本文關鍵詞：六盤山疊疊溝主要植被類型的水文過程及其坡面變化

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【摘要】：植被及其變化的徑流影響有明顯空間尺度效應,在評價植被水文影響和管理水資源時必須考慮。然而,目前研究集中在樣地和流域兩個尺度,缺乏坡面關鍵尺度的研究,限制著把樣地研究結果上推到流域尺度,急需加強。本文在半干旱區(qū)寧夏六盤山疊疊溝小流域的華北落葉松林和草地坡面,調查植被與土壤結構的坡位變化,研究其坡位差異對水文過程的影響,重點分析了林木蒸騰的坡位差異原因和構建了反映多因素影響的林分蒸騰模型,并利用各指標的順坡滑動平均值在水平坡長增加100 m時的平均變化量評價了水文影響的坡面尺度效應。以期推動林水相互作用理論和協(xié)調管理技術的發(fā)展。1.植被與土壤結構特征的坡面變化在林坡,生長季中期林冠層葉面積指數(shù)(LAI)和樣地的平均樹高及胸徑均有明顯的坡位差異,且LAI的坡位差異因年份降水量差異導致的坡面水分分布格局不同而存在年份差別。在豐水的2013年和干旱的2015年,樣地LAI及其從上往下的順坡滑動平均值分別為先增后減和逐漸減小,尺度效應為0.37/100 m和0.33/100 m,即豐水年尺度效應更強。樹木平均胸徑及其順坡滑動平均值均先增后減,尺度效應為1.34 cm/100 m;平均樹高為先增后減,順坡滑動平均值先增大后趨穩(wěn),尺度效應為0.50 m/100 m。在草坡,生長季中期的草本高度和蓋度均有明顯坡位差異和年度差別。草高在2014和2015年均呈減-增-減-增的波動變化,順坡滑動平均值2014年為減-增-減并趨于穩(wěn)定,2015年為減小并趨于穩(wěn)定,尺度效應分別為3.1和1.4 cm/100 m。草本蓋度2014年為波動減小,2015年為先增后減,順坡滑動平均值2014年為逐漸減小并趨于穩(wěn)定,2015年為逐漸增大并趨于穩(wěn)定,尺度效應分別為3.2%/100 m和4.8%/100 m。林坡和草坡土壤物理性質的坡位差異格局不同,且林坡尺度效應強于草坡。從坡頂向下,0-100 cm土層容重林坡為增-減-增,草坡為先增后減;總孔隙度在兩個坡面均為逐漸增大;飽和導水率林坡為逐漸增大,草坡為增-減-增-減。兩個坡面的土壤性質尺度效應也明顯不同,隨離坡頂水平坡長增加,0-100 cm土層容重林坡為先快速增大后漸趨穩(wěn)定,草坡為逐漸減小,尺度效應為增大0.05和減小0.02 g·cm-3/100 m;總孔隙度林坡為先減后增,草坡為逐漸增大,尺度效應為1.77和1.30%/100m;土壤飽和導水率在兩個坡面均線性增大,尺度效應為0.36、0.27mm·min-1/100m。2.水文影響的植被類型差別和坡位差異華北落葉松林陰坡坡腳固定樣地和陽坡和半陽坡草地固定樣地2011、2012、2014和2015年生長季蒸散分別為532.0、350.9和338.5mm,而降水量平均476.0mm;水量平衡項落葉松林為-74.5mm,遠低于陽坡和半陽坡草地的115.5和155.4mm。在2015干旱年、2011平水年、2014豐水年,生長季降水量為332、472、617mm,落葉松林蒸散為570.0、450.6和567.8mm,陽坡草地蒸散為327.7、309.2和381.9mm,半陽坡草地蒸散為296.4、297.1和405.3mm。這說明森林常需消耗上坡輸入徑流或前期土壤儲水。受植被和土壤結構的坡位差異影響,林坡和草坡均存在生長季水量平衡分量的坡位差異。在林坡,從坡頂向下,2015年林冠截持逐漸減小,林木蒸騰為減-增-減,林下蒸散為先增后減,總蒸散為逐漸減小;2014和2015年生長季0-100cm土層含水量均呈現(xiàn)“減-增-減-增”的波動變化;2015年6-9月的0-60cm土層水勢為下坡中坡上坡,日均液流速率為下坡上坡中坡,差異顯著。