祁连山水源涵养林生态系统水分传输过程与机理研究

论文摘要

本研究以祁连山水源涵养林为西北干旱半干旱区为典型代表,充分利用祁连山森林生态站长期从事林分关系研究的历史资料,结合试验观测在流域尺度上,从降水输入、林冠层水分传输、苔藓和枯落物层水分传输、森林土壤层水分动态、河川径流规律与组成,以及水源涵养林区冻土的水文特性等方面,进行水分传输过程与机理研究,探讨解决林水关系的理论问题和实践问题,取得了以下几个方面的成果：1、在一个试验流域降水具有空间上的差异,阴坡比阳坡多7%左右,由低海拔向高海拔递增,排露沟试验流域降水百米平均递增率为4.95%,天涝池河试验流域降水百米平均递增率为4.88%。降水根据年内变化分为雨季和旱季,雨季（5-10月）降水占全年降水的87.2%左右；旱季（11-4月）降水稀少,仅占全年降水的12.8%左右。降水有降雪和降雨两种形式,降雨占72.2%,降雪占27.8%。积雪是祁连山林区独特的“固体水库”,对缓解发源于祁连山林区河流的中下游春旱有重要作用。流域降水的时空变化及地形差异,直接在流域径流变化中得到了体现,排露沟试验流域枯水期径流占年径流的15.68%左右,丰水期径流占年径流的84.32%,与降水分配规律相一致。2、试验流域雨季青海云杉林（0.8）截留率为26.6%～39.8%,祁连圆柏林截留率为23.0%～37.1%。林冠对降雨和降雪的截留有大的差异,林冠对降雪的截留是降雨的2倍。林分郁闭度越大,冠层截留率越高,郁闭度由0.6提高至0.7,截留率增大近9个百分点；郁闭度由0.7提高至0.8,截留率增大3个百分点。林冠截留的降水除近0.3%以树干茎流的形式输入林内外,其他全部被蒸发消耗。林冠截持降水在改变进入林内降水比例的同时调节进入林内的营养成分组成及比例。3、青海云杉林苔藓枯落物层最大持水量平均为36.4mm,在7.6-59.1mm之间变化,并随着苔藓枯落物层蓄积量增大而增加。地被物水分传输一般要经过截留、吸水饱和（非饱和下渗）、下渗（饱和下渗）三个阶段,降水截留阶段进入林内的穿透水完全被截留,非饱和下渗阶段苔藓枯落物层有水分渗出,但苔藓枯落物层却没有达到最大持水量,下渗水量小于降雨量,饱和下渗阶段下渗强度大于降雨强度。由于苔藓枯落物层持水能力强,大多数降雨过程不能使其达到饱和,一般只有两个阶段。4、试验区地表蒸散在年内具有随季节而变化的规律,植物生长期蒸散大,林地蒸散占全年蒸散的80.46%,休眠期蒸散很小,仅占19.54%；草地蒸散在植物生长期占全年蒸散的77.13%,休眠期占22.87%。试验流域土壤水分具有明显的时空差异,阴坡土壤含水比阳坡多；土壤融化层含水量具有随土壤深度增加而下降的趋势,含水多的土壤相对含水少的土壤水分垂直变化小；土壤水分季节变化可分为前蓄墒、失墒、后蓄墒、稳定四个阶段,影响土壤水分季节性变化的因素比较复杂,降水和植物是两个最主要的因素；土壤含水量从表层到深层都随海拔升高呈增加趋势,百米平均递增率为14.15%,冻土层土壤含水量高于活动层。入渗、蓄水、产流是土壤水分传输的主要过程。不同的土壤类型其入渗速率差异较大,寺大隆河试验区森林土壤质地疏松,渗透功能强,苔藓青海云杉林土壤Aoo的初渗率为214.4mm/min,稳渗率为162.0mm/min,比其它土壤表层的渗透率大,放牧草地表层稳渗率只为青海云杉林地的0.43%,底土也只有30%。5、祁连山水源涵养林区季节性冻土广泛发育,局部地区分布有连续或岛状多年冻土。试验区季节性冻土每年10月20日左右开始冻结,第二年5月20日左右达到冻结最大深度。较低海拔到第二年的8月20日左右消融结束,但林地条件下,于第二年3月10日左右开始消融至10月22日左右才能全部消融。冻土年变化规律一般划分为四个时期,各期起始和结束时间因所处的海拔位置不同有差异,而且冻融交替出现。季节性冻土冻融变化,在春末夏初可以提高径流,到秋天可以滞留夏秋季降水,提高流域的蓄水量,影响河川径流形成和分布,调节水资源形成和稳定性。冻土对水分分配和传输过程的影响,使在融雪径流期往往形成径流高峰,其机理在于土壤冻结把大量的水以冰晶形式存贮,到春季随着解冻而释放,加之积雪的作用,在融雪径流期形成径流高峰。6、排露沟试验流域年降水输入471.5mm,年径流深159.9mm左右。试验流域不是均一的产流区,试验流域在海拔2700m以上不论阴阳坡输入的降水均大于蒸散消耗和截留蒸发,具备了产生径流的基本条件,而且随海拔升高潜在径流呈增加趋势；在流域同一海拔位置,阴阳坡不同植被类型有一定差距,试验区海拔2700m以上地区有形成径流的水分条件,流域高海拔面积越大流域产流越多。