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。     

基于分布式水文模型的水源涵养不同功能评估方法——以渭河涵养区为例

为了实现水源涵养量计算和不同功能的综合评估,基于分布式水文模型(WEP-L)提出了一种新方法,即利用WEP-L模型计算次降水过程中降水量和地表产流、冠层截留量的差值作为水源涵养量,并分别评估削洪(地表径流量)、补枯(地下径流量)、维持植被生态系统用水(植被蒸腾量)等不同水源涵养功能的评估方法。为了验证该方法的合理性,以渭河流域咸阳站以上区域为例,对比了该方法和InVEST模型方法的计算结果,由于两种方法在评估内容和使用模型上都存在差异,为了保证计算结果的可比性,先对比了基于相同评价内容的WEP-L模型法I和InVEST模型方法,再对比了基于不同评价内容的WEP-L模型法I和WEP-L模型法II,结论如下:基于相同评价内容的WEP模型法I和InVEST模型法计算结果数值接近,研究区2000-2018年水源涵养量年均值分别为12.43 mm(5.76亿m³)和12.08 mm(5.6亿m³),两种方法所得结果空间分布特征相似,稍有差异之处与InVEST模型的参数没有经过本地化处理有关;基于不同评价内容的WEP-L模型法Ⅰ和WEP-L模型法II计算结果数值相差较大,研究区2000-2018年水源涵养量均值分别为12.43 mm和432.57 mm,空间分布特征上有差异的地方分布于研究区的北部、东部及东北部,主要与两种方法评价时是否考虑蒸散发有关。WEP-L模型法II评估结果中削洪、补枯、维持植被生态系统用水等功能多年变化趋势分别为:2006-2010年期间增加、2012年以后下降以及增加。2012年后补枯功能和维持植被生态系统用水功能之间可能存在权衡关系。通过不同方法计算结果差异原因分析,证明了基于WEP-L模型的不同涵养功能评估方法的合理性,其结果也可为渭河涵养区水资源和生态保护策略的制定提供更多依据。     

天山中部云杉天然林水源涵养功能定量评估——以乌鲁木齐河流域为例

为定量分析天山中部流域尺度云杉天然林水源涵养功能,以乌鲁木齐河流域为研究区,使用In VEST模型,研究云杉林及其它主要地类水源涵养量的大小,并对云杉林在不同分布面积、不同地形因子条件下的水源涵养量变化进行定量分析。结果表明:(1)In VEST模型可较好的确定研究区流域尺度水源涵养量。基于In VEST模型的模拟,乌鲁木齐河流域云杉林区水源涵养总量为4.93×10~6m~3,占研究区水源涵养总量(2.41×10~7m~3)的20.46%,林区平均水源涵养深度为54.25 mm;(2)云杉林区水源涵养量的大小在海拔、坡度、坡向上的变化与云杉林空间分布格局一致,每公顷水源涵养量随海拔升高先增大后降低、随坡度增大而降低;阴坡水源涵养能力最强;(3)研究区各地类中以林地水源涵养量最大(水源涵养量544.78 m~3/hm~2),随着云杉林覆盖率的不断增加,水源涵养总量、平均水源涵养深度及单位面积涵养量均呈增加趋势;(4)研究区水源涵养量的贡献率与森林面积密切相关,云杉林面积每增加1%,研究区与云杉林区水源涵养总量分别增加0.437×10~6m~3、0.522×10~6m~3;加强对研究区云杉林的保护与抚育管理,才能使森林发挥持续稳定的水源涵养生态服务功能。     

WASSI-C生态水文模型响应单元空间尺度的确定——以杂古脑流域为例

模型基本单元空间尺度的确定是大尺度生态水文模型应用的前提, 也是提高模型模拟精度的关键。该文以长江流域岷江上游的杂谷脑河上游流域为例, 通过设置最小流域面积阈值, 构建不同的水文响应单元划分方案, 探讨生态水文模型WASSI-C响应单元的最佳空间响应尺度。结果表明: 模型响应单元空间尺度的变化对模型精度有显著影响, 模拟效果存在随响应单元划分面积阈值增加先提高再稳定的趋势, 面积阈值小于85 km²时, 模型的模拟效果较好。此外, 面积阈值小于85 km²时, 模型模拟的水、碳循环变量验证的拟合相关性系数和效率系数均趋于稳定, 因此可以将模型水文响应单元流域划分的面积阈值确定为85 km²。基于这一尺度的模拟与验证研究, 分析了WASSI-C模型中关键变量设置对模拟结果的影响。     

