祁连山区青海云杉林生态水文过程研究

论文摘要

位于我国西北干旱区的祁连山,地处青藏高原、黄土高原和蒙新荒漠的交会地带,其生态环境不仅受区域条件的限制,而且对全球变化响应敏感。长期以来,祁连山区人口为了维持自身的生存,对该区生态系统产生了各种干扰,不仅导致草场退化、土壤侵蚀加剧而且对森林造成了严重破坏。祁连山森林生态系统与整个山区生态过程和水文过程的相互作用和耦合关系十分密切,它一方面通过调控物质循环和能量流捍卫着冰源水库（冰川和积雪）的安全,另一方面通过对山区水文路径的调节担当着涵养水源、净化水质、保持水土资源和维护生物多样性的重任。但是,森林和水的相互作用受多种因素影响,使得森林植被生态过程和水文过程的作用机理尚不明确。因此,本研究以祁连山区青海云杉林为研究对象,通过对该植被系统生态过程、水文过程及其相互作用过程的研究,定量的揭示青海云杉林植被系统的水文循环机理及其对山区水文路径的调节机制,深入理解祁连山区各种水文现象的发生规律及其内在联系,为建立合理的区域水资源管理模式提供科学依据。本研究取得的主要结论如下：（1）试验区日均气温和日最高气温具有明显的季节变化；林内空气相对湿度基本维持在60%左右；林内风速总体上小于0.5 m·s-1；林内太阳辐射强度最高仅为86.6 W·m-2。试验区降水具有明显的季节分布特征,2008年整个生长季（5-9月）的降雨量占年降水量的78.7%,且主要以低降雨量和低降雨强度的降雨事件为主。林内土壤温度和土壤体积含水量的垂直分布在不同月份呈现不同的变化特征,且不同深度土壤的温度和体积含水量的年内变化总体上呈先增大后减小趋势。（2）实验观测期间内（2008年6月12日至2008年10月8日）,青海云杉林的穿透雨量、截留量和干流量分别为212.6mm、64.5mm和3.4mm,分别占大气降雨量的75.8%、23.0%和1.2%。林内穿透雨随大气降雨量的增大而增大,且在空间分配上具有异质性；在没有前日降雨的情况下,当降雨量达到5.6mm时青海云杉林才开始产生树干茎流,且干流量随降雨量的增大而增大,34场降雨的平均干流率为0.58%；林冠截留率随降雨量的增大先急剧减小后逐渐趋于稳定,实验观测期间的平均截留率为33.9%。（3）采用改进的Penman-Monteith修正式估算的青海云杉林2008年整个生长季的蒸腾耗水量为160.8 mm,平均日蒸腾量为1.05 mm,且日蒸腾量从5月开始逐渐增大,在7月中上旬达最大值,随后其值逐渐减小。单变量敏感性分析法对模拟蒸腾量的分析表明,林冠层接收的净辐射和林地叶面积指数对模拟结果的影响最大,其次是气温和风速,而空气相对湿度的影响最小；当模型输入参数在±10%变动时,模拟蒸腾量的变化幅度均<10%,说明该模型的模拟结果比较稳定,有很大的可信性。（4）采用改进的Penman-Monteith修正式估算的青海云杉林2008年整个生长季的林地土壤蒸发量为51.9mm,平均日土壤蒸发量为0.34mm,且模拟的日土壤蒸发量没有明显的季节变化。利用自制小型桶式蒸渗仪观测的青海云杉林非雨天的林地土壤蒸发平均为1.25 mm·d-1,最大可达2.82 mm·d-1。在试验观测期间内的38个非雨天,蒸渗仪实测的土壤蒸发量明显高于Penman-Monteith修正式的估算值,但两者的变化趋势基本一致。（5）基于改进的Penman-Monteith修正式估算的青海云杉林2008年整个生长季的蒸散量为313.6 mm。其中,林冠截留蒸发量、冠层蒸腾量和林地土壤蒸发量依次为100.9 mm、160.8mm和51.9mm,分别占总蒸散量的32.2%、51.3%和16.5%。采用Penman-Monteith修正式估算的青海云杉林的蒸散量与涡动相关系统实测的蒸散量相差不大,尤其是在连续晴天期间,两者吻合得很好,且月蒸散量变化呈先增大后减小趋势。（6）研究区大部分降雨以林内雨的形式进入林下并贮存于土壤中,同时季节性冻土随气温的升高逐渐融化,也使得土壤含水量剧增,最终导致土壤储水量在2008年整个生长季内可增加191.5mm。未考虑冻土的存在和考虑其存在,根据水量平衡方程推算的青海云杉林2008年整个生长季的总蒸散量分别为187.5mm和306.7mm,分别比基于改进的Penman-Monteith修正式估算的蒸散量低126.1mm和6.9mm。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 森林植被生态水文过程研究进展
