南亚热带鹤山5种生态系统的地表径流

运用“小集水区径流场”技术对山丘陵试验站5种生态系统地表径流进行了连续5年的观测与实验,结果表明：a.5种系统的地表径流系数马占相思林＜果园＜豆科混交林＜草坡＜林草苗系统,分别为2．3％,6．97％,13．30％,17．90％,22．16％;径流模数变率差马占相思林＜豆科混交林＜林果苗系统＜草坡＜果园,分别为0．46,0．57,0．63,0．65,1．68,可见两种人工林生态系统在蓄留水分,调节水量上均优于草坡,而两种农林复合生态系统有所欠缺;各系统的地表径流系数均有明显的干,湿季差异,表现为湿季＞全年＞干季,径流模数变率差的季节变化则恰好与此相反。b.5种系统每场降水的地表径流量与降水量间存在着二次抛物线型回归关系,地表径流量随降水量的增加是非匀速的,年地表径流量主要由几场大的降水所决定;地表径流量与降水强度的关系不大。c.5种系统发生产流的最小降水量马占相思林＞果园＞豆科混交林＞林果苗系统＞草坡,辚15．9,13．28,8．1,6．71,5．21mm;各系统对产流和洪峰的滞后约为10－30min,马占相思林滞后时间最长,其含蓄水分,削减洪峰和调节地表径流的作用最为明显,文中讨论了造成林果苗和果园系统水文功能缺陷的一些原因,肯定了亚热带丘陵区上坡构建马占相思林在恢复生态学上的重要意义。     

鼎湖山顶级森林生态系统水文要素时空规律

运用连续7a(1993～1999)的水文观测资料,对南亚热带顶级生态系统鼎湖山季风常绿阔叶林集水区水文要素时空规律进行分析,得到如下一些主要结论：(1)鼎湖山多年平均降水量为1910mm,湿季降水量占年降水量80％,干季仅占20％。6月份的降水量最大,1月份最小。(2)季风常绿阔叶林冠层截留率为31．8％,湿季的截留量占全年截留量的66．7％,截留量最大值和最小值所在的月份分别为7和1月份。各月的截留率差异很大,截留量大的月份,截留率较低;截留量小的月份,截留率较高。(3)季风常绿阔叶林集水区多年平均总径流量953．0mm,总径流系数49．9％,其中地表径流量为252．3mm,地表径流系数13．2％;地表径流与降水量之间存在二次抛物线型回归关系,与降水强度的关系不大,这说明季风常绿阔叶林的产流形式是是蓄满产流。(4)季风常绿阔叶林多年平均蒸散948．2mm,占同期降水量的49．7％;蒸散力1031．4mm,年蒸散系数为0．92,蒸散月变化规律较降水量的月变化规律有所滞后。(5)系统贮水量的月变化很大,2～8月份,系统处于蓄水阶段;9月份至翌年1月份,系统处于失水阶段。蓄水和失水的最大值分别出现在湿季和干季的第一个月,即4月份和10月份。(6)集水区多年平均水量总输入2129．9mm,实际输入1910mm(降水量),其中219．9mm的水量输入是由系统贮水量变化而产生。支出的总水量2129．9mm,实际支出1901．3mm(径流和蒸散量),其中228．6mm的水量支出是由系统贮水量变化引起的。     

杉木人工林水量平衡和蒸散的研究

 本文根据我们严密设计的小集水区径流场连续6年的水文测定数据,进行了杉木人工林水量平衡和蒸散的研究。结果表明：集水区年平均降雨量1065.5mm, 在林冠作用面降雨量的分配中,林冠截留雨量264.6mm,截留率24.8%;穿透过林冠层的雨量799.82mm,树干径流量1.08mm,分别占降雨量的75.1%和0.1%。林内降水到达林地时,在枯枝落叶层这个作用面上净降水进行再分配,其中,地表径流量9.27mm,地下径流量203.00mm,总径流系数0.199。土壤蓄水量月变化较大,但年变化很小,占降雨量的1.2%。系统水量最大的输出是蒸散,每年以气态形式返回大气的水量866.03mm,占降雨量81.3%。在蒸散的水量中,林冠截留雨量的直接物理蒸发量为264.6mm,占总蒸散量的31.6%。     

