黄土区森林植被对坡面径流和侵蚀产沙的影响

根据山西省吉县蔡家川流域198～2003年9个径流小区的降雨产流产沙的定位观测资料,分析了植被对流域坡面尺度降雨产流产沙的影响.结果表明,坡面自然更新的次生林比人工刺槐林具有更好的涵养水源和保持水土功能,场降雨产流量和产沙量分别减少约65%～82%和23%～92%;多元回归分析表明,场降雨产流量和产沙量与降雨量和雨强均呈良好的相关关系,但随着林分郁闭度增大,相关关系减小.不同地类的降雨产流产沙差异显著,虎榛子灌木林和天然次生林最少,而人工刺槐、油松林约是虎榛子灌木林的倍,果农复合经营模式的产流产沙量分别是虎榛子灌木林的17.14倍和3.96倍;果农复合经营模式在高质量、大工程整地后产流产沙明显减少.对坡面产流产沙的影响因子灰色关联分析,林分郁闭度和草本、枯落物生物量对坡面产流产沙影响显著,关联度值均大于0.6.     

川西亚高山流域水碳平衡研究

森林生态系统的产水量与固碳效益之间存在着一种可交易的平衡关系。基于WaSSI-C水碳耦合模型和趋势分析, 研究了1982-2006年川西杂古脑河上游22个子流域内不同植被类型空间分布对水碳平衡的影响并分析了其水碳耦合关系, 发现: 1)针叶林主导的流域在生长季增加土壤水分入渗的功能明显高于其他植被类型, 但不足以补偿其高蒸散带来的水分消耗, 因而其年平均土壤含水量明显低于高山草甸和混交林类型; 且森林土壤含水量随着森林覆盖率的升高而降低。2) 25年的土壤水分蓄变量的平均值, 高山草甸流域为-44 mm, 混交林为-18 mm, 针叶林为-5 mm, 说明川西亚高山植被的整体维持稳定产水量及其潜力在下降, 其中高山草甸流域下降趋势尤为显著。3)流域产流量和净生态系统生产力具有显著负相关性, 且不同植被组成对固碳和产水效益的转化具有重要影响: 高山草甸主导的子流域具有较高的产水量和较低的固碳能力, 常绿针叶林主导的子流域具有较高固碳能力和较低产水量, 且森林覆盖率越高, 产水量越低。三种植被类型的净生态系统生产力在研究期间均呈现上升趋势, 且高山草甸的上升趋势显著。     

武夷山甜槠林水文学效应的研究

对武夷山甜槠林成熟林水文学效应的研究结果表明：观测期间,年大气降水量２６７８．７８ｍｍ,林内雨量２１８２．０４ｍｍ,林冠截留量为４９６．７４ｍｍ;林内雨中,穿透雨量２０８２．０８ｍｍ,树干茎流９９．９６ｍｍ;到达甜槠林地作用面的林内雨量中,被地表枯枝落叶层截留的雨量为１５９．８４ｍｍ,地表径流量１１．６ｍｍ,地下渗流量１０９．３２ｍｍ,其余林内雨量形成土壤含水量增量并由地表物理蒸发、根系吸收以及植物蒸腾所消耗;甜槠林地０～２０ｃｍ土层水分初渗率７８．６ｍｍ·ｍｉｎ－１,稳渗率１５．５ｍｍ·ｍｉｎ－１,达到稳渗历时４５ｍｉｎ,地表枯枝落叶最大持水量５．２ｍｍ,土壤蓄水量１５４．０ｍｍ。与国内其它地区不同类型的森林相比较,武夷山甜槠林具有较强的水文学效能。     

滦河流域景观格局变化对水沙过程的影响

以滦河流域为研究区域,基于SWAT模型模拟1976—2012年滦河流域的水沙过程,分析2000年京津风沙源治理项目实施前后流域产水产沙时空格局变化;研究1980—2010年流域景观格局变化特征,揭示景观格局变化的水沙响应;应用Spearman相关分析法分析流域景观格局变化对水沙过程的影响。结果表明:与20世纪80年代相比,2010年流域林地和建设用地增加,其他用地类型减小;流域景观集中程度提高、连通性变优、优势斑块显著、形状趋于规则、多样性减少、破碎化程度降低、景观类型向非均衡方向发展;流域年均地表径流减少9mm,产水量增加5.44mm,产沙减小1.59t/hm~2;地表径流减少区域占全流域89.32%,产水量增加区域占76.71%,产沙量减少区域占93.89%;地表径流、产水、产沙与林地面积呈负相关,产水与草地面积呈正相关,地表径流、产沙与农业用地面积呈正相关;地表径流、产水、产沙与景观形状、Shannon′s均匀度、景观分离度呈正相关,与蔓延度、最大斑块指数呈负相关;产水、产沙与斑块密度和Shannon′s多样性指数呈正相关;工程治理后,流域年均径流量与产沙量显著下降,产水产沙高值区显著缩小,产沙关键区域仍需治理。     

