湿地土壤水源涵养功能研究进展

湿地土壤依靠孔隙而发挥水源涵养功能,广义的湿地土壤水源涵养功能是指湿地土壤内多个水文过程及其水文效应的综合表现,而狭义的湿地土壤水源涵养功能仅指湿地土壤蓄水。主要从土壤水源涵养的机制、计算方法、土壤蓄水量及其对径流调节、影响土壤蓄水的因素等几个方面对当前湿地土壤水源涵养功能的研究进行了综述。土壤涵养水源是由于水分能在土壤孔隙中的存储、持留和运转。从力学的角度看,水分主要依赖于吸附力、毛管力和重力作用而持留。湿地土壤蓄水能力的3种计算方法各有优缺点,计算时应结合湿地水文波动的实际情况而选择。不同类型湿地的土壤蓄水能力因土壤本身性质而异。湿地土壤蓄水能力受土壤粒径组成、结构、孔隙、有机质和含水量等因素的影响,同时受自然及人为因素的调控。针对当前湿地土壤蓄水能力研究的不足,指出应加强对湿地蓄水能力的定量研究及计算方法的探讨;同时,土地利用对湿地土壤水源涵养功能影响的研究也需进一步加强。     

南北盘江森林生态系统水源涵养功能评价

森林生态系统水源涵养功能是植被层、枯枝落叶层和土壤层对降雨进行再分配的复杂过程。运用综合蓄水能力法,基于森林资源二类调查数据,估算了贵州省南北盘江流域不同类型森林生态系统的林冠层截留降水量、枯落物持水量和土壤蓄水量,分析了流域尺度森林生态系统的水源涵养能力及其时空变化。结果表明：① 南北盘江流域森林涵养水源总量约6.13×10⁸m³,单位面积水源涵养量629.85 t/hm²,森林水源涵养能力空间分布呈现东高西低的趋势;② 不同类型森林来说,阔叶林和灌木林对区域水源涵养总量的贡献率最大,而混交林的单位面积水源涵养量最高;③ 不同林龄比较,幼龄林对区域水源涵养贡献率最高,达45.95%,但其单位面积水源涵养能力最差,过熟林的单位面积水源涵养能力最高;④ 就坡位而言,平地和中坡森林对区域水源涵养总量的贡献率最大,山谷森林单位面积水源涵养能力最高,山脊森林单位面积涵养水源能力最低;⑤ 近35 a来,随着生态工程的实施,森林生态系统水源涵养总能力以1 447.89×10⁴m³/a速度持续提升,单位面积水源涵养量以每年5.33 t/hm²的速度稳步提高。     

三峡库区不同垂直带森林土壤大孔隙染色实验

降雨过程中森林土壤大孔隙内优先流的发生,是森林植被调蓄径流和保持水土的主要方式。利用染色示踪法,对三峡库区宜昌大老岭-邓村地区不同垂直带内森林土壤大孔隙特征进行了实验研究。结果表明,山地植被-土壤类型的梯度变化使不同垂直带内土壤大孔隙数量差异显著,在土壤垂直剖面内呈现不同分布模式。亚高山阔叶林覆盖的山地棕壤下,土壤剖面染色面积比达62.3%,染色区域主要集中在根系发达的腐殖质层,染料下渗深度较浅。低山针叶林黄壤剖面染色比例低于亚高山阔叶林棕壤,但染料下渗深度较深可达69.5 cm,腐殖质层、淋溶淀积层和母质层间染色比例无显著差异。中山灌丛幼林黄棕壤剖面染色比例和染料下渗深度较小,腐殖质层染色比例显著高于淋溶淀积层,母质层几乎无染色现象。与森林土壤相比,低山弃耕坡地的染料下渗深度和染色面积比显著减小,染色区域集中在耕作表层。植物根孔、母质裂隙、土壤发育程度和土地耕作是造成山地不同垂直带间土壤大孔隙结构差异的主要因素。     

