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

发布时间：2020-08-27 18:58

【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30 m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%/100 m(179.3~425.1 m),饱和导水率为+0.04(0~170.1 m)和-0.02 mm?min~(-1)/100 m(170.1~425.1 m)。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%(217.6~425.1 m);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(0~316.6 m)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(261.1~425.1 m),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(211.2~425.1 m)。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=(-1.151PET~2+9.191PET-3.271)×[-7.170+0.335(1-EXP(-5.913REW_(0-10cm)))+7.066(1-EXP(-11.813REW_(10-20cm)))+21.333(1-EXP(-14.493REW_(20-40cm)))+0.754(1-EXP(-8.180REW_(40-60cm)))]×[-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/100 m)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。
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S715
【图文】：

香水河,位置

chya）、蕨（Pteridium aguilinum）和紫苞风毛菊（Sanssurea iodostegia）等。.2 香水河小流域研究区位于宁夏固原六盘山自然保护区南部东侧的香水河小流域（106°12′～15°27′～35°33′ N），面积为 43.73 km2，海拔 2010～2942 m（图 2-1），土壤类型为主。属温带半湿润气候，年均气温 6.0 ℃，年均降水量 632 mm，降水主要集月份，无霜期 100～130 d（1960 2010 年，数据来自于泾源气象站）。天然次生林是该小流域的主要植被类型，次生林占小流域面积的 58%，主要树种有华山栎、白桦、红桦等；人工林占小流域面积的 24%，主要树种为华北落叶松，占面积的 90%，另有少量油松等树种。小流域可分为分水岭沟、马鞍桥沟、大南沟和隆德沟-西峡 5 个子流域，分别占小流域面积的 24%、22.4%、21.1%、20%。

太阳辐射强度,潜在蒸散,空气湿度,空气温度

18图 2-2 2015、2016 和 1960 2010 年生长季（5 10 月）降雨、空气温度、空气湿度、太阳辐射强度、风速和潜在蒸散的变化Fig.2-2 Variations of precipitation, air temperature, relative air humdity, solar radiation, wind speed andpotential evapotranspiration during the growing season (May-Oct.) of 2015, 2016 and 1960 2010

华北落叶松,坡面,样地

面的选取讨水文要素及水文过程的时空变化及尺度转换，依据坡面完整、林分似的原则，在香水河小流域的分水岭沟子流域，选取了一个生长有华向的典型坡面（图 2-1）。其水平坡长 425.1 m，平均坡度 27.8°，土层右。坡面上所有的华北落叶松人工林林龄均为 34 年。林下灌木发育不左右，以蒙古荚劸、西北h子和野李子等为主。林下草本覆盖度 40%（Fragaria orientalis）、苔草为优势种。5 年 5 月，从坡顶至坡脚，布设了一条宽 30 m 的样带，将其划分为 16 个m 的连续样地（图 2-3），对各样地进行每木检尺，调查树高、胸径、枝林分信息，并记录海拔、坡度等地形因子（表 2-2）。

【参考文献】