气候变化对无定河流域生态水文过程的影响

建立分布式生态水文过程模式,模拟分析了黄土高原无定河流域近40a来及未来气候变化情景下水循环和植被生产力的演变特征。结果显示,无定河流域近40a来温度上升,而降水量没有明显的下降趋势,但年际波动幅度变小。与之相应,地表蒸散量也没有明显的变化趋势。然而,因大气CO2浓度的上升,植被净生产力明显增加,速率约为0．6gCm^-2a^-1,水分利用效率随之提高。该流域生态系统对HadCM3气候变化情景的响应显著,蒸散、地表径流和植被净第一性生产力（NPP）均增加,植被水分利用效率明显提高。     

黄土丘陵沟壑区典型流域土地利用/土地覆被变化水文动态响应

以黄土高原第三副区桥子东、西沟流域为例,分析了土地利用／土地覆被变化的水文动态响应。研究结果表明：土地利用／土地覆被对年径流有显著影响,治理流域较未治理流域在丰水年、平水年和枯水年的径流系数分别减少约50％、85％和90％;流域土地利用后期（1995～2004年）较前期（1986～1994年）多年平均径流系数下降73．6％,且随降雨增多,土地利用与植被变化对径流的响应增强。土地利用／土地覆被变化对径流量的影响具有季节性特征,治理与非治理流域多年平均最大月径流系数减少时期与流域最大地表覆盖期具有一致性,即5月份径流系数减少值最大;同一降水条件下流域两期土地利用的产流量仅在生长季具有明显的差异。流域洪水径流量与场降雨量和30min最大雨强有较好的相关关系,场降雨量与30min雨强对治理流域洪水流量的影响要强于非治理流域;暴雨在达到一定强度后,对比流域的洪峰流量差异减小,即森林植被对洪水的影响减弱。经洪水频率分析,认为流域前后两期土地利用若具有相同频率的降雨强度,则一定频率范围内洪峰流量对土地利用与植被变化产生明显响应。     

华北平原冬小麦夏玉米不同培肥措施的节水增产效应研究

根据山东省醒台县农业水资源日趋减少的现状,开展了以减少土壤水蒸发、提高水分利用效率为目的的不同培肥措施的节水田间试验,结果表明,秸秆还田与增施有机肥具有明显的节水增产效应,在相同灌溉水量（２５０ｍｍ）的情况下,玉米秸与小麦秸全部还田较玉秸小麦秸均不还田（对照）增产８８５ｋｇ．ｈｍ＾－２,水分利用效率提高３．３,在全还基础上增施有机肥较对照增产１８７５ｋｇ．ｈｍ＾－２,水分利用效率提高３．６０;仅小     

气候变化对黄土丘陵沟壑区植被净第一性生产力的影响模拟

以黄土丘陵沟壑区典型小流域纸坊沟流域为例,利用当前气候状况和不同气候情景下的气象数据驱动植被净第一性生产力模型VSIM,模拟气候变化对黄土丘陵沟壑区植被净第一性生产力（NPP）的影响.结果表明：（1）流域NPP对温度升高比对降雨变化的反应更为敏感,土壤水分状况受降雨变化影响显著,温度升高后流域土壤水分也明显下降.（2）草本和半灌木群落的NPP由于温度升高降低最多,沙棘灌丛的NPP受降雨变化影响最为明显,而刺槐林、苹果林和柠条灌丛对降雨变化反应不敏感;（3）综合降雨和气温都增加的情况,流域NPP仍呈下降趋势,只有沙棘灌丛因降雨的增加NPP减小的程度明显降低;（4）大部分植被类型在降雨和温度升高后水分利用效率降低,只有沙棘灌丛和铁杆蒿群落在降雨增加后有所提高,除铁杆蒿群落外,降雨减少使得大部分植被类型的水分利用效率提高.     

