六盤山洪溝小流域森林植被的水文影響與模擬.pdf

1、為探討北方干旱缺水地區(qū)森林植被的水文影響，在2006～2007年的兩個(gè)生長季（5～10月）在六盤山南側(cè)具半濕潤氣候特征的洪溝小流域，開展森林植被特征、森林水文過程、小流域徑流的研究，以求深入認(rèn)識(shí)森林植被的水文作用機(jī)理并為六盤山及類似地區(qū)的水源涵養(yǎng)林建設(shè)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。
　　六盤山位于我國黃土高原地區(qū)中西部和寧夏回族自治區(qū)南端，處于由半濕潤區(qū)向半干旱區(qū)過渡的氣候帶上，黃河中游地區(qū)的主要支流涇河、清水河以及葫蘆河都發(fā)源于此，在

2、維持區(qū)域生態(tài)平衡和提供水源等方面具有重要作用。洪溝是典型的山地森林小流域，面積為10.49km2，海拔高度變化在2140～2598m，山高坡陡，土壤多石礫，植被類型豐富，森林覆蓋率65.5％，年降水量591.6mm。
　　具體研究內(nèi)容包括土壤物理性質(zhì)空間分布、森林植被特征及空間分布、流域主要森林水文過程、流域徑流規(guī)律、流域水文模型運(yùn)用等，主要研究成果如下：
　　1.小流域內(nèi)的植被特征和其空間分布
　　通過樣線調(diào)查分析了

3、六盤山洪溝小流域的森林植被群落結(jié)構(gòu)和其空間分布。洪溝小流域植被可劃分為華北落葉松人工林、華山松林、紅樺林、山楊林和天然灌叢5個(gè)群落類型。在喬灌木樹種組成上，喬木層優(yōu)勢種主要有華北落葉松、華山松、紅樺、山楊等，灌木層優(yōu)勢種主要有稠李、刺翅峨嵋薔薇、秦嶺小檗、灰栒子、沙棘、華西箭竹等。
　　流域植被的空間分布規(guī)律是：華北落葉松主要分布在2200～2500m的半陽坡和陽坡；華山松在每個(gè)海拔帶上都有分布，其中2100～2200m的陰坡和半

4、陰坡分布最多；紅樺集中分布于2200～2300m的陰坡和半陰坡；山楊分布在2400m以上的半陰坡和半陽坡；而天然灌叢分布在人工破壞后的2300m以上陽坡和半陰坡。從坡度分布上看，20o～40o的坡地占小流域面積的55.48％，各植被類型也在該坡度范圍內(nèi)分布較多。但華北落葉松人工林在0o～10o的緩坡分布最多；而華山松天然次生林多分布于30o以上的陡坡。
　　2.土壤物理性質(zhì)的小流域空間分布規(guī)律
　　在洪溝小流域開展了大量調(diào)查

5、，研究土壤物理性質(zhì)隨土層深度、坡向、坡位及植被類型的變化。結(jié)果表明：土壤容重和石礫含量的變化范圍分別為0.905~1.31g/cm3和8.4～13.83%之間，并隨土層加深逐漸增大，容重的增幅隨土層深度增加而減?。皇[含量的增幅卻逐漸加大。總孔隙度(46.51~62.69％)、毛管孔隙度(35.54～43.88％)和非毛管孔隙度(10.97~18.81％)都隨土層加深而降低。
　　在不同坡向中，陰坡的土壤物理性質(zhì)最好。隨著坡位下降

6、，土壤厚度、土壤容重、石礫含量、非毛管孔隙度逐漸增大，總孔隙度和毛管孔隙度逐漸減小，各種持水量指標(biāo)基本上也有不同程度地減小，但上坡的持水量大于陰坡坡頂。
　　在華北落葉松人工林、華山松林、紅樺林、山楊林、天然灌叢5種植被類型土壤物理性質(zhì)中，土壤容重為天然灌叢（0.98）＞山楊林（0.91）＞華山松林（0.89）＞華北落葉松林（0.83）＞紅樺林（0.73）；土壤石礫含量最高的是華北落葉松林（19.21％），最小的是山楊林（9.33

7、％）；毛管孔隙度為華山松林（43.40％）＞紅樺林（42.73％）＞山楊林（40.88％）＞華北落葉松林（40.35％）＞天然灌叢（34.36％）；非毛管孔隙度為華北落葉松林（21.69％）＞紅樺林（20.19％）＞天然灌叢（17.56％）＞山楊林（16.05％）＞華山松林（13.65％）。
　　3.流域的主要森林水文過程
　　測定了一次性降雨與截留量的關(guān)系，結(jié)果表明：當(dāng)降雨量小于1.0mm時(shí)，不同林分的林冠幾乎將降雨全部截

