【摘要】：受植被和土壤等水文要素坡位差異的影響,水文過程在坡面上往往具有很大的空間(坡位和坡長)和時間(月份)變化,目前有關(guān)水文影響時空變化的研究主要集中在樣地和流域尺度,對坡面這個基本空間單位的關(guān)鍵尺度上關(guān)注很少,限制了對植被水文影響尺度效應(yīng)形成機(jī)理的理解及應(yīng)用。為理解水文影響在坡面上的時空變化機(jī)理,提高坡面水文影響評估的精度,在寧夏六盤山半濕潤區(qū)香水河小流域,利用2015年選擇的一個水平坡長425.1 m的華北落葉松人工林典型坡面,沿從坡頂至坡腳的30 m寬樣帶,均勻劃分了空間連續(xù)的16個樣地,在生長季調(diào)查了植被和土壤結(jié)構(gòu)特征的動態(tài)坡位差異,監(jiān)測了相關(guān)水文過程,分析了水文要素及其影響下水文過程的時空變化,探討了水文要素及水文過程從樣地到坡面的尺度上推方法,并以各指標(biāo)順坡滑動加權(quán)平均值在水平坡長增加100 m時的變化量為指標(biāo)評價(jià)坡長效應(yīng)。1.坡面林分結(jié)構(gòu)特征的時空變化林分地上總生物量隨樣地離坡頂距離增大(坡位變化)先升后降,在坡中上部最大。主導(dǎo)影響因素是土壤含水量坡位差異,表現(xiàn)為顯著正相關(guān)。地上(喬灌草)活生物量和枯落物蓄積量的順坡變化與地上總生物量基本一致。地上總生物量滑動加權(quán)平均值隨水平坡長增加(坡長變化)呈先升后降的變化趨勢,其坡長效應(yīng)在0~244.2、244.2~425.1m坡段分別為+2.89、-2.46 t?hm~(-1)/100 m。坡面林分冠層葉面積指數(shù)(LAI)存在順坡變化且月份差異明顯。在整個生長季,LAI隨樣地離坡頂水平距離增加先升后降,最大值在坡中部;5月份,為逐漸降低;在6、7、8月份,為“中坡較大,上坡和下坡較小”;在9和10月份,為不斷加大。導(dǎo)致LAI坡面格局月份差異的主導(dǎo)因素存在季節(jié)變化,5月份是由海拔(坡位)和地形遮擋共同引起的氣溫與輻射差異,6 8月份是土壤含水量的坡位差異,9 10月份是受海拔(坡位)、氣象和土壤水文性質(zhì)及土壤含水量的共同作用,其中10月份的影響強(qiáng)于9月份,尤其土壤含水量的影響。整個生長季,LAI滑動加權(quán)平均值隨水平坡長增加也呈先升后降的變化趨勢,坡長效應(yīng)在0~296.7、296.7~425.1 m坡段為+0.07、-0.02/100 m。5月份為逐漸降低,坡長效應(yīng)為-0.02/100 m;6、7、8月份,均為先升后降,坡長效應(yīng)在0~244.2 m坡段分別為+0.15、+0.16、+0.18/100 m,在244.2~425.1 m坡段為-0.09、-0.08、-0.07/100 m;9、10月份,均為逐漸升高,坡長效應(yīng)為+0.03和+0.09/100 m。2.坡面土壤水文物理性質(zhì)的空間變化直接影響水文過程的主要土壤水文性質(zhì)存在坡位差異,但0 100 cm土層各指標(biāo)隨樣地離坡頂水平距離增加的變化趨勢有所不同,土壤容重為“降-升-降”,飽和持水量和總孔隙度為“升-降-升”,田間持水量、毛管孔隙度和飽和導(dǎo)水率為“先升后降”;非毛管孔隙度為“先降后升”。植被結(jié)構(gòu)(林分密度)和地形因子(海拔和坡度)是影響土壤水文性質(zhì)順坡變化的主要因素,表現(xiàn)為林分密度與容重顯著負(fù)相關(guān)及與非毛管孔隙度正相關(guān),海拔與飽和持水量和總孔隙度顯著正相關(guān),坡度與田間持水量、毛管孔隙度和飽和導(dǎo)水率顯著負(fù)相關(guān)。順坡滑動加權(quán)平均值對土壤容重和田間持水量為“降-升-降”,對毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、飽和持水量、飽和導(dǎo)水率為“先升后降”。