大兴安岭气候、森林覆盖率和冻土变化对河川径流的影响

发布时间：2020-09-29 20:50

　　森林变化和气候变异通常被认为是影响森林流域径流变化的2个最重要驱动因子。然而,在全球气候变暖的背景下,高寒地区多年冻土退化也成为影响河川径流的一个重要因素。大兴安岭地区是欧亚大陆多年冻土分布区的南缘,是我国乃至全球范围内,受气候变暖影响最为显著的冻土区之一。同时,在过去的几十年里大兴安岭森林经历了森林采伐和森林恢复的动态变化过程。森林、气候和冻土变化对水文过程和水资源的影响成为大兴安岭地区亟待被揭示的科学问题。本文以大兴安岭典型森林流域(66-65 81 km2)为研究对象,对过去40年(1973-2012)发生的气候变异、森林覆盖率变化和多年冻土退化及其与地表径流的关系进行研究,并同时定量评价了 3个驱动因子对高寒地区森林大流域年径流量变化的相对贡献,旨在揭示我国东北多年冻土分布区河川径流对森林、气候以及冻土变化如何响应,以期在全球气候变化的背景下,为区域森林和水资源的可持续性管理提供理论依据。结果表明:(1)在过去40年间(1973-2012),塔河上游流域年径流量没有显著的变化趋势(p0.05),其变化速率为0.35 mm/year。但其呈现出明显的阶段性变化规律,从1973年至80年代末期呈上升趋势,80年代末至2012年呈降低趋势。年降水量变化幅度很小(p0.05)。年潜在蒸散发量、年平均气温、年平均最低气温和年平均最高气温均显著上升(p0.05),上升速率分别为 1.38 mm/year、0.04 ℃/year、0.04 ℃/year和0.03 ℃/year。说明,大兴安岭森林大流域径流量与降水量变化趋势比较一致,而气温的显著升高没有显著影响径流量的长期变化趋势。(2)塔河上游流域过去40年的年径流量与年降水量间存在着极显著的正向线性回吵丨关系(R2=0.738,/p0.01)。径流量与空气温度的关系不显著(p0.05),但随着潜在蒸散发量的增加年径流量有小幅的降低。自1973-1987至1988-2001,平均年径流量显著(p0.01)上升了 67.25 mm(3.47 mm/year),但是降水量只升高了 54.30 mm(2.16 mm/year),并且年平均气温的显著(p0.01)上升(1.20℃,0.06 ℃/year)导致潜在蒸散发量有1.69 mm/year的显著升高趋势(p0.01);另一方面,自1988-2001至2001-2012,平均年径流量显著(p0.01)降低了60.21mm(4.18mm/year),但是降水量只降低了 29.66 mm(2.35 mm/year),并且空气温度没有显著变化。可见,虽然年降水量和年径流量之间存在密切的相关性,但是无论在变化量或变化速率上来看,不同阶段平均年径流量的变化均无法由降水量变化完全解释。(3)塔河上游流域的年径流量和森林覆盖率存在着相反的变化趋势。森林采伐阶段(1973-1987至1988-2001),平均森林覆盖率降低了 5.5%,径流系数增加了 12.7%;森林恢复阶段(1988-2001至2002-2012),平均森林覆盖率升高了 10.0%,径流系数降低了 14.9%。说明森林覆盖率降低在一定程度上降低了流域内森林的径流调节能力,而森林覆盖率的升高增强了森林对河川径流的调节能力,对森林水源涵养功能有积极作用。(4)在配对森林小流域试验中,森林干扰对小流域的低流量径流情势的影响要明显强于高流量。与对照流域(小北沟流域)相比,森林干扰使老沟河流域的低流量降低了 26.6%,低流量变异系数增加了 36.8%,并且差异均达到了显著水平(p0.01)。干扰流域的高流量大小、历时以及变异性也有所增加,但是与对照流域相比,差异均未达到显著水平(p0.05)。森林小流域的低流量径流情势对森林干扰比较敏感,尤其是在与水文循环联系紧密的区域(河岸带),小范围的森林干扰能够引起低流量径流情势显著的变化。(5)以塔河和多布库尔河上游流域为例,研究大兴安岭河川冬季基流与多年冻土退化的关系。结果表明冬季基流在过去40年内(1973-2012)存在极显著的上升趋势(p0.01),平均变化速率分别为 1.7%/year(0.09 mm/year)和 2.5%/year(0.16 mm/year),研究期内总变化分别为98.3%和66.9%。同时,多年冻土退化指示性指标,年平均气温和融化指数也具有显著的(p0.01)升高趋势。通过时间序列相关分析和突变点分析发现,冬季基流的升高趋势与研究期内多年冻土融化有紧密关系,并且可能与年内春季和夏季的降雨比例的升高有关。说明由于气温的显著增高导致的多年冻土退化对流域的水文过程产生了显著的影响,这一影响主要是由于多年冻土退化导致冻土隔水效应减弱,更多地表水入渗转化为地下水,使地下水水库储水量增加,从而导致冬季基流增加。(6)定量评价塔河上游流域森林、气候和冻土变化对年径流量变化的相对贡献,结果表明:森林/冻土变化在森林采伐阶段(1973-2001)和森林恢复阶段(1988-2012)对平均年径流量变化的相对贡献分别为70.0%(47.0 mm)和63.1%(-38.0 mm),而气候变异对其的相对贡献相对较低,大约在30%左右。通过计算包括多年冻土退化的融化水和冬季基流的变化,初步获得冻上退化对森林采伐阶段和森林恢复阶段平均年径流量变化的相对贡献分R%为15.8%年和-3.3%,从而得到森林覆盖率变化的相对贡献分别为54.1%和66.4%。说明森林在调节大兴安岭地区河川径流量的过程中起到主导作用,在未来的森林和水资源的管理中需要特别注意森林的经营管理对水文和水资源的影响,同时也应该注意,在未来气候变暖的背景下,研究高寒地区的森林流域水文特征时,应综合考虑森林、气候以及多年冻土退化等影响因素。
