北京山区典型流域防护林体系对位配置研究

论文摘要

水资源紧缺,水土流失严重,风沙危害频繁是北京市生态环境恶化的集中表现,是困扰首都生态建设的重要问题。北京山区作为北京市重要的生态屏障,在保持水土、涵养水源、防风固沙、美化环境等方面发挥着重要作用,但由于防护林体系空间布局与结构配置不尽合理,生态功能发挥不够充分,加之防护林建设规模与生态耗水、生态用水定量不协调,水土资源利用效率不合理等问题,严重阻碍北京山区防护林体系生态功能的发挥。为优化防护林体系配置,提高防护林体系生态功能的发挥,本研究结合“十一五”国家科技支撑“防护林体系空间配置和结构优化技术研究”,在小流域尺度上,从防护林体系结构布局、结构配置与水土资源利用关系着手,对北京山区典型流域防护林体系的对位配置、防护林体系与水土资源的关系进行深入研究,提出了典型流域防护林体系的对位配置模式。主要研究成果如下:（1）从北京山区森林资源现状着手,以乡镇或林场为研究单元,分析每个研究单元的森林资源特征,采用因子分析和系统聚类分析的方法将北京山区防护林体系划分为五个类型,针对每个类型的地形地貌特征、森林资源特点、区域发展目标等特点,提出每个防护林体系类型的适宜林种。（2）在综合考虑典型流域主导生态方向的基础上,收集土地利用状况和降雨、水质等资料,探讨了典型流域适宜森林覆盖率的计算方法,认为适宜森林覆盖率的确定应综合考虑最大限度拦蓄特大暴雨、减轻土壤侵蚀和净化水质3个方面。研究结果表明:土门西沟流域的适宜森林覆盖率为54.94%,潮关西沟流域的适宜森林覆盖率为55.36%,半城子水库流域的适宜森林覆盖率为58.61%。这一结果为小流域尺度防护林建设提够了一定价值的参考依据。（3）在研究典型流域森林植被特征的基础上,以“近自然林业”为理论基础,采用系统动力学模型人工神经网络对典型流域进行植被类型的配置,配置结果为:土门西沟流域针叶林13.40%,阔叶林30.24%,混交林34.99%,灌木林21.37%;潮关西沟流域针叶林3.66%,阔叶林19.36%,混交林52.45%,灌木林22.65%;半城子水库流域针叶林22.71%,阔叶林8.72%,混交林37.78%,灌木林29.24%。（4）选择北京山区的主栽优势树种——油松、侧柏、刺槐、栎类、荆条、绣线菊、北鹅耳枥,研究坡度、坡向、坡位、海拔、土壤类型、土壤质地等立地因子对其高生长和径生长的影响,为优势树种的立地选择和防护林体系建设提供参考。在分析主栽树种的林冠截留能力、枯枝落叶层的持水能力、土壤层贮水能力的基础上,采用坐标综合评定法对主要优势树种的水源涵养功能进行评定,结果表明混交林水源涵养功能最好。（5）论文基于地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、景观分析软件FRAGSTATS进行综合分析,研究半城子水库流域1990-2005年森林植被格局的动态变化特征和驱动力,在此基础上构建SWAT模型空间数据库和属性数据库,根据典型流域DEM和水系分布图将整个流域分成23个子流域,结合1990-2006年水文实测资料进行模型参数的敏感度分析以及参数的校准和验证,研究表明:不同典型年的径流特征显示降雨和土地利用变化对径流产生了较大的影响。年内降雨较多的月份,产生的径流也较大,反之年内降雨量较少的月份,产生的径流量也较小。防护林体系对位配置的结果表明,各植被类型的产流量大小为阔叶林122.26mm,针叶林185.34mm,灌木林340.18mm,混交林255.33mm。与2005年相比,流域内植被的生态用水减少,径流量增加49.01万m3。为森林植被变化的水文响应研究提供了有效的途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1 研究综述
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 北京山区生态环境现状
• 1.1.2 研究的目的与意义
• 1.2 防护林体系配置研究进展
• 1.2.1 防护林体系分类研究
• 1.2.2 防护林体系森林覆盖率研究
• 1.2.3 防护林体系空间配置研究
• 1.3 森林植被变化及其驱动力研究进展
• 1.3.1 森林植被变化研究
• 1.3.2 森林植被变化的驱动力研究
• 1.4 森林植被变化的水文响应研究进展
• 1.4.1 森林植被变化的水文效应