各指標(biāo)的坡長效應(yīng)均存在坡段差異,容重為-0.05(0~134.9 m)、+0.02(134.9~351.9 m)和-0.01g?cm~(-3)/100 m(351.9~425.1 m),毛管孔隙度為+0.54%(0~314.6 m)和-0.61%/100 m(314.6~425.1 m),非毛管孔隙度為+0.78%(0~94.7 m)、-0.60%(94.7~364.4 m)和+0.58%/100 m(364.4~425.1 m),總孔隙度為+0.76%(0~143.6 m)和-0.52%(143.6~425.1 m),田間持水量為-0.94%(0~77.9 m)、+1.16%(77.9~301.8 m)和-2.60%(301.8~425.1),飽和持水量為+0.27%(0~179.3 m)和-0.96%/100 m(179.3~425.1 m),飽和導(dǎo)水率為+0.04(0~170.1 m)和-0.02 mm?min~(-1)/100 m(170.1~425.1 m)。坡面樣地土壤含水量存在順坡(坡位)變化,整個生長季為先升后降,最大值在坡中上部(水平坡長135.8 m)。其5 9月份的順坡變化趨勢與整個生長季基本一致,但10月份為逐漸降低,可能因10月份結(jié)冰后不利于土壤水分坡面再分配。在研究年份因降水較多,影響土壤含水量順坡變化格局的主要因素是土壤持水性能,表現(xiàn)為各月土壤含水量均與土持水能力顯著正相關(guān)。此外,枯落物層蓄積量對降雨較多月份(6、7、9月)的土壤含水量坡位變化也有重要影響,表現(xiàn)為土壤含水量與枯落物生物量顯著正相關(guān)。生長季及各月的土壤體積含水量順坡滑動加權(quán)平均值隨水平坡長增加均有不同程度的變化,其坡長效應(yīng)(含水量變化值/100 m)整個生長季為+0.61%(0~217.6 m)和-0.82%(217.6~425.1 m),在5、6、7月份為+1.18%、+1.38%、+0.46%(0~217.6 m)和-0.95%、-0.92%、-0.82%(217.6~425.1 m);8月份為+0.47%(0~171.1 m)和-0.52(171.1~425.1 m);9月份為+0.98(0~160.2 m)和-0.48%(160.2~425.1 m);10月份為-0.88%(0~425.1 m)。3.坡面林分冠層截留量的時空變化坡面林分冠層截留有明顯的順坡(坡位)變化且月份差異明顯。整個生長季的林冠截留量順坡變化總體為先升后降,最大值在坡中部;5月份總體表現(xiàn)為逐漸降低;6、7、8月份的總體趨勢和整個生長季相同(先升后降);9、10月份為逐漸升高。影響林冠截留時空變化的主導(dǎo)因素是林冠層LAI的坡位差異及季節(jié)變化,各月林冠截留率均與LAI顯著正相關(guān)。整個生長季林冠截留滑動加權(quán)平均值隨水平坡長增加先升后降,坡長效應(yīng)(mm/100 m)為+5.62(0~316.6 m)和-2.37(316.6~425.1 m)。5月份為逐漸降低,坡長效應(yīng)為-0.26 mm/100 m(0~425.1 m)。6、7、8月份,均為先升后降,坡長效應(yīng)(mm/100m)在6月份為+1.28(0~261.1 m)和-1.78(261.1~425.1 m),7月份為+0.92(0~267.6m)和-0.88(267.6~425.1 m);8月份為+1.28(0~211.2 m)和-0.34(211.2~425.1 m)。9、10月份,均為逐漸升高,坡長效應(yīng)分別為+2.38和+0.81。4.坡面林分蒸騰量的時空變化坡面林分的林木蒸騰同時受潛在蒸散PET、土壤濕度和林冠層LAI的共同影響�；趯�(shí)測數(shù)據(jù)的上外包線,確定了林分蒸騰的響應(yīng)函數(shù),對PET為二項(xiàng)式方程,對不同土層的相對體積含水量REW和LAI為趨于飽和的指數(shù)增長方程。利用實(shí)測數(shù)據(jù)擬合了考慮大氣蒸散需求(PET)、土壤供水能力(REW)和林分輸水能力(LAI)綜合影響的林分日蒸騰模型:T=(-1.151PET~2+9.191PET-3.271)×[-7.170+0.335(1-EXP(-5.913REW_(0-10cm)))+7.066(1-EXP(-11.813REW_(10-20cm)))+21.333(1-EXP(-14.493REW_(20-40cm)))+0.754(1-EXP(-8.180REW_(40-60cm)))]×[-0.043+0.048(1-EXP(-1.681LAI))],可很好地評估林分蒸騰量。坡面林分的林木蒸騰存在順坡(坡位)變化,其隨樣地離坡頂距離增加的變化趨勢在整個生長季總體上為先升后降;在5、6、7、8月份,林分蒸騰的順坡變化總體趨勢與整個生長季類似;在9、10月份,總體呈一直升高趨勢。