马占相思人工林和果园地表径流规律的对比研究

基于连续 5年的观测 ,对比研究了马占相思人工林和果园两种地表类型上地表径流的各自特点 ;讨论了季节性地表径流的差异与系统水分结构问题 ;探讨了根据实际资料求取发生地表产流的降雨量临界值的方法 ,此方法以综合考虑未发生产流的最大降雨量和已发生产流的最小降雨量为基础 ;并得到了如下的一些结果 :1)本区域不同强度的大气降水频度分布比较均匀 ,但降水量主要由少数几场特大降水带来 ,并且降水量的季节分配极不平均 ,湿季 (4～ 9月 )降水量占全年的 85 .5 %。 2 )地表径流的季节差异更大 ,果园在湿季的地表径流量占全年的93.8% ,马占相思林占 95 .1% ,作者认为在降水量存在较大干湿季差别的地区 ,对于越难于发生地表径流的下垫面 ,这个值会越高。3)马占相思地表径流系数在逐年减小 ,果园的变化较大。4)一次性降雨量对地表径流量的影响在这两种地表类型上都很明显 (r>0 .85 ) ;一次性降雨强度对地表径流的影响只有在中等降雨量 (6～ 16 mm)下才表现明显 (r>0 .87) ,对于较小和较大降水量 ,径流量与降雨强度关系都不大 ;径流系数受一次性降雨强度的影响很明显 (林地 r>0 .92 ,果园 r>0 .77)。 5 )马占相思和果园一次性“最大可能”地表径流产流的雨量临界值 ,分别为5 .1m m和 2 .8mm。     

南亚热带季风常绿阔叶林水文功能及其养分动态的研究

 根据在鼎湖山季风常绿阔叶林集水区3年的观测结果,对这一南亚热带地带性植被的水文功能进行了较深入的探讨。由于林分结构复杂,季风常绿阔叶林对大气降水具有较高的林冠截留率,截留率的季节变化动态与降水量的季节分配有关。该森林土壤结构良好,其渗水速度快,加上有较厚的枯落物层,对于减缓地面径流,减少水土流失,功效甚大。但由于土层较薄,其蓄水功能有限。该森林的径流量占总降水量的比例特别是地表径流所占比例较小,分别为50.22％和14.19％。其季节分配有利于保持水土和植物生长。由于土壤蓄水量变化出现负值,用水量平衡法计算得出鼎湖山季风常绿阔叶林年蒸发散量为1323.98mm,占大气降水量的51.81％。该森林的降水中主要营养元素浓度较高,降水带来大量的养分,特别是氮素的年输入量高达35.29kg·hm-2。淋溶也给该森林带来较高的养分归还量,其中钾的淋溶量高达35.65kg·hm-2;镁的淋溶量高达8.9kg·hm-2,为林外雨输入的2.37倍。径流中的氮输出为28.35kg·hm-2,降水中的氮素净输入量为6.94kg·hm-2;但镁的净输入呈负值。     

西江坪常绿阔叶林地表径流的研究

本文采用固定小区径流法,对常绿阔叶林及其皆伐迹地草坡地表径流进行了对比研究,结果表明:常绿阔叶林年径流量为9.79毫米,占大气降水量0.5％;较迹地草坡减少径流56.3％。径流的季节变化以夏、春、秋、冬依次递减;其中4—8月为径流高峰期,径流量占全年62.4—96.5％。常绿阔叶林对暴雨以下雨量级的削减作用显著;而对持续性大暴雨以上雨量级的削减作用不明显。     

鼎湖山针阔叶混交林生态系统水文效应研究

对鼎湖山针阔叶混交林水文效应的研究表明2002年8月-2003年7月,大气总降水量为1 690mm,林内净降水量为1212.7 mm,占总降水量的72%,其中穿透雨量和茎流量分别为1 125.3和87.4 mm,占总降水量的.66.6%和5.2%.林冠截留量为477.3 mm,截留率28.2%.地表径流量62.1 mm,占总降水量的3.7%.在一定的降水量范围内,林冠对降水的截留量随着降水量的增加而增加,不同的雨量级,林冠截留量变化的趋势曲线不同,且一次截留降水量饱和值约为25 mm;穿透雨量、茎流量均随着林外大气降水量的增加呈线性增加;当日大气降水量在0-30 mm时,地表径流量很小,且呈线性递增;当日大气降水量＞30 mm时,地表径流量随降水量增加以对数递增.与马尾松纯林和季风常绿阔叶林相比,针阔叶混交林在减少地表径流和保持水土等方面具有更好的水文生态效应.     