陕西省子午岭生态功能区水源涵养能力研究

应用InVEST模型和SCS模型,计算得出研究区多年平均水源涵养量约为3×108 m3,涵养深度69.79 mm,表明研究区具有比较突出的水源涵养服务功能,特别是在森林和灌丛分布相对集中的子午岭自然保护区内,水源涵养能力处于较高水平。不同土地利用类型的水源涵养能力有较大差别。由于灌丛具有较好的降水截留能力和较小的蒸腾作用,水源涵养能力最强;而森林由于蒸腾旺盛,加之冠层截留的大部分降水用于蒸发而无法积累,使其水源涵养能力稍低于灌丛;草地和农田覆盖地区,降水极易流失,因而草地和农田的水源涵养能力较差,对区域总水源涵养量的贡献也最小。此外,研究区多年平均产水深度139.4 mm,整体趋势是从东南向西北方向减小,与区域降水量空间变化趋势一致,在土地利用类型的影响下,这一趋势更加明显;多年平均径流深度71.1 mm,空间上大致由南向北减少,同时,由于径流深度还受到降水时间分配、土地利用类型、土壤质地的影响,因此呈现出较为复杂的空间分布特征。     

商洛市水源涵养服务功能空间格局与影响因素

以商洛市为例,利用InVEST产水量模型和多年平均涵养水量模型,以参数本地化、实地率定和结果验证,对该区水源涵养功能的空间格局分异规律及其影响因素进行分析。结果表明：① 商洛市水源涵养总量为27.48×10⁸m3/a,水源涵养能力为324.85 mm。五大流域水源涵养功能依次为旬河>乾佑河>金钱河>丹江>洛河。② 气候因素对产水能力空间格局影响最大,10 a土地利用变化和下垫面植被、土壤因素则对水源涵养空间异质性影响显著。③ 子流域单元产水能力相关性强的因子为多年平均降水、实际蒸散发和植物可利用水,水源涵养功能关键驱动因子是潜在蒸散量、土壤饱和导水率与森林覆盖率。     

基于SWAT模型的森林分布不连续流域水源涵养量多时间尺度分析

为解决森林分布不连续流域森林水源涵养功能及其多时间尺度特征的定量评价问题,根据分布式水文模型（SWAT）的特点,提出了反映森林斑块空间分布的水文响应单元划分方法,以及基于水量平衡法的森林不连续分布流域森林水源涵养量计算公式。以东南沿海的晋江流域为例,构建了2006年土地利用条件下的日时间步长SWAT模型,统计分析了2002—2010年降水条件下森林水源涵养量的时空变化规律。结果表明：① 构建的晋江流域SWAT模型精度较高,面积阈值为零生成的水文响应单元比较准确地反映流域森林斑块分布,提出的森林水源涵养量计算公式适用于森林空间分布不连续流域森林水源涵养量的多时间尺度分析,为流域森林水源涵养功能评价提供了一个新的方法。② 晋江流域森林水源年涵养量271.41~565.25 mm;月涵养量-29.15~154.59 mm;日尺度的极端降水期皆为正值,极端枯水期都为负值。表明年际之间不存在森林水源涵养的蓄丰补枯调节作用,但在年内的部分月份得到体现,而日尺度的森林蓄丰补枯功能充分发挥。从而揭示了不同时间尺度森林水源涵养量及其蓄丰补枯功能的差异。     