降水量和温度对植被覆盖指数影响的空间非平稳性特征——以新疆伊犁河谷地区为例

多变量空间相关分析多基于时间序列数据,对数据时长与统计要求严格,空间非平稳性特征分析可以利用单期数据分析多变量之间的相关性。通过空间变系数回归模型分析了2006年和2011年的新疆伊犁地区降水量和温度对植被覆盖度指数影响的空间变化特征,利用局部线性地理加权回归(GWR)方法估计得到了回归系数曲面,揭示出变量间相互影响的空间异质性,同时利用线性回归最小二乘估计进行了对比。结果表明:(1)空间变系数回归模型可以用于变量间的空间相关分析;(2)局部线性GWR估计方法明显优于线性回归最小二乘估计;(3)拟合结果表明,伊犁地区降水量和温度对植被覆盖指数的影响具有显著的空间非平稳性特征;(4)模型估计误差是降水、气温之外的地形、地貌及人类活动等多种因素造成的,需进一步研究。方法可为具有空间非平稳性特征变量间空间相关性分析以及植被覆盖指数的空间模拟分布提供思路和方法。     

亚高山森林自然与人工恢复对土壤涵水能力的影响

西南亚高山原始针叶林被大规模采伐后,在皆伐迹地上营造了大量云杉林进行人工恢复。但关于这些人工林的土壤涵水能力如何,一直没有系统深入的研究与评价。选择川西米亚罗林区系列不同林龄云杉人工林(20 a、30 a、40 a、70 a)为对象,以相邻同龄自然更新恢复的针阔混交林为对照,比较人工林土壤涵水能力随着演替进程的动态及其与自然恢复次生林之间的差异,结合人工与自然恢复后的林地特征(如细根生物量、凋落物储量和土壤有机碳等)和土壤物理结构参数等差异,阐释自然与人工恢复后土壤涵水能力差异的影响因素。结果显示:随着人工林演替,土壤0—40 cm层最大持水量随林龄的增加而降低,但变化不显著,从20年的2200 t/hm~2下降到70年的2138 t/hm~2,年平均下降速率为1.24 t/hm~2;然而在自然次生林中,土壤最大持水量随着林龄的增加呈现出波动式变化,从20年的2142 t/hm~2增加到40年的2565 t/hm~2,到70年又下降为2302 t/hm~2。通过土壤持水特性与林地凋落物贮量、细根生物量和土壤物理结构参数的相关分析表明,由不同恢复途径导致的林地土壤有机碳含量、凋落物特性及细根差异,进而改变土壤物理结构是影响土壤持水性能差异的主要因素。这些结果说明,从土壤持水量角度考虑,在对采伐迹地进行造林恢复时,应尽量避免营造结构单一、高密度的人工纯林,应选择营造针阔混交林的模式进行恢复。     

Aboveground biomass dynamics of subalpine old-growth forest in the upper reach of the Minjiang River

Biomass estimation of old-growth forests in the upper Minjiang River (UMR) is important in quantifying carbon (C) sequestration and C sink size because majority of the natural forests in UMR are mature or over-mature. Based on the forest resource data from 27 fixed sampling plots that have been surveyed consecutively, the dynamics of the aboveground biomass density (AGBD) were characterized by the allometric relationships, and the space-time variations of the C sink size in the sub-alpine old-growth forests of UMR were explored. Our results showed that 1) the net increase in AGBD was (27.311 ± 15.580) Mg·hm^?2 and the mean annual growth rate and mean annual death rate were (1.930 ± 1.091) and (2.271 ± 1.424) Mg·hm^?2·a^?1 during 1988–2002, respectively. 2) The aboveground biomass (AGB) largely depended on the growth and death rates of the trees with different diameters at the breast height (DBH) classes and the recruitment rate from one DBH class to another as well. The largest increment component of AGB came from the DBH class of 20 to 40 cm, whereas the minimum increment component of AGB was above 80 cm in DBH. The net negative increment of AGB occurred at DBH classes of 40–60 and 60–80 cm. 3) There were space-time variations of AGB in the alpine old-growth forests, indicated by AGB changing over time in the same sampling plot and varying among the locations or plots during the same sampling period. These variations were not only reflected in numerical value but also in positive or negative biomass increment.     