• 1.4.2 流域水文模型研究进展
• 1.4.3 分布式水文模型的研究
• 1.5 防护林体系空间配置研究存在的主要问题及发展趋势
• 2. 研究地区和试验流域基本情况
• 2.1 研究地区基本情况
• 2.1.1 北京山区概括
• 2.1.2 潮白河流域基本情况
• 2.2 试验流域基本情况
• 2.2.1 土门西沟流域概况
• 2.2.2 潮关西沟流域概况
• 2.2.3 半城子水库流域概况
• 3 研究技术途径
• 3.1 研究目标
• 3.2 研究内容
• 3.3 技术路线
• 3.4 实验手段
• 3.5 研究方法
• 3.5.1 研究数据资料的获取
• 3.5.2 数据处理及分析
• 3.5.3 野外调查
• 4. 北京山区防护林体系分类研究
• 4.1 北京山区森林资源现状
• 4.1.1 林业用地结构
• 4.1.2 森林资源空间分布状况
• 4.1.3 人工林与天然林的林地结构
• 4.1.4 防护林主要林种结构
• 4.2 北京山区防护林体系类型分类
• 4.2.1 分类原则
• 4.2.2 分类方法
• 4.2.3 防护林体系类型划分
• 4.3 北京山区防护林体系林种分类
• 4.3.1 林种分类原则
• 4.3.2 林种定义
• 4.3.3 不同防护林体系类型的林种构成
• 4.4 小结
• 5. 典型流域防护林体系适宜森林覆盖率研究
• 5.1 以水源涵养为目标的森林覆盖率
• 5.2 以防止土壤侵蚀为目标的森林覆盖率
• 5.3 以改善水质为目标的森林覆盖率
• 5.3 典型流域适宜森林覆盖率
• 5.4 小结
• 6. 防护林体系植被类型的对位配置研究
• 6.1 防护林体系植被类型对位配置的理论基础
• 6.2 防护林体系植被类型对位配置的方法
• 6.2.1 BP 神经网络的原理
• 6.2.2 BP 神经网络的学习算法
• 6.2.3 网络的训练过程
• 6.2.4 BP 神经网络的改进
• 6.3 防护林体系植被类型对位配置
• 6.3.1 土门西沟流域防护林体系植被类型对位配置
• 6.3.2 潮关西沟流域防护林体系植被类型对位配置
• 6.3.3 半城子水库流域防护林体系植被类型对位配置
• 6.4 小结
• 7. 防护林体系树种对位配置研究
• 7.1 北京山区优势树种概述
• 7.2 北京山区主要优势树种适地性分析
• 7.2.1 侧柏适地性分析
• 7.2.2 油松适地性分析
• 7.2.3 栎类适地性分析
• 7.2.4 刺槐适地性分析
• 7.2.5 荆条灌丛适地性分析
• 7.2.6 绣线菊灌丛适地性分析
• 7.2.7 北鹅耳枥灌丛适地性分析
• 7.2.8 优势树种适地性分析汇总
• 7.3 主要树种水源涵养功能分析
• 7.3.1 林冠层截留能力分析
• 7.3.2 枯枝落叶层的持水能力
• 7.3.3 土壤层贮水能力
• 7.3.4 不同树种水源涵养功能综合评价
• 7.4 小结
• 8. 典型流域森林植被格局时空变化研究
• 8.1 景观分类
• 8.2 森林植被结构特征
• 8.3 森林植被动态变化分析
• 8.3.1 数量变化特征
• 8.3.2 转移特征
• 8.3.3 驱动力分析
• 8.4 典型流域森林植被格局分析
• 8.4.1 景观格局度量指标
• 8.4.2 景观要素斑块特征分析
• 8.4.3 景观异质性分析
• 8.4.4 景观要素空间相互关系分析
• 8.5 小结
• 9 森林植被变化的水文生态响应分析
• 9.1 SWAT 模型概述
• 9.1.1 SWAT 模型基本原理
• 9.1.2 SWAT 模型结构
• 9.2 SWAT 模型的构建与模拟
• 9.2.1 模型空间数据库的建立
• 9.2.2 模型属性数据库的建立
• 9.2.3 流域空间离散化
• 9.2.4 模型参数敏感度分析
• 9.2.5 模型参数的率定
• 9.2.6 模拟结果评价
• 9.3 森林植被变化的水文生态响应
• 9.3.1 1990 年水文生态响应模拟
• 9.3.2 1995 年水文生态响应模拟
• 9.3.3 2000 年水文生态响应模拟
• 9.3.4 2005 年水文生态响应模拟
• 9.3.5 森林植被对位配置水文生态响应
• 9.3.6 森林植被变化对流域水文生态功能的影响
• 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