不同森林类型枯落物水文生态功能对比研究——以甘肃祁连山和云南元阳梯田水源林为例

选择甘肃祁连山和云南省元阳梯田水源林枯落物为研究对象,对野外调查数据进行对比分析,结果表明:(1)祁连山枯落物平均厚度3.17cm,平均蓄积量为27.67t·hm-2;元阳梯田枯落物平均厚度2.33cm,平均蓄积量为6.86t·hm-2;前者比后者的枯落物平均厚度大1.4倍,平均蓄积量大4倍。(2)祁连山枯落物平均最大持水量为79.01t·hm-2,平均最大持水率为294.05%;元阳梯田水源林枯落物平均最大持水量为4.76t·hm-2,平均持水率为173.46%;前者比后者的枯落物平均最大持水量大16.61倍,平均持水率大1.7倍。

祁连山大野口流域青海云杉林水文特征与生态因子关系研究

为了探讨青海云杉林水文特征与生态因子变化关系,选择大野口流域为试验流域,充分利用历史监测资料以及现有生态监测设施仪器的优势,通过降水、林冠及树干截留、苔藓枯落物截留、土壤水分及温度、积雪消融、冻土冻融、土壤蒸发、河川径流、林分立地条件、林分气象因子、林分结构、苔藓枯落物结构、土壤特性等指标监测,采取特征参数统计、多元函数回归和相关系数等分析方法,研究了水文特与生态因子之间的相互关系。研究结论为:(1)建立了水位与河川径流量之间的回归关系,探讨了祁连山大野口流域河川径流量变化规律;(2)建立了气温、降水、土壤温度、冻土冻融、积雪消融等因子与河川径流之间的相互关系,得出了气温、降水与河川径流的变化趋势;(3)得出了苔藓、枯落物、土壤水热特征以及土壤特性与土壤蒸发之间的生态因子关系。研究结论为山地森林和水资源生态保护与建设提供科学依据和参考。

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)。

祁连山西水林区亚高山灌丛水文功能的综合评价

在祁连山西水林区排露沟小流域,与2014年生长季（5-9月）测定5种主要灌丛的冠层、枯枝落叶层、土壤层的多种水文作用,并在此进行了综合评价。结果表明：各灌丛类型的水文作用差别明显,冠层截留率变化在24.54%-52.95%,从大到小依次为鲜黄小檗〉吉拉柳〉金露梅〉箭叶锦鸡儿〉甘青锦鸡儿;枯落物层的最大持水量变化在50.40-152.50 t·hm^-2,有效持水量变化在37.47-96.66 t·hm^-2,其中吉拉柳的最大,甘青锦鸡儿最小;0-60 cm土壤层的孔隙度、持水量、入渗速率等水文特性随灌丛样地所处海拔降低而减小,依次为吉拉柳〉箭叶锦鸡儿〉金露梅〉鲜黄小檗〉甘青锦鸡儿;不同灌丛的生长季径流量变化在12.60-143.93 mm,径流系数变化在3.16%-26.62%,从大到小依次为吉拉柳〉箭叶锦鸡儿〉金露梅〉甘青锦鸡儿〉鲜黄小檗;由于地表覆盖度较好,土壤侵蚀量均很低,但仍有灌丛类型的明显差别,变化在2.46-19.15 kg·hm^-2,从小到大依次为吉拉柳〉箭叶锦鸡儿〉鲜黄小檗〉金露梅〉甘青锦鸡儿。从各种水文作用的综合评价来看,由大到小依次为吉拉柳〉箭叶锦鸡儿〉鲜黄小檗〉金露梅〉甘青锦鸡儿。研究结果对深入认识和全面评价祁连山区灌丛的水文作用及科学指导当地的植被建设和水资源管理提供了科学依据。