干旱半干旱区山地森林类型的土壤水文特征

处于中国西北干旱半干旱区的山地森林以独特的水文作用成为山前平原及川区绿洲生态经济系统稳定发展的基础。以无林地为对照,对典型山地森林祁连山水源涵养林区4种主要林分类型的土壤水文物理性状、土壤入渗特性及土壤贮水性能进行定位研究,结果表明:(1)不同林分类型的土壤容重、孔隙度和孔隙比等表征土壤水文物理性质的指标明显好于无林地,且0～20 cm土层好于20～40 cm。各指标林地间差异较大,其中青海云杉林和湿性灌丛林好于祁连圆柏林,干性灌丛林较差。(2)乘幂方程能较好的反映研究地区不同林分的土壤入渗过程,有林地入渗性能好于无林地,青海云杉林、湿性灌丛林、祁连圆柏林、干性灌丛林的平均渗透速率值分别是无林地(1.68 mm/min)的15.72,13.39,3.55,1.94倍。(3)有林地的土壤吸持、滞留贮水量、土壤涵蓄降水量、有效涵蓄量均表现为青海云杉林>湿性灌丛林>祁连圆柏林>干性灌丛林>无林地,且0～20 cm土壤贮水性能好于20～40 cm。说明在涵养水源和水分有效性方面,青海云杉林和湿性灌丛林优于祁连圆柏林和干性灌丛林。从涵蓄水分、涵养水源角度来考虑,可优先考虑青海云杉林和湿性灌丛林。     

西庄河流域森林生态系统涵养水源的价值

森林的生态服务功能在很长时间内被人们漠视和忽略,很大程度上是因为森林的生态和文化价值难以用货币的形式进行衡量,因此,生态服务功能价值化已成为国外研究的一个热点。以云南保山西庄河流域为研究区,通过在流域建立水文站、气象站和雨量站等组成监测网络,获取了多年的各类气象和水文要素的观测值,进而利用水量平衡公式分析流域森林生态服务功能中的涵养水源总量,并通过影子工程等评价方法计算出其所蕴藏的经济价值。QUICKBIRD高空间分辨率卫星影像的应用,有助于提取西庄河流域森林生态系统的面积、组分及平均树龄。结果显示,西庄河流域多年平均年降雨量1516 9mm,年径流量1950×104m3,森林生态系统平均年蒸散量为952 7mm。研究表明:西庄河流域森林生态系统年均涵养水源能力为1949 88×104m3,其涵养水源功能的经济总价值为1306 4×104元/a,每公顷森林面积涵养水源的价值为6963 84元/a。     

江西泰和县森林生态系统水源涵养功能评估

森林生态系统综合水源涵养能力是林冠层、枯落物层和土壤层蓄水能力的总和。本文根据江西泰和县 2003 年森林资源二类调查,结合文献收集,从3 个作用层评估了泰和县森林生态系统的水源涵养量及其空间分布格局,比较了不同森林类型、林龄、海拔、坡度下的林冠降雨截留能力,枯落物最大持水量和土壤蓄水能力。结果表明,林冠层平均截留率为16.31%,枯落物层持水率为2.14%,土壤层蓄水率为81.55%,3 个层次总截留和蓄水量为1.41 亿m³。各种森林类型水源涵养量由大到小依次为：杉木林>马尾松林>湿地松林>阔叶林>毛竹林>灌木林> 混交林>经济林。幼林龄、中林龄、近熟林、成熟林和过熟林水源涵养贡献率分别为17.58%、65.39%、14.18%、 2.48%和0.37%,涵养水源能力随林龄的增加而增加。空间上,泰和县森林生态系统的综合水源涵养力表现出从东西两侧向中部递减的分布。不同立地条件下林分的合理经营与管理对于整个森林生态系统水源涵养功能的发挥具有重要的作用。     

