流域径流泥沙对多尺度植被变化响应研究进展

植被变化与流域水文过程构成一个反馈调节系统,是目前生态水文学研究的重点对象.由于植被自身的生长发育以及受自然因素和人为干扰的作用,植被变化具有多尺度性;由于受流域水文环境的异质性和水文通量的变化性的影响,流域水文过程也同样具有多尺度性.因此,只有通过对不同尺度生态水文过程分析,才能揭示流域径流泥沙对植被变化的响应机理.从不同时空尺度回顾了植被生长、植被演替、植被分布格局变化、造林以及森林经营措施等对流域径流泥沙影响的主要研究成果;概括了目前研究采用的3种主要方法,即植被变化对坡面水流动力学影响的实验室模拟、坡面尺度和流域尺度野外对比观测实验以及水文生态模型模拟方法;分析了植被变化与径流泥沙响应研究要考虑的尺度问题,从小区尺度上推至流域尺度或区域尺度时应考虑不同的生物物理控制过程.研究认为,要确切理解植被与径流泥沙在不同时空尺度的相互作用,必须以等级生态系统的观点为基础,有效结合生态水文与景观生态的理论,从地质-生态-水文构成的反馈调节入手,系统地理解植被变化与径流泥沙等水分养分之间的联系及反馈机制,建立尺度转换的基础.同时,作为有效的研究工具,今后水文模型的发展应更加注重耦合植被生理生态过程以及景观生态过程,从流域径流泥沙对多尺度植被变化水文响应的过程与机制入手,为植被恢复与重建、改善流域水资源状况和流域生态环境奠定基础.     

森林流域生态水文过程动力学机制与模拟研究进展

水文过程是联系气候变化和森林生态系统时空变化的关键因素．未来的气候变化和人类大尺度活动将影响森林流域生态系统与水文过程的变化,森林流域生态与水文过程耦合、生态系统水文过程动力学机制研究在认识和调控生态资源及其合理利用、区域生态恢复,以及社会经济可持续方面均具有重要意义．森林流域生态系统中的水文过程可分为降雨截留、蒸散和产汇流过程．森林流域生态与水文耦合过程边界条件的确定,土壤表面特定水文过程的参数化,降雨、土壤水分运动和植被的动态耦合作用,分布式模型的应用以及森林生态水文过程动力学机制与调控等将是今后生态水文动力学过程研究的重点,综述了森林流域生态水文过程动力学机制与调控的研究进展。     

黄土高原生态水文过程研究进展

以黄土高原水文过程为主线,围绕水资源短缺、水量分布不均衡、水文过程的复杂性和非稳态等特性,梳理了黄土高原水文过程的主要现状及研究进展,包括水资源分布、水量平衡和水文循环等过程;融合生态水文尺度效应,从土壤、微生物、植物冠层、坡面、流域和景观等方面归纳和总结了黄土高原生态水文过程;针对该区生态水文过程的时空异质性,提出未来更需要通过多学科交叉与融合手段,加强宏观与微观过程的集成与联网研究;采用多尺度、多要素、多时空的综合观测与模拟手段,定量重要生态功能区水分承载力及生态阈值;从生态学和水文学方面揭示不同时空尺度下水分转移与分配特征;为解决黄土高原水资源的宏观调控与最优分配模式提供理论基础。     

森林对水文过程影响研究进展

根据森林对水文过程的影响,森林水文学研究可以分为3个相互关联的方面：森林植被变化影响水量和水质定位试验研究;森林植被变化对水文循环机制的影响;旨在为资源管理和工程建设提供决策依据的基于物理过程分布式参数森林水文模型开发,定位试验研究不仅可以为森林水文模型参数化提供第一手资料,同时也可以揭示森林植被影响径流形成机制和进行径流成份的分割,径流形成机机制的研究则有助于改善基于物理过程模型的开发,模型研究反过来又可以为改进试验研究和径流形成机制研究提供指导。本文对以上3个方面的国内外研究进展进行了较为系统的概括。     

高山峡谷地区森林流域分布式降雨-径流模型的构建与验证

根据岷江上游杂谷脑河流域典型的高山峡谷地区主要水文特点,选择通用性较强的水文过程模式,构建高山峡谷地区森林流域分布式降雨-径流过程模型,避免过多复杂的区域性模型参数率定,保证模型在相似地区的可移植性;并选择杂谷脑水文站上游地区进行降雨-径流过程模拟,得到1999年和2000年模拟时段长度为1000 h的两个径流过程,对模拟与实测的径流过程、累积径流量、洪峰流量与峰现时间等进行比较,其拟合效果较好.该模型结构简单,引入的经验参数较少,可推广应用到其它尺度流域.     

