彭冲涧小流域植被恢复的水文效应及其对年降水量响应的临界值

对流域径流的变化及其原因的研究,是森林水文研究领域中一个重要的科学问题.本研究以降水充沛的彭冲涧小流域为对象,运用Mann-Kendall检验法对彭冲涧小流域1983—2014年的降水、径流序列进行突变分析;采用经验统计分析法,分析降水变化和植被恢复对小流域径流的影响及其贡献率,并计算年尺度上植被恢复的水文效应对降水量响应的临界值.结果表明: 2003年为降水与径流的一致突变点;相对于基准期(1983—2003年),变化期(2004—2014年)的年降水量、年径流深分别减少8.7%、29.2%,年平均减少幅度分别为12.7、22.1 mm;春、夏、秋、冬季及年尺度上的平均径流深分别减少100.2、105.8、25.2、23.4和243.0 mm,其中,降水变化的贡献率分别为58.9%、71.6%、65.5%、35.0%和57.1%,植被恢复的贡献率分别为41.1%、28.4%、34.5%、65.0%和42.9%;植被恢复的水文效应依赖于年降水量,且临界值为1181 mm.当年降水量小于1181 mm时,植被恢复增加了年径流深;当年降水量大于1181 mm时,植被恢复减小了年径流深.此临界值的存在,将有助于解释不同流域植被恢复对径流影响贡献率的差异性,有助于找到森林对径流影响存在争论和分歧的原因.     

东江流域降水与径流演变趋势及周期特征分析

认识流域水文演变趋势和周期性规律对流域可持续发展规划具有重要的生态意义。基于1989-2011 年东江流域9 个气象站点的逐日降水数据和3 个水文代表站(龙川、河源和博罗)的日径流数据, 分别采用Mann-Kendall 趋势检验和小波分析方法对东江流域降水量和径流量变化趋势和周期特征进行了研究。结果表明1989-2011 年间东江流域年降水量和春冬季节降水量呈不显著的减少趋势, 而夏秋季节降水量有增多的趋势; 位于上、中、下游水文站点的年径流量和枯水期径流量均呈现不显著的下降趋势; 东江流域的降水和径流趋向于更加不均的时空分布特征,其周期性演变趋势的时空特征较一致; 年径流系数的变化幅度极小(Mann-Kendal 倾斜度接近0)。这项研究也将有益于位于亚热带类似的流域森林植被恢复的政策决定。     

黄土高原森林植被对流域径流的调节作用

对黄土高原腹地子午岭典型森林流域与非森林流域年径流变化的对比分析结果表明,森林流域径流年内分配比非森林流域相对均匀,汛期（6～9月）总径流量减少了8.9mm（葫芦河比蒲河）和7.1mm（合水川比东川）,枯季径流与汛期降水及枯水季节降水的回归分析可见,森林植被能将雨季蓄积的部分降水转化为地下径流,增大枯水季节的径流量,但由于黄土区土层深度,植被蒸腾耗水强烈,森林植被对枯水期河川径流的调节作用十分有限,森林植被对10～12月径流总的补枯效应仅为1.69mm（葫芦河比蒲河）和0.5mm（合水川比东川）,对1～4月径流无调节作用,说明森林植被拦蓄的大部分降雨被植物吸收利用,消耗于蒸腾,从而揭示了森林植被对河川径流的削洪补枯效应及其机理。     

海南岛干旱地区昌化江径流变化及影响因素

识别降水量和径流量变化过程及其影响因素对流域生态安全有重要意义。以海南岛干旱区昌化江流域主要控制水文站宝桥站58年(1956-2013年)水文资料为基础, 采用肯德尔秩次相关等统计方法和GIS技术研究流域内降水径流的变化特点及变化原因。结果表明: (1)降水和径流序列均呈缓慢上升趋势, 但2003年后径流序列有明显下降。(2)应用有序聚类分析径流系数跳跃成分, 结果显示1989年和2003年前后发生了较大改变。(3)将1956-1988年作为无人类活动影响的基准期, 建立降水-径流关系, 分析人类活动对径流变化过程的影响, 表明人类活动的间接影响使昌化江径流量减小, 流域植被覆盖率减少使蒸发作用加大, 导致径流量降低。(4)2003-2013年人类的活动影响使得昌化江径流量大幅减少, 其中直接影响减少量63.5 mm, 间接影响减少量为53.7 mm, 总减少量为117.1 mm, 人类活动综合影响对径流量下降的贡献率为13.9%。禁止砍伐热带雨林, 减少种植经济作物对维护流域生态安全尤为关键。     

