基于Budyko假设的祁连山排露沟流域蒸散发估算及其变化归因分析

【目的】探讨西北干旱区域水资源短缺和森林植被碳汇问题。【方法】以祁连山排露沟流域蒸发皿、气象站、水文站、固定样地等实测数据为基础,采用线性回归法、Mann-Kendall、滑动t、Pettitt、累积距平检验方法,Budyko假设模型、材积源生物量等方法以及Matlab编程软件对实际蒸散发量进行估算,且对其变化趋势及归因进行研究。【结果】1994~2020年排露沟流域蒸散发总体呈增加趋势,但在2001年有次突变,突变前后变异系数由0.13增大到0.22,属于较强变异;在2002~2020年的突变期,蒸散发量对降水、径流、潜在蒸发和下垫面参数的弹性系数分别为0.69、-0.46、-0.47、0.62,且各因子对流域蒸散发变化的贡献率分别为71.65%、-85.57%、69.61%、44.31%,降水量变化对流域蒸散发最为敏感,流域下垫条件变化次之。2003~2021年排露沟流域青海云杉平均碳密度为65.8 mg/hm^(2),增长速率为1.99 mg/(hm^(2)·a),与流域蒸散发的变化趋势基本相一致。祁连山排露沟流域蒸散发的变化不仅受气候变化的影响,同时在短时期内受到青海云杉生长变化的影响,其变化是气候与植被生长综合影响的结果。【结论】研究结果可对全球气候变暖下的水资源短缺与森林植被的碳汇功能降低的研究提供了理论依据。

祁连山排露沟流域主要土壤类型盐基氧化物研究

为探究祁连山不同土壤类型盐基氧化物在不同土层中的变化规律及其含量大小,同时分析盐基氧化物与土壤理化性质的关系,以期为祁连山土壤属性的全面研究提供基础数据资料。本研究以祁连山排露沟流域分布的栗钙土、灰褐土和高山草甸土等3种主要土壤类型为研究对象,于2023年8月在该流域3种土壤类型分布带中建立了临时样地,并进行了植被调查和土壤剖面取样及室内分析。研究结果表明,不同土壤类型不同土层中的K_(2)O、Na_(2)O和MgO含量在不同土层中的含量变化不明显,CaO含量表现为20~40cm土层含量明显高于其他土层。栗钙土、灰褐土、高山草甸土中的K_(2)O、CaO、Na_(2)O、MgO含量大小依次为24.00g·kg^(-1)、68.62g·kg^(-1)、13.30g·kg^(-1)、25.21g·kg^(-1),23.42g·kg^(-1)、34.39g·kg^(-1)、14.16g·kg^(-1)、25.50g·kg^(-1)和26.18g·kg^(-1)、15.95g·kg^(-1)、17.87g·kg^(-1)、30.74g·kg^(-1)。土壤CaO与土壤容重和pH呈极显著正相关(P<0.01),与土壤有机碳呈极显著负相关(P<0.01);土壤Na_(2)O与土壤有机碳呈极显著负相关(P<0.01);土壤MgO与土壤pH呈极显著正相关(P<0.01)。

祁连山排露沟流域典型植被类型的水源涵养功能差异

土壤水分是"绿水"重要的储存,连接植被与水文系统的纽带。水源涵养功能是山地生态系统重要的生态系统服务,这种功能主要体现是生态系统将水分保持在系统内的过程和能力,并受多种因素的影响(如植被类型、土壤类型和地形)。通过对祁连山排露沟流域的土壤属性、土壤温湿度和降雨2个生长季的野外调查与观测,以及计算水源涵养功能指标来评估3种典型植被类型土壤水分涵养能力的差异。研究结果:(1)灌丛和青海云杉林下有机质、粉粒和砂粒含量、田间持水量、饱和持水量和孔隙度等土壤属性值高于草地,而土壤容重和粘粒含量低于草地;(2)青海云杉林的根区土壤累计入渗量高于灌丛和草地,草地土壤水分损失较灌丛和青海云杉林更快;(3)整个生长季内青海云杉林和灌丛土壤湿度明显高于草地湿度,青海云杉林的水源涵养功能指标值多大于1。这些结果表明青海云杉林较灌丛和草地具有更强的水源涵养能力。因此,研究结果能为国内干旱区山地生态系统的流域生态系统管理与可持续发展提供科学参考。