祁连山水源涵养功能的生态监测指标与评估指标

以祁连山水源涵养功能体为研究对象,基于森林生态水文学理论,充分利用祁连山森林生态站长期生态监测数据及其研究成果,在流域尺度上,围绕水源涵养功能从水文和生态两方面进行了监测指标选择。同时,对水源涵养功能各水文指标进行了评估。研究结果表明:祁连山水源涵养功能监测包括2大类别、13个一级监测指标和48个二级监测指标,水源涵养功能评估包括8个一级评估项目和22个二级评估项目,并对二级评估项目进行指标量化。然后,将祁连山排露沟流域量化的评估指标与祁连山寺大隆流域、天涝池流域的22年监测数据进行了比较探讨,进一步分析和验证了评估指标。本研究是跨尺度、多种指标综合研究祁连山水源涵养功能评估的初步偿试,为将来综合运用多源数据和定位监测、遥感解译和模型模拟等多种方法研究水源涵养功能机理提供基础数据和参考。

祁连山大野口森林公园游客行为特征研究

该研究以祁连山大野口森林公园为研究对象,通过实地考察及问卷调查的方法,对游客地域结构、游客结构、一般行为特征以及游客感知特征进行了研究。结果表明:大野口森林公园客源主要来自甘肃省,其中以张掖本地游客为主,客源地理集中指数为87.61;游客以受过高等教育的男性中青年为主,收入水平总体不高;绝大多数游客选择自驾车为交通工具,旅游动机主要以野餐野营为主。总体而言,游客满意度较高,有88.4%的游客愿意重游此地,游客最不满意的地方主要表现在景区环境卫生方面。基于研究结果,对大野口森林公园的开发建设和可持续发展提供了相关建议。

祁连山大野口流域森林水源涵养功能监测

根据祁连山寒区旱区的冻土冻融和融雪消融等生态现象的地域特色,充分利用祁连山大野口流域的历史监测以及现有生态监测设施仪器的优势,选择大野口流域为试验流域,沿着降水在森林生态系统中的传输途径,阐明了降水、林冠及树干截留、苔藓枯落物截留、土壤水分及温度、积雪消融、冻土冻融、土壤蒸发、河川径流、林分立地条件、林分气象因子、林分结构、苔藓枯落物结构、土壤特性等13个指标的试验监测方法;探讨了特征参数统计、多元函数回归和相关系数等分析方法的应用。本研究有助于深刻认识流域生态系统对于人类社会发展和维持生态安全的水文服务潜力,为发展和完善森林生态水文学提供研究成果和试验数据,为解决森林生态系统保护建设与开发利用水资源中潜在的林水矛盾提供参考和科学依据。

张掖市湿地植被资源调查与研究

采取走访与实地调查相结合的方法,对张掖市城北郊湿地植被资源进行了调查和研究,结果表明:在区系成分中,世界性分布和北温带分布种子植物科区系成分占主要优势;植物有45科124属195种,植被主要有沼泽草甸植被和灌丛植被两大类型;湿地植物生长季节景观特征明显;人为干扰所引起的湿地生境恶化,使湿地植被由湿生植物群落向旱生植物群落逆向演替,同时湿地污染严重,使得群落结构逆向变迁。建议加强张掖市城北郊湿地生态系统的保护和恢复。

甘肃省张掖市黑河流域中游典型退化湿地植被特征及生态恢复技术

对甘肃省张掖市黑河流域中游典型退化湿地植被特征进行了研究,分析了影响湿地植被退化的主要原因,探讨了研究区退化湿地的植被恢复技术。研究结果表明,研究区分布有植物45科123属196种,其中,禾本科(Poaceae)、菊科(Asteraceae)、藜科(Chenopodiaceae)和豆科(Leguminosae)包含的植物属较多,分别占研究区植物属总数的17.07%、9.76%、7.32%和7.23%。湿地植物群落的种类组成主要以广布性的湿生、盐生和中生植物为优势种,植物群落以盐生、湿生和沼泽型的植物群落为主。提出了采用天然湿地补水、湿地封育、人工种草和栽植湿地植物恢复技术,以及实施生态农业与"退耕还湿"等工程,进行湿地植被恢复。