持久性有机污染物在森林生态系统中的环境行为研究

持久性有机污染物(POPs)具有环境持久性和半挥发性, 可以在区域及全球范围内传输和分布。森林植被和林下土壤富含有机质, 森林生态系统因此成为POPs主要的储存库之一。植被叶片可快速吸附大气POPs, 并通过叶片凋落、雨水冲刷和干沉降等过程加强或加速大气POPs 向地面的沉降, 并使森林土壤成为POPs 的“汇”, 从而形成所谓的“森林过滤效应”, 进而影响POPs 在全球的分布。进入森林的POPs 在森林生态系统中将经历一系列的环境过程。本文简要介绍了森林过滤效应的特征和影响因素, 综述了叶片对大气POPs 的吸附、叶片凋落和干湿沉降、POPs 在土壤中的迁移和损失等3 个主要环境过程的研究进展, 报道了松针、树皮和苔藓作为被动采样器反映的森林POPs空间分布趋势。最后, 提出了森林POPs研究中亟待解决的科学问题, 并指出未来中国森林POPs研究的可能方向。     

荒漠绿洲土壤优先流研究进展

荒漠绿洲土壤受干湿交替、冻融作用和土壤特性等非生物因素和动物洞穴、植物根系生物因素影响,存在大孔隙。水分和溶质优先沿着相互连通的大孔隙快速补充到土壤深层或浅层地下水,引起绿洲农田水分、养分损失;大孔隙存在,增强了土壤通气性,促进农田地力提升。荒漠绿洲土壤优先流的发生,减少地表径流及其侵蚀,促进水分入渗,影响着干旱区植被恢复和地下水补给。重点分析影响荒漠绿洲土壤优先流的非生物和生物因素,综述优先流对该区土壤性质和水文要素的影响。未来该区研究应重视以下几个方面：（1）加强大孔隙三维空间构型的研究,分析大孔隙结构与土壤优先流发生的内在机制;（2）开展不同景观类型土壤优先流的野外监测,认识土壤优先流的运动规律,揭示荒漠绿洲土壤优先流与植被互馈机制;（3）发展并构建荒漠绿洲土壤优先流运动的动力学模型。     

Efficiency of rainwater harvesting of microcatchments and the role of their design

Microcatchment is a technique for collecting, storing and conserving local surface runoff in order to grow trees/shrubs. In this system, runoff water is generated on a plot and stored in the soil during runoff events, and trees/shrubs may utilize this water during the next dry season.Microcatchments have relatively small runoff generation areas (from dozens to hundreds sq. m) and are cheap and simple to implement Their collection area is usually a small depression located nearby the runoff generating area in which one or a few trees/shrubs may be planted Due to the short overland flow path runoff generation is efficient and even short low intensity storms may generate runoff. The drawback is however that due to the small size of the generating area small volumes of water are conveyed to the storage plots. Another drawback is susceptibility of the augmented water to evaporation. The main objective of present research presented hereafter was to estimate the effect the depth of the depression has on the efficiency of the water conservation in the soil profile. In the present study the storage plots were circular pits and the effect their depth had on evaporative losses and water distribution were studied.The results clearly show that the depth of the pit significantly affects evaporative water losses. The losses were separately computed for the soil cylinder whose upper surface is the bottom of the pit and for the surrounding shell. No differences between treatments were evident for losses from the inner cylinder. Significant differences in water losses were however observed for the surrounding shell where the shallow pits losing as much as six times more than the deeper pits.     

Water table control on rill initiation and implications for erosional response

On sloping sandy agricultural soil sites near Toronto, Canada, summer storms adequate to generate runoff occur frequently, but rill development occurs mainly in spring when snowmelt or rainfall-induced runoff occurs above frozen subsoil. This suggests that on low and moderate slopes on these soils rill initiation is controlled primarily by hydraulic impedance close to the surface, rather than critical hydraulic conditions in runoff. Laboratory flume experiments were carried out on 10 m slopes at 1.5°, 5° and 9° with loamy sand/clay composite soil sample to test this hypothesis. Runoff with hydraulic conditions adequate for rill initiation occurred rapidly in most tests, but on 1.5° and 5° slopes little knickpoint scour or sediment transport occurred before water table development. This coincided with reduced surface soil strength, knickpoint scour and marked increase in sediment discharge, particularly on 5° slopes where increase was 20- to 30-fold. Further increase in sediment discharge occurred when water tables reached the surface. On 9° slopes runoff occurred more quickly, with higher hydraulic values. Significant rill incision and sediment discharge occurred well before water table development, and ultimately reached much higher values than on lower slopes. Results show that soil erodibility can change dramatically over short time periods during storms due to soil moisture conditions, and that the presence of a hydraulic impedance close to the surface which causes a perched water table to develop can strongly influence rill incision and sediment transport. The influence is unlikely to be marked on soils which are very erodible regardless of moisture conditions, or on extremely resistant soils. It will also be limited on very gentle or steep sites, but can be a significant factor in rill development on intermediate slopes.     

