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大兴安岭落叶松林生态系统水文过程与规律研究
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摘要
森林生态系统是陆地生态系统的主体,系统中水分的时空分配、传输转换以及水文循环机制的影响问题是研究核心。本文以国家林业局“九五”、“十五”重点项目“内蒙古大兴安岭根河落叶松林生态系统定位研究”(96—27、2001—01)等和国家林业局大兴安岭落叶松林生态系统定位研究站为依托,在大兴安岭北部、中部选择若干典型流域,以定位研究方法为主,配以典型区域统计分析和模型模拟方法相结合,以大气、植物、土壤子系统为三个研究空间,以降水、蒸发、径流在大兴安岭林区的运动路径为主线,根据落叶松林生态系统对水分传输和水量转化的作用过程,研究落叶松林生态系统林冠层对降水的调蓄规律;研究落叶松林的蒸发散及能量转换规律,构建落叶松林蒸散分配格局模型;阐释大兴安岭典型流域河川径流随机规律,人工生成水文系列;分析大兴安岭森林覆盖率、森林火灾、森林采伐对河川径流影响并进行模型模拟;分析落叶松原始林水化学特征;研究气候变化对大兴安岭林区冻土水文的影响及生态响应。其目的在于揭示大兴安岭落叶松林与水文作用的关系,揭示大兴安岭落叶松林水文生态功能,以及大兴安岭特有森林环境下冻土、森林相互制约的机理。通过研究,有助了解大兴安岭落叶松林生态系统水分的运转过程及机制,正确评价大兴安岭森林的作用,为大兴安岭林区实行天然林保护工程提供理论依据,也为当地落叶松林经营提供技术支撑。
     主要研究成果:
     (1)研究表明,落叶松原始林平均林冠截留率在16%~19%。林冠截留量随降雨量的增加呈乘幂递增,林内降雨平均占林外降雨的81%左右,并存在明显的直线相关,可以利用其关系建立模型模拟或预测落叶松原始林林内降雨量;树干茎流量只占降雨总量的3.26%。
     (2)落叶松原始林林木蒸腾和土壤蒸发消耗的热量占净辐射的82.3%,乱流交换热占同期净辐射的12.84%,土壤蓄热为净辐射的3.53%。在热量平衡日进程研究中,潜热通量约占森林作用层净辐射的64%,感热通量占25%,土壤热通量占9.9%。大兴安岭中部(岭南)地区林地土壤蒸发和林木蒸腾占森林蒸散的60.57%,截留蒸发占森林蒸散的34.43%,占降雨量的29%。
     (3)大兴安岭北部林区的根河上游乌力库玛水文站年径流序列是一无趋势、没有周期性的平稳随机序列,其相邻年年径流之间有不显著相依关系。建立的年、季节
    