8、留，截留率近100％。在雨量級(jí)1~10mm時(shí)，不同林分的林冠平均截留量多在1.11~3.0mm，平均截留率在20-57%，天然灌叢的截留率相對(duì)較小，只為20.5%；在10~50mm的降雨量時(shí)，大多數(shù)林分類型的截留量在5.0mm左右，截留率在10.28~21.5%，紅樺的截留量較小，平均僅1.4mm（截留率10.28%）；當(dāng)降雨大于50mm時(shí)，多數(shù)林分的降雨截留量在3.0mm以上，截留率在5.78~14.06%以下，且隨雨量增加而降低。<

9、br>　　運(yùn)用網(wǎng)格取樣方法，測得華北落葉松林枯落物的儲(chǔ)量為16.83 t/hm2，厚度為3.6cm。根據(jù)半方差分析，2個(gè)華北落葉松人工純林樣地的枯落物儲(chǔ)量存在一定空間異質(zhì)性現(xiàn)象，變異系數(shù)分別為0.41和0.56；以95％的置信區(qū)間，要準(zhǔn)確得到華北落葉松樣地的枯落物儲(chǔ)量，取樣數(shù)不能小于9個(gè)1m?1m的樣方。
　　在六盤山地區(qū)自然雨強(qiáng)范圍內(nèi)（小于30mm/h），利用模擬降雨研究了枯落物的截持降雨過程，表明單位重量（1kg/m2）的華北

10、落葉松林枯落物最大截持量對(duì)應(yīng)為1.3mm、1.4mm、1.5mm，紅樺林枯落物對(duì)應(yīng)為2.1mm、2.3mm、2.6mm，枯落物的持水能力隨雨強(qiáng)增大而提高；華北落葉松枯落物和紅樺枯落物的最大截持量數(shù)值低于浸泡法測定的結(jié)果（華北落葉松林1.8mm；紅樺林2.7mm），但吸持水分過程基本一致。并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，構(gòu)建了具有較好的截留機(jī)制、可同時(shí)反映枯落物含水量和降雨強(qiáng)度及降雨歷時(shí)對(duì)枯落物持水動(dòng)態(tài)和實(shí)際持水量影響的枯落物截持降雨過程模型：此處省

11、略公式
　　洪溝小流域華北落葉松樹干液流密度的晝夜變化趨勢表現(xiàn)為明顯的晝夜交替波動(dòng)。在“相對(duì)靜止期”內(nèi)(20：00～次日07：00)，樹干液流密度比較穩(wěn)定和微弱，其值約在0.05μl·cm-2·min-1以下；而“活躍期”（07：00～20：30）樹干液流密度表現(xiàn)為持續(xù)快速上升，呈現(xiàn)出單峰、雙峰或多峰曲線，峰值一般在0.25μl·cm-2·min-1以下。
　　土壤蒸發(fā)研究表明，林內(nèi)與林外土壤的日蒸發(fā)變化規(guī)律相似；到12:0

12、0～14:00時(shí)達(dá)到最高，林外和林內(nèi)土壤的蒸發(fā)速率分別是0.697mm/h和0.505 mm/h；選擇土壤水分含量（SW，%)、太陽輻射（SR，lux)、空氣相對(duì)濕度（RH，%)、風(fēng)速（W，m/s)作為影響因子，建立了同時(shí)適合于林內(nèi)外土壤蒸發(fā)的回歸關(guān)系式：E=-0.468+0.205SW+0.01557SR-0.0137RH，R2=0.8732
　　通過測定小流域內(nèi)各植被類型典型樣地不同深度土壤層次的水分滲透過程，得到各林分樣地表

13、層（0～20cm）土壤初滲速率（8.32～62.96 mm/min）和穩(wěn)滲速率（7.55～40.91 mm/min），并用4種模型對(duì)環(huán)刀法測定的土壤分層滲透速率進(jìn)行擬合，認(rèn)為Horton公式模擬的比較合理。
　　4.流域徑流特征分析
　　洪溝小流域徑流年內(nèi)分配不均勻，主要集中在8和9月份即夏季，根據(jù)小流域現(xiàn)有實(shí)測徑流資料（2006年1月－2007年12月）計(jì)算，小流域徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)在0.44。采用滑動(dòng)最小值法對(duì)小流域

14、2006年和2007年生長季的徑流過程線進(jìn)行分割，計(jì)算出平均基流系數(shù)BFI為0.039；在此基礎(chǔ)上的分析表明了徑流增加量（Y）與單場降雨量（X）呈正相關(guān)關(guān)系：Y=145.11X0.5977，R2=0.6499。
　　5.植被變化對(duì)流域徑流的影響
　　應(yīng)用分布式生態(tài)水文模型SWIM于洪溝小流域，分別利用2006年、2007年的氣象數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定和檢驗(yàn)，并根據(jù)植被對(duì)水分條件的要求和生態(tài)環(huán)境建設(shè)與水資源保護(hù)對(duì)植被建設(shè)