基于SWAT模型的祁连山区最佳水源涵养植被模式研究——以石羊河上游杂木河流域为例

以西北干旱区祁连山系杂木河流域为研究区,应用分布式水文模型(SWAT)对该流域的径流进行模拟研究,探讨了流域尺度和微地形尺度7种不同植被组合模式下水文响应特征。结果表明:流域尺度上,单一植被模式在水分收支各分支中能够明显加大流域总蒸散发量,减少流域出山径流量,增加流域的水分蓄变量,为水资源的可持续供给带来时间变异;组合模式明显改善流域水分收支比例,适度减弱流域蒸散发量,增加流域出山径流,为水资源可持续供给提供恒量保证,减弱局地的水资源时间变异程度;微地形尺度上,各种景观类型的水文效应随着海拔高度变化基本一致,径流深随着海拔高度的增加而减小,蒸散发随着海拔高度的增加而增加。不同高度分级中,植被组合模式的不同导致在不同坡度条件下水文效应差异显著,40°坡度是水文效应变化规律发生变化的一个拐点。基于上述分析,提出祁连山区最佳水源涵养效应的生态模式。     

SWAT模型辅助下的生态恢复水文响应——以陇西黄土高原华家岭南河流域为例

生态环境问题受到了日益广泛的关注,生态恢复也在各地蓬勃开展,但生态恢复工程的开展迫切需要相关理论研究的指导.采用假定生态恢复情景的方法,在遥感和地理信息系统的支持下,利用分布式水文模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool)对陇西黄土高原的典型流域--华家岭南河流域进行了多种生态恢复情景模型的设计,并模拟了不同生态恢复情景下径流和蒸散发的响应情况.得出:在南河流域草地比森林植被涵养水源的作用更强,模拟年均径流深比林地低9.1%,而蒸散发却高2.2%,所以南河流域生态恢复过程中种草是十分必要的.结果同时表明,应用SWAT模型进行流域尺度的生态恢复水文响应研究是可行高效的.     

水文过程及其尺度响应

水文循环机制涉及到各个尺度界面的水文过程关系.水文变量(降雨、径流等)随时间和空间变化很大,是与尺度响应的非线性过程.尺度转换是建立合适的参数去描述这些过程, 涉及到如何穿越不同尺度约束体系(水文过程)的限制.基于对水文响应及其尺度转换认识所建立起来的现行水文模型的主流是还原分析方法,采用小尺度演绎方法,过度参数化成为习以常规,导致无资料流域预测结果的很大不确定性.因此,尺度转换是水文过程研究所面临的主要难点和热点问题.水文模型只有建立在对尺度相关的水文过程深刻理解基础上,对于预测水文响应才是有效的.预测径流在时间和空间的结果是根据径流系统穿越尺度过程的动态分析得出的,把尺度分析转变于水文变量的谱分析,即通过水文变量的谱相分析,认识发生在不同尺度范围内潜在的秩序和规律,研究他们形成的机制,寻求决定水文过程规则的通用表达方式,开发尺度转换的方法.     

森林生态系统水文调节功能及机制研究进展

本研究从森林生态系统的水文过程出发,介绍了其相关概念及发展史,总结了目前森林生态水文学的研究成果,对森林生态系统不同界面层(林冠层、枯落物层及土壤层)的水文过程、影响因素及生态水文模型等方面的国内外研究进展进行了系统的阐述,同时也对森林生态系统的水土保持、水质净化和物质循环过程进行了归纳和总结。目前的研究还需要从以下几方面加以深入:(1)森林生态系统不同界面层(林冠层、枯落物层及土壤层)功能性状与环境因子对流域水分储蓄、循环、入渗与产流过程的影响及其机理;(2)森林生态系统水土保持、水质净化、元素循环三者之间耦合机制方面的研究;(3)森林生态系统的水文过程与能量流动、物质循环之间的相互关系;(4)在时间尺度和流域尺度上研究森林生态系统生态水文过程的变化情况。因此,今后的研究应加强对森林生态系统多学科、多尺度的综合研究,同时要结合现代高新技术方法来研究不同植被类型的功能性状对水文过程的影响及其机制,为森林生态系统的管理提供科学依据。     

