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海南岛橡胶林水分循环的特征研究

作　者: 刘珉
导　师: 吴志祥
学　校: 海南大学
专　业: 生态学
关键词: 林冠截留穿透雨树干茎流地表径流蒸散渗漏水分循环橡胶林
分类号: S794.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

森林生态系统中不同界面之间的水分转换是水分循环的核心,结合现代水文学和生态学的观点和方法,对水分传递变化中各个环节的机制进行探讨是现代水文过程的中心议题。本研究在中国热带农业科学院橡胶研究所试验场三队6—1,2林段,对2011年橡胶林水文要素林冠截留、穿透雨、树干茎流、地表径流、土壤贮水量等定位观测,运用涡度相关观测系统、自动气象观测系统、微气象观测系统进行蒸散的连续定位观测,利用井群法对地下渗漏进行估算,探究橡胶人工林蒸散及能量通量转换规律；阐释海南岛橡胶林典型流域地表径流、地下渗漏变化特征,运用试验观测站内涡度相关观测系统、自动气象观测系统、微气象观测系统在不同的空间和时间尺度上计算橡胶林生态系统流域内蒸散量、热通量,并与水量平衡法求得的蒸散结果进行对比分析,以期揭示橡胶林流域中蒸散量的变化特征。本研究旨在分析橡胶林生态系统在不同水分环境条件下水分转换机制和时空分配差异,此外,还研究了橡胶林生态系统的水文作用及对环境、气象因子的响应效益。主要的研究结果概括如下：(1)研究区的降水以降雨量小于80mm、降雨强度大于7mm/h的中到大雨为主,雨量大,历时较短是海南岛橡胶林降水的特性。橡胶林年降雨量分配不均,降水季节性变化非常大,研究区林地2011年全年降雨量为2530.34mm,干季降水量仅占全年降水量的10.82%,湿季占全年降水量的89.18%。另外,橡胶林降水分配格局在月内和月间的差异非常显著,全年12个月的降雨量变异系数范围为36.51%-215.5%。(2)研究表明,橡胶林生态系统降水林冠分配特点为：林冠降水量为100%,分配穿透雨71.63%,树干茎流占11.54%,林冠截留占16.83%。降水整个橡胶林系统水分循环分配特点为：以地表径流形式流失的水量约为4.71%,以渗漏形式流出橡胶林的水量为26.23%,最后以蒸散(蒸腾加土壤蒸发)损失的占52.65%,还有16.83%被林冠截留的水量最终也以蒸发的形式输出橡胶林系统,土壤贮水量变化平均为-0.43%,变幅较稳定。(3)确立了研究区林冠截留量与降雨量、叶面积指数的关系,并对橡胶林林冠截留量与影响因子进行线性回归分析,由建立的多元线性回归方程可知：林冠截留量随着降雨量、叶面积指数的增加而增加,随着温度、降雨期相对湿度、降雨期光和有效辐射、降雨强度的增加而减少。相关气象因子对橡胶林林冠截留量影响大小的顺序依次为：降雨量>降雨强度>林冠光合有效辐射>降雨期相对湿度>叶面积指数。逐步回归方程为：1=7.0137+0.1375X1+0.5263X2-0.0649X4-0.0044X5-0.1110X6,其复相关系数为0.9382,调整相关系数为0.9304。(4)研究区地表径流的产生多集中在湿季的5-10月份,干季除了11月份以外其它月份均未产生地表径流,可见,地表径流量与橡胶林生长季内降雨量季节分配有关,并随林分密度增大而增大。地表径流与降雨量、穿透雨量的关系最接近于幂函数关系,其方程分别为y=2E-05X2-3029,R2=0.8868；y=3E-05x2.3082R2=0.8975。此外,地表径流与降雨量模拟方程的相关系数小于它与穿透雨模拟方程的相关系数,因此,林内降雨量对与径流的影响高于林外降雨量,这体现了林冠对降雨分配的作用。另外,利用井群法估算橡胶林土壤渗漏量,得知渗漏井水位变化与累计降雨量线性关系式为y=-0.0004x2+0.2127x+44.538,R2=0.7959,经验方程为y=0.0039x1.8994,相关系数R2=0.8597。(5)本研究分别采用涡度相关法、水分平衡法对林地蒸散量计算,并对两者进行比较,经验证,涡度相关法所获观测数据是可靠的。通过对橡胶林地不同土层(-5cm、-20cm、-50cm)每日能量闭合情况分别建立相关方程式；分析橡胶林蒸散量与降雨量的关系,并根据干季能量通量各组分的分配比例状况,反映研究区橡胶林生态系统的能量平衡在水分输入差异较大时的不同状况。在降水较少的季节,橡胶林显热通量明显高于潜热通量。林区某日的全天净辐射收入量约为9.23MJ·m-2,显热通量耗热为6.80MJ.m-2,潜热通量耗损约为2.17MJ.m-2。橡胶林的增湿降温功能只有在湿季水分供应充足条件下才能够表现出来,并且土壤热通量峰值发生的时间段与蒸散潜热和显热通量产生峰值的时段基本一致。对研究地橡胶林日蒸散量、月蒸散量及组分变化特征的分析,以期进一步探究橡胶林蒸散特性与规律。准确测定或计算橡胶林流域的蒸散量对于评价橡胶林对水文过程的影响机制及进行水文模型开发,改进橡胶林管理经营具有重要意义。(6)橡胶林土壤贮水量的季节动态变化与生长季内降水量的季节分布有关,土壤贮水量湿季大于干季。橡胶林0-60cm贮水量对于降雨的响应几乎一直是同步的,而且不同深度土壤贮水量基本是20cm<40cm<60cm。研究橡胶林不同土壤层含水量的时空分布是研究橡胶林生态系统土壤水分运动的基础。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
