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祁连山水源涵养林生态系统水分传输过程与机理研究

王金叶

  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。……   
[关键词]:水源涵养林;生态系统;水文传输过程;机理;祁连山
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中南林业科技大学2006年