中国油松林生产力格局与模拟

基于全国３８０块样地资料,从宏观上阐明了油松林生物生产力的分布格局,建立了联系叶面积指数分布规律和地植物学知识的生产力水热相关模型与地理分布模型．在油松正常分布范围内（年均气温２～１４℃,年降水量４００／３００～７００／９００ｍｍ）,林分叶面积指数随年均气温的变化呈指数递减的函数关系,这是油松林适应水分协迫环境的一种机制．     

东灵山地区大气降水特征及森林树干茎流

对东灵山地区大气降水特征及森林树干茎流进行了研究,结果表明：年降水量大部分集在６－９月份,日降水以量级低于５．０ｍｍ的小雨较多,单次降水以雨强小于２．０ｍｍ的阵性降水为主,单株树木的干流量以辽东栎（３０．３ｍｍ）最大,棘皮桦（２．９ｍｍ）最小;两个生长季各林分的干流深是;辽东栎林６６．６８ｍｍ,３５．１９ｍｍ;落叶松林４３．７６ｍｍ,２３．１２ｍｍ;混交林３２．７７ｍｍ,１７．３６ｍｍ;油松林２２     

黄土高原典型小流域综合治理的水文生态效应

从流域产流规律及水土保持措施改变引起的土壤水分状况和流域蒸散发的变化等方面评价了黄土丘陵沟壑区泉家沟流域水土保持措施变化对流域水分生态环境的影响.结果表明:水土保持与生态建设过程改变了土地利用结构,对小流域水环境变迁具有很大的影响作用,主要表现在:减少地表径流量,径流模数1996～2000年平均较1980～1985年减少了36.1%;不同治理措施土壤水分状况不同,灌木林地、人工草地和乔木林地均存在深度和厚度不等的土壤"干层";不同地貌部位土壤储水差异很大,阴坡的水分环境优于阳坡,沟底优于峁顶,缓坡优于陡坡;林草措施对流域总蒸散量起着决定性作用,1991～1995年流域林草地面积达到最大,总蒸散量也达到最大,与治理初期相比,总蒸散量累计增加了56.3 mm.     

鹤山丘陵草坡的水文特征及水量平衡

 在中国科学院鹤山丘陵综合开放实验站的草坡集水区对大气降水和径流进行了连续4年的观测,并于1994年对该集水区的蒸散进行了测定,结果表明：1)鹤山丘陵区年均降水量1761.37mm,大气降水有明显的干湿季之分,干季降水量占全年降水量的12.47％,湿季占87.53％。年均降水量中有62.24％可引起地表产流,即年均产流降水量1096.3mm。产流降水以中、小雨频度为大,但产流水量主要由大、暴雨供给。文中根据降雨量较大地区的降水、产流特征和规律,提出了产流降水和产流水量的概念。2)鹤山丘陵草坡集水区年总径流系数50.12％,地表径流系数17.33％。地表径流主要集中在湿季产生,与降水量呈二次抛物线型回归关系,与降水强度关系不大。3)1994年水量平衡各分量中,实际降水输入1841.55mm,年径流量970.28mm,径流系数52．69％,径流是系统的最大输出项;蒸散量851.56mm,意味着年降水收入中46.24％的水量以汽态形式返回了大气。蒸散的月变化呈双峰型,不同于降水的季节分配,径流的月变化则与降水同步。系统蓄水年变化量19.71mm,约占年降水量的1.07％,但其月变化却非常大,在一68～104mm之间。草坡集水区的水量平衡是一种收入对支出的补给和收支项目中可变性的动态平衡。4)鹤山丘陵草坡水热季节分配失衡、产流降水量和地表径流量大是这种退化生态系统恢复的3个限制因素;认为退化生态系统恢复过程中系统水量支出和蓄留方式的转变是退化生态系统的恢复机理之一。     

基于多源数据的黄土高原陆地水循环结构变化分析

近几十年间,黄土高原的水循环进程在人类活动与气候变化的影响下已产生了剧烈的变化。为加深对水循环结构变化的了解与认识,利用1982-2010年的降水、蒸散发、径流、土壤储水量和社会经济用水等数据,运用Mann-Kendall趋势检验和线性回归分析方法,对黄土高原的水量平衡进行评估,且细化了组成水循环的12种水文变量,并分析了水循环各分量的变化趋势及其结构的演化规律。由于网格化的社会经济用水数据（1982-2010年）对本研究产生了较大的时间限制,因此本文注重于探究这29年间黄土高原各水文变量的变化趋势及水循环结构的演化规律。结果表明：在自然系统中,蒸散发以1.97 mm/a的速率上升（P<0.01）,径流、降水和土壤储水量分别以1.01 mm/a（P<0.01）、0.77 mm/a和0.46 mm/a的速率下降。在社会系统中,社会经济用水以0.50 mm/a的速率上升,其中主要由于生活、制造业、发电和采矿用水分别以0.22、0.23、0.30 mm/a和0.01 mm/a的速率增加所导致。此外,灌溉和牲畜用水分别以0.25 mm/a（P<0.05）、0.01 mm/a（P<0.01）的速率减少。就水循环结构而言,多年平均蒸散发和社会经济用水占水循环的平均比例分别为80.95%、15.27%,并以每年0.16%、0.06%的速率逐渐升高。径流、土壤储水量的变化占水循环的平均比例分别为4.00%、-0.24%,并以每年0.24%（P<0.01）、0.02%的速率逐渐下降。随着社会经济的发展和人口的增加,区域水资源供需矛盾将进一步加剧,本研究对黄土高原水资源的科学调控与可持续利用有重要参考意义。     

