六盘山叠叠沟小流域坡面植被水文影响与模拟

摘要

本文在处于典型半干旱区的六盘山北段西侧的叠叠沟小流域研究了植被和地形与土壤的坡面水文影响。研究内容包括流域内土壤特性空间分布、植被冠层截留特征、枯落物水文功能、典型乔木和灌木的蒸腾特征、土壤水分入渗、样地土壤水分动态变化、样地水分平衡及流域径流特征，并应用生态水文模型BROOK90进行了多种情景模拟。所得研究成果如下：
　　1.流域内土壤特性的空间分布规律
　　流域内土壤厚度的空间变异程度属于中等变异。阴坡和半阴坡的土壤厚度均大于阳坡和半阳坡。不同坡位间土厚平均值(cm)差异较大：坡顶(34.8)＜上坡(47.7)＜中上坡(75.9)＜中坡(83.4)＜下坡(131.2)＜坡底(286.4)。在现有植被中，灌丛多位于土层较薄地段，乔木林地和退耕地多位于土层较厚地段。
　　对流域内93个土壤物理性质测点所得结果统计分析后发现，93个样点所有土层中石砾体积含量平均为5.96％。粒径在2～4mm和4～6mm的总量占总石砾体积的62.39%。表层(0-20cm)土壤石砾体积含量(%)在不同坡向上为：阳坡（3.07）>阴坡（2.89）>半阴半阳坡（1.99）；在不同坡位上：下部(3.46)＞中上部(3.05)＞坡顶(2.46)＞中部(2.20)＞上部(2.08)。土壤石砾体积含量随土层深度的变化基本呈S型曲线特征。
　　2.植被冠层截留降雨特征
　　在2008年华北落叶松生长季（4月～10月），降水量为389mm，对应的平均截留率为20.03%，5月份的截留率最大，平均为23.73%；9月份最小，仅为18.12%。叶面积指数的空间分布在一定程度上能影响树冠穿透降雨的空间分布。2008年生长季18场降雨的华北落叶松茎流量平均为0.09mm，占每次降雨林外降水量的0.46%。
　　研究期间，虎榛子灌丛穿透雨量变化在1.1～42.4mm，平均穿透率为58.6%；沙棘灌丛穿透雨量变化在0.7～45.0mm，平均穿透率为53.0%。利用大于5mm的降雨场次测定的穿透雨与林外雨数据推得沙棘灌丛的冠层容量为1.58mm，虎榛子灌丛为0.54mm。51.6mm的降雨后各草本植物单位叶面积的截持降水率平均为0.02g/cm2，通过样地地上生物量换算成持水水深为0.85mm，占降水总量的1.64%。
　　3.枯落物水文功能
　　流域内4种植被类型的枯落物最大持水率大小依次为：华北落叶松(332.2%)＞沙棘灌丛(288.6%)＞虎榛子灌丛(220.6%)＞半阳坡草地(219.5%)；通过浸水法测定4种植被类型枯落物最大持水深大小依次为：华北落叶松(2.2mm)＞虎榛子灌丛(1.3mm)＞沙棘灌丛(0.9mm)＞半阳坡草地(0.6mm)。
　　利用一场连续降雨事件中测定的华北落叶松枯落物含水量得到了野外降雨条件下枯落物的吸水过程。测得的枯落物最大持水率变动在159.9%～246.6%，平均为219.4%，最大持水量为16.01 t.hm-2，约为浸泡所得枯落物最大持水量的74.3%。
　　枯落物蒸发速率与含水率基本呈现对数关系，蒸发速率随含水率的增加而逐增大并无限逼近所处环境条件下的水面蒸发速率。2008年6月底到10月底华北落叶松林分样地内枯落物持水率的变化在6.0%～192.3%之间。
　　4.华北落叶松和沙棘的蒸腾特征
　　华北落叶松树干液流速率在晴天呈现明显的昼夜变化规律，为典型的“单峰型”。阴天峰型出现较多的无规律波动。降雨发生时，树干液流速率降低到同时期晴天夜间水平甚至更低，并使其出现多峰性。雨后晴天树干液流速率的峰值和日均值都高于雨前晴天，且降雨量越大，降雨前后树干液流速率差值也越大，表明蒸腾受土壤水分限制。在连续干旱条件下，树干液流速率峰值呈降低趋势。华北落叶松树干日液流通量季节变化显著，2008年生长季月平均液流通量为：5月＞6月＞7月＞8月＞9月＞10月。
　　沙棘液流通量日变化曲线具单峰型特征，观察中发现的“双峰”或“多峰”曲线由当时天气晴阴变化决定。沙棘在夜间有液流存在，约为白天的17.78%，而且干旱时期夜间蒸腾占白天或全天蒸腾的百分比大于较湿润时期的值。
　　5.土壤水分入渗
　　采用小区漫流法测得流域内不同植被类型的土壤稳渗速率(mm?min-1)平均值分别为：天然草地(5.33)、虎榛子灌丛(5.13)、沙棘灌丛(4.29)和华北落叶松林地(3.81)。在水分限制性的植被恢复区，坡向通过影响植被生长状况来影响土壤稳渗速率，以天然草地为重点研究了不同坡向的稳渗速率，依次为阴坡(5.40)>半阴坡(5.23)>阳坡(5.12)，不同坡位依次为中坡位(5.92)>下坡位(5.36)>上坡位(4.96)。
　　6.样地土壤水分动态
　　华北落叶松林内土壤水分的时空差异极其显著，依据在2008年观测的土壤水分时间动态可划分为土壤水分的相对湿润期（5月4日～5月21日）、持续消耗期（5月22日～9月7日）和快速恢复期（9月8日～11月1日）；依据水分利用特征可将垂直土层划分为土壤水分的微弱利用层(0-20cm)、利用层(20-60cm)和水分调节层(60cm以下)。
　　2008年生长季期间各样地土壤有效水排序为沙棘灌丛＞阳坡草地＞半阳坡草地＞虎榛子灌丛＞陡坡华北落叶松林。陡坡华北落叶松样地和虎榛子灌丛的一些土层在6月至9月初出现无效水状态，阳坡草地、半阳坡草地和沙棘灌丛虽然未有无效水状态出现，但在6月至9月初有很多时候处于难效水状态。
　　7.样地水量平衡及流域径流特征
　　各样地的地表径流和壤中流占降水量比例很小，地表径流占0.5%左右，壤中流不到0.5%，所以在分析样地水分平衡时可将其忽略。样地水量平衡分析表明，蒸散量是样地水分平衡的最大分量。阳坡草地、半阳坡草地能向外部输出液态水资源，属输出型；而陡坡华北落叶松林、缓坡华北落叶松林及半阴坡沙棘灌丛需要消耗外部输入的坡面径流水分，为消耗型。流域径流年内分配不均匀，生长季初期以基流为主；进入8、9月份后由降水形成且容易由于暴雨而出现流量骤增的洪峰流量。
　　8.应用BROOK90模型模拟分析植被的水文影响
　　应用 BROOK90模型的模拟结果表明，不同植被的生长季蒸散量均占到同期总降雨量的70%以上，3种植被类型下总蒸散量的大小排序为华北落叶松＞沙棘灌丛＞草地；坡面产流量大小排序为草地＞沙棘灌丛＞华北落叶松。在相同植被的条件下，阳坡蒸散高于阴坡，其坡面产流低于阴坡。坡面产流受坡向的影响程度以草地最大，沙棘灌丛次之，华北落叶松林最小。坡度较大时的样地产流明显多于坡度较小时的样地产流，随着坡度增加，蒸散各分量均呈下降趋势。
　　土厚对蒸散分量的影响和植被类型有关，土厚主要影响草地的土壤蒸发，对于沙棘灌丛和华北落叶松林的影响主要体现在植被蒸腾上。土厚由20cm增至90cm，华北落叶松植被蒸腾量增加了37.1%，沙棘灌丛增加了26.3%。随着初始土壤水势的降低，蒸散量和样地产流量均呈降低趋势。在综合考虑植被类型、坡向和土壤厚度的坡面产流影响的角度，本研究探讨了适合于当地的植被恢复模式。