基于历史参照系的三江源区径流调节功能及变化评估

以20世纪70年代植被类型图作为参照生态系统,采用径流量和径流系数作为径流调节功能的表征指标,建立了基于历史参照系的三江源区径流调节功能评估模型,以参照系径流系数与实际径流系数的比值作为径流系数质量指数,分析了2000-2017年三江源区生态系统径流调节功能参照值、现状值及变化量的时空变化规律。结果表明：2000-2017年,三江源区多年平均径流量为495.15亿m³,地表径流量为96.64亿m³,参照系条件下多年平均径流量为468.37亿m³,地表径流量为68.60亿m³。相比参照系,三江源区生态系统的径流蓄纳能力降低,总径流量和地表径流量均明显增加。空间上,基于参照系和实际生态系统的多年平均径流量表现为东南高西北低的空间分布特征,地表径流量则呈西部高东部低的空间分布特征。从时间变化看,实际径流和参照系径流的差别率在4%-9%之间,实际地表径流和参照系地表径流的差别率在22%-58%之间。径流系数质量指数得分显示,2000-2017年,三江源区径流系数质量指数平均得分为98.63,地表径流系数质量指数平均得分为96.98,两者均呈现先降低后增加的趋势,地表径流系数质量指数变化更为明显。2000-2017年,各县（镇）径流系数和地表径流系数质量指数得分具有较大差别,但各县（镇）得分变化均不明显,变化率分别在-1.95%-0.71%和-0.35%-1.90%之间。通过建立基于历史生态系统的评估参照系,定量评估了三江源区参照系和实际条件下的径流变化过程,实现了不同时间、不同区域生态系统径流调节功能的可比较,可对量化生态系统恢复进程提供支撑。     

SIMULATING SEASONAL AND INTERANNUAL VARIATIONS OF ECOSYSTEM EVAPOTRANSPIRATION AND ITS COMPONENTS IN INNER MONGOLIA STEPPE WITH VIP MODEL

 利用内蒙古羊草草原(Leymus chinensis)生态系统通量观测站的气象数据、野外实测和MODIS叶面积指数(Leaf area index, LAI), 应用基于生态系统过程的VIP(Vegetation interface process)模型, 以半小时为步长, 模拟分析了羊草草原生态系统2003～2005年(分别为平水年、平水年和干旱年)蒸散及其分量的变化过程。通过与通量数据对比, VIP模型能够很好地模拟羊草草原生态系统的蒸散过程(R² = 0.80), 在峰值大小和变化趋势上, 模拟值与实测值有较好的一致性。模拟结果显示: 3年蒸散量分别为337、338和223 mm; 在降水相对充沛的2003和2004年, 蒸腾量为192和171 mm, 而降水相对较少的2005年, 蒸腾量仅为96 mm; 年平均蒸腾和蒸发对蒸散的贡献基本持平; 生长季蒸散占全年的83%, 6月开始, 蒸腾大于蒸发, 蒸散和蒸腾的月总值均在7、8月达到最大值,两月蒸散占全年的43%。LAI是影响蒸散的主要因素, 其次是降水, 而净辐射对蒸散的影响较小。在生长季, 蒸发的季节变化平缓, 蒸散的差异主要体现在蒸腾的差异。     