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%。     

小波变换在岷江上游杂古脑流域径流时间序列分析中的应用

采用Dmey小波函数对杂古脑(岷江的一个重要流域)水文站41年(1962～2002)的月径流时间序列进行了多尺度分析和周期性分析.结果表明,无论在64月(5.4年)还是在128月(10.7年)的时间尺度上,1962～1978年期间杂古脑流域植被虽然破坏严重,但其径流相对稳定,并略低于多年历史平均;1986～1997年期间径流明显处于上升趋势,表明全球变暖对岷江上游水文动态规律具有重要影响.周期性分析发现,在最近40多年间,杂古脑流域径流出现了多次丰枯交替,次数与时间尺度有关(5年尺度7次,10年尺度3次).这表明在流域尺度上研究土地利用/土地覆盖变化的水文效应时应考虑全球气候变化的影响.     

晋西黄土区土地利用对降雨入渗产流模式和优先流分布的影响试验研究

黄土高原退耕还林(草)工程显著改变了河川径流过程,但其作用机制尚不明晰。选取晋西黄土区4种典型下垫面(20年和30年刺槐人工林地、草地、休耕地)分别开展连续3场模拟降雨试验,观测坡面入渗产流过程,并结合染色示踪和图像处理软件技术,分析土地利用类型对坡面降雨入渗产流模式和优先流分布的影响。结果表明：(1)累积入渗量和优先流发育程度均表现为刺槐林地>草地>休耕地,刺槐林地优先流对总入渗的贡献是草地和休耕地的2.5—4.5倍,但优先流贡献均不超过10%,仍以基质流入渗为主。(2)4种用地类型降雨入渗主要补给地表60—70cm土层,前期降雨均匀增加表层土壤含水率,而后期降雨补给深层土壤水分的空间变异性显著增强。(3)刺槐林地产流量及径流系数均显著小于草地和休耕地,且前期含水量对20年刺槐林地的影响较小,而显著影响草地和休耕地径流系数。(4)直径d<1mm的细根显著促进降雨入渗和优先流发育,而d>5mm的粗根与入渗量和基质流量呈显著负相关。较高的土壤初始含水率、容重和粘粒含量会抑制入渗和优先流的发生。研究说明不同土地利用类型将改变降雨入渗产流过程及土壤水运动形式。     

Effects of black locust (Robinia pseudoacacia) on soil properties in the loessial gully region of the Loess Plateau, China

Black locust (Robinia pseudoacacia) has been widely planted in the Loess Plateau for soil and water conservation. The effects of black locust on soil properties has significant role in land use and ecosystem management. However, this beneficial effect has been little studied in the Loess Plateau. The soil properties below black locust and native grass growing in Nanxiaohe and Wangdonggou watersheds, located in the loessial gully region of the Loess Plateau, were studied for changes in soil properties after establishment of black locust. The black locust significantly increased soil cation exchange capacity, organic carbon, total nitrogen, nitrate, and carbon:nitrogen and carbon:phosphorus (P) ratios, as well as some enzymes like alkaline phosphatase and invertase in 0–20 cm or 0–80 cm depths of soil compared to the native grassland in Nanxiaohe and Wangdonggou watersheds. However, the effects on ammonium, total P, and extractable P and potassium were not consistent in both watersheds. There were more obvious differences in soil properties between black locust land and grassland for Nanxiaohe watershed than for Wangdonggou watershed, suggesting that the effects of black locust on most soil properties increase with black locust age. The results indicate that black locust has potential to improve soil properties in the loessial gully region of the Loess Plateau and the improvements were greater in long-term than middle-term black locust stands.     