• 1.2.2 森林植被生态用水的研究现状与发展趋势
• 1.2.3 祁连山青海云杉林生态水文过程研究进展
• 1.3 研究目的和意义
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究意义
• 1.4 研究目标、主要内容及技术路线
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 主要内容
• 1.4.3 技术路线
• 第二章 研究区概况与研究方法
• 2.1 研究区概况
• 2.1.1 研究区地质地貌
• 2.1.2 研究区气候
• 2.1.3 研究区土壤
• 2.1.4 研究区植被
• 2.2 试验区概况
• 2.2.1 试验区气候
• 2.2.2 试验区土壤和植被
• 2.3 研究方法
• 2.3.1 数据观测和收集
• 2.3.2 青海云杉林蒸散发估算
• 2.3.3 数据处理
• 第三章 试验区环境因子特征分析
• 3.1 气温变化特征
• 3.2 空气相对湿度特征
• 3.3 风速特征
• 3.4 太阳辐射特征
• 3.5 降水特征
• 3.6 土壤温度特征
• 3.7 土壤水分特征
• 3.8 本章小结
• 第四章 青海云杉林冠截留特征分析
• 4.1 研究方法
• 4.1.1 林外降雨量的测定
• 4.1.2 林内穿透雨的测定和计算
• 4.1.3 树干茎流的观测和计算
• 4.1.4 林冠截留量的计算
• 4.1.5 冠层郁闭度和叶面积指数的提取
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 青海云杉林内穿透雨特征
• 4.2.2 青海云杉林树干茎流特征
• 4.2.3 青海云杉林冠截留特征
• 4.2.4 青海云杉林冠对降雨的再分配
• 4.3 讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 青海云杉林冠蒸腾耗水模拟研究
• 5.1 研究方法
• 5.1.1 数据收集
• 5.1.2 数据处理
• t）的计算'>5.1.3 冠层蒸腾量（E_t）的计算
• 5.1.4 单变量敏感性分析法
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 林冠日蒸腾量的变化特征
• 5.2.2 模拟结果的敏感性分析
• n和LAI对林冠蒸腾量的影响'>5.2.3 R_n和LAI对林冠蒸腾量的影响
• 5.3 讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 青海云杉林内土壤蒸发研究
• 6.1 研究方法
• 6.1.1 数据收集
• 6.1.2 数据处理
• s）的计算'>6.1.3 土壤蒸发量（E_s）的计算
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 Penman-Monteith修正式估算的土壤蒸发量
• 6.2.2 蒸渗仪实测的土壤蒸发量
• 6.2.3 土壤蒸发量估算值与实测值的比较
• 6.2.4 林内土壤蒸发影响因素分析
• 6.3 讨论
• 6.4 本章小结
• 第七章 青海云杉林蒸散发特征
• i）的计算'>7.1 林冠截留蒸发量（E_i）的计算
• 7.2 青海云杉林蒸散发（ET）计算
• 7.3 蒸散发估算值与实测值的比较
• 7.4 讨论
• 7.5 本章小结
• 第八章 青海云杉林水量平衡分析
• 8.1 森林水量平衡的理论依据
• 8.2 林冠层水量平衡分析
• 8.3 土壤储水量变化
• 8.3.1 土壤中液态水储量计算
• 8.3.2 土壤中含冰量的计算
• 8.4 林地水量平衡分析
• 8.5 讨论
• 8.6 本章小结
• 第九章 结论、讨论与展望
• 9.1 主要结论
• 9.1.1 试验区环境因子特征分析
• 9.1.2 青海云杉林冠截留特征分析
• 9.1.3 青海云杉林冠蒸腾耗水模拟研究
• 9.1.4 青海云杉林内土壤蒸发研究
• 9.1.5 青海云杉林蒸散发特征
• 9.1.6 青海云杉林水量平衡分析
• 9.2 讨论
• 9.3 展望
• 参考文献
• 作者简介
• 在学期间的研究成果
• 致谢