祁连山排露沟流域气温、冻土冻融与河川径流特征

通过统计分析祁连山排露沟流域气温、日照时数、土壤温度、降水、冻土冻融及河川径流等监测数据(2002-2011年),研究气温、日照、土壤温度、冻土冻融的变化特征,分析降水、冻土冻融与河川径流的关系。结果表明:年均气温1.7℃,年均日照时数127.1 h,年均土壤地表温度3.3℃,5,10和15 cm深处年均土壤温度2.3℃,20和40 cm深处年均土壤温度2.4℃;土壤开始冻结日期为10月11日左右,冻土结束消融日期为7月18日左右,季节性冻土存在时间为年均278天,占全年时间的76.16%;12月10日之前,冻土增厚的速率约1.22 cm·d-1,此后,冻土增厚的速率逐渐减小,平均为0.78 cm·d-1,直到3月20日左右,冻土增厚的速率减到最小,但冻土的累积厚度增加到最大,年均最大厚度约159.6 cm;从3月20日左右开始,冻土开始消融,消融的速率逐渐递增,平均为1.47 cm·d-1;河川径流量S与降水量P的回归模型为S=2.936P+9.587(R2=0.742 6),河川经流与冻土冻融厚度F d的回归模型为S=-10.361F d+1 388.498(R2=0.701 7)。

祁连山排露沟流域降雪消融与融水径流分析

西北内陆山区径流变化受到多种因素的影响,其中冬、春季甚至初夏季节降雪消融直接影响着径流的形成过程和变化。本文采用降雪消融样地监测法、三角量水堰自记水位计和容积测定法,对祁连山北坡2002-2011年气温、日照、降雪、积雪消融及流域径流进行长期监测与研究。结果表明:(1)祁连山排露沟流域5～9月份为雨季,10～4月份为雪季。(2)雪季降水占全年降水量的11.2～25.6%,平均为17.69%,降雪平均厚度为40.65 cm。(3)乔木林内积雪量占灌丛林的84.54%,阴坡积雪量比阳坡高8.36%。积雪消融量平均为0.184～0.526 mm/d,乔木林积雪消融占灌丛林的78.72%,占阴坡草地的37.66%,占阳坡草地的32.61%;灌丛林积雪消融量占阴坡草地的47.45%,占阳坡草地的41.09%;阴坡积雪消融量占阳坡的34.98%,即阴坡积雪时间比阳坡长63.12%。(4)流域月径流深为0.28～23.19 mm,年径流深为83.45 mm。积雪消融形成的融水径流深为4.60 mm,占年总径流量的5.51%。本文对于揭示水源涵养功能机理及其流域产流机制具有重要意义,并为将来开展祁连山水源涵养功能评估和人工增雨雪项目提供基础数据和参考。

祁连山中段排露沟流域水化学特征及成因

2012年11月-2013年10月,在祁连山中段排露沟流域持续采集1 a的大气降水和出口断面径流样品,对主要可溶离子、pH、电导率EC和总溶解固体TDS进行了分析。结果表明:流域径流与大气降水相比,各项对应离子浓度显著增加,径流TDS均值(255.50 mg·L^(-1))远大于降水(46.77 mg·L^(-1))。径流离子类型为Ca2+-M g2+-HCO_3^-,呈弱碱性。大气降水离子类型为Ca2+-HCO_3^-,接近中性。所有径流样品都落在Gibbs分布图的左中端,表明径流离子组成主要受流域岩石风化作用控制。根据Piper图和主要离子的摩尔比值,综合分析得出控制径流离子过程主要是流域碳酸盐岩风化,其次伴随部分硫酸盐和硅酸盐岩石风化。并通过海盐校正分析方法,得出大气降水对出口断面径流主要离子贡献率仅为4.58%。