濂水流域降雨变化和景观格局演变的径流效应

降雨和景观格局是影响流域径流过程的两大主要因素,开展二者的径流效应研究对流域水资源管理、生态建设等具有重要意义。本研究以赣南红壤丘陵区的濂水流域为对象,基于1958—2020年的降雨、径流和土地利用数据,分析降雨、景观格局和径流的变化特征,以及降雨、景观格局与年径流、洪枯径流的关系。结果表明: 研究期间,流域年降雨量、年径流量、年最大1 d径流量均呈非显著下降趋势,年最小1 d径流量呈非显著上升趋势且年际变化幅度最大;有林地为流域内占比最高的景观类型,其他林地的变化最剧烈;景观水平上,流域的Shannon多样性指数、Shannon均匀度指数、斑块密度、景观形状指数分别由1980年的1.125、0.541、0.667、16.925上升至2020年的1.348、0.614、0.731、18.172,景观蔓延度指数由1980年的68.237下降至2020年的64.293,流域整体景观多样性、破碎化程度、形状复杂程度提高,空间分布趋于均匀,连通性降低。降雨量与年径流、洪水径流、枯水径流的相关系数分别为0.907、0.594、0.558;类型水平上,耕地减少对年径流、洪枯径流的影响均较大,而景观水平上的整体变化促进了年径流和洪水径流减少、枯水径流增加。降雨变化和景观格局演变对年径流、洪水径流和枯水径流变化的贡献率分别为17.8%、82.2%,1.5%、98.5%和-8.8%、108.8%。研究成果可为流域景观格局配置、水土流失综合治理等提供理论参考。     

土石山区不同植物土壤水分利用方式对降雨的响应特征

植物的水分利用特征对浅层土石山区的植被恢复具有重要意义.本研究利用稳定同位素技术,通过采集降雨后丹江鹦鹉沟小流域侧柏和玉米的植物样及其植物根系周围的土壤样品,分析其氧稳定同位素特征,研究土石山区侧柏和玉米两种不同植物的土壤水分利用方式对降雨的响应特征.结果表明: 侧柏和玉米的土壤水分利用方式对降雨存在不同的响应特征.侧柏根系主要利用10～30 cm土层的土壤水分,而玉米主要利用0～20 cm土层的土壤水分.降雨量由29 mm减少至8 mm时,侧柏根系的主要吸水深度由20～30 cm减小到10～20 cm,玉米根系的主要吸水深度由10～20 cm转换为0～20 cm.降雨减少时,侧柏根系吸水的主要深度均由深层土壤向浅层土壤移动,而玉米的主要吸水深度由10～20 cm增加为0～20 cm.侧柏和玉米根系的土壤水分利用方式对降雨的响应特征较为明显.     

Rainfall distribution is the main driver of runoff under future CO2-concentration in a temperate deciduous forest

Reduced stomatal conductance under elevated CO₂ results in increased soil moisture, provided all other factors remain constant. Whether this results in increased runoff critically depends on the interaction of rainfall patterns, soil water storage capacity and plant responses. To test the sensitivity of runoff to these parameters under elevated CO₂, we combine transpiration and soil moisture data from the Swiss Canopy Crane FACE experiment (SCC, 14 30–35 m tall deciduous broad‐leaved trees under elevated CO₂) with 104 years of daily precipitation data from an adjacent weather station to drive a three‐layer bucket model (mean yearly precipitation 794 mm). The model adequately predicts the water budget of a temperate deciduous forest and runoff from a nearby gauging station. A simulation run over all 104 years based on measured sap flow responses resulted in only 5.5 mm (2.9%) increased ecosystem runoff under elevated CO₂. Out of the 37 986 days (1 January 1901–31 December 2004), only 576 days produce higher runoff in the elevated CO₂ scenario. Only 1 out of 17 years produces a CO₂‐signal >20 mm a^?1, which mostly depends on a few single days when runoff under elevated CO₂ exceeds runoff under ambient conditions. The maximum signal for a double preindustrial CO₂‐concentration under the past century daily rainfall regime is an additional runoff of 46 mm. More than half of all years produce a signal of <5 mm a^?1, because trees consume the ‘extra’ moisture during prolonged dry weather. Increased runoff under elevated CO₂ is nine times more sensitive to variations in rain pattern than to the applied reduction in transpiration under elevated CO₂. Thus the key driver of increased runoff under future CO₂‐concentration is the day by day rainfall pattern. We argue that increased runoff due to a first‐order plant physiological CO₂‐effect will be very small (<3%) in a landscape dominated by temperate deciduous forests, and will hardly increase flooding risk in forest catchments. Monthly rainfall sums are unsuitable to realistically model such CO₂ effects. These findings may apply to other ecosystems with comparable soil water storage capacity.