黄土地区流域森林植被格局对侵蚀产沙过程的调控研究

论文摘要

土壤侵蚀是造成环境退化的一个主要因素。长期以来，由于人类不合理地利用自然资源，导致植被生存的环境受到极大的破坏，引发了严重的土壤侵蚀。土壤侵蚀的不断加剧，破坏了土地的生产力，使土壤肥力降低，土壤蓄水能力减弱，植被生存的环境进一步恶化，如此以往使生态环境陷入恶性循环状态。黄土高原地区严重的水土流失与该区植被覆盖率低有密切的关系。 森林作为陆地上最重要的生态系统，以其林冠层、林下茂密的灌草层和林地上富集的枯枝落叶层以及发育疏松而深厚的土壤层截持和蓄储大气降水，发挥着其特有的水文生态功能，在生物地球化学循环过程中，通过与土壤、大气和水在多界面、多层次和多尺度上的物质和能量交换，改变及影响水资源分布，起到保护与涵养水源、净化水质、保持水土和抵御各种自然灾害的作用。目前我国森林植被水土保持功能评价研究多以单一指标——森林植被覆盖度为主。在流域森林植被建设中，近年来虽然在强调森林覆被率的同时，也开始注重森林植被在流域中的合理布局。但对于森林植被与侵蚀产沙关系的研究多集中于林地坡面与无林坡面的对比或有林流域与无林流域的对比，从流域森林植被格局与侵蚀产沙的关系上进行研究还较少。从物理机制上揭示流域森林植被景观格局对土壤侵蚀的作用，丰富和填补这一领域的研究空白具有十分重要的科学意义和现实意义。 本文针对黄土地区以农田为景观基质的流域生态环境特点，以甘肃省天水市的吕二沟、罗玉沟、桥子东沟、桥子西沟流域为对象，研究流域森林植被格局与侵蚀产沙的关系，进而探讨流域森林植被格局对侵蚀产沙过程的影响机理，为黄土地区流域森林植被建设提供理论基础。本论文主要开展了以下几方面的研究： (1)以黄委会天水水土保持试验站的吕二沟、罗玉沟、桥子东沟、桥子西沟四个试验流域为研究对象，在收集其多年定位观测的降水、径流、泥沙资料的基础上，结合对流域的实地调查、观测和试验，基于3S技术建立流域空间数据库和属性数据库，为研究流域森林植被格局与侵蚀产沙关系奠定基础。 (2)在流域基本数据库建设的基础上，基于GIS软件Arcview3.2，利用景观分析软件FRAGSTATS，选择适于研究流域和研究目标的景观格局指标，分析流域不同时期森林植被格局变化规律，进行不同时期流域土地利用／森林植被格局变化动态分析，重点分析流域森林植被格局的动态变化规律。 (3)利用研究流域多年降水资料，分析流域降水的时空变化规律。分析黄土地区流域内雨量站点间降水量的空间相关性和变异性，采用不同降水空间插值方法，研究受小流域地形影响的降水空间分布规律。通过对比分析，确定最小曲率方法和趋势面分析法是适合黄土地区流域降水空间插值的理想方法。 (4)分析森林植被对径流过程的影响机制，利用研究流域降水、径流资料，研