砚瓦川流域河川基流变化规律及其驱动因素

基流是黄河径流的重要补给来源,目前大部分研究都集中在黄河流域径流变化规律上,而对维持河道基本流量和生态环境安全方面发挥着重要作用的基流却研究较少。因此,基于黄河中游砚瓦川流域1981-2016年的水文、气象及植被资料,选用9种数值模拟法对基流进行分割并分析其适用性,利用Mann-Kendall法和滑动t检验法对基流进行了趋势分析和突变点检验,并定性和定量的探讨了气候变化和植被变化对流域河川基流变化的影响。结果表明：（1）在各种基流分割方法中,Lyne-Hollick滤波法的计算结果精度较高,且分割结果比较符合实际日基流变化规律,因此更适用于研究区的基流估算;（2）流域多年平均河川基流量和基流指数BFI （基流量与河川流量的比值）分别为0.152 m³/s和0.58,两者在年际上均呈现极显著的减少趋势（P<0.01）,且分别于1993年和2006年附近发生了突变;（3）基流量与潜在蒸散发量相关性最强,流域降水量、潜在蒸散发量及NDVI的变化对基流量变化的贡献率分别为-99.1%、113.3%和85.8%,可见潜在蒸散发量和NDVI的增加是引起基流量减少的主要原因,而基流指数与NDVI相关性最强,且呈负相关关系,流域降水量、潜在蒸散发量及NDVI的变化对基流指数变化的贡献率分别为41.3%、-27.7%和86.5%,这说明流域NDVI的增加对流域基流指数的降低起到了主导作用。     

赣南九曲水流域基流变化特征及其对降水的响应

基流是水资源重要组成部分,探究流域基流变化特征及其对降水的响应,对优化流域水资源配置具有重要意义。本研究基于赣南九曲水流域1982—2019年逐日降水、径流观测资料,运用数字滤波法、交叉小波变换及累积量斜率变化率比较法等,分析了基流变化特征,探讨了基流对降水的时滞效应,并计算了降水对基流变化的贡献率。结果表明: 研究期间,九曲水流域年基流深和年基流指数变化趋势均不显著,年均值分别为384.21 mm和0.44;春、夏季基流深大于秋、冬季,基流指数则与之相反。年降水量控制着年基流深的动态变化,春、夏季降水对基流深的作用强于秋、冬季;年及春、夏、秋、冬季基流滞后降水的时长分别为3.5～10.3、1.5～8.5、2～10、2～13和5～20.5 d,年均滞后时长依次为6.4、4.9、5.3、6.8和10.8 d。年基流深在1992年发生突变,降水对基流变化的贡献率为68.2%,其他因素对基流变化的贡献率为31.8%。本研究成果可为南方红壤区评价流域的森林水文效应、保障河流的水生态安全提供科学依据。     

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。     

应用SWAT模型研究潮河流域土地利用和气候变化对径流的影响

为定量分析潮河流域土地利用和气候变化对流域径流变化的影响,应用SWAT模型对流域上游至下游的大阁、戴营和下会3个水文站径流进行模拟,采用情景法分析径流对土地利用和气候变化的响应。在模型校准期和验证期采用两个参数:p因子和r因子来评价模拟的拟合度及不确定性。结果表明,3个水文站在校准期和验证期的p因子值分别为:0.70和0.77,0.87和0.82,0.92和0.78,r因子值分别为0.63和0.90,0.97和0.79,0.88和0.92,评价整个流域模拟有效性的模型目标函数g最佳值为0.66,说明该模型对潮河流域的产水量模拟具有很好的适用性。以1981—1990年为基准期,1991—2000年流域土地利用变化造成年径流量减少了4.10 mm,而气候变化导致年径流增加了29.68 mm;2001—2009年土地利用变化造成年径流量减少2.98mm,气候变化造成年径流量减少了14.30 mm。与1999年土地利用条件模拟径流值相比,几种极端情景法模拟分析结果表明:灌木林地情景下年径流增加了158.2%,草地情景下年径流增加了4.1%,林地和耕地情景下年径流分别减少23.7%和41.7%;不同气候变异情景模拟结果显示,径流对降水的变化敏感性高于对温度变化的敏感性,降水每增加10%,径流平均增加23.9%。温度每增加12%,径流平均减少6%。因此,在气候变化背景下,优化土地利用结构与方式是实现流域水资源科学管理的途径之一。     

