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年的兩個生長季（5～10月）在六盤山南側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，以求深入認識森林植被的水文作用機理并為六盤山及類似地區(qū)的水源涵養(yǎng)林建設提供理論基礎和技術支持。
　　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。
　　具體研究內容包括土壤物理性質空間分布、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、流域水文模型運用等，主要研究成果如下：
　　1.小流域內的植被特征和其空間分布
　　通過樣線調查分析了

3、六盤山洪溝小流域的森林植被群落結構和其空間分布。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.土壤物理性質的小流域空間分布規(guī)律
　　在洪溝小流域開展了大量調查

5、，研究土壤物理性質隨土層深度、坡向、坡位及植被類型的變化。結果表明：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??；石礫含量的增幅卻逐漸加大?？偪紫抖?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系，結果表明：當降雨量小于1.0mm時，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1~10mm時，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較小，只為20.5%；在10~50mm的降雨量時，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%）；當降雨大于50mm時，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>　　運用網(wǎng)格取樣方法，測得華北落葉松林枯落物的儲量為16.83 t/hm2，厚度為3.6cm。根據(jù)半方差分析，2個華北落葉松人工純林樣地的枯落物儲量存在一定空間異質性現(xiàn)象，變異系數(shù)分別為0.41和0.56；以95％的置信區(qū)間，要準確得到華北落葉松樣地的枯落物儲量，取樣數(shù)不能小于9個1m?1m的樣方。
　　在六盤山地區(qū)自然雨強范圍內（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應為1.3mm、1.4mm、1.5mm，紅樺林枯落物對應為2.1mm、2.3mm、2.6mm，枯落物的持水能力隨雨強增大而提高；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。并基于實驗結果分析，構建了具有較好的截留機制、可同時反映枯落物含水量和降雨強度及降雨歷時對枯落物持水動態(tài)和實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。在“相對靜止期”內(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時達到最高，林外和林內土壤的蒸發(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)、空氣相對濕度（RH，%)、風速（W，m/s)作為影響因子，建立了同時適合于林內外土壤蒸發(fā)的回歸關系式：E=-0.468+0.205SW+0.01557SR-0.0137RH，R2=0.8732
　　通過測定小流域內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種模型對環(huán)刀法測定的土壤分層滲透速率進行擬合，認為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)有實測徑流資料（2006年1月－2007年12月）計算，小流域徑流年內分配不均勻系數(shù)在0.44。采用滑動最小值法對小流域

14、2006年和2007年生長季的徑流過程線進行分割，計算出平均基流系數(shù)BFI為0.039；在此基礎上的分析表明了徑流增加量（Y）與單場降雨量（X）呈正相關關系：Y=145.11X0.5977，R2=0.6499。
　　5.植被變化對流域徑流的影響
　　應用分布式生態(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)對模型進行率定和檢驗，并根據(jù)植被對水分條件的要求和生態(tài)環(huán)境建設與水資源保護對植被建設