萘对川西亚高山森林土壤呼吸、养分和酶活性的影响

萘作为土壤动物化学抑制剂已在土壤动物生态功能的研究中广泛使用,但其非目标效应使其应用仍存在很大的不确定性.为了了解在亚高山森林土壤应用萘抑制土壤动物群落是否存在非目标效应,以青藏高原东缘的川西亚高山森林土壤为研究对象,采用微缩试验研究了萘对土壤呼吸速率、养分含量和酶活性的短期影响.结果表明: 萘处理显著抑制了培养0～10 d的土壤呼吸速率,随后(24～52 d)表现出明显的促进作用.萘处理显著影响了土壤铵态氮和硝态氮含量的动态变化,萘处理铵态氮和硝态氮含量分别以培养的3和17 d最高,对照则以培养的45 d和结束时的52 d最高.萘处理土壤可溶性碳含量在培养3 d急剧增加后迅速降低,对照则略有升高后降低,而萘处理和对照的可溶性氮含量均表现为先升高后降低.萘处理和对照的土壤酶活性均具相似的动态规律,两者的脲酶、硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性分别在培养45、38和10 d至最高.萘处理和采样时间的交互作用显著影响了土壤呼吸速率,以及土壤铵态氮、硝态氮和可溶性氮含量,但对可溶性碳含量、蔗糖酶、硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性的影响不显著.萘作为驱虫剂的非目标效应可能在短期内对川西亚高山森林土壤的氮循环过程产生强烈的影响.     

川西亚高山森林木质残体及其附生苔藓持水特性

木质残体及其附生苔藓是森林生态系统的基本结构,在水源涵养、水土保持、生物多样性保育、碳和养分循环等方面具有重要作用。然而,有关亚高山森林木质残体及其附生苔藓的水源涵养功能研究尚未见报道。因此,以川西亚高山针叶林区紫果云杉原始林、岷江冷杉原始林、方枝柏原始林等8种典型森林类型为研究对象,调查研究了木质残体及其附生苔藓持水能力随林型、腐烂等级和径级的变化特征。结果表明：（1）亚高山针叶林木质残体饱和储水量在林型之间变化显著。其中,紫果云杉原始林具有最大的饱和储水量（22.06 mm）,柳树次生林木质残体饱和储水量最小（4.55 mm）,但林型之间木质残体饱和持水率的差异不显著。（2）不同林型的附生苔藓持水能力具有显著差异。其中,紫果云杉原始林木质残体附生苔藓饱和储水量最高（7.01 mm）,方枝柏原始林最低（0.21 mm）。（3）腐烂等级显著影响木质残体饱和储水量,IV腐烂等级的饱和储水量较高（3.77 mm）,II腐烂等级较低（0.75 mm）;木质残体饱和持水率和附生苔藓饱和储水量与腐解程度显著正相关,均符合Q（Q''）=ex²+fx+g的函数关系式。（4）木质残体和附生苔藓的饱和储水量均随径级增大而升高,大径级（D5）的饱和储水量占比分别超过60%和40%。可见,林型和木质残体腐解程度及径级大小是决定亚高山针叶林区木质残体及其附生苔藓持水性能的关键因子,特别是附生苔藓对于提高亚高山针叶林水源涵养具有重要作用。     

