不同雨型条件下杨树人工林对降雨再分配和土壤水分运移的影响

来源 :北京林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:marticabi
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杨树作为北方地区生态修复的常见树种,其促进降雨蓄渗、水源涵养的生态服务功能对于生态水文循环有重要的意义。因此,该研究以欧美杨(Populus×euramericana)人工林生态系统为研究对象,对冠层水文过程、大气环境因子和土壤水分等因子开展实地长期观测,采用聚类分析对降雨进行雨型分析,建立GASH模型量化分析冠层降雨再分配过程,利用Hydrus-1D多孔溶质运移模型模拟了同期土壤水分运移过程,并结合实测数据对模拟结果进行率定和验证。旨在科学评价欧美杨人工林在不同降雨类型条件下的降雨再分配过程及其对土壤水分运移的影响。结果表明:(1)实验期内,观测到降雨77场,总量为665.9mm,降雨天数达89天。夏季达到降雨峰值。根据雨量、历时、平均雨强以及前30min雨强,依据聚类分析原理,可将降雨类型分为四类。I类降雨为低雨量(均值2.18mm),短历时(均值197.94min),小雨强(均值1.41mm/h),划分为小雨;II类降雨为极高雨量(116.80mm),长历时(2649.60min),高雨强(2.64mm/h),划分为暴雨;III类降雨为中雨量(均值11.44mm),中历时(均值527.38min),中雨强(均值1.76mm/h);IV类为较高雨量(均值23.55mm),中历时(均值518.15min),高雨强(均值7.10mm/h),III类和IV类划分为中雨。(2)穿透雨量占同期降雨总量的67%,与林外降雨呈显著相关。其中,II型和IV型降雨对穿透雨雨量贡献较高,分别占穿透雨量的40%与37%。II型降雨与III型降雨穿透雨率达到70%。不同雨型条件下,林内穿透雨相对于林外降雨延滞的特征不同。II型降雨条件下,穿透雨在开始阶段延滞时间较其他类型最短(6.52 min),并提前于林外降雨结束,相对于林外降雨历时缩短。而其他雨型条件下,穿透雨在开始和结束时间均滞后于林外降雨。在所有雨型条件下,穿透雨开始时间较林外的延滞时间与平均雨强、前30min雨强均呈极显著负相关,结束时间的延滞与降雨历时呈显著负相关,与平均雨强呈极显著正相关。穿透雨历时与林外降雨历时呈极显著负相关,与平均雨强呈极显著正相关。(3)树干茎流量占同期降雨总量的7%,与林外降雨量和降雨强度呈显著正相关。其中,IV型降雨对树干茎流量的贡献较高,占树干径流量的48.1%。IV型降雨条件下,树干茎流率最高,达到9%。树干茎流相对于林外降雨的开始和结束时间相对滞后。其中,开始时间和结束时间的滞后以及树干茎流历时的延长受降雨特征影响显著。开始时间延滞与降雨强度呈显著负相关,与前30min降雨强度呈极显著负相关。结束阶段延滞仅与林外降雨量显著正相关。树干茎流历时的延长与林外降雨强度呈显著正相关。在树体形态因子中,胸径与树干茎流量显著正相关。(4)冠层截留量占同期降雨总量的36%,与林外降雨特征均显著相关。截留率在不同雨型下存在差异,I型降雨截留率达到52%,而IV型降雨截留率仅为27%。实测冠层截留量为245.6mm。Gash模型模拟结果较实测值低6.1%,Nash-sutcliffe效率系数达到0.74,能够较好地对欧美杨人工林冠层截留过程进行模拟。(5)林内枯落物平均厚度为56.5mm,平均实际持水量为14.18 t·hm-2,在吸湿过程的前5min吸水能力最佳,干燥过程强度随时间延长而递减。降雨发生后,林内土壤水增加至其补给最大值的平均历时为628.3min,而林外只有516min。林内土壤水补充时间与前30min降雨强度呈极显著正相关。土壤水补给量与降雨量、前30min降雨强度均呈显著正相关。Hydrus-1D对林内与林外各层土壤模拟的RMSE达到1~2%之间,RMAE范围在2%~13%之间,NSE均大于0,且部分土壤层达到95%以上,表明其对沙质土壤条件下欧美杨人工林土壤水变化情况模拟较好。通过Hydrus模拟不同雨型条件下土壤水分运移情况,发现在林内土壤湿润锋运移较林外缓慢,表明林内土壤对降雨的缓冲能力优于林外土壤。研究表明,欧美杨人工林对降雨再分配过程能够延长林内降雨历时,削弱林内雨强,同时延长了土壤水分入渗过程的持续时间,提升了土壤持续接收水分补给的能力与缓冲降雨的土壤侵蚀能力。对科学评估欧美杨人工林生态水文功能具一定意义。
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