基于Budyko假设的渭河径流变化归因识别

定量评价河川径流量变化特征,开展其归因识别研究是制定气候变化应对策略与合理利用水资源的基础。以渭河流域为研究区,采用Mann-Kendall趋势检验法、双累积曲线等方法分析渭河流域1958—2015年的气候、水文要素变化特征,采用基于Budyko水热耦合平衡理论的水量平衡法估算径流变化对各驱动因素的弹性系数,定量评价气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。结果表明:渭河流域咸阳、张家山、状头站的年径流量呈显著减少趋势,径流深减少速率分别为:-1.520、-0.501、-0.322 mm/a。3个站控制流域面平均降雨量呈非显著性减少趋势,年潜在蒸散发呈非显著增加趋势。剧烈的人类活动如工农业用水、大规模水土保持措施的实施及退耕还林草等引起的下垫面变化是径流量减少的主要因素,渭河干流和泾河流域下垫面变化对径流减少的贡献率均超过了60%,降雨变化贡献次之,潜在蒸散发的影响最小。     

长江上游森林影响流域水文过程模拟分析

用森林流域水文模型(FCHM)模拟分析长江上游森林植被变化下的平通河流域和刘家河流域森林水文过程。可知随着两个流域森林覆盖率(FR)的提高,林冠截留量的增加和土壤入渗能力的改善,使得径流成分比例也随之发生变化,地表径流Rf逐渐减少,快速流转换为慢速流,因此延迟了流域降水汇流时间,洪峰流量得以削减。以平通河为例,当该流域全部被森林覆盖以后,则流域百年一遇的设计洪水标准可由非森林地时的4520m3/s降到3380m3/s,因此森林的存在可大大提高流域的防洪能力;而两个流域又由于区域结构等条件的不同,使得流域径流成分所占比例不同。其中平通河流域径流成分主要以浅层径流Rs和深层径流Rp为主,而刘家河流域径流成分主要以壤中流Ri为主,且都随森林覆盖的增加而有所增加。不同的径流成分为流域蒸散发带来了不同的水分条件,因此流域蒸散发量随着森林覆盖率的增加各有不同的变化趋势。其中平通河流域随着森林覆盖率的增加,流域蒸散发总量将由非森林地时候的373.3mm减少至289.3mm,根据水量平衡原理,该流域径流总量则会增加,呈流域径流正效应(23.7%);而后者流域则相反,随着森林覆盖率的增加,流域蒸散发总量反而会逐步增加,则流域径流总量会随之减少,呈流域径流负效应(-8.6%)。     

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。     

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。     

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。     

黄土高原不同植被覆盖对流域水文的影响

以山西省吉县蔡家川流域为对象,研究了植被覆盖类型对流域水文的影响.结果表明:不同植被覆盖的流域年径流系数分别为:林地流域1.6%～2.3%,以农、牧为主的流域3.1%～3.9%;各流域基流系数差异显著,人工林流域为零,次生林为主的流域1.0%～1.5%,以农、牧为主的流域2.5%～2.8%;在雨季人工林流域的径流总量是次生林流域的3.37倍、农地流域的1.9倍,而农地流域的基流量是次生林流域的2.2倍;短历时高强度降雨条件下,人工林流域、次生林流域地表径流量分别是农地流域的10.8倍和2.2倍;在历时较长的暴雨条件下,人工林流域单位面积上的洪峰流量是农地流域的3.4倍,次生林流域的6.9倍;在长历时、大雨量条件下,农地流域的径流量是次生林流域的1.8倍.水平梯田的水源涵养功能与次生林植被相当,次生林植被的水源涵养功能远好于人工植被,在水资源短缺的黄土高原应提倡植被的自然恢复.     