三个试验流域河川径流动态变化相一致,最小流量出现在1-2月,最大流量出现在6-8月,11-3月流量变化较稳定,4-5月变幅增大,、出现洪峰,6-9月变幅最大,出现多次洪峰,且洪峰流量较大。一个水文年径流过程以月为时间单元划分为地下水径流期、融水径流期、降水径流期三个时期；三个试验流域河川径流组成有比较大的区别,发源于祁连山高海拔森林覆盖区的河流均为混合补给型河流。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外相关研究发展历程
• 1.2.1 国外发展历程
• 1.2.2 国内发展历程
• 1.3 森林水分传输过程研究
• 1.3.1 林冠层水分传输过程研究
• 1.3.2 地被物层水分传输过程
• 1.3.3 土壤层水分传输入过程
• 1.3.4 森林生态系统的蒸散发过程
• 1.4 森林对径流影响研究
• 1.4.1 森林对流域产水量的影响
• 1.4.2 森林对洪水的调节作用
• 1.4.3 森林对径流泥沙含量的影响
• 1.4.4 森林水量平衡研究
• 1.5 高新技术在森林水文学研究中的应用
• 1.6 森林生态系统生态水文模型研究
• 1.6.1 单因素水文模型
• 1.6.2 多因素水文模型
• 1.6.3 分布式水文模型
• 1.7 存在的问题及发展趋势
• 1.7.1 存在的问题
• 1.7.2 发展趋势
• 2 研究内容与研究方法
• 2.1 研究目标
• 2.2 试验研究内容
• 2.2.1 试验区降水输入规律
• 2.2.2 林冠层水文过程
• 2.2.3 苔藓、枯落物层水文过程
• 2.2.4 土壤水文过程
• 2.2.5 冻土水文过程
• 2.2.6 径流规律及组成特征
• 2.2.7 森林对径流的影响
• 2.3 技术路线（见图2.1）
• 2.4 试验研究方法
• 2.4.1 试验样地设立及观测设施建设
• 2.4.2 典型流域基本信息调查
• 2.4.3 流域降水观测
• 2.4.4 森林水文过程试验观测
• 2.4.5 河川径流测定
• 3 试验区及试验流域基本概况
• 3.1 祁连山的基本概况
• 3.1.1 地质地貌
• 3.1.2 水文
• 3.1.3 气候
• 3.1.4 冻土
• 3.1.5 土壤
• 3.1.6 森林
• 3.2 试验流域基本概况
• 3.2.1 黑河流域基本概况
• 3.2.2 寺大隆河流域基本概况
• 3.2.3 冰沟流域基本概况
• 3.2.4 天涝池河流域基本概况
• 3.2.5 排露沟流域基本概况
• 3.3 典型试验及试验研究样地基本概况
• 3.3.1 地表径流观测样地
• 3.3.2 土壤水分动态观测样地
• 3.3.3 水分限制型森林生态系统结构动态观测试验
• 4 祁连山水源涵养林区降水规律及特点
• 4.1 降水季节变化规律
• 4.2 影响降水季节变化的气象因子
• 4.3 降水形式及构成
• 4.4 坡向或植被类型的降水变化规律
• 4.4.1 降水坡向变化规律
• 4.4.2 降水森林类型变化规律
• 4.4.3 坡向引起降水差异的原因
• 4.5 降水垂直梯度变化规律及其数量特征
• 4.5.1 降水梯度变化规律
• 4.5.2 降水梯度变化的数量特征
• 4.6 林区内积雪分布规律及特点
• 4.6.1 积雪海拔梯度变化规律及生态水文功能
• 4.6.2 积雪植被类型分布规律
• 4.6.3 乔木林内积雪分布规律
• 4.6.4 林缘的积雪效应
• 4.6.5 坡向对积雪分布规律的影响
• 4.7 流域降水量研究与估测方法评价
• 4.7.1 以点代面
• 4.7.2 数学平均
• 4.7.3 加权平均
• 4.7.4 模型估算
• 4.7.5 估测方法评价
• 4.8 典型流域降水时空分布
• 4.9 小结与讨论
• 5 林冠层水分传输过程
• 5.1 林冠层降水截留
• 5.1.1 林型间的冠层降水截留差异
• 5.1.2 降水量对冠层降水截留的影响
• 5.1.3 降水强度对冠层降水截留的影响
• 5.1.4 林地郁闭度对降水截留的影响
• 5.1.5 降水形式对林冠截留的影响
• 5.2 降水穿透
• 5.3 树干茎流
• 5.4 林冠层水分传输经验模型
• 5.4.1 穿透水量与降水量关系模型
• 5.4.2 林冠截留量与降水量关系模型
• 5.4.3 林冠截留率与降水量关系模型