祁连山5种典型灌木林枯落物蓄积量及其持水特性

灌木林是祁连山森林的重要组成部分。以往的枯落物持水特性研究多集中在青海云杉(Picea crassifolia)林,对灌丛研究报道较少。因此,本文选择了祁连山区5种灌木林(箭叶锦鸡儿、吉拉柳、金露梅、鲜黄小檗、甘青锦鸡儿),研究其枯落物层持水特性,以期为该区域水源涵养型植被建设、植被生态水文效应评价、水资源综合管理提供理论与技术指导。结果表明:(1)不同灌木林林下枯落物半分解层蓄积量、最大持水量、最大拦蓄量、有效拦蓄量与有效拦蓄深均大于未分解层。(2)吉拉柳枯落物层(未分解层和半分解层)的最大持水量、最大拦蓄量、有效拦蓄量与有效拦蓄深最大,分别为155.46 t·hm-2、144.99 t·hm-2、91.68 t·hm-2、9.17 mm,其次为鲜黄小檗、箭叶锦鸡儿、金露梅、甘青锦鸡儿。(3)不同灌木林林下枯落物持水量、吸水速率与浸水时间的动态变化规律基本相似。枯落物持水量随浸泡时间延长而增长,在水中浸泡16 h时,其持水量基本达到最大值;未分解层和半分解层吸水速率在1.0 h最快,随时间延长吸水速率逐渐减缓,6 h后明显减缓,未分解层和半分解层吸水速率基本趋向一致。在枯落物持水作用较强的前2.5 h内,吸水速率最快的为吉拉柳,其次为鲜黄小檗。(4)未分解层和半分解层持水量和吸水速率与浸泡时间分别呈显著对数关系和显著幂函数关系。

祁连山青海云杉(Picea crassifolia)林土壤有机碳与化学性质的相互关系

通过对祁连山大野口流域的青海云杉林大样地进行土壤剖面取样,分析了样地土壤有机碳与p H值、养分和阳离子交换量等基本化学性质的变化规律及其相互关系.结果表明：随土层深度不断增加,土壤有机碳含量逐渐减小,在20~30 cm以下趋于稳定（P〉0.05）;土壤p H值不断增大,仅在0~10 cm与10~20 cm差异显著（P〈0.05）;土壤全氮、速效氮、全磷和阳离子交换量不断减小,全氮含量在30~40 cm以下趋于稳定（P〉0.05）,速效氮含量变化剧烈（P〈0.05）,全磷含量差异性不显著（P〉0.05）,阳离子交换量与有机碳含量变化规律相同;土壤速效磷、全钾和速效钾含量没有明显的变化规律,速效磷和全钾含量差异性不显著（P〉0.05）,速效钾含量仅在0~10 cm与10~20 cm差异显著（P〈0.05）.土壤有机碳与全氮、速效氮、全磷、速效磷、速效钾和阳离子交换量之间呈极显著和显著正相关,与土壤p H值和全钾含量之间呈极显著和显著负相关.土壤有机碳与其他基本化学性质的回归方程具有较高精度（R2=0.793）,影响土壤有机碳含量的主要化学因子依次为土壤阳离子交换量、速效钾和全磷含量.

祁连山青海云杉林动态监测样地土壤pH和养分的空间异质性

为了探讨青海云杉林对土壤p H和养分的影响,选择祁连山青海云杉林动态监测样地(340 m×300 m)为试验样地采集土样,利用经典统计学和地统计学方法对其空间异质性进行了研究。结果表明:(1)p H、水解氮和全磷为弱变异性,有机碳、全氮、速效磷、全钾和速效钾为中等变异性,它们的大小依次为速效钾>有机碳>速效磷>全氮>全钾>水解氮>全磷>p H。(2)半方差最优模型拟合分析表明,p H、全氮、水解氮、全磷、速效磷和速效钾均符合球状模型,有机碳和全钾均符合指数模型;p H、有机碳、全氮、水解氮、全磷、速效磷、全钾和速效钾的变程依次为108.8 m、88.5 m、112.8 m、131.9 m、143.3 m、73.3 m、73.3 m和134.7 m。从空间结构特征看,p H具有中等强度的空间自相关,而养分表现出强烈的空间自相关。(3)p H和养分均呈斑块状分布,有机碳和氮素具有相似的空间分布格局,全磷和速效钾分布变化较为明显,速效磷和全钾分布变化较为平缓。上述研究结果可为祁连山青海云杉林土壤p H和养分的取样设计和空间分布图制作等提供参考,也可为青海云杉林的土壤环境恢复与重建提供科学依据。