祁连山排露沟流域土壤有机碳空间变异性研究

为研究小流域尺度下土壤有机碳的变异规律,运用地统计学方法对研究区0-10,10-20,20-40 cm土壤有机碳含量的空间变异性进行了研究。结果表明:流域内不同土层有机碳含量属于中等强度变异,具有强烈的空间自相关性;土壤有机碳含量在0,135°方向上空间变异程度明显,空间分布的各向异性显著;克里格插值结果显示流域内阴坡土壤有机碳含量明显高于阳坡,高海拔区域土壤有机碳含量高于低海拔区域;不同土层间,土壤有机碳含量均表现为青海云杉>灌丛>草地,表明不同植被类型对土壤有机碳含量和分布有着重要影响。土壤有机碳含量的空间变异性特征,与土壤性质、地形因子等结构性因素有关,为研究祁连山小流域土壤信息差异性的测量和描述提供科学依据。

祁连山排露沟流域青海云杉种群结构与空间分布格局

森林种群结构与空间分布格局研究是生态恢复和生态水文研究的重要组成部分。采用空间代替时间将祁连山排露沟流域青海云杉林分布区划分为4个海拔区段,并在不同区段内设置样地进行调查,分析青海云杉种群结构与空间分布格局。结果表明:青海云杉种群垂直结构表明,不同海拔区段乔木层中层木均最多,海拔2 900～3 100 m和3 100～3 300 m上层木居中,海拔2 700～2 800 m下层木居中。种群径级结构表明,小树和中树所占总体比例均达到76.3%以上,大树个体较少,青海云杉种群更新较好,处于恢复阶段。种群空间分布格局表明,海拔2 700～2 800 m、2 900～3 100 m和3 100～3 300 m的青海云杉种群呈聚集分布格局,海拔2 800～2 900 m的青海云杉种群呈泊松分布格局,2种分布格局可能分别受制于气候因子和自身的生物学特性的影响。

祁连山排露沟流域径流对气候及下垫面变化的响应

在全球气候变暖和人类活动的共同影响下,中国西北干旱半干旱区水循环变化与水资源再分配正在改变区域生态环境。在长时间序列尺度上,仍缺乏对西北内陆河径流变化机制与特征时空格局的统一认识。本研究以祁连山排露沟流域为试验区,基于量水堰实测长序列径流数据,采用线性回归法、Mann-Kendall、滑动t、Pettitt和累积距平等检验方法,分析排露沟流域1994—2020年径流序列的变化趋势和突变年份;以气象站监测和人工潜在蒸发观测数据为基础,采用Budyko假设水热耦合平衡模型对排露沟流域径流量变化趋势进行归因分析;以固定样地2003—2021年每木检尺数据,采用材积源生物量法,对排露沟流域15个乔木固定样地的1017棵青海云杉的碳密度进行估算。结果表明:(1)1994—2020年排露沟流域径流量波动变化,丰枯交替,但整体呈现增加趋势,2006年径流发生突变,突变后的年平均径流量增加了9.53×10^(4) m^(3),增加率为34.88%。(2)在2007—2020年的突变期,排露沟流域径流对降水、潜在蒸发和流域下垫面参数的弹性系数分别为3.15、-0.70和-0.68,且各因子对径流的贡献率分别为87.92%、19.97%和-7.89%,表明径流量对降水量变化最为敏感,气候因子中潜在蒸发对径流的影响大于流域下垫面的变化。(3)2003—2021年排露沟流域青海云杉平均碳密度为63.09 Mg C·hm^(-2),平均每年增长速率为1.94%。在人类活动干扰较小的条件下,森林植被的碳储量和碳密度变化是引起流域下垫面参数波动的主要原因。研究结果可为流域管理部门制定自然资源保护与水资源合理分配及调用方案提供科学依据,为生态环境保护部门在权衡林水效益方面提供参考。

