六盘山叠叠沟小流域森林植被坡面水文影响的研究
考虑林水矛盾和优化林水相互关系是在西北半干旱地区进行林业生态环境建设时必须重视的核心问题。六盘山是这一地区具有代表性的重要山地水源涵养林区，研究六盘山森林植被的水文影响有助于定量了解森林与水资源之间的相互关系，并为半干旱地区生态环境建设和植被恢复提供理论基础。本研究选择位于六盘山北侧的2000年开始退耕还林的叠叠沟小流域，在2003-2004年的生长季着重在坡面尺度开展了森林植被水文过程研究，获得的一些研究成果如下：
1.叠叠沟小流域基本情况调查叠叠沟小流域隶属宁夏回族自治区固原市(东经106°09'～106°30'，北纬35°15'～35°41')原州区叠叠沟林场，面积25.4km2，海拔范围1975～2615m，最大高差640m，流域呈南北走向，流域形状系数1.58。根据地形特点将小流域分成上、中、下三段，面积分别为7.2、11.3、6.9km2。上段地形较缓，坡度主要在20°以内，为黄土、红土(第三纪红土)、耕作土壤，植被主要为农田；中下段较陡，坡度依次主要分布在10-35°、20-40°范围内，主要为灰褐土，土地利用类型主要是草地、灌木林、华北落叶松人工林等。坡度对土地利用和土壤厚度具有影响，山脊和陡坡处土层较薄，灰褐土下即为基岩；土层较厚的地方土壤垂直结构从上向下一般依次为灰褐土、黄土(或缺黄土)和坡积物。
小流域内草地面积最大，占流域面积的58.7％，各种地形下均有分布，其它植被镶嵌其中。由于人为干扰，地带性典型草地退化，出现了以铁杆蒿(Artemisavestita)、茭蒿(Artemisiagiraldii)为主的草地类型。封山育林后草地逐渐恢复，典型草种如白羊草(Bothriochloaischaemum)、本氏针茅(StipabungeanaTrin.)等开始出现。灌丛面积比例为18.4％(人工沙棘林2.7％、天然沙棘灌丛0.8％、天然杂灌丛13.5％、天然虎榛子灌丛1.4％)。其次是主要位于小流域上段的农田，占小流域面积15.4％。乔木林地面积目前仅为6.1％(华北落叶松人工林3.9％、杨树人工林2.0％、柳树林0.2％)。居民区占地面积比例最小，为1.5％。
2.小流域内主要植被及土壤水文物理特征，在小流域上段按土壤类型于40-60cm深度比较了土壤水文物理性质，表明土壤水文物理性质由好到差分别为黑垆土、黄土、红土，土壤水文物理性质在退耕还林后能得到改善。在小流域中下段的灰褐土区于，2004年8-9月份测定了不同坡向和坡位的12个草坡样地、4种灌木的8个样地、华北落叶松人工林5个样地的植被特征。 在小流域中下区段灰褐土区，土壤容重等与坡向、坡位没显著关系，但各土层差别显著，与植被类型相关。结果表明，土壤改良深度为乔木＞灌木＞草地；土壤物理性质为灌木＞乔木＞草地。
3.华北落叶松林分的林冠截持降雨和蒸散选择建立了一个阴坡的华北落叶松林样地研究林冠截持和水分循环。分别于2003年8～10月和2004年5～10月观测了冠层截持降雨，其中2004年6～9月期间林外降雨量为408.1mm，总的降雨截持率9.8％。
建立了一个逐时段计算的冠层截持降雨过程模型，考虑了树干表面积、冠层叶面积指数、冠层和树干干燥情况对冠层截持降雨能力及雨期蒸发过程的影响，模型能够输出自由穿透降雨、树冠排水、树干茎流3个组分形成的林内降雨过程，以及由冠层和树干蓄水、冠层和树干雨期蒸发而构成的截持雨量过程。综合确定了模型的主要参数。在2004年6～9月份，采用SF-L树干液流仪测定了华北落叶松人工林的树木蒸腾。介绍了测定结果。
