六盤山疊疊溝小流域森林植被坡面水文影響的研究.pdf

1、考慮林水矛盾和優(yōu)化林水相互關(guān)系是在西北半干旱地區(qū)進(jìn)行林業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)時必須重視的核心問題。六盤山是這一地區(qū)具有代表性的重要山地水源涵養(yǎng)林區(qū)，研究六盤山森林植被的水文影響有助于定量了解森林與水資源之間的相互關(guān)系，并為半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和植被恢復(fù)提供理論基礎(chǔ)。本研究選擇位于六盤山北側(cè)的2000年開始退耕還林的疊疊溝小流域，在2003-2004年的生長季著重在坡面尺度開展了森林植被水文過程研究，獲得的一些研究成果如下： 1.疊疊溝

2、小流域基本情況調(diào)查疊疊溝小流域隸屬寧夏回族自治區(qū)固原市(東經(jīng)106°09'～106°30'，北緯35°15'～35°41')原州區(qū)疊疊溝林場，面積25.4km2，海拔范圍1975～2615m，最大高差640m，流域呈南北走向，流域形狀系數(shù)1.58。根據(jù)地形特點將小流域分成上、中、下三段，面積分別為7.2、11.3、6.9km2。上段地形較緩，坡度主要在20°以內(nèi)，為黃土、紅土(第三紀(jì)紅土)、耕作土壤，植被主要為農(nóng)田；中下段較陡，坡度依次

3、主要分布在10-35°、20-40°范圍內(nèi)，主要為灰褐土，土地利用類型主要是草地、灌木林、華北落葉松人工林等。坡度對土地利用和土壤厚度具有影響，山脊和陡坡處土層較薄，灰褐土下即為基巖；土層較厚的地方土壤垂直結(jié)構(gòu)從上向下一般依次為灰褐土、黃土(或缺黃土)和坡積物。 小流域內(nèi)草地面積最大，占流域面積的58.7％，各種地形下均有分布，其它植被鑲嵌其中。由于人為干擾，地帶性典型草地退化，出現(xiàn)了以鐵桿蒿(Artemisavestita)、

4、茭蒿(Artemisiagiraldii)為主的草地類型。封山育林后草地逐漸恢復(fù)，典型草種如白羊草(Bothriochloaischaemum)、本氏針茅(StipabungeanaTrin.)等開始出現(xiàn)。灌叢面積比例為18.4％(人工沙棘林2.7％、天然沙棘灌叢0.8％、天然雜灌叢13.5％、天然虎榛子灌叢1.4％)。其次是主要位于小流域上段的農(nóng)田，占小流域面積15.4％。喬木林地面積目前僅為6.1％(華北落葉松人工林3.9％、楊樹人

5、工林2.0％、柳樹林0.2％)。居民區(qū)占地面積比例最小，為1.5％。 2.小流域內(nèi)主要植被及土壤水文物理特征，在小流域上段按土壤類型于40-60cm深度比較了土壤水文物理性質(zhì)，表明土壤水文物理性質(zhì)由好到差分別為黑壚土、黃土、紅土，土壤水文物理性質(zhì)在退耕還林后能得到改善。在小流域中下段的灰褐土區(qū)于，2004年8-9月份測定了不同坡向和坡位的12個草坡樣地、4種灌木的8個樣地、華北落葉松人工林5個樣地的植被特征。 在小流域中下區(qū)段灰

6、褐土區(qū)，土壤容重等與坡向、坡位沒顯著關(guān)系，但各土層差別顯著，與植被類型相關(guān)。結(jié)果表明，土壤改良深度為喬木＞灌木＞草地；土壤物理性質(zhì)為灌木＞喬木＞草地。 3.華北落葉松林分的林冠截持降雨和蒸散選擇建立了一個陰坡的華北落葉松林樣地研究林冠截持和水分循環(huán)。分別于2003年8～10月和2004年5～10月觀測了冠層截持降雨，其中2004年6～9月期間林外降雨量為408.1mm，總的降雨截持率9.8％。 建立了一個逐時段計算的冠層

7、截持降雨過程模型，考慮了樹干表面積、冠層葉面積指數(shù)、冠層和樹干干燥情況對冠層截持降雨能力及雨期蒸發(fā)過程的影響，模型能夠輸出自由穿透降雨、樹冠排水、樹干莖流3個組分形成的林內(nèi)降雨過程，以及由冠層和樹干蓄水、冠層和樹干雨期蒸發(fā)而構(gòu)成的截持雨量過程。綜合確定了模型的主要參數(shù)。在2004年6～9月份，采用SF-L樹干液流儀測定了華北落葉松人工林的樹木蒸騰。介紹了測定結(jié)果。 4.沙棘群落的蒸騰及不同地表植被的蒸散在半陰坡沙棘天然灌叢設(shè)立了