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表目录

图目录

第一章 绪 论

1.1引言

1.2国内外研究进展

1.3 研究目标和主要内容

第二章 研究方法

2.1流域本底调查

2.2 气象特征监测

2.3 植被特征调查

2.4 植被冠层截持

2.5 蒸散测定

2.6 土壤水分及其动态

2.7 径流测定

第三章 研究区及试验流域概况

3.1 六盘山区概况

3.2 叠叠沟小流域概况

3.3典型研究样地特征

3.4研究期间降水输入

第四章 流域土壤特征分析

4.1 叠叠沟小流域土厚特征

4.2 叠叠沟小流域石砾含量空间分布特征

4.3 本章小结

第五章 样地植被冠层截留特征

5.1华北落叶松单株冠下穿透雨

5.2华北落叶松林地冠层截留

5.3灌木、草本冠层截留

5.4小结

第六章 植被枯落物生态水文研究

6.1枯落物的现存量

6.2枯落物的持水能力和持水过程分析

6.3自然状态下华北落叶松枯落物持水和蒸发

6.4小结

第七章 华北落叶松和沙棘蒸腾特征

7.1水面(潜在)蒸发

7.2华北落叶松树干液流速率的日变化特征

7.3华北落叶松树干液流通量的季节变化

7.4沙棘蒸腾特征

7.5小结

第八章 坡地土壤稳渗速率及其影响因子

8.1试验设计与数据处理

8.2结果与分析

8.3小结

第九章 坡面样地土壤水分动态

9.1华北落叶松人工林地土壤水分动态

9.2不同植被类型下土壤水分有效性分析

9.3小结

第十章 坡面样地水量平衡及流域径流特征分析

10.1 不同植被样地水分平衡分析

10.2流域径流特征分析

10.3小结

第十一章 BROOK90模型参数率定及检验

11.1 模型简介

11.2模型参数率定

11.3模型检验

11.4 小结

第十二章 应用BROOK90模型模拟的植被水文影响

12.1 不同植被变化的坡面水文影响

12.2 不同坡向条件下植被坡面水文影响

12.3 不同坡度条件下华北落叶松林坡面水文影响

12.4 不同土壤厚度条件下植被坡面水文影响

12.5 不同初始土壤水势下华北落叶松林地水文影响

12.6 小结

第十三章 结论与讨论

13.1主要研究结论

13.2讨论

参考文献

在读期间学术研究

致谢