4.沙棘群落的蒸腾及不同地表植被的蒸散在半阴坡沙棘天然灌丛设立了蒸腾观测样地，在2004年6～9月份采用Dynagage包裹式茎流计测定了沙棘蒸腾。利用自制的蒸渗筒测定了林下蒸散和草地群落蒸散。结果表明：1)沙棘也存在夜间液流上升，并随天气变化而不同，夜间液流量占全天总量12.87～13.84％，在测定蒸腾量时不能忽视。2)沙棘单株液流日变化过程曲线呈单峰型。3)根据沙棘群落叶面积推求出6～9月份群落蒸腾量为164.8mm，折合日蒸腾1.35mm，低于华北落叶松林；各月分别为52.2、50.3、32.1、30.2mm，折合日蒸腾量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，低于落叶松林。5)在6月下旬至10月上旬，4个草坡样地的日蒸散量平均为2.30mm，表明草地耗水低于灌木(沙棘)和乔木(华北落叶松)。
5.坡面土壤水分比较采用TRIME管状土壤含水量测试仪对固定样地土壤水分的监测表明，表层土壤含水量变化剧烈，华北落叶松林和沙棘林对深层土壤水分影响比草地大。采用土钻取土烘干法对小流域内不同地形和植被的土壤水分测点的土壤水分测定表明，不同坡向土壤含水率差别明显，其数值大小依次是阳坡＜半阳坡＜半阴坡＜阴坡。山谷土壤含水率要高于山脊。阳坡土壤含水率则是从坡下部到山顶逐渐减小。不同植被类型的土壤剖面平均含水率大小依次为沙棘灌丛＞毛榛子灌丛＞阴坡虎榛子灌丛＞阴坡草地＞华北落叶松林＞绣线菊灌丛＞农田＞阳坡草地＞阳坡虎榛子灌丛。0～20cm和0～40cm土壤含水率大小依次均为沙棘灌丛＞毛榛子灌丛＞阴坡虎榛子灌丛＞华北落叶松林＞阴坡草地＞绣线菊灌丛＞农田＞阳坡草地＞阳坡虎榛子灌丛。
6.固定样地的水量平衡在2004年生长季(6月21日至10月3日)测定期间，5个坡面径流场都没观测到有效地表径流，即使日降水量100mm以上的暴雨下地表径流也很小。
在综合降雨截持、植被蒸散和土壤水分变化等研究结果的基础上，分析了小流域内5个固定样地的0-90cm土层的水量平衡。在2003年为多雨年的情况下，根据2004年生长季(6月21日至10月3日)各样地的水分输出(或输入)量对流域径流的可能贡献，将它们划分为输出型、平衡型和消耗型：草地(半阴坡草地、阳坡草地)和灌木林地(半阴坡沙棘)为输出型，产生的水分输出分别为161.5、120.1和24.1mm；乔木林地(华北落林松)为平衡型(陡坡林地)或消耗型(缓坡坡脚林地，有坡上水分输入)，对应的水分平衡项分别为3.9和-57.9mm。
7.叠叠沟小流域河道径流特点河道水面蒸发对小流域径流的日变化具有一定影响。在晴天观测到了由于河道水面蒸发而出现的河道径流量中午小、早晚大的日变化规律。在2004年6-9月份之间，晴天河道蒸发损失的径流比例在2.87-4.78％。 河道径流量在雨季随着降雨增加而逐渐增大。小流域径流形成来源主要有两个：一是河道及其周围饱和不透水区域产生的地表径流，它们是形成小流域出口径流洪峰的绝对主要成分；二是深层壤中流和岩隙等渗出水分形成的基流。
8.坡面水文过程模拟和不同植被类型水文的影响分析，用集总式水文模型BROOK90分别对阴坡陡坡的华北落叶松人工林、半阴坡沙棘灌丛、阳坡草地、半阴坡草地4个样地所代表的不同立地-植被类型进行了水分平衡模拟。以土壤水分为指标拟合率定了BROOK90在研究小流域条件下的模型参数。经实测数据检验，模拟精度较高。在每个样地上采用其他样地的不同植被特征进行了情景模拟，研究比较了不同坡面植被类型的水文影响。结果表明，在各参与模拟的样地的立地条件下，华北落叶松林和沙棘灌丛的蒸散耗水量都比草地大，维持其群落稳定性需要消耗更多水分。
森林植被;坡面水文;六盘山;土壤;草地;落叶松;沙棘;生态环境
中国林业科学研究院
博士
生态学
王彦辉;于澎涛
2005
中文
S718.5;P463.22
157
2006-08-09（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）