土地利用对河西走廊荒漠绿洲区土壤入渗的影响

绿洲是由农田、林地、沙荒地、湖泊和湿地等多种景观组成的镶嵌体,农田、林地、沙荒地是该镶嵌体的主要组成部分。探究不同土地利用土壤入渗特征对深入了解绿洲内部水循环和水转化具有重要意义。本文研究了农田、防护林地和沙荒地3种土地利用方式0—40 cm土层土壤物理性质及入渗特征,探讨不同土地利用对土壤入渗特征的影响及其驱动机制。结果表明：（1）不同土地利用土壤质地差异显著,较沙荒地,防护林地和农田0—40 cm土层土壤黏粉粒含量分别增加了100.25%和285.23%,土地利用对干密度和总孔隙度影响较小,仅防护林地表层（0—10 cm）干密度减小（1.37±0.12 g·cm^-3）、总孔隙度增大（48.22%±4.56%）;（2）不同土地利用方式土壤入渗性能存在显著差异,与沙荒地相比,农田和防护林地土壤初始入渗率分别减小了75.49%和37.05%,饱和导水率分别减小了80.04%和42.02%;（3）不同土地利用方式显著影响土壤水流模式,防护林地和农田土壤水流入渗非均匀性显著高于沙荒地,其优先流比分别是沙荒地土壤的3.84倍和5.46倍;（4）土壤初始入渗率和饱和导水率与黏粉粒含量显著负相关,优先流比和长度指数与黏粉粒含量和总孔隙度显著正相关,土壤入渗性能和水流模式均受土壤质地的影响,表明土壤质地是土地利用对土壤入渗影响的关键因子。     

半干旱区降水和水土保持措施强度-径流演变规律研究

为研究不同时期及水土保持措施条件下,降水量、水土保持措施强度与径流的演变规律, 运用泰森多边形法、Morlet 小波分析法、回归分析法,构建多元功效函数,进行甘肃省定西市安定区 近 60 a 年降水量、措施强度与径流演变研究。结果表明：1957—2016 年年径流量呈递减趋势,达极 显著水平（P＜0.001）;在 22 ~ 24 a、8 a、4 a 时间尺度上,年降水量和径流具有明显的震荡周期,平均 周期为 15 a、5 a、3 a 左右。梯田、造林、种草及封育等水土保持措施强度逐年递增,分别达 36.14 hm²?km^-2、25.26 hm²?km^-2、11.56 hm²?km^-2 和 3.22 hm²?km^-2。随周期（3 a、5 a、15 a）的变长,同等降水 量对产流量影响有所增大;同等水土保持措施强度对产流量影响有所减小;降水量和措施强度组 合解释了径流模数总方差的 57.46% ~ 85.80%;降水量对径流模数的影响约低于 40%,措施强度的 影响约高于 60%,说明措施强度对径流的影响较降水量更大。近 60 a 径流量的减少,主要是由于 水土保持措施的递增引起。     