祁连山排露沟流域典型植被土壤水文功能及增贮潜力评价

以黑河上游祁连山区为研究对象,定量评估了不同时空尺度的土壤水文功能及增贮潜力,结果表明:0~60cm土层土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度变化范围分别为57.61%~80.76%、46.18%~56.37%和8.68%~26.71%,平均值分别为70.37%、52.75%和17.63%;土壤最大持水量、田间持水量和毛管持水量变化范围分别为50.28%~198.91%、42.15%~137.32%和37.03%~172.08%,平均值分别为116.26%、87.57%和98.01%;青海云杉林、高山灌丛林、阳坡草地3种植被类型土壤蓄水量分别为1 245.22、1 847.38和978.18t·hm^(-2);土壤水资源增贮潜力表现为高山灌丛林>青海云杉林>阳坡草地,其值分别为28.69%、26.84%和17.28%。可见,高山灌丛林土壤水资源增贮潜力最大。

祁连山排露沟流域亚高山灌木林土壤钾素含量变化特征

以祁连山排露沟流域海拔3300~3600m的亚高山灌木林为研究对象,通过在灌木林内每沿100m海拔梯度设置样地,进行样地植被调查和土壤剖面取样,分析其土壤全钾、速效钾和缓性钾含量在剖面上和海拔梯度上的变化规律,并分析不同形态钾与有机质及不同形态钾之间的相互关系,旨在为合理经营管理祁连山亚高山灌木林提供参考资料。研究结果表明:不同海拔、不同土层的全钾和缓性钾含量均随土层深度的增加而增加,但变化规律不明显,而且变异程度小;速效钾含量随土层深度的增加,其含量总体上呈不断减小的变化趋势,而且变异程度大。不同海拔土壤全钾含量从海拔3300~3600m总体上呈增加的变化趋势,速效钾和缓性钾含量从海拔3300~3500m呈增加的变化趋势,其拐点出现在海拔3500m处;不同海拔0~40cm土深的全钾、速效钾和缓性钾含量变化范围依次为18.1~20.0g·kg^(-1)、85.8~131.9mg·kg^(-1)、524~700mg·kg^(-1)。土壤中的全钾与有机质呈极显著负相关(P<0.01),速效钾与有机质呈显著正相关(P<0.05),缓性钾与有机质呈极显著正相关(P<0.01),缓性钾与全钾呈显著负相关(P<0.05)、与速效钾呈极显著正相关(P<0.01)。

祁连山排露沟流域青海云杉林天然更新质量评价

为研究祁连山青海云杉林的天然更新质量特征,本研究选择分布在祁连山排露沟流域的青海云杉纯林为研究对象,借助建立在该流域青海云杉林内的固定样地,进行样地内青海云杉林存活个体的调查和测定,研究青海云杉的更新苗和成树密度,并对其进行了天然更新质量评价。研究结果表明:青海云杉林内的I级幼苗、II级幼苗、III级幼树、IV级幼树和V级成树的平均密度大小依次为109株·hm^(-2)、253株·hm^(-2)、685株·hm^(-2)、353株·hm^(-2)和1427株·hm^(-2),更新幼苗的密度明显低于更新幼树和成树的密度;不同样地不同等级的更新苗存在明显的差异,其密度最大值为5650株·hm^(-2),密度最小值为1025株·hm^(-2),更新苗分布倾向聚集分布;另外,在15块样地中,更新等级为中等以上的样地占所有样地的86.7%,更新等级为不良的样地仅占所有样地的13.3%。建议对更新不良的林分尽可能避免大的人为干扰。

祁连山排露沟流域阳坡草地土壤理化性质研究

本研究通过土壤剖面法对祁连山排露沟流域阳坡草地的土壤剖面特征、土壤理化性质进行了野外观察、室内测定和定量分析。研究结果表明,祁连山阳坡草地土壤厚度大于100cm,其腐殖质层、淀积层的结构有粒状、块状和核状,而且未检测到石砾。土壤干态的明度介于5~6,润态的明度介于4~6;干态的彩度介于3~4,润态的彩度介于4~6。土壤质地主要为黏壤土、壤质黏土和壤土,土壤比重介于2.63~2.81g·cm^(-3),土壤容重介于0.94~1.19g·cm^(-3),土壤总孔隙度介于60.38%~63.36%,毛管孔隙度介于41.09%~53.09%,毛管含水量介于37.42%~48.37%,饱和含水量介于38.02%~49.26%。土壤pH介于7.97~8.56,全氮、全磷和全钾含量变化范围依次为1.63~4.51g·kg^(-1)、0.63~0.93g·kg^(-1)、19.58~20.85g·kg^(-1),碱解氮、速效磷和速效钾的含量变化范围依次为6.73~20.03mg·kg^(-1)、2.09~5.82mg·kg^(-1)、303.2~525.9mg·kg^(-1)。土壤C/N介于10.74~12.99,C/P介于31.03~52.37,N/P介于2.54~4.87。