中国森林生态系统地表径流调节特征

径流调节是森林生态系统重要生态服务功能之一,包含着大气、水分、植被和土壤等生物物理过程,其变化将直接影响区域气候水文、植被和土壤等状况,是区域生态系统状况的重要指示器。在区域尺度上评估森林生态系统地表径流特征,对于科学认识和合理保护森林生态系统水源涵养功能具有重要意义。以森林生态系统定位监测数据为基础,探讨地表径流与降水,径流系数与植被的关系,建立径流系数与植被的回归方程,分析全国森林生态系统地表径流调节特征。结果表明:(1)各森林类型地表径流与降水相关性显著,其对地表径流的影响为37%—76%。此外,径流系数与植被也显著相关,其对径流系数的解释能力为27%—47%。(2)基于植被覆盖数据,通过植被与径流系数回归方程估算全国森林生态系统的地表径流调节特征。全国各森林生态系统径流调节能力存在差异,强弱顺序为:落叶针叶林落叶阔叶林针阔混交林常绿针叶林常绿阔叶林。     

不同时间尺度小流域径流变化及其归因分析

流域径流的变化及其原因的研究,是森林水文领域的一个重要的科学问题。当前,大部分研究基于年尺度定量分析了流域径流变化及其影响因素的贡献率,而季节尺度上的研究较少。因此,季节尺度上径流变化的归因分析值得深入研究。基于彭冲涧小流域1983—2014年降水、径流等水文气象资料,通过Mann-Kendall检验法对降水、径流序列进行突变分析,采用累积量斜率变化率比较法计算季节及年尺度上降水变化、蒸发散和植被恢复对径流变化的贡献率。结果表明:2003年为降水与径流的一致突变点;春、夏、秋、冬季及年降水变化的贡献率分别为50.88%、42.60%、-10.39%、-3.28%和31.26%,蒸发散的贡献率分别为32.89%、40.71%、29.33%、47.43%和42.64%,植被恢复的贡献率分别为16.23%、16.69%、81.06%、55.85%和26.10%。季节尺度上,春、夏季,降水变化和蒸发散是径流深减少的主要原因,而秋、冬季,植被恢复居主导地位;年尺度上,蒸发散对径流深减少的贡献率最大。该研究揭示了彭冲涧小流域近30年来径流变化规律以及不同时间尺度上影响径流的主要驱动因子,为流域水资源合理配置和管理提供科学依据。     

西双版纳热带季节雨林水热通量

利用西双版纳热带季节雨林2003和2004年常规气象、生物量以及水热通量观测资料,对该林地两年内各能量分量的数值大小和变化规律、能量分配以及水量平衡特征等进行了分析研究。结果表明,2003和2004年净辐射总量分别为3516.4MJ/(m.2a)和3516.6MJ/(m.2a)。在能量分配过程中潜热通量占优势,2003年和2004年的总量分别是相应年份净辐射总量的46%和44%,显热通量则分别只有12%和11%。2003年和2004年林冠传导率均值分别为10.3mm/s和10.0mm/s,其中干热季期间的林冠传导率明显低于雾凉季和雨季。林冠传导率与叶面积指数和空气饱和水汽压差值之间分别呈极显著的正、负线性相关关系;它基本上不受土壤含水量的影响,只是当长期无雨或雨量很小导致土壤含水量低于0.15m3/m3时,林冠传导率才与土壤含水量间存在极显著的相关关系。西双版纳热带雨林2003和2004年的蒸散量分别是663mm和634mm,受浓雾和林冠传导率的综合影响,该森林生态系统干季蒸散量低于雨季,这是西双版纳热带季节雨林能够在水热极限条件下生存并良好发育的重要原因。     

降雨格局对库布齐沙漠土壤水分的补充效应

 土壤水分是鄂尔多斯高原沙地油蒿(Artemisia ordosica)群落自发演替的重要驱动因子之一, 其主要来源是大气降水。由于降水后总有部分水分被植物和表层土壤截留, 随后很快蒸发, 降水未能全部用于补充植物根系层土壤水分。减少的这部分降水不仅受年降水总量的影响, 也与各次降水过程有密切的关系。因此, 降水格局如何影响土壤水分的补充是探讨降水有效性、降水与植物群落关系需要解决的理论问题。该文从生态系统尺度出发, 利用涡度相关技术, 综合考虑生态系统水文平衡的各个环节, 通过分析降雨、蒸散特征, 对沙地土壤水分状况、生长季内降雨对土壤水分的补充进行了研究。结果表明, 2006年全年降水总量229.4 mm, 以降雨为主。降雨、蒸散主要集中在5~10月, 有效降雨约153.9 mm, 降雨效率68.9%。各次降雨的雨量、历时和强度等特征变异较大, 降雨效率随雨量的增大而增大。降雨特征与其它生物和非生物因素相结合, 影响生态系统蒸散及降雨对根系层土壤水分补充的有效性。5.0 mm以下的降雨一般有增加空气湿度、降温的作用, 一定程度上可以缓解旱情; 5.0 mm以上的降雨才能有效补充土壤水分, 对植物群落长期稳定发展具有积极的意义。     