8、蒸騰觀測樣地，在2004年6～9月份采用Dynagage包裹式莖流計測定了沙棘蒸騰。利用自制的蒸滲筒測定了林下蒸散和草地群落蒸散。結(jié)果表明：1)沙棘也存在夜間液流上升，并隨天氣變化而不同，夜間液流量占全天總量12.87～13.84％，在測定蒸騰量時不能忽視。2)沙棘單株液流日變化過程曲線呈單峰型。3)根據(jù)沙棘群落葉面積推求出6～9月份群落蒸騰量為164.8mm，折合日蒸騰1.35mm，低于華北落葉松林；各月分別為52.2、50.3、32

9、.1、30.2mm，折合日蒸騰量1.74、1.62、1.04、1.01mm。4)在7月下旬至10月上旬，沙棘群落林下蒸散日均1.43mm，低于落葉松林。5)在6月下旬至10月上旬，4個草坡樣地的日蒸散量平均為2.30mm，表明草地耗水低于灌木(沙棘)和喬木(華北落葉松)。 5.坡面土壤水分比較采用TRIME管狀土壤含水量測試儀對固定樣地土壤水分的監(jiān)測表明，表層土壤含水量變化劇烈，華北落葉松林和沙棘林對深層土壤水分影響比草地大。采

10、用土鉆取土烘干法對小流域內(nèi)不同地形和植被的土壤水分測點的土壤水分測定表明，不同坡向土壤含水率差別明顯，其數(shù)值大小依次是陽坡＜半陽坡＜半陰坡＜陰坡。山谷土壤含水率要高于山脊。陽坡土壤含水率則是從坡下部到山頂逐漸減小。不同植被類型的土壤剖面平均含水率大小依次為沙棘灌叢＞毛榛子灌叢＞陰坡虎榛子灌叢＞陰坡草地＞華北落葉松林＞繡線菊灌叢＞農(nóng)田＞陽坡草地＞陽坡虎榛子灌叢。0～20cm和0～40cm土壤含水率大小依次均為沙棘灌叢＞毛榛子灌叢＞陰坡虎榛

11、子灌叢＞華北落葉松林＞陰坡草地＞繡線菊灌叢＞農(nóng)田＞陽坡草地＞陽坡虎榛子灌叢。 6.固定樣地的水量平衡在2004年生長季(6月21日至10月3日)測定期間，5個坡面徑流場都沒觀測到有效地表徑流，即使日降水量100mm以上的暴雨下地表徑流也很小。 在綜合降雨截持、植被蒸散和土壤水分變化等研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析了小流域內(nèi)5個固定樣地的0-90cm土層的水量平衡。在2003年為多雨年的情況下，根據(jù)2004年生長季(6月21日至1

12、0月3日)各樣地的水分輸出(或輸入)量對流域徑流的可能貢獻(xiàn)，將它們劃分為輸出型、平衡型和消耗型：草地(半陰坡草地、陽坡草地)和灌木林地(半陰坡沙棘)為輸出型，產(chǎn)生的水分輸出分別為161.5、120.1和24.1mm；喬木林地(華北落林松)為平衡型(陡坡林地)或消耗型(緩坡坡腳林地，有坡上水分輸入)，對應(yīng)的水分平衡項分別為3.9和-57.9mm。 7.疊疊溝小流域河道徑流特點河道水面蒸發(fā)對小流域徑流的日變化具有一定影響。在晴天觀測

13、到了由于河道水面蒸發(fā)而出現(xiàn)的河道徑流量中午小、早晚大的日變化規(guī)律。在2004年6-9月份之間，晴天河道蒸發(fā)損失的徑流比例在2.87-4.78％。 河道徑流量在雨季隨著降雨增加而逐漸增大。小流域徑流形成來源主要有兩個：一是河道及其周圍飽和不透水區(qū)域產(chǎn)生的地表徑流，它們是形成小流域出口徑流洪峰的絕對主要成分；二是深層壤中流和巖隙等滲出水分形成的基流。 8.坡面水文過程模擬和不同植被類型水文的影響分析，用集總式水文模型BROOK90分

14、別對陰坡陡坡的華北落葉松人工林、半陰坡沙棘灌叢、陽坡草地、半陰坡草地4個樣地所代表的不同立地-植被類型進(jìn)行了水分平衡模擬。以土壤水分為指標(biāo)擬合率定了BROOK90在研究小流域條件下的模型參數(shù)。經(jīng)實測數(shù)據(jù)檢驗，模擬精度較高。在每個樣地上采用其他樣地的不同植被特征進(jìn)行了情景模擬，研究比較了不同坡面植被類型的水文影響。結(jié)果表明，在各參與模擬的樣地的立地條件下，華北落葉松林和沙棘灌叢的蒸散耗水量都比草地大，維持其群落穩(wěn)定性需要消耗更多水分。