1 前言  12-24
  1.1 森林生态系统的水文研究进展综述  13-22
    1.1.1 国内外森林水分研究现状与进展  13-15
    1.1.2 国内外森林生态系统水文研究的主要成果及方法  15-20
      1.1.2.1 林冠截留  16-17
      1.1.2.2 蒸散  17-18
      1.1.2.3 地表径流  18-20
    1.1.3 我国橡胶林水文研究的发展趋势  20-22
      1.1.3.1 橡胶生长与水分的关系  20
      1.1.3.2 土壤水分与橡胶生产  20-21
      1.1.3.3 橡胶林对水分的影响  21
      1.1.3.4 橡胶林的水量平衡  21-22
  1.2 研究目标与内容  22-24
    1.2.1 研究目标  22
    1.2.2 研究内容  22-23
    1.2.3 技术路线  23-24
2 试验设计与研究方法  24-29
  2.1 试验地概况  24
  2.2 试验设计  24-28
    2.2.1 降雨量及相关气象因子的测定  24-25
    2.2.2 林冠截留的测定  25
    2.2.3 树干茎流的测定  25
    2.2.4 穿透雨的测定  25
    2.2.5 地表径流的测定  25-26
    2.2.6 土壤含水量的测定  26
    2.2.7 土壤贮水量  26
    2.2.8 土壤容重  26
    2.2.9 样地林分调查  26-27
    2.2.10 橡胶林蒸散  27
    2.2.11 渗漏的测定  27-28
  2.3 数据统计分析方法  28-29
3 结果与分析  29-63
  3.1 降雨特征  29-32
    3.1.1 降雨的年内分布  29
    3.1.2 橡胶林降雨量的季节分配特征  29-30
    3.1.3 橡胶林降雨量月内动态变化  30-31
    3.1.4 降雨强度特征  31-32
  3.2 降雨再分配  32-49
    3.2.1 穿透雨与降雨量的年内变化关系  33-34
    3.2.2 树干茎流  34-40
      3.2.2.1 树干茎流与降雨量的相关关系  35-36
      3.2.2.2 树干茎流与各气象因子的回归分析  36-40
    3.2.3 橡胶林全年不同雨量级下林冠分配特征  40-41
    3.2.4 橡胶林林冠截留  41-48
      3.2.4.1 橡胶林林冠截留量与降雨量的关系  41-43
      3.2.4.2 橡胶林林冠截留量与叶面积指数的关系  43-45
      3.2.4.3 橡胶林林冠截留量与影响因子的回归分析  45-48
    3.2.5 橡胶林降雨林冠再分配分析  48-49
  3.3 橡胶林地表径流  49-52
  3.4 橡胶林生态系统的蒸散  52-59
    3.4.1 涡度相关法计算胶林蒸散  52-57
    3.4.2 蒸散组分变化特征  57
    3.4.3 橡胶林月蒸散变化  57-59
  3.5 橡胶人工林土壤贮水量和渗漏量  59-62
    3.5.1 橡胶林土壤贮水量时间变化  59-60
    3.5.2 井群法估算橡胶林土壤渗漏量  60-62
  3.6 橡胶林水分循环各水分因子的变化  62-63
4 讨论  63-66
5 结论与展望  66-71
  5.1 结论  66-69
    5.1.1 橡胶林水分循环中各项水因子的变化特点  66
    5.1.2 橡胶林流域内地表径流、渗漏的特点  66-67
    5.1.3 橡胶林蒸散特征  67-68
    5.1.4 橡胶林土壤层水分动态变化的特点  68
    5.1.5 橡胶林水分循环各水因子的变化特征  68-69
  5.2 创新与不足  69-70
  5.3 今后的研究展望  70-71
项目资助  71-72
参考文献  72-77
致谢  77-78
附录攻读硕士期间的研究成果  78

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