3 立地因子对林冠叶面积指数的影响

6．4 叶面积指数与林分密度的转换

6．4．1 叶面积指数与林分结构指标的关系

6．4．2 基于叶面积指数的林分密度计算模型

6．5 小结

第七章 主要森林类型样地的水文过程

7．1 林分冠层截持

7．2 树干液流及单株耗水特征

7．2．1 单株液流速率

7．2．2 单株日均蒸腾量

7．3 林分蒸腾特征

7．3．1 树木及林分边材面积

7．3．2 林分冠层月蒸腾量

7．4 林下蒸散

7．4．1 灌木蒸腾

7．4．2 林地蒸散

7．5 林分总蒸散及其组分

7．6 土壤含水量变化

7．7 小结

第八章 不同密度华北落叶松林的水文过程

8．1 冠层截持

8．1．1 树干茎流与穿透降雨

8．1．2 穿透雨量与林分结构和降雨量的关系

8．2 树干液流速率和林分蒸腾

8．2．1 不同径阶树干液流速率比较

8．2．2 华北落叶松边材面积及林分蒸腾量

8．3 林地蒸散

8．4 林分总蒸散及组分

8．5 土壤水分变化

8．6 林分蒸散量的Penman-Monteith方程模拟值与实测值比较

8．7 小结

第九章 典型坡面不同坡位华北落叶松林的水文过程

9．1 冠层截持

9．2 不同坡位样地的液流速率特征和林分蒸腾

9．2．1 树干液流速率

9．2．2 林分胸径边材面积关系

9．2．3 林分冠层蒸腾量

9．3 不同坡位林分样地的林地蒸散

9．4 不同坡位的林分总蒸散及组分

9．5 不同坡位样地的土壤含水量

9．6 小结

第十章 典型森林结构的水量平衡影响及坡面变化

10．1 不同植被类型样地的时段产流量和季节变化

10．1．1 华山松林样地的水量平衡

10．1．2 油松林样地的水量平衡

10．1．3 白桦林样地的水量平衡

10．1．4 辽东栎林样地的水量平衡

10．1．5 华北落叶松林样地的水量平衡

10．2 不同密度华北落叶松林样地的产流量比较

10．3 不同坡位华北落叶松林样地产流量的比较

10．4 森林水文影响的坡位尺度效应

10．4．1 森林水文影响的坡位差异

10．4．2 森林水文影响的坡面尺度效应

10．4．3 森林水文影响的坡面尺度上推

10．5 植被结构的水文影响

10．5．1 冠层LAI与生长季蒸散及组分的关系

10．5．2 冠层LAI与林地生长季产流的关系

10．6 小结

第十一章 研究结论与讨论

11．1 讨论

11．1．1 坡面林分生长指标的空间差异与尺度效应

11．1．2 土壤水文性质的森林类型和空间差异

11．1．3 蒸腾占蒸散比例及受气候条件的影响

11．1．4 森林蒸散的坡位差异和坡面尺度效应

11．2 结论

11．2．1 森林结构特征的类型差异和坡面变化

11．2．2 土壤水文性质的类型差异和坡面变化

11．2．3 森林生长季蒸散的类型差异和坡面变化

11．2．4 林地水量平衡的类型差异和坡面变化

11．2．5 森林水文影响的坡位差异和坡面尺度效应

参考文献

在读期间学术研究

致谢