川西亚高山三种森林恢复途径对土壤生物有效磷的影响

土壤生物有效磷在提高森林生产力和生物地球化学循环中起着至关重要的作用,研究不同森林恢复途径对土壤生物有效磷的影响对于退化森林的适应性恢复和可持续经营具有重要意义。选取川西亚高山不同恢复途径下形成的3种森林类型,即粗枝云杉人工林（人工种植,PF）、岷江冷杉-红桦天然次生林（自然更新,NF）和粗枝云杉阔叶混交林（人工种植后自然更新,MF）,采用基于生物有效性的土壤磷分级方法测定土壤生物有效磷（CaCl₂-P、Citrate-P、Enzyme-P和HCl-P）,探究不同森林恢复途径对土壤生物有效磷的影响。结果表明：不同森林恢复途径对土壤生物有效磷影响显著（P<0.05）,NF和MF的土壤Citrate-P和Enzyme-P显著高于PF（P<0.05）,而PF的土壤HCl-P显著高于NF（P<0.05）。自然更新是3种森林恢复途径中最能提高土壤生物有效磷的方式。3种森林恢复途径下的土壤生物有效磷组分与速效磷均呈现显著的正相关关系,且NF的土壤速效磷与生物有效磷的相关性更强（CaCl₂-P除外）。显著影响NF土壤生物有效磷的土壤理化性质有全钾、铵态氮含量和pH值,且全钾对NF的土壤生物有效磷变异的解释程度最高（r²=0.63,P=0.001）。土壤pH值、钙和可溶性有机碳含量是显著影响MF土壤生物有效磷的主要土壤理化性质（P<0.05）。对PF的土壤生物有效磷具有显著影响的土壤理化性质是土壤有机碳、铁和可溶性有机碳含量。土壤理化性质对3种恢复途径下森林土壤生物有效磷的解释率均超过了80%,森林恢复途径对土壤生物有效磷的影响与土壤理化性质有关。     

西南亚高山森林植被变化对流域产水量的影响

国内曾有许多研究认为,长江上游亚高山地区的森林具有增加流域年径流量的作用,所以多年来一直以此来指导该区域的森林恢复与经营实践.将以往的径流场和集水区的观测数据结合起来,应用加权平均插值方法,建立了森林采伐后产水量变化的时间序列;使用SEBAL模型、液流测定结果和水量平衡方程,根据以往研究结果,计算了各森林植被类型的年蒸散量和年产水量.分析结果表明:西南亚高山老龄暗针叶林蒸散低,具有较高的产水量;老龄林采伐后产水量增加,但随着次生植被的快速恢复,产水量增加的持续时间很短,6a后即恢复到原有水平;之后伴随着演替进入灌丛、次生阔叶林、针阔混交林或人工云杉林阶段,产水量会进一步下降并长期处于相对较低的水平,而且会持续百年以上.以往研究中该区森林可以增加年径流量的结论,只适用于其所研究的老龄暗针叶林,不适用于原始林采伐后恢复起来的天然次生林和人工营造的云杉林.在天然次生林和人工林占主导的区域,森林覆盖率增加导致产水量减少,人工林减少尤甚.为深入认识西南亚高山森林的生态水文功能,应采用配对集水区试验长期观测研究,才能为亚高山森林的恢复和经营管理提供决策支持.     

川西不同树种人工林对土壤涵水能力的影响

为评价青藏高原东缘不同树种造林对土壤涵水能力的影响,选择立地条件与营林方式相同的4种人工林(连香树(Cercidiphyllum japonicum)、油松(Pinus tabulaeformis)、落叶松(Larix kaempferi)和华山松(Pinus armandii))为研究对象,以落叶阔叶灌丛为对照,比较造林恢复28 a后不同人工林土壤孔隙度及持水性的变化,结合林地凋落物贮量及细根生物量等参数,试图揭示造成不同人工林地土壤涵水能力及潜力差异化的因素。结果显示:营造油松和华山松纯林不仅没能有效改善土壤孔隙状况,反而加剧了土壤涵水功能的退化。相反,连香树和落叶松在代替次生落叶灌丛造林后,土壤容重显著下降,孔隙度增加且小孔隙比例升高,持蓄水能力提高。凋落物及细根特性是不同林地土壤持水性能差异的重要因素。综合分析表明,在对退化生态系统进行造林恢复时,应尽量避免营造高密度针叶纯林,应结合种植有助于土壤结构改良的落叶或阔叶树种。     