祁连山西水林区亚高山灌丛土壤入渗性能研究

利用双环法对祁连山西水林区的亚高山灌丛植被类型（吉拉柳、箭叶锦鸡儿、金露梅、鲜黄小檗、甘青锦鸡儿）进行了土壤入渗性能试验,分析不同灌丛植被对土壤入渗性能的影响。结果表明,不同灌木林土壤蓄水能力和入渗性能存在较大差异,吉拉柳的蓄水能力和入渗性能均好于其它灌丛类型,甘青锦鸡儿最小;不同灌木林土壤的初渗率在3.80~53.93mm/min,稳渗率在0.95~24.12mm/min,总体上是吉拉柳〉箭叶锦鸡儿〉金露梅〉鲜黄小檗〉甘青锦鸡儿;Kostiakov公式和Horton公式对土壤入渗过程的拟合精度均高于Philip公式;土壤初渗速率和稳渗速率与土壤有机质含量、自然含水量和孔隙度尤其是非毛管孔隙度呈极显著正相关,与土壤密度呈极显著负相关。

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。

祁连山大野口流域土壤水分空间变化特征研究

土壤水分空间变化是流域水量平衡、水资源管理及利用、林分空间结构调控及土壤水资源植被承载力等研究的热点和关键科学问题。本文按照流域海拔、坡向、坡度、土壤层次、植被类型等不同,布设45个土壤水分监测探头,设置15分钟获取一个数据,对已取得的50万个数据利用变异系数等方法进行分析。结果表明:(1)土壤水分随海拔升高呈波动性增多趋势,可拟合关系式为Sw=0.025 3a-52.546(R2=0.651 5);(2)半阴坡土壤水分比半阳坡高出1.2倍、比阳坡高出1.7倍,半阳坡土壤水分比阳坡高出1.4倍;(3)小于25°的范围内,坡度越大,土壤水分越小;大于25°的范围内,坡度越大,土壤水分越大;(4)亚高山灌丛林土壤水分比乔木林高出1.5倍、比草地高出1.7倍,乔林土壤水分比草地高出1.2倍;(5)除苔藓枯落物覆盖较盖的土壤水分垂直变化从上到下依次表现出高高低的变化趋势外,其它的均表现出低高低的空间变化特点;(6)乔木林缘和阳坡草地土壤水分变异最大,半阳坡草地次之,其它区域的土壤水分变异最小。研究结论可为探索流域水资源管理及利用提供科学依据和参考资料。

祁连山大野口流域土壤水热空间变化特征研究

土壤水热对水源涵养功能的发挥影响较大,为了研究流域空间上的水源涵养功能变化规律,在祁连山大野口流域布设90个土壤水热监测探头,对已取得的100多万个数据采取相关分析、变异系数等方法,研究土壤水热空间的变化特征.结果表明:随海拔增大,土壤水分呈波动性增大趋势,增大率约为2.35%·(100m)-1,土壤温度呈波动性降低趋势,降低率约为0.74℃·(100m)-1.半阴坡土壤水分比半阳坡高1.2倍、比阳坡高1.7倍,半阳坡土壤水分比阳坡高1.4倍.半阴坡土壤温度比半阳坡低1.6倍、比阳坡低2.2倍,半阳坡土壤温度比阳坡低1.3倍.土壤水分与其深度呈二次函数的抛物线变化关系,土壤温度与其深度呈线性函数关系,深度每增加10 cm,其温度降低约0.536℃.亚高山灌丛林比乔木林土壤水分高1.5倍、比草地高1.7倍,乔林比草地土壤水分高1.2倍.亚高山灌丛林比乔木林土壤温度低1.6倍、比草地低2.3倍,乔木林土壤温度比草地低1.4倍.高海拔半阴坡灌丛林土壤温度变化最剧烈,低海拔阳坡草地土壤变化较小.研究成果可为探索流域水资源管理及利用提供科学依据和参考资料.