在草坡,從坡頂向下,蒸散量無明顯增減趨勢,但0-100cm土層含水量在2014年和2015年生長季均呈多次“增-減”的波動變化。3.華北落葉松林蒸騰的坡位差異和影響因素林坡樣地樹干液流速率的坡位差異是土壤水分及坡面氣象的共同影響結果。2015年6-9月不同坡位森林樣地日均液流速率與氣象因子和0-60cm土層水勢(?0-60)的相關分析與回歸分析均表明,影響液流速率的主要環(huán)境因子存在明顯坡位差別。在土壤水勢較高的下坡樣地,前兩個因子依次為日均太陽輻射強度r和?0-60;在土壤水勢較低的上坡為?0-60和日均飽和水汽壓差(vpd),在中坡則是vpd和?0-60。建立了日均液流速率與主要環(huán)境因子的多元線性回歸方程。定量解析了不同因子對上坡和下坡林分日蒸騰量差異的貢獻。對2015年7-9月的59個完整觀測日,下坡樣地總蒸騰實測值比上坡樣地雖然僅高4.5mm,但單個因子的影響卻相差很大。與上坡樣地相比,土壤水勢的坡位差異對下坡樣地蒸騰為促進作用(+16.4mm),邊材面積和地形遮擋的坡位差異為限制作用(-6.6、-2.9mm),三個因子的交互作用也為限制作用(-2.4mm)。這說明,在半干旱區(qū)將樣地蒸騰量上推到坡面時,不僅需考慮林分結構(如邊材面積)的沿坡變化,更需關注土壤水分的坡位差異,其貢獻很大,可能超過其他因子貢獻之和。4.能反映多因素影響的華北落葉松林蒸騰模型將影響林分蒸騰的諸多因素歸結為空氣蒸散拉力(潛在蒸散PET)、土壤供水能力(0-60cm土層相對含水量REW)、植被輸水能力(冠層LAI)三方面,建立了反映這些因素綜合影響的蒸騰模型。首先,基于實測數(shù)據(jù)確定了林分日蒸騰T響應PET、REW、LAI變化的函數(shù)類型,T對PET的響應符合二項式方程,當PET4 mm·day-1時T隨PET增大而快速增大,但當PET4 mm·day-1后T的增速趨緩,在PET5.4 mm·day-1后T反而減小;T對REW和LAI的響應均符合趨向飽和的指數(shù)增長方程,當REW0.4時T隨REW增加快速增大,但當REW0.4后T的增速漸緩;由于實測LAI最大值為5.35,因此T隨LAI增大一直近線性增大,雖在LAI4后有明顯變緩趨勢。利用連乘函數(shù)了建立反映多因素影響的林分蒸騰模型,利用2010、2012及2014年生長季實測數(shù)據(jù)率定了模型參數(shù)和進行了模型檢驗,納什系數(shù)為0.88、0.87和0.79,表明可在多因素變化條件下準確估算華北落葉松林日蒸騰量。5.坡面植被水文影響的尺度效應在草坡,植被坡位差異的水文影響的尺度效應和年份差別明顯。在豐水的2014年和干旱的2015年生長季,隨離坡頂水平坡長增加,蒸散量滑動平均值為逐漸減小并趨于穩(wěn)定,尺度效應為12.3和3.5 mm/100 m;土壤蓄水量滑動平均值先微弱增加后漸趨穩(wěn)定,尺度效應為11.6和11.3 mm/100 m;產流量滑動平均值逐漸減小并漸趨穩(wěn)定,尺度效應為21.2和19.0 mm/100 m。表明草坡的植被水文影響的尺度效應在豐水年強于枯水年。在林坡,植被坡位差異的水文影響也有明顯的尺度效應。在2015年生長季,隨離坡頂水平坡長增加,蒸散量滑動平均值為逐漸減小并趨于穩(wěn)定,尺度效應為20.1 mm/100 m;土壤蓄水量滑動平均值基本呈逐漸減小,尺度效應為8.3 mm/100 m;產流量滑動平均值為先減小后趨于穩(wěn)定,尺度效應為30.4 mm/100 m。
【學位授予單位】：中國林業(yè)科學研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S718.5
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本文編號：1266260