祁连山排露沟流域青海云杉林土壤养分和pH变化特征

祁连山北坡中山带森林灰褐土是生长青海云杉的集中地带。选择排露沟流域海拔2 900~3 300 m的青海云杉林为研究对象,每隔100 m海拔梯度设置3个调查样地,研究青海结果表明：①在海拔梯度上,0~40 cm土层土壤有机质、全氮及全磷平均含量高海拔处高于低海拔,而且高海拔与低海拔差异显著（P〈0.05）;土壤全钾和速效钾含量则是高海拔低于低海拔,差异亦显著（P〈0.05）;速效磷含量随海拔升高没有明显的变化规律,而且海拔间差异不显著（P〉0.05）;土壤pH随海拔的升高不断减小,但是海拔间的差异不显著（P〉0.05）。②在不同土层深度,0~10 cm土层土壤有机质、全氮、全磷、速效磷和速效钾平均含量均大于10~20 cm和20~40 cm土层,而且0~10 cm土层含量显著大于20~40 cm土层（P〈0.05）;土壤pH和全钾含量则随土层深度增加,pH在0~10 cm土层与20~40 cm差异显著（P〈0.05）,但全钾含量在不同土层差异均不显著（P〉0.05）。③在碳、氮、磷、钾营养元素循环中,土壤pH和土壤有机质是影响青海云杉群落养分供应的首要限制因子。

祁连山排露沟流域降水δ^(18)O和δD特征及水汽来源

降水氢氧同位素受气温、降水量、海拔、水汽来源等多种因素控制,是研究区域水文循环过程的重要手段。基于祁连山中段排露沟流域3个站点降水稳定氢氧同位素数据(δ18 O、δD、d-excess)和气象观测资料,结合临近GNIP站点监测资料和HYSPLIT 4.9模型对流域降水同位素特征及水汽来源进行分析。结果表明:流域降水δ18 O值波动范围大(-32.32‰^+3.23‰),季节性变化明显,冬季δ18 O值较低,夏季δ18 O值较高。降水δ18 O和δD值与日均气温均存在密切正相关关系,即温度效应明显。受山区气候和地理条件影响,各站点局地大气降水线(LMWL)截距和斜率相似;与临近GNIP站点(张掖)进行对比,流域降水明显受局地水汽和二次蒸发影响较少。降水d-excess值表现出与δ18 O值相反的季节性变化趋势。结合HYSPLIT 4.9气团轨迹模型,得出流域夏季水汽主要来源西风环流输送,冬季受西风环流和极地气团共同影响。

排露沟流域不同海拔灌丛土壤碳氮磷化学计量特征

研究海拔梯度上土壤养分化学计量特征的空间分布格局,有助于明确山地生态系统的土壤养分限制状况,揭示其潜在的影响因素,为区域生态环境保护和植被恢复调控工作提供科学依据。该研究选取祁连山排露沟流域海拔3 100–3 700 m的灌丛样地,采集0–10和10–20 cm层土壤样品,分析有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量及其化学计量比在不同海拔、不同土层间的分布规律及其与气候因子、灌丛地上生物量和土壤pH的相关性。结果表明:(1)土壤养分更多地聚集在土壤表层,各土层土壤SOC、TN含量均随海拔升高先增加后降低,TP含量持续增加。(2)土壤N:P在海拔3 100–3 400 m呈上升趋势,于3 400m处达到最大值,之后呈下降趋势且N:P <14,说明土壤N限制增加。高海拔地区的土壤C:P明显低于中低海拔处,C:N则在海拔梯度上总体呈下降趋势。(3) SOC与TN含量呈极显著正相关关系,与TP含量呈显著负相关关系,TN与TP含量之间无显著相关性。(4)土壤TN含量不受年平均气温和生长季降水量的影响。SOC含量及C:N:P均与气温和生长季降水量显著正相关,而TP含量与其负相关。土壤SOC、TN含量与灌丛地上生物量呈正相关关系。土壤pH与TP含量存在负相关关系,而对SOC和TN含量无显著影响。研究显示流域内高寒灌丛植物生产力受N制约严重,适量增施氮肥有助于缓解高寒地区土壤N的限制性作用。