• 5.4.4 林冠截留率与降雨强度关系模型
• 5.5 林冠截留与林地养分输入
• 5.6 小结与讨论
• 6 苔藓、枯落物层水分传输过程
• 6.1 苔藓枯落物层分布与组成规律
• 6.1.1 苔藓、枯落物层组成特点
• 6.1.2 苔藓、枯落物分布规律
• 6.1.3 苔藓枯落物分布波动较大的原因分析
• 6.2 苔藓和枯枝落叶层的水文特性
• 6.2.1 苔藓枯落物最大持水量
• 6.2.2 苔藓枯落物层的截持能力
• 6.2.3 苔藓枯落物层蓄积量与截持能力
• 6.3 苔藓、枯落物截持规律
• 6.3.1 苔藓、枯落物截持作用
• 6.3.2 苔藓、枯落物截持作用的季节变化
• 6.4 苔藓和枯枝落叶层水分传输过程
• 6.4.1 降水截留阶段
• 6.4.2 非饱和下渗阶段
• 6.4.3 饱和下渗阶段
• 6.4.4 青海云杉林枯落物层截持作用和水分传输过程
• 6.5 苔藓枯落物层水文功能及水分传输机制
• 6.6 小结
• 7 森林土壤水分时空动态与分布
• 7.1 森林土壤水分物理性质
• 7.1.1 土壤类型与物理性质
• 7.1.2 土壤类型与水分性质
• 7.1.3 土壤空间分布与水文物理性质
• 7.1.4 土壤垂直变化与水分物理性质
• 7.1.5 土壤贮水能力
• 7.2 土壤水分垂直变化
• 7.2.1 垂直变化规律
• 7.2.2 垂直变化幅度
• 7.2.3 垂直变化层次划分
• 7.3 土壤水分季节动态
• 7.3.1 年动态阶段划分
• 7.3.2 年际间土壤水分动态差异
• 7.3.3 土壤水分年动态与土壤层次变化
• 7.3.4 土壤水分季节动态机理
• 7.3.5 土壤水分季节动态评价
• 7.4 土壤水分空间分布
• 7.4.1 土壤类型与水分空间分布
• 7.4.2 土壤层次与水分空间分布
• 7.5 小结
• 8 森林土壤层水分传输过程与机理
• 8.1 土壤水分蒸散
• 8.1.1 降水与地表蒸散
• 8.1.2 海拔与地表蒸散量
• 8.2 土壤水分有效性分析
• 8.2.1 土壤水分有效性理论及划分标准
• 8.2.2 土壤水分有效性海拔梯度和植被类型变化
• 8.2.3 土壤水分有效性的垂直变化
• 8.3 土壤水分传输过程与机理
• 8.3.1 土壤入渗
• 8.3.2 土壤蓄水
• 8.3.3 土壤产流
• 8.3.4 土壤水分传输机理
• 8.4 小结
• 9 典型流域水量平衡与径流潜力
• 9.1 降水时空分布及径流潜力
• 9.2 土壤水分空间分布与径流形成潜力
• 9.3 土壤水分季节动态与径流形成
• 9.4 蒸散与径流形成
• 9.5 青海云杉林水量平衡
• 9.5.1 林冠层水量平衡
• 9.5.2 地表及土壤层水量平衡
• 9.5.3 水量平衡要素值
• 9.6 流域径流潜力计算
• 9.7 小结
• 10 水源涵养林区冻土水文过程
• 10.1 试验流域冻土分布
• 10.2 土壤冻融过程及变化规律
• 10.2.1 冻土季节性变化规律
• 10.2.2 冻土沿海拔变化规律
• 10.2.3 植被类型对季节性冻土变化的影响
• 10.2.4 温度变化对冻土厚度的影响
• 10.3 冻土的水文特性与气候响应
• 10.4 冻土水文生态功能
• 10.5 冻土对径流的作用
• 10.5.1 冻土气候响应对河川径流的影响
• 10.5.2 冻土活动层时空变化对径流的影响
• 10.5.3 活动层冻结面变化与地下水位
• 10.5.4 流域土壤冻融与河川径流规律
• 10.6 冻土活动层水文过程
• 10.7 小结与讨论
• 11 径流组成及运动规律
• 11.1 地表径流规律
• 11.1.1 植被类型对地表径流的影响
• 11.1.2 草地地表径流规律
• 11.2 河川径流规律
• 11.2.1 降水径流规律
• 11.2.2 河川径流季节动态
• 11.2.3 影响河川径流季节变化的原因
• 11.3 河川径流水文特征
• 11.3.1 融水径流期
• 11.3.2 降水径流期
• 11.3.3 地下水径流期
• 11.4 河川径流年际变化
• 11.5 河川径流组成特征
• 11.5.1 河川径流组成研究方法
• 11.5.2 径流组成规律
• 11.6 降水、径流与时间的模型函数及相关性分析
• 11.7 森林植被对径流量的影响
• 11.8 小结与讨论
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要学术成果