黄河三角洲横向水文结构连结空间尺度变异性分析

水文连通是影响滨海湿地生态和水文过程的基础要素之一。引入无标度网络模型改进已有横向静态水文连通参数化方法,将其应用于较大尺度（100 hm²）量化黄河三角洲滨海湿地的水文连通,并结合已有研究结果分析3个尺度（1 m²,100 m²和100 hm²）水文连通的空间变异性。研究结果显示,潮间区和生态补水区的水文连通较强,3个尺度的空间变异性主要来自于水文连通指数较高的样点;盐沼区和河滨区相对较弱,空间变异性主要来自于水文连通指数较小的样点,且大尺度水文连通空间变异性相对中尺度和小尺度更高。小尺度和中尺度方法描述了一个样地与周边较小范围的空间区域土壤水分连通状况,在大的潮汐或补水条件下不同区域各个样地倾向于保持一致;而大尺度方法则侧重于描述区域内的水文过程,这是导致尺度差异的根本原因。     

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。     

Towards an Improved Conceptualization of Riparian Zones in Boreal Forest Headwaters

The boreal ecoregion supports about one-third of the world’s forest. Over 90% of boreal forest streams are found in headwaters, where terrestrial–aquatic interfaces are dominated by organic matter (OM)-rich riparian zones (RZs). Because these transition zones are key features controlling catchment biogeochemistry, appropriate RZ conceptualizations are needed to sustainably manage surface water quality in the face of a changing climate and increased demands for forest biomass. Here we present a simple, yet comprehensive, conceptualization of RZ function based on hydrological connectivity, biogeochemical processes, and spatial heterogeneity. We consider four dimensions of hydrological connectivity: (1) laterally along hillslopes, (2) longitudinally along the stream, (3) vertically down the riparian profile, and (4) temporally through event-based and seasonal changes in hydrology. Of particular importance is the vertical dimension, characterized by a ‘Dominant Source Layer’ that has the highest contribution to solute and water fluxes to streams. In addition to serving as the primary source of OM to boreal streams, RZs shape water chemistry through two sets of OM-dependent biogeochemical processes: (1) transport and retention of OM-associated material and (2) redox-mediated transformations controlled by RZ water residence time and availability of labile OM. These processes can lead to both retention and release of pollutants. Variations in width, hydrological connectivity, and OM storage drive spatial heterogeneity in RZ biogeochemical function. This conceptualization provides a useful theoretical framework for environmental scientists and ecologically sustainable and economically effective forest management in the boreal region and elsewhere, where forest headwaters are dominated by low-gradient, OM-rich RZs.     

鼎湖山季风常绿阔叶林某些沉积元素转移过程中的浓度分析

对鼎湖山大气降水、季风常绿阔叶林林冠穿透水、土壤水(30cm和80cm深)以及溪水中某些沉积元素进行了系统连续的观测研究,从沉积元素的转移过程阐明了鼎湖山自然保护区和季风常绿阔叶林所承受的环境压力,通过分析沉积元素在这些水文学过程中的浓度变化和相互联系,试图揭示该生态系统相应功能过程变化的规律。得到如下结果：(1)大气降水中的Pb含量远远高于穿透水、土壤水(30cm和80cm深)以及溪水中的含量,随着水分由输入向输出流动,Pb的浓度逐渐降低;(2)在大气降水、林冠穿透水、土壤水(30cm和80cm深)以及溪水中,Al离子的浓度逐步增加;(3)除Pb外,所有其他元素(Al、Mn、sr、Mg、Na、K和Ca)在土壤溶液中的浓度都高于5个水文过程的平均值;(4)Mn、K、Ca的输入和输出的浓度都不高;(5)Na和Mg在土壤水和溪水中的浓度超过5个水文过程的平均值。这表明：(1)鼎湖山的大气具有高浓度的Pb含量,而且Pb在季风常绿阔叶林系统中处于一个持续的积累过程;(2)酸性降水不仅活化了土壤中的Al元素,对各个水文学过程中的离子浓度也有增大的作用;(3)Na和Mg在当前的大气环境下有可能加速地从季风常绿阔叶林生态系统中淋洗出来。总之,由于酸雨和大气污染的影响,鼎湖山森林生态系统将处于不稳定状态。     