導(dǎo)致林分蒸騰坡面變化的主導(dǎo)因素是林冠層LAI、土壤濕度及海拔引起的氣象的坡位差異,表現(xiàn)為林分蒸騰在5、6月份與LAI、土壤濕度顯著相關(guān),在7、8、9月份與LAI顯著相關(guān),在10月份與LAI、土壤濕度、海拔、坡度及PET顯著相關(guān)。整個生長季,林分蒸騰滑動加權(quán)平均值隨水平坡長增加先升后降,坡長效應(yīng)(mm/100 m)存在坡段差異,為+7.87(0~303.3 m)和-2.52(303.3~425.1 m);在5、6、7、8月份,其變化趨勢與整個生長季類似,坡長效應(yīng)(mm/100 m)在5月份為+2.64(0~293.5 m)和-1.00(293.5~425.1 m),6月份為+1.75(0~283.4 m)和-0.96(283.4~425.1 m),7月份為+1.07(0~276.8 m)和-0.67(276.8~425.1 m),8月份為+0.97(0~307.4 m)和-0.42(307.4~425.1 m);9、10月份,均為逐漸升高,坡長效應(yīng)分別為+0.62和+0.43 mm/100 m。5.坡面林分林下蒸散量的時空變化坡面林分的林下蒸散同時受潛在蒸散PET、土壤濕度和林冠層LAI的共同影響�；趯�(shí)測數(shù)據(jù)的上外包線,確定了林下蒸散的響應(yīng)函數(shù),對PET為正線性相關(guān),對0 30 cm土層體積含水量SMC為趨于飽和的指數(shù)增長方程,對LAI為衰減的指數(shù)方程。利用實(shí)測數(shù)據(jù)擬合了考慮大氣蒸散需求(PET)、土壤供水條件(SMC)及冠層覆蓋(LAI)影響的林下日蒸散模型:E=(6.6971PET-2.7704)×(6.9274-11.2434EXP(-1.9588SMC))×(0.0324+1.1622EXP(-2.3069LAI)),利用該模型與實(shí)測林地土壤濕度數(shù)據(jù)校正了微型蒸滲儀測定的林下日蒸散量。坡面林分的林下蒸散存在順坡(坡位)變化,在整個生長季總體表現(xiàn)為隨樣地離坡頂水平距離增大而逐漸升高,在5、6、7月份整體表現(xiàn)為先變化不明顯后逐漸升高,8、9月份為逐漸升高,10月份為先升后降。影響林下蒸散坡面變化的主要因素有月份差異,5 7月份為LAI、海拔/坡度引起的氣象條件差異及枯落物層生物量差異,8月份為海拔/坡度引起的氣象條件差異,9月份為海拔引起的微氣象及枯落物層生物量差異,10月份為山體遮擋及海拔導(dǎo)致的氣象條件的復(fù)雜坡位差異。整個生長季,林下蒸散滑動加權(quán)平均值隨水平坡長增加逐漸升高,坡長效應(yīng)(mm/100 m)為+5.88。5、6、7、8、9、10月份,隨水平坡長增加均表現(xiàn)為逐漸升高,坡長效應(yīng)分別為+0.86、+0.89、+1.30、+0.72、+0.83、+1.28。6.坡面林地產(chǎn)流量的時空變化維持一定產(chǎn)流是水源涵養(yǎng)林管理的基本需求,需準(zhǔn)確估計(jì)。坡面林地產(chǎn)流量存在順坡(坡位)變化且月份差異明顯。在整個生長季,各坡位樣地產(chǎn)流隨離坡頂水平距離增加總體表現(xiàn)為先降后升;6到10月份分別表現(xiàn)為“先降后升”、“升-降-升”、“升-降-升”、“降-升-降”和“降低”。影響林地產(chǎn)流坡位變化的主要水文過程及主導(dǎo)因子存在月份差異,6月份是林冠截留與坡度和持水能力,7、8、9月份是土壤蓄水變化量與土壤入滲性能以及9月份的上坡輸入徑流量,10月份是林冠截留與林冠層LAI和土壤的入滲及孔隙度。整個生長季,林地產(chǎn)流滑動加權(quán)平均值隨水平坡長增加逐漸降低,坡長效應(yīng)為-10.3mm/100 m。6月份為“先降后升”,坡長效應(yīng)(mm/100 m)為-4.8(0~296.2 m)和+2.8(296.2 m~425.1 m);7月份為“先升后降”,坡長效應(yīng)為+2.9(0~186.9 m)和-2.6(186.9~425.1 m);8月份為“先升后降”,坡長效應(yīng)為+6.6(0~175.8 m)和-2.3(175.8~425.1 m);9月份為“先降后升”,坡長效應(yīng)為-12.8(0~258.0 m)和+1.7(258.0~425.1 m);10月份為逐漸降低,坡長效應(yīng)為-2.5(0~425.1 m)。