     中文摘要
    一周期模型能较好生成人工径流系列。
     (4)随森林覆被率增加,河川径流有不明显的减少趋势。以重度急进和稳进地
    表火为主的流域,火灾后的年径流总量、融雪径流、生长季径流、洪水期径流明显减
    少,并持续4年未见恢复。典型流域的森林采伐可增加采伐后年径流量、生长季径流
    量、洪水期径流量,并与5月融雪径流呈负相关,而与年最大流量呈正相关。对森林
    采伐与河川径流关系进行模拟后发现,假定森林覆盖率比实际森林覆盖率减少5%左
    右,预测径流量比实测径流量增加 llmm门 年人
     6)大量元素K、Na Ca、Mg、P的养分含量占总养分输入量的92见其年输入
    总量为全国 15个主要森林类型中最低。林内降雨中 Na、Ca、Cu、Fe减少,K、Mg、
    Zn、Mn、P增多。树干茎流雨的养分含量明显高于林外降雨和林内降雨。集水区径
    流中大量元素的养分含量较林外降雨养分含量为高。P是集水区径流中唯一没有流失
    的元素。大兴安岭森林流域其河水的硬度、矿化度都较低,水质达到国家地面水环境
    质量标准I类。
     (6)近 25a来,大兴安岭北部和中部多年冻土区的年平均气温有周期性波动并
    具有较明显升高趋势。80年代以后北部降雪量有所增加,多年冻土最大冻结深度一
    般出现在4月~5月。近30年来,融雪径流有较明显的降低趋势、而6月~9月的平
    均月径流量却有明显的增加趋势。冻土对落叶松林的生长起促进和胁迫作用。
     创新点:
     门)在大兴安岭的落叶松原始林区进行树冠截留研究尚属首次。得出生长季的
    林冠截留率为 16%~19%,建立了林外降雨与林内降雨、林外降雨与树干茎流及树冠
    截留与林外降雨关系式。首次引入通径系数概念分析气象条件对各种雨量的影响。
     (2)利用水量平衡原理,研制了大兴安岭落叶松原始林区和中部阔叶落叶林区
    森林蒸散及各要素分配格局模型,对森林蒸散、土壤蒸发、林木蒸腾和树冠截留蒸发
    进行模拟。
     (3)提出把气候变化条件下大兴安岭林区高纬度冻土退化问题作为大兴安岭生
    态站落叶松林水文研究重点,并尝试进行包括气温、地温、积雪、最大冻深、径流等
    方面的分析。
Forest ecosystem is the main part of the terrestrial ecosystem, in which core researches are launched on the temporal and spatial distribution of water, delivery and conversion of water, and hydrological cycle mechanism. The paper is based on Research on Deciduouse Forest Ecosystem at Genhe of the Greater Xingan Mountains, Inner Mongolia, the 9th Five-Year-Plan and the 10th Five-Year-Plan major project directed by the State Forestry Administration, and the Greater Xingan Mountains Larix gmelini Ecosystem research station. Typical watersheds were chosen at the northern, middle parts of the Greater Xingan Mountains to function as research sites. The paper mainly applies position research, assisted with the combination of typical regions' statistic analysis and model simulation. Atmosphere, plant and soil subsystems are three major research spaces, where the main research is oriented by the movement routes of precipitation, evaporation and runoff at the Greater Xingan Mountains. According to Larix gmelini Ecosy
    stem' function in delivering and converting water, the following tasks are to be finished: (1) Research the laws of regulating and conserving precipitation by Larix gmelini forest ecosystem;(2) Research evapotranspiration and energy conversion laws of Larix gmelini forest, and forest evapotranspiration distribution model; (3) Define random laws of river runoff at the typical watersheds of the Greater Xingan Mountains, and artificially arrange the hydrological series; (5) Analyze impacts of the forest coverage rate of the Greater Xingan Mountains, forest fires, and forest felling, on river runoff, and make simulation model; (6) Analyze water chemical characteristics of Larix gmelini forest at cold temperate belt; (7) Research climatic changes' effect on frozen soil water and its ecological responses. The paper is aimed to disclose the relations between forest and hydrological functions at the Greater Xingan Mountains, eco-hydrological functions of Larix gmelini Ecosystem at the Greater Xingan Mountains, and m
    utually controlling mechanism of frozen soil and forest at the special forest environment of the Greater Xingan Mountains.
    These researches are conducive to the understanding of water movement process
    
    
    
    and mechanism of Larix gmelini Ecosystem at the Greater Xingan Mountains, the accurate appraisal of functions of forest at the Greater Xingan Mountains, the supply of theoretical proofs for natural forests protection project at the Greater Xingan Mountains, as well as technological supports for local forest management. Main research results:
    (1) Results indicate that the average crown interception storage rate is 16% to 19% of Larix gmelini Ecosystem at the Greater Xingan Mountains, which decreases with rainfall in creasing. Rainfall inside forest accounts for about 81% of rainfall outside forest. Moreover, there is an obvious linear correlation between them, which can be used to make simulation model or forecast rainfall inside forest. Stem runoff volume only accounts for 3.26% of the total rainfall.
    (2) Heat consumed by virgin Larix gmelini forest's transpiration and soil evaporation accounts for 82.3% of net radiation, exchanged heat by turbulence accounts for 12.84%, and retained heat by soil 3.53%. In the diurnal process of heat balance, latent heat flux approximately accounts for 64% of net radiation in forest function layer, sensor heat flux 25%, soil heat flux 9.9%. Forest land evaporation and forest transpiration at the southern Greater Xingan Mountains accounts for 60.57% of forest evapotranspiration. Moreover, evaporated interception accounts for 34.43% of forest evapotranspiration, and accounts for 29% of rainfall.
    (3) Situated at the upper reach of Genhe river, the northern Greater Xingan Mountains,
    /
    Wulikuma hydrological station has an steady, random annual runoff sequence, without any tendency and periodic. Annual and seasonal cycle models can produce good artificial runoff sequence.
    (4) With forest coverage rate increasing, river runoff obviously decreases. At the wa
引文
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