鼎湖山季风常绿阔叶林的水文学过程及其氮素动态

 本文对鼎湖山南亚热带季风常绿阔叶林—黄果厚壳桂(Cryptocarya coneinna)、鼎湖钓樟(Lindera chunii)群落的水文学过程以及水系统中的氮素动态特征进行了初步研究。结果显示：所研究的群落中雨水输入的氮量较高,达35.57kg·ha-1,但渗入土壤及地表径流输出的氮也多,分别为18.28和9.25kg·ha-1·yr-1,输入输出之差为8.04kg·ha-1·yr-1。雨水对林冠的氮素淋溶量为4.72kg·ha-1·yr-1。通过回归分析,发现各类型水中含氮量与降雨量之间存在较显著的直线相关关系。不同树种的树干茎流中氮浓度存有差别。     

森林生态系统水源涵养服务功能解析

森林水源涵养功能作为森林生态系统服务的一个重要方面,在国内的研究已有数十年的历史。多数研究中将森林水源涵养功能狭义地等同于森林对降雨的拦蓄能力或对径流的调节能力,而忽略了其对各水文过程的整体性作用以及对气象和土壤因子的综合性影响。此外,在不同研究区域中,对于森林水源涵养功能的理解和研究方法往往一概而论,并未考虑研究区域的自然条件特性和社会经济特征,这使得研究结果的区域针对性不足,限制了对其进一步的应用推广。针对上述问题,在全面分析森林水源涵养的含义和特征之后,定义了不同区域的水源涵养功能内涵和主导服务,并给出了不同区域森林水源涵养功能的适宜计算方法,以期为不同区域森林水源涵养功能的全面提升和水源涵养林生态修复工程提供科学依据。     

水文变异条件下鄱阳湖流域的生态流量

受气候变化和人类活动综合影响,鄱阳湖流域水文状况发生变异。河流生态系统适应了变异前的水文状况,变异后势必会影响当地生态系统。基于此,采用8种变异检测方法对水文变异进行综合诊断,阐明水文变异原因。在此基础上,采用15种概率分布函数分别拟合5站各月变异前日流量序列,最终确定5站点各月最优分布函数及所对应的概率密度最大处的流量,即得河道内生态流量。研究表明:(1)抚河于1962年发生弱变异,赣江、修河于1968年发生中变异,信江、饶河于1991年发生弱变异;(2)变异后,赣江、信江、饶河、修河生态需水满足率平均上升11%,抚河生态需水满足率下降32%;(3)水文变异增加提高生态需水满足率,水利工程建设降低年均生态需水满足率、提高干季生态需水满足率。高森林覆盖率提高干季生态需水满足率,对年均生态需水满足率影响不明显。研究结果为鄱阳湖流域水资源管理及区域水资源规划与配置提供重要科学依据。     

武夷山不同林龄甜槠林水文学效应的比较研究

对福建省武夷山自然保护区境内不同林龄甜槠林的水文学效应的比较研究表明,由甜槠林幼林至成熟林,其水文学效应逐渐增强,杯冠截流雨量、地表枯枝落叶持水能力、林地土壤水分稳渗率、蓄水能力等指标值随林龄的增长而增加;地表径流量与地下渗流量则呈下降的趋势．这说明成熟的森林植被-土壤系统在调节气候、涵养水源和保持水土等方面具有独特的作用和巨大的效能．     

基于修正的转移概率方法进行城市景观动态研究——以南昌市区为例

利用南昌市1988～2000年期间5个时段的TM卫星影像数据编制了景观组分类型图,并通过叠图分析统计了全部组分类型在4个比较时段的转移概率矩阵。在此基础上构建了组分转入、转出贡献率和特定转移过程贡献率等3个动态分析参数,对南昌市的景观动态变化特征和驱动机制进行了研究。结果显示,城市化引发的建设用地规模急剧膨胀是工作区内景观结构在研究时段内急剧调整的主要原因;农业经营的稳定性需要作为一种重要驱动因素,在农业用地大量流失的同时,使其它景观组分向农田转移成为优势性转移过程类型;地形和水文变化对于林地和水体等组分变化具有次要约束性影响,但对于一些特定优势转移过程的出现则具有决定性作用。研究结果还证实了所提出的3种基于组分转移概率矩阵的量化参数在景观动态变化特征和驱动机制研究中的合理性和有效性。