岷江上游不同树种林地客土混合对土壤生物化学性质和枯落叶分解的影响

人工纯林的长期经营会引发连栽障碍,影响森林的可持续发展,解决途径是引进更新树种形成混交林。为了指导四川岷江上游人工纯林更新树种和混交比例的选择,尝试通过针阔叶树种林地腐殖质土壤及其枯落物的客置和混合原位培养试验,探讨不同树种种间关系的协调性。结果表明:(1)连香树、云南松和云杉林地经过各种客土混合后酶活性普遍都有所提高,而在糙皮桦林地,经云南松土壤客土混合后酶活性普遍有所下降,经云杉土壤客土混合后脲酶和过氧化氢酶活性有不同程度的提高,蔗糖酶活性却有所下降;(2)连香树和云南松林地经过各种客土混合后,加速了C和N由枯落物进入土壤,而在糙皮桦和云杉林地经过各种客土混合后,促进了N从枯落物和有机质矿化分解进入土壤的过程,但却会对有机C进入土壤产生抑制作用;(3)所有不同针阔叶树种林地经土壤客土混合后,对原有土壤的酸碱性起到中和的作用,即原来的阔叶林地土壤向偏酸性方向发展,而原来的针叶林地土壤向偏碱性方向发展;(4)所有不同树种林地的客土混合对枯落叶分解均具有明显的促进作用;(5)连香树林地的LM0.15~0.50和LY0.15~0.35、糙皮桦林地的HM0.15和HY0.15~0.50、云南松林地的ML0.15~0.50和MH0.35~0.50、云杉林地的YL0.35~0.50和YH0.35类型是相对较好的选择,可作为确定更新树种和混交比例的参考。     

西南山区典型森林枯落物储量及持水能力

目前西南山区枯落物水源涵养能力的研究主要集中在单点尺度上,其结果难以用于评估整个西南山区枯落物储量及持水能力。本研究整理了2004—2021年西南山区站点尺度的研究结果,对比分析了西南山区3种典型森林(共16个研究点,70个数据)枯落物储量及持水特性。结果表明: 针叶林、阔叶林、针阔混交林枯落物持水过程整体变化趋势一致,均可分为3个阶段:迅速吸水→逐渐减慢→趋于稳定。但不同森林类型各阶段吸水速率和持续时间不同,阔叶林吸水速率最快,针叶林吸水速率最慢且达到稳定时所需时间最长。不同林型枯落物储量之间差异不显著,3种林型枯落物总储量介于8.26～8.82 t·hm^-2,半分解层枯落物储量显著的空间差异性造成了枯落物总储量显著的空间差异性。3种森林枯落物总最大持水量介于17.85～19.87 t·hm^-2,枯落物最大持水率介于200.6%～228.0%。不同森林枯落物最大持水量与枯落物储量均呈显著正相关。3种森林枯落物总有效拦蓄量介于11.66～12.29 t·hm^-2,枯落物总有效拦蓄率介于128.1%～145.2%。西南山区3种林型2种分解程度枯落物储量及持水能力差异均不显著。     

川西亚高山森林林窗对凋落枝早期分解的影响

林窗调控的土壤水热环境和分解者群落结构可能深刻影响凋落物分解过程, 已有的研究结果具有不确定性。为了解高海拔森林林窗面积对凋落枝分解的影响, 采用凋落物分解袋法, 于2012-2016年冬季和生长季节, 研究了川西亚高山森林255-290 m ²(FG1)、153-176 m ²(FG2)、38-46 m ²(FG3) 3种面积林窗和林下对岷江冷杉(Abies faxoniana)凋落枝质量损失的影响。结果显示: 林窗面积大小显著改变了林窗和林下的雪被厚度、温度和冻融循环频次; 雪被厚度和温度以FG1林窗最高, 林下最低; FG1、FG2、FG3林窗和林下枝条分解4年后的质量残留率分别为59.9%、59.5%、62.1%和55.3%, 分解系数k值分别为0.127、0.131、0.120和0.135, 95%分解时间分别为23.6、22.7、25.0和22.2 a; 与林下相比, 林窗显著增加了第一年和第二年生长季节的质量损失速率, 降低了第一年和第四年冬季的枝条质量损失速率; 林窗大小对质量损失速率的影响随分解时期变化差异明显, 质量损失速率在第一年和第三年冬季随林窗面积增大而增大, 在第三年生长季节随林窗面积增大而降低; 枝条质量损失的比例在第一年最高, 随林窗面积增加而增加, 且冬季高于生长季节。综上所述, 林窗环境变化深刻影响亚高山森林凋落枝分解, 但这种影响随林窗面积和分解时间有所差异。