祁连山北麓青海云杉林天然更新对土壤理化性质的响应

【目的】青海云杉是我国青藏高原东北边缘的特有树种,研究其天然更新对土壤物理性质的响应,从而为祁连山青海云杉次生林的恢复和管理及可持续利用提供基础理论依据。【方法】通过对分布在祁连山排露沟流域的青海云杉林设置海拔梯度固定样地,进行天然更新苗调查和土壤容重、水分、pH、有机碳、氮磷钾全量及其速效养分等理化性质的取样和测定,分析青海云杉林天然更新苗对土壤理化性质的响应。【结果】各海拔区段的青海云杉林更新指数从大到小依次为2 800~2 900 m(0.63)>2 700~2 800 m(0.58)>3 100~3 300 m(0.57)>2 900~3 100 m(0.56),其中更新状况最好的海拔区段是2 800~2 900 m。土壤质量含水量、有机碳、全氮、水解氮含量在海拔区段H_(1)和H_(2)处显著小于海拔区段H_(3)和H_(4)(P<0.05);土壤容重、pH、全钾和速效钾的含量在不同海拔区段之间的差异性不显著(P>0.05),土壤全磷和速效磷含量在海拔区段H_(2)显著大于其他海拔区段(P<0.05),其他海拔区段全磷差异性不显著(P>0.05),速效磷在海拔区段H_(4)含量最小,海拔区段H_(1)和H_(3)速效磷差异性不显著(P<0.05)。相关性分析表明,海拔区段2 800~2 900 m的更新指数仅与土壤容重、全磷、速效磷呈显著正相关(P<0.05),更新指数与土壤理化性质之间相关系数绝对值的最大值主要集中在该海拔区段。更新指数与土壤剖面不同土层的质量含水量、有机碳、全氮、水解氮均呈显著负相关(P<0.05),与容重、全磷含量均呈显著正相关(P<0.05);与20~40 cm土层的速效磷呈显著正相关(P<0.05)。主成分分析表明,土壤有机碳、速效磷和全磷含量是影响青海云杉林天然更新的主要因子。【结论】祁连山青海云杉林天然更新与土壤理化性质之间的相互作用是密切的,特别是土壤中的有机碳累积和磷素养分的释放。

祁连山典型小流域降水特征及其对径流的影响

研究了祁连山排露沟流域降水特征及对径流的影响．结果表明：降水的季节性强且分配不均匀，存在明显的干季（11月至翌年4月）和雨季（5-10月）之分；排露沟雨季降水占全年降水量的88％，占全年降水频数的70％；干季降水仅占全年的降水量12％，占全年降水频数的30％．降水事件主要以0～5mm的降水为主，占全年降水事件的78．8％，占全年降水量的30％；0～10d的降水间隔期出现的频率高达86．1％，占全年无降水期的55．5％．降水受海拔高度的影响明显，沿海拔梯度呈先增后减的趋势，降水的峰值出现在海拔3400m的区域．径流受降水的影响，主要集中在雨季，占全年的95．6％，干季径流仅占4．4％．径流与日降水、旬降水及其雨季月降水显著相关，其复相关系数均〈0．7．径流主要受降水量和前期降水的影响，对于前期无降水基础、雨量〈20mm降水过程，径流变化迟缓，而对于前期有一定降水基础，雨量〉25mm的降水过程，径流变化大．