岷江上游不同景观结构小流域水量平衡的比较

研究了1988～2002年岷江上游两个小流域（镇江关流域和黑水河流域）不同景观结构（土地覆盖、海拔、坡度、斑块密度、最大斑块指数等）对水量平衡的影响.基于两个流域土地覆盖类型、1988～2002年多年平均降水量和蒸散量的空间分布、两个流域土地覆盖类型同期多年平均径流深度的数据,得到不同土地覆盖类型的海拔、坡度、坡向与降雨、蒸散、径流的关系.结果表明,两个流域有林地海拔、坡度、坡向的不同导致其降水、蒸散降水比、径流降水比各异;两个流域草地水量平衡对景观格局的响应模式与有林地基本一致;由于黑水河流域的耕地分布在干旱河谷中,其蒸散量远远大于降水量,耕地本身的景观结构（坡向、坡度,斑块密度）并不对其水量平衡产生影响,这一点与镇江关完全不同.     

The sensitivity of annual grassland carbon cycling to the quantity and timing of rainfall

Global climate models predict significant changes to the rainfall regimes of the grassland biome, where C cycling is particularly sensitive to the amount and timing of precipitation. We explored the effects of both natural interannual rainfall variability and experimental rainfall additions on net C storage and loss in annual grasslands. Soil respiration and net primary productivity (NPP) were measured in treatment and control plots over four growing seasons (water years, or WYs) that varied in wet‐season length and the quantity of rainfall. In treatment plots, we increased total rainfall by 50% above ambient levels and simulated one early‐ and one late‐season storm. The early‐ and late‐season rain events significantly increased soil respiration for 2–4 weeks after wetting, while augmentation of wet‐season rainfall had no significant effect. Interannual variability in precipitation had large and significant effects on C cycling. We observed a significant positive relationship between annual rainfall and aboveground NPP across the study (P=0.01, r²=0.69). Changes in the seasonal timing of rainfall significantly affected soil respiration. Abundant rainfall late in the wet season in WY 2004, a year with average total rainfall, led to greater net ecosystem C losses due to a ～50% increase in soil respiration relative to other years. Our results suggest that C cycling in annual grasslands will be less sensitive to changes in rainfall quantity and more affected by altered seasonal timing of rainfall, with a longer or later wet season resulting in significant C losses from annual grasslands.     

Patterns and controls of the variability of radiation use efficiency and primary productivity across terrestrial ecosystems

Aim The controls of gross radiation use efficiency (RUE), the ratio between gross primary productivity (GPP) and the radiation intercepted by terrestrial vegetation, and its spatial and temporal variation are not yet fully understood. Our objectives were to analyse and synthesize the spatial variability of GPP and the spatial and temporal variability of RUE and its climatic controls for a wide range of vegetation types. Location A global range of sites from tundra to rain forest. Methods We analysed a global dataset on photosynthetic uptake and climatic variables from 35 eddy covariance (EC) flux sites spanning between 100 and 2200 mm mean annual rainfall and between ?13 and 26°C mean annual temperature. RUE was calculated from the data provided by EC flux sites and remote sensing (MODIS). Results Rainfall and actual evapotranspiration (AET) positively influenced the spatial variation of annual GPP, whereas temperature only influenced the GPP of forests. Annual and maximum RUE were also positively controlled primarily by annual rainfall. The main control parameters of the growth season variation of gross RUE varied for each ecosystem type. Overall, the ratio between actual and potential evapotranspiration and a surrogate for the energy balance explained a greater proportion of the seasonal variation of RUE than the vapour pressure deficit (VPD), AET and precipitation. Temperature was important for determining the intra‐annual variability of the RUE at the coldest energy‐limited sites. Main conclusions Our analysis supports the idea that the annual functioning of vegetation that is adapted to its local environment is more constrained by water availability than by temperature. The spatial variability of annual and maximum RUE can be largely explained by annual precipitation, more than by vegetation type. The intra‐annual variation of RUE was mainly linked to the energy balance and water availability along the climatic gradient. Furthermore, we showed that intra‐annual variation of gross RUE is only weakly influenced by VPD and temperature, contrary to what is frequently assumed. Our results provide a better understanding of the spatial and temporal controls of the RUE and thus could lead to a better estimation of ecosystem carbon fixation and better modelling.     