【学位单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P333.1;S715
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 选题背景与研究意义
    1.2 国内外研究进展
        1.2.1 森林变化对水文的影响
        1.2.2 气候变化对水文的影响
        1.2.3 冻土退化对水文的影响
    1.3 研究目标和研究内容
        1.3.1 研究目标
        1.3.2 主要研究内容
        1.3.3 技术路线
2 研究区概况
    2.1 地理位置
    2.2 地形地貌
    2.3 气象
    2.4 水文
    2.5 土壤
    2.6 植被
    2.7 冻土
3 研究方法
    3.1 数据收集
        3.1.1 水文、气象数据
        3.1.2 森林覆盖率数据
        3.1.3 冻土数据
    3.2 研究方法
        3.2.1 趋势分析
        3.2.2 相关性分析
        3.2.3 突变点分析
        3.2.4 森林、气候和冻土变化对径流量影响的评价方法
4 大兴安岭森林流域河川径流量、森林覆盖率和气候因子的变化趋势特征
    4.1 引言
    4.2 研究流域概况
    4.3 结果与分析
        4.3.1 森林植被变化趋势特征
        4.3.2 河川径流量变化趋势特征
        4.3.3 气象要素变化趋势特征
    4.4 小结
5 大兴安岭气候变异对河川径流的影响
    5.1 引言
    5.2 研究流域概况
    5.3 研究方法
    5.4 结果与分析
        5.4.1 降水量对河川径流年际变化的影响
        5.4.2 气温对河川径流年际变化的影响
        5.4.3 水文气象要素阶段性变化特征…_
        5.4.4 不同阶段降水和气温变化对径流量的影响
    5.5 小结
6 大兴安岭森林覆盖率变化对河川径流的影响
    6.1 引言
    6.2 研究流域概况
        6.2.1 塔河上游流域概况
        6.2.2 配对流域概况
    6.3 研究方法
        6.3.1 森林覆盖率变化确定
        6.3.2 径流情势指标和水文变量
    6.4 森林覆盖率变化对森林大流域河川径流的影响
        6.4.1 森林覆盖率对河川径流年际变化的影响
        6.4.2 不同阶段森林覆盖率变化对河川径流的影响
    6.5 森林干扰对小流域年内径流情势的影响
        6.5.1 配对流域径流量年内变化特征
        6.5.2 高、低流量大小(Magnitude)特征
        6.5.3 高、低流量历时(Duration)特征
        6.5.4 高、低流量变异性(Variability)特征
        6.5.5 配对流域径流浮动系数(Flashiness Index)
    6.6 讨论
        6.6.1 森林覆盖率变化对森林大流域径流系数的影响
        6.6.2 森林干扰对小流域径流情势的影响
    6.7 小结
7 大兴安岭多年冻土退化对河川冬季基流的影响
    7.1 引言
    7.2 研究流域概况
    7.3 研究方法和数据
        7.3.1 数据
        7.3.2 研究方法
    7.4 结果与分析
        7.4.1 冬季基流的变化趋势特征
        7.4.2 多年冻土退化指标变化趋势特征
        7.4.3 降水情势的变化趋势特征
        7.4.4 冻土退化和降水情势变化对冬季基流的影响
        7.4.5 冬季基流的阶段性变化
    7.5 讨论
        7.5.1 多年冻土退化对冬季基流的影响
        7.5.2 降水情势改变对冬季基流的影响
        7.5.3 冬季基流对气候变化的延滞响应
    7.6 小结
8 定量评价大兴安岭森林流域年径流量变化的影响因子
    8.1 引言
    8.2 研究流域概况
    8.3 研究方法
        8.3.1 数据
        8.3.2 研究时段划分
        8.3.3 评价方法
    8.4 结果与分析
        8.4.1 时间序列相关分析
        8.4.2 气候变异和森林覆盖率变化/冻土退化对年径流量变化的贡献
        8.4.3 森林覆盖率变化和冻土退化对年径流量变化的贡献
    8.5 讨论
        8.5.1 森林覆盖率变化对年径流量的影响
        8.5.2 气候变异对水文过程的影响
        8.5.3 多年冻土退化对水文过程的影响
        8.5.4 对森林和水资源管理的启示
    8.6 小结
结论
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文
致谢

【参考文献】