基于雷达监测河川径流的测量及算法

祁连山大野口流域由于水流急、河面宽,修筑量水堰有一定的难度,准确监测河川径流成了流域水量平衡和涵养水源功能机理研究的障碍。通过大野口流域雷达测流处水面比降、河川横断面面积、水力半径、流速仪实测流量、糙率和谢才系数等一系列测量和计算,可得出雷达监测水位与相应的河川径流量的函数关系式,并绘制出水位流量图。结果表明:雷达测流处水面平均比降为0.028;河川最大洪水断面宽13.4 m,高1.32 m;河川横断面糙率的平均值为0.059;雷达监测水位与相应的河川径流量的函数关系式为Q=0.0018H2-0.0206H(R2=0.9994),该关系式可有效解决修筑量水堰较难而利用雷达监测河川径流的难题。通过研究,可为中等流域尺度上进一步揭示水源涵养功能机理及其流域产流机制提供参考和科学依据,是实现未来水资源可持续开发利用的基础工作,其对认知特定区域水文过程的演变规律,保障内陆河流域水资源合理开发,维持河西地区农业可持续发展具有重要意义。

祁连山大野口流域气温、降水、河川径流特征分析

水库底层深入基岩层,无地下潜流等优势可准确地测得流域河川径流量。通过大野口流域气温、降水和流域河川径流18 a（1994-2011）的长期监测,采用特征值参数计算、回归分析、线性倾向分析、百分比排位等方法对其数据进行处理和分析,结果表明：（1）从特征参数看,气温年际变异最大、河川径流次之,年降水最小;年均气温、年降水量和年河川径流量分别在1.16～2.08℃、307.43～440.69 mm、129.04～204.42 mm区间内变动的年份占68%左右,大气降水的44.57%形成了河川径流。（2）从回归模型看,如年均气温1.62℃、年降水量为374.06 mm,则流域年河川径流量的估计值为165.47 mm。（3）从线性倾向分析法,气温、降水和河川径流均呈波动性上升趋势,其中气温,平均趋势变化率约为0.23℃·（10 a）-1、降水和流域河川径流平均趋势变化率均为18 mm·（10 a）^-1左右。（4）从月份相关函数分析,气温、降水和河川径流在1月份最小,平均值分别为-11.91℃、2.74 mm和0.32 mm;7月份最大,平均值分别为14.38℃、82.48 mm、37.48 mm。通过研究,可为中等流域尺度上进一步揭示水源涵养功能机理及其流域产流机制提供参考和科学依据。

祁连山大野口流域青海云杉林分结构分析

采用特征描述统计、多度分析、相关系数分析等方法，对祁连山大野口流域49块样地的青海云杉群落和林分结构进行研究。结果表明：（1）海拔对树高影响较大，对冠长影响较小，与其它因子不相关；坡向对冠幅影响最大，对冠长、树高影响较小；坡度对这些因子几乎没有影响。（2）从水平结构来看，胸径断面和冠幅投影面积与所在陆面面积比值为0．31％和25．58％，从垂直结构来看，树高、冠长分别为1．10m·m^-2和0．71m·m^-2，从群落位置来看，优势木和被压木占78．08％，占主导位置。（3）径级从1～5cm到26～30cm、高度级从2～4m到18～20m、冠长级从2～4m到12～14m、冠幅级从2～4m到4～6m，其多度分别为89．4％、94．4％、77．8％和82．7％。（4）从相关系数分析来看，径级与多度、冠长与多度均符合三次多项式关系；胸径与树高、冠长、冠幅、树龄均中度正相关，符合线性多元回归函数。本文重点分析了与水源涵养功能密切相关的林分结构因子，为流域林分结构特征与水源涵养功能之间的机理研究提供基础数据和参考资料。

祁连山水源涵养林区降水与其他气象因子间的相关性分析

通过祁连山大野口流域18a的地面气象观测,采用参数特征值算法、相关系数分析、回归分析和无偏估计等方法,研究了祁连山大野口流域降水与其他气象因子的年际变化特征和月际变化的关系.结果表明:祁连山大野口流域18a平均降水量、气温、相对湿度、气压、风速、日照时数、水面蒸发分别为374.06mm、1.62℃、60.91%、745.27hPa、2.52m/s、1633.14h、995.64mm,其年际变化幅度从大到小依次为气温、降水、日照时数、水面蒸发、风速、相对湿度和气压.降水与其他气象因子相关性从强到弱依次为气温、水面蒸发、日照时数、风速、相对湿度、气压.气温和水面蒸发与降水变化,属于强相关;气压年际变化不大,解释降水不明显,属于极弱相关.综合R2检验、F检验、t检验结果,降水与其他气象因子回归模型除10月份以外,其他月份在95%置信度区间上为可信.