嫩江上游流域生态系统水量平衡的研究

以2级流域为研究单元,在流域结构特征调查分析的基础上,通过不同生态系统和不同森林类型对降水再分配的观测,从林分、生态系统和流域不同尺度和水平上定量分析了森林类型、生态系统、流域的水量平衡。结果表明,落叶松人工林的林冠截留率最大,表现出比天然白桦林、天然黑桦和天然阔叶混交林具有较强的蓄水和拦截功能,蒸散是森林生态系统水分输出的主要形式,天然阔叶混交林和人工针对林径流量相对较小,蒸散也是农田和草地水分输出的主要形式,它们的蒸散值分别占降雨量的91．06％、81．02％,草地蒸散值大于森林,具有较小的径流,表现出很强的蓄水保水作用,而农田蒸散值小于森林,径流量最大,总裁总蒸散占降水的80．84％,径流占23．26％。     

内蒙古温带荒漠草原能量平衡特征及其驱动因子

基于内蒙古苏尼特左旗温带荒漠草原生态系统观测站2008年全年的涡度相关观测与相应的生物、环境观测资料,对生态系统能量平衡特征及其驱动因子分析表明:能量平衡各分量(净辐射,Rn;感热通量,H;潜热通量,LE;土壤热通量,G)呈单峰型日动态,白天大部分时间H/RnG/RnLE/Rn;夜间G/Rn占主导;全天LE/Rn相对较小,即使在植物生长盛期。较低的LE/Rn可能与荒漠草原气候干旱及植被分布稀少有关。日Rn受天气变化的影响,特别是在雨季,Rn日间差异较大,呈现锯齿状波动。能量平衡各分量季节变化明显,Rn、H、LE和G最大月分别为7、5、6月份和6月份。全年H是Rn的主要能量支出项(58%);LE其次(26%),年蒸散量(190.3mm)大于年降水量(136.3mm),与多年平均降水量接近(183.9mm),其中最大日蒸散率3.8mm/d;G所占比例较小(1%),全年基本保持平衡。然而G白天吸收能量,夜间释放能量;夏季储存能量,冬季释放能量的特点,在能量平衡中存在类似"能量缓存"的作用,不能被忽略。降水过程显著影响内蒙古温带荒漠草原水热交换。降水后较降水前LE峰值明显增大,而H峰值降低。日蒸散率峰值多数与降水事件有关。而且,生长季日蒸散率波动与降水引起的SWC变化趋势一致。生长季潜热分配(LE/Rn)主要受到土壤含水量(SWC)、饱和水汽压差(VPD)及叶面积指数(LAI)共同影响。LE/Rn随SWC增大呈增加趋势,LE/Rn随VPD增大而降低,LE/Rn随LAI增大呈二次曲线变化。其中LAI为0.2m2/m2是一个阈值,当LAI0.2m2/m2,SWC是LE/Rn主要驱动因子;当LAI0.2m2/m2,SWC和LAI共同驱动LE/Rn。应用退耦因子(Ω)评价了荒漠草原与大气之间水汽交换的耦合状况。与其他草原类型相比,本研究区退耦因子(Ω)相对较低(生长季平均0.15)。生长盛期Ω相对较高,Rn是LE的主导因子;而生长前期和后期Ω相对较低,VPD是LE的主要控制因子。