论文目录

• 独创性声明
• 关于论文使用授权的说明
• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1 森林植被调控土壤侵蚀机制研究进展
• 1.1 森林植被的垂直结构及其防蚀作用
• 1.1.1 森林植被冠层的防蚀作用
• 1.1.2 森林植被枯落物层的防蚀作用
• 1.1.3 森林植被含根土壤层的防蚀作用
• 1.2 森林植被防蚀作用的生态学研究进展
• 1.2.1 植被生态系统与土壤侵蚀关系研究
• 1.2.2 景观生态学原理在土壤侵蚀研究中的应用
• 1.3 森林植被水土保持功能评价研究进展
• 1.4 土壤侵蚀模型在森林植被防蚀作用研究中的应用
• 1.4.1 经验统计模型
• 1.4.2 概念性模型
• 1.4.3 物理机制模型
• 1.4.4 分布式模型
• 1.5 水力侵蚀产沙力学机理
• 1.5.1 关于雨滴击溅侵蚀的力学机制
• 1.5.2 坡面径流侵蚀机理
• 1.5.3 沟道侵蚀的力学机理
• 1.5.4 小流域侵蚀产沙过程中的沙源与来沙量问题
• 1.6 存在的问题与发展趋势
• 1.6.1 深化植被指标的研究
• 1.6.2 新技术与土壤侵蚀模型研究的结合
• 1.6.3 在森林植被调控土壤侵蚀机制方面
• 2 研究区概况
• 2.1 研究区域自然环境概况
• 2.1.1 地理位置
• 2.1.2 地形地貌
• 2.1.3 气象水文
• 2.1.4 植被状况
• 2.1.5 土壤侵蚀特征
• 2.2 研究流域基本情况
• 2.2.1 研究流域布局及其代表性
• 2.2.2 罗玉沟流域基本情况
• 2.2.3 吕二沟流域基本情况
• 2.2.4 桥子沟流域（东、西沟）基本情况
• 3 研究技术途径
• 3.1 研究技术路线
• 3.1.1 研究总体思路
• 3.1.2 研究技术路线
• 3.2 研究方法
• 3.3 实验手段
• 3.4 研究基础数据的收集与整理
• 3.4.1 流域降雨、径流、泥沙资料收集与整理
• 3.4.2 流域土地利用／森林植被格局调查与分析
• 3.4.3 流域土壤、植被特征调查及林内降雨径流观测
• 3.4.4 基于GIS的流域空间属性数据库建立
• 3.4.5 基于DEM的流域汇流网络建立
• 3.4.6 流域景观格局分析方法
• 4 流域森林植被格局时空变化分析
• 4.1 流域景观空间格局分析
• 4.1.1 景观单元特征指数提取
• 4.1.2 主要景观特征指数的生态意义
• 4.2 流域森林植被／土地利用结构及动态变化
• 4.2.1 吕二沟流域土地利用结构动态
• 4.2.2 罗玉沟流域土地利用结构动态
• 4.2.3 桥子东、西沟流域土地利用结构动态
• 4.3 流域森林植被景观格局动态变化
• 4.3.1 吕二沟流域森林植被景观格局动态变化
• 4.3.2 罗玉沟流域森林植被景观格局动态变化
• 4.3.3 桥子东、西沟流域森林植被景观格局动态分析
• 4.4 小结
• 5 流域降雨时空分布研究
• 5.1 流域降水量的年际、年内分布规律
• 5.1.1 流域降水年际分布规律
• 5.1.2 降水量的年内分布规律
• 5.2 流域降水的空间分布
• 5.2.1 流域内降水量与地面高程的关系
• 5.2.2 流域降雨的空间不均匀性分析
• 5.2.3 雨量站间降水相关性分析
• 5.3 流域降水量的空间插值
• 5.3.1 流域降雨量空间内插方法选择
• 5.3.2 数据内插方法在流域降雨量空间分布中的应用
• 5.4 小结
• 6 流域森林植被格局对径流影响
• 6.1 林地坡面产汇流机理
• 6.1.1 林冠截留的动态过程
• 6.1.2 枯枝落叶层的截留作用
• 6.1.3 降雨在林地土壤的入渗
• 6.1.4 林地坡面流特点及水力规律
• 6.2 流域森林植被格局变化与径流关系
• 6.2.1 流域森林植被格局对年径流量的影响
• 6.2.2 流域森林植被格局对单次降雨径流量的影响
• 6.2.3 流域森林植被格局对洪水过程影响
• 6.3 流域森林植被格局与洪水径流耦合关系
• 6.4 小结
• 7 流域森林植被格局变化对侵蚀产沙影响
• 7.1 林地侵蚀过程及产沙机理
• 7.1.1 林冠对降雨侵蚀力的影响
• 7.1.2 林地地被物防止侵蚀的效应
• 7.1.3 林地土壤抗冲性和抗蚀性
• 7.1.4 林地坡面侵蚀产沙机制
• 7.2 流域森林植被格局与侵蚀产沙的关系
• 7.2.1 流域森林植被格局影响下的侵蚀产沙年际变化
• 7.2.2 流域森林植被格局影响下的侵蚀产沙年内变化
• 7.2.3 流域森林植被格局与次降雨侵蚀产沙的关系
• 7.3 流域森林植被格局与侵蚀产沙耦合关系
• 7.4 小结
• 8 基于森林植被变化的流域侵蚀产沙模拟
• 8.1 WEPP模型的结构和基本原理
• 8.1.1 WEPP模型结构
• 8.1.2 WEPP模型的功能模块
• 8.1.3 WEPP模型的基本原理
• 8.1.4 GeoWEPP模型结构
• 8.2 GeoWEPP数据输入及参数确定
• 8.2.1 地理信息数据的输入
• 8.2.2 气候参数
• 8.2.3 土壤参数
• 8.2.4 植被参数
• 8.2.5 WEPP模型参数率定方法
• 8.2.6 参数在坡面侵蚀模拟中的验证
• 8.3 GeoWEPP对流域侵蚀产沙模拟
• 8.3.1 吕二沟流域侵蚀产沙过程模拟
• 8.3.2 罗玉沟流域侵蚀产沙模拟
• 8.4 小结
• 9 流域侵蚀产沙对森林植被变化的响应
• 9.1 森林植被影响下的坡面侵蚀产沙变化
• 9.1.1 不同植被条件下坡面多年平均侵蚀产沙分析
• 9.1.2 不同降水水平年坡面侵蚀产沙变化
• 9.1.3 单次降水条件下坡面侵蚀产沙变化
• 9.2 不同水文条件下流域森林植被变化对侵蚀产沙影响
• 9.2.1 平水年流域侵蚀产沙变化
• 9.2.2 干旱年份流域侵蚀产沙变化
• 9.2.3 丰水年份流域侵蚀产沙
• 9.2.4 不同降水水平年侵蚀产沙模拟结果对比
• 9.3 流域侵蚀产沙与森林植被协同变化规律
• 9.3.1 流域森林植被情景的建立
• 9.3.2 流域森林植被变化对径流的影响分析
• 9.3.3 流域森林植被格局变化的侵蚀产沙响应
• 9.3.4 林分不同生长阶段流域侵蚀产沙过程
• 9.4 小结
• 10 结论与建议
• 10.1 结论
• 10.2 建议
• 参考文献
• 个人简介
• 在读期间获得成果目录清单
• 导师简介
• 致谢