7.水文要素及蒸散分量從樣地到坡面的尺度上推為降低利用典型樣地測定值評估坡面均值的不確定性和提高評估精度,擬合了坡面林分樣地的地上總生物量、土壤物理性質(zhì)與其坡面均值的比值隨離坡頂距離變化的關(guān)系,藉此可將任何坡位樣地的測定值較可靠地上推估計(jì)其坡面均值。整個坡面的平均土壤體積含水量的最佳代表點(diǎn)在相對水平坡長0.57處,此處測定值可代表坡面均值。林分蒸散及其組成分量在樣地和坡面間存在尺度效應(yīng),難以直接利用典型樣地測定值評估坡面均值,因此提出了一套經(jīng)尺度上推評估林分蒸散坡面均值的方法�？苫诓煌挛粯拥豅AI與坡面均值的關(guān)系、LAI與林冠截留量的關(guān)系,從任何坡位樣地的LAI測定值上推估計(jì)林冠截留的坡面均值。可基于LAI和REW(和SMC)樣地測定值向坡面均值的轉(zhuǎn)換方法,以及林分蒸騰(和林下蒸散)與PET、REW(和SMC)、LAI的耦合關(guān)系,由任何坡位樣地的LAI和REW(SMC)測定值及研究地點(diǎn)的PET測定值,實(shí)現(xiàn)對林分蒸騰(林下蒸散)坡面均值的評估。累加各蒸散的尺度上推估計(jì)值,可實(shí)現(xiàn)林分蒸散從坡面樣地向坡面的尺度上推;再利用水量平衡方程,可得到林地產(chǎn)流的坡面值。
【學(xué)位授予單位】：中國林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S715
【圖文】：

chya）、蕨（Pteridium aguilinum）和紫苞風(fēng)毛菊（Sanssurea iodostegia）等。.2 香水河小流域研究區(qū)位于寧夏固原六盤山自然保護(hù)區(qū)南部東側(cè)的香水河小流域（106°12′～15°27′～35°33′ N），面積為 43.73 km2，海拔 2010～2942 m（圖 2-1），土壤類型為主。屬溫帶半濕潤氣候，年均氣溫 6.0 ℃，年均降水量 632 mm，降水主要集 月份，無霜期 100～130 d（1960 2010 年，數(shù)據(jù)來自于涇源氣象站）。天然次生林是該小流域的主要植被類型，次生林占小流域面積的 58%，主要樹種有華山櫟、白樺、紅樺等；人工林占小流域面積的 24%，主要樹種為華北落葉松，占面積的 90%，另有少量油松等樹種。小流域可分為分水嶺溝、馬鞍橋溝、大南溝和隆德溝-西峽 5 個子流域，分別占小流域面積的 24%、22.4%、21.1%、20%。

18圖 2-2 2015、2016 和 1960 2010 年生長季（5 10 月）降雨、空氣溫度、空氣濕度、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速和潛在蒸散的變化Fig.2-2 Variations of precipitation, air temperature, relative air humdity, solar radiation, wind speed andpotential evapotranspiration during the growing season (May-Oct.) of 2015, 2016 and 1960 2010

面的選取討水文要素及水文過程的時空變化及尺度轉(zhuǎn)換，依據(jù)坡面完整、林分似的原則，在香水河小流域的分水嶺溝子流域，選取了一個生長有華向的典型坡面（圖 2-1）。其水平坡長 425.1 m，平均坡度 27.8°，土層右。坡面上所有的華北落葉松人工林林齡均為 34 年。林下灌木發(fā)育不左右，以蒙古莢劸、西北h子和野李子等為主。林下草本覆蓋度 40%（Fragaria orientalis）、苔草為優(yōu)勢種。5 年 5 月，從坡頂至坡腳，布設(shè)了一條寬 30 m 的樣帶，將其劃分為 16 個m 的連續(xù)樣地（圖 2-3），對各樣地進(jìn)行每木檢尺，調(diào)查樹高、胸徑、枝林分信息，并記錄海拔、坡度等地形因子（表 2-2）。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2806490