基于SWAT模型模拟乌江三岔河生态系统产流服务及其空间变异

产流是生态系统水源涵养服务的重要内容,也是保水固土等服务的关键驱动。脆弱的喀斯特生态系统叠加人类活动的影响引起生态退化,在此背景下亟需深刻理解喀斯特地区产流服务空间格局及其影响因子。选择典型的喀斯特峰丛洼地流域,基于率定校准的SWAT水文模型,对喀斯特流域产流服务（包括地表、地下以及总径流量）进行模拟,并结合空间梯度分析和局部回归模型,剖析不同服务变量的空间变异特征。结果表明：研究区产流量空间分异规律明显,总径流系数约为70.0%;地表径流整体处于较低水平,地下径流量丰富（约为地表径流量的2~3倍）。地形因子对喀斯特流域产流服务具有宏观控制作用,随海拔和坡度升高,总径流量、地下径流量显著增加;植被分布特征对地表径流有重要影响,在上游林地和下游园地分布区存在空间差异,在植被因素的影响下随坡度的增加呈现转折性的变化趋势。此外,空间叠加分析表明林地总径流及地下径流最大：一方面是由于森林生态系统更强的土壤水分涵养能力以及水分快速入渗的地质背景特征;另一方面反映了地表覆盖与地形特征的复合效应,即林地大多分布在相对海拔和坡度较大之处。本文有助于推进喀斯特生态系统服务研究领域的发展与创新,并为生态恢复建设提供科技支撑。     

陇中黄土高原土壤水分变化特征及其机理分析

基于兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2010年全年的观测资料,对陇中黄土高原半干旱区土壤水分的年变化和日变化特征进行了研究,并通过计算水汽通量与蒸散量,探讨了土壤-地表-大气间水分的交换和运移机理。结果表明：土壤湿度的季节变化主要受降水影响,各季节的平均土壤湿度均呈现出表层和深层低、中间层高的特点,最高值出现在地下10 cm附近;在无降水的情况下,土壤5~20 cm处的含水量呈现出夜间逐渐降低、白天逐渐上升的波形变化,这种变化与土壤水汽通量具有很好的一致性,而水汽通量的方向则受温度梯度的影响;在白天,地表温度高于气温与较深层地温,水汽在向空气蒸散的同时也由地表流向土壤深部,夜晚地表温度则低于较深层地温,水汽由土壤深部流向地表。因此土壤内部的水分蒸发主要出现在夜晚,且主要发生在地表40 cm以内的土壤孔隙中,而白天地表的实际蒸发主要存在土壤浅层0~5 cm,5 cm以下土壤水分的蒸发十分微弱。本研究结果对于改进半干旱区陆面计算模式以及当地的生态环境建设具有一定的参考价值。     

广东鹤山赤红壤坡地林茶利用模式的水土保持效应

野外观测试验于1997年在广东省鹤山茶叶科技研究所的赤红壤坡地上进行，试验设计了人工林下地表覆盖（A）、人工林下地表裸露（B）、等高梯田种植茶树（C）和等高梯田裸地对照（CK）4个处理，采用自制的径流收集器分别测定了各处理4场降雨的径流深度、径流系数、水土流失量和侵蚀量等指标，结果表明，CK的平均径流深度高产田3.72mm/10mm，降水流失率为37.2%，平均每10mm降雨的土壤侵蚀量为43.6kg.hm^-2，年土壤侵蚀模数为7.42t.hm^-2；其它3个不同植被覆盖处理的地表径流量比裸地对照降低2.20%-67.08%，平均土壤侵蚀量减少43.81%-90.83%；林下地表覆盖处理的保土效果果好，等高梯田种植茶树处理的保水效果最好。     

宁南县城后山泥石流生物治理

后山属泥石流活跃区,需加以治理。治理区面积8.39平方公里,县城面积2.00平方公里。1985—1989年开展治理。后山泥石流生物治理总投资10.09万元。其完成的工程有:造林面积2077亩,栽桑面积50亩,栽油桐面积450亩。生物治理后,创产值48.74万元。因而投入与产出比1.0∶4.8。森林覆盖率从1985年的27.3％增加到1989年的43.8％。生物治理在后山泥石流综合治理中起着举足轻重的作用。