中国重要生态系统保护和修复工程区域植被覆盖时空变化研究

植被覆盖变化是气候变化和生态环境变化的双重指示器,如何量化全国尺度植被变化、评估生态修复成效,成为当前陆地表层生态系统研究领域共同的科学问题。利用2000—2020年的植被覆盖度(FVC)数据,采用增幅变化分析、Theil-Sen Median趋势分析、稳定性分析方法,对中国六大重要生态系统保护和修复工程区域的自然植被覆盖度本底和时空变化特征进行了研究,并对不同区域植被覆盖度变化与气温、降水的相关性进行了分析,以期掌握我国生态系统保护和修复“家底”。结果表明：(1)2020年,六大区域平均植被覆盖度为27.66%,2000—2020年,黄河重点生态区、北方防沙带和青藏高原生态屏障区增幅分别为54.4%、34.6%和21.8%,是全国范围平均植被覆盖度增幅的1.04—2.59倍;长江重点生态区、东北森林带和南方丘陵山地带增幅分别为18.0%、13.7%和12.9%,均低于全国增幅,我国西北方较南方改善更明显。(2)2000—2020年,六大区域植被覆盖度变化总体呈增加趋势。黄河重点生态区、东北森林带、南方丘陵山地带和长江重点生态区增加区域面积占比均超过60%,北方防沙带和青藏高原生态屏障...     

2000—2019年宁夏植被净初级生产力时空变化及其驱动因素

宁夏是我国重要的农牧交错区,开展该地区植被净初级生产力(NPP)时空变化及其驱动因素研究对于认知该地区NPP变化趋势及主导因素、揭示其植被恢复状况及成因具有重要作用。本研究基于MODIS NPP数据,利用Theil-Sen Median趋势分析、相关分析、叠加分析等方法分析宁夏植被NPP的时空变化及驱动因素。结果表明: 2000—2019年,宁夏植被NPP总体呈波动上升趋势,其线性增长速度为5.46 g C·m^-2·a^-1。研究区植被NPP在空间上呈现两高两低的分布特征,以南部山区最高,其次为引黄灌区,中部干旱带丘陵区和贺兰山一带最低。研究区84.2%的植被NPP处于显著恢复中,主要分布在中部及南部山区丘陵地,植被NPP随海拔变化显著,受地形影响明显。宁夏植被NPP重心总体向正南方向移动,南部植被NPP的增量和增速大于北部。宁夏地区年降水量呈增加趋势,年均温微弱降低,植被NPP主要受降水量的显著影响(R²=0.291),年均温与植被NPP相关性不显著。研究区96.9%的区域处于植被恢复状态,受气候变化和人类活动共同促进。     

泾河流域植被覆盖时空演变及其与降水的关系

在当前全球变化和人类活动剧烈影响下, 研究黄土高原植被覆盖的发展趋势及其与主要限制因子的关系, 对黄土高原退化生态系统的恢复和区域生态环境评价有着重要意义。我们利用GIMMS-NDVI数据和长期降雨数据, 对黄土高原中部泾河流域22 a的植被覆盖时空演变及其与降水的关系进行了研究。结果表明, 1)1982~2003年, 泾河流域植被覆盖整体呈微弱的增加趋势, 并在空间上表现出一定差异。植被覆盖增加的地区约69.62%, 其中显著增加的地区16.61%, 主要分布在泾河流域的中西部和下游小流域, 显著下降的地区约1.65%, 主要分布在泾河流域上游及周边地区; 2) NDVI与降水极显著相关。年NDVI随年降水服从对数分布, 生长季(4~11月)NDVI比降水滞后1个月; 3) 泾河流域降水利用效率不稳定变化, 土地退化状况未见有效改善, 并且泾河流域降水利用效率随降水量的增加而降低, 值得探索。