（自然地理学专业论文）金川泥炭地水文动态与地形植被的空间耦合关系研究.pdf

摘要 通过相对高程测量，植物样方调查，降水和蒸发过程观测、泥炭地地表高度和水位 观测等野外实测方法，于2 0 0 6 年雨量集中季节研究了金川泥炭地地表倾斜度和地表糙 度，植物群落分布，蒸发量和降雨量的动态变化，泥炭地中地表高度和水位的动态变化， 以此为基础，分析了水位动态及其交幅对于地形形态和植物群落分布的制约作用，初步 总结了水文动态与地形一植被复合体的空间耦合关系。主要结论如下： ( 1 ) 金川泥炭地从河流到山前，地表相对高程逐渐增加，从距河岸o 一3 2 5m 的带 状区域，植物群落为芦苇一臌囊苔草群落；距河流3 2 5 5 0 0m 的带状区域，植物群落为 臌囊苔草群落；距河流5 0 0 - 7 0 0m 的带状区域植物群落为油桦一臌囊苔草一泥炭藓群落。 在这三个植物群落中，物种丰富度和物种多样性先减少后增加，生态优势度先增加后减 少。就整个泥炭地来说，泥炭地优势种植物为臌囊苔草。 ( 2 ) 优势种植物越单一，踏头的发育形态越相对一致。随着踏头数目的增加，地 表糙度系数逐渐减小；而物种丰富度越高，地貌形态异质性增强，并且踏头数目越少， 地表糙度越大。 ( 3 ) 降雨量和蒸发量影响泥炭地地形和水位，并且泥炭地缝形对其水位具有控制 作用，同时水位对泥炭地地形变化也有制约作用 ( 4 ) 在7 、8 、9 三个月中，降雨量先增加后减少，蒸发量先减少后增加，在7 月 份多产生连续性降雨，在8 月份产生高强度降雨，在9 月份则少雨。在一定程度内，随 着降雨量的增加，泥炭地水位上升，随着蒸发量的增加，泥炭地水位降低。在同一点上， 8 月份水位最高，7 月份次之，9 月份最小，但7 月份水位值与8 月份相差不大。而由 于泥炭积累和植物群落不同，泥炭地中各点高度变化并没有一致性的规律。 ( 5 ) 水位变化幅度在芦苇一苔草群落中最大，这可能是由于该区距离河流较近， 而且人为的在泥炭她与河流相接处挖排水沟渠，使泥炭地中的水更容易的进入河流，使 之变化速率较快，变化幅度较大。随着地表相对高程的增加，水位变化幅度逐渐变小， 在油桦一臌囊苔草群落中最小，这一方面可能与泥炭藓丘的分布有关，泥炭藓具有较强的 饱水和持水能力，对水位的变化具有一定的缓冲作用；另一方面是由于该区靠近山地， 山坡上形成的坡面径流可能对该区域有所补给，这也在一定程度上减小了水位的变化幅 度。水位埋深受地形、植被和水位等因素的综合影响，由于地形变化并没有一致性，因 而水位埋深交化并没有一致性。水位埋深的上升幅度在芦苇一臌囊苔草群落中最大，随 着地表相对高程的增加，苔草群落中水位埋深上升幅度减小，而在油桦一臌囊苔草群落 中又逐渐增大。水位埋深下降幅度在靠近河流的在芦苇一臌囊苔草群落中最大。随着相 对高程的增加，水位埋深下降幅度逐渐变小。 关键词：泥炭地，水文动态，地形，植物群落，地表糙度，空间耦合 a b s t r a c t a c c o r d i n gt om e t h o d so fo b s e r v i n gt h er e l a t i v e l yh e i g h to ft h el a n d f o r m , i n v e s t i g a t i n g p l a n tr e p l i c a t e s , o b s e r v i n gt h er a i n f a l l ，e v a p o r a t i o n , s u r f a c ea l t i t u d ea n dw a t e rl e v e l ，i nt h e r a i ns e a s o no f2 0 0 6 ，t h i sp a p e rs t u d i b 酷t h et e r r a i ns l o p ，t h ed i s t r i b u t i o no fp l a n tc o m m u n i t y a n dd y m a m i c so fe v a p o r a t i o na n dr a i n f a l l ，a n do nt h eb a s i so f t h i s , a n a l y s e st h ee f f e c to ft h e d y n a m i c so f t h ew a t e rl e v e la n dc h a n g e n e s se x t e n to nt h ed y n a m i c so f l a n d f o r mf o r ma n dt h e d i s t r i b u t i o no fp l a n tc o m m u n i t y , a n df r i n g e l ys l l n l l n a r i z 船t h es p a c i a lc o u p l i n gr e l a t i o no ft h e l a n d f o r m - v e g e t a t i o nc o m p l e x ，o b t a i n st h ec o n c l u s i o n sa sf o l l o w i n g s ： ( 1 ) i nt h ep e a t l a n d , f r o mt h er i v e rt ot h ef r o n to ft h eh i l l t h er e l a t i v eh i g h to ft h e l a n d f o r mi n c r e a s e sg r a d u a l l y w i t ht h es u r f a c eu l t i m d ei n c r e a s i n g , t h e r e 咖b ed i v i d e di n t o t h r e ep l a n tc o m m u n i t ys u b a r e a s ：i nt h ez o n a la r e af r o m0t o3 2 5 m , p l a n tc o m m u n i t yi s p h r a g m i t e ss u s t r a l i s - - c a r e xs c h m i d t i ic o m m u m t y ；i nt h ez o n a la r e af r o m3 2 5t o5 0 0 m ，p l a n t c o m m u n i t yi s c a r e xs c h m i d t i ic o m m u n i t y ；i nt h ez o n a la 撇f r o m5 0 0t o7 0 0 m , p l a n t c o m m u n i t yi sb e t u l ao v i l i f o l i a c 甜啊s c h m i d t i i 印h a g n u mp a l u s t r ec o m m m f i t y a l o n gt h e t h r e ep l a n tc o m m u n i t ys u b a r e a s ，t h es p e c i e sr i c h n e s sa n ds p e c i e sd i v e r s i t yf i r s t l yd e c r e a s e t h e ni n c r e a s e ，a n de c o l o g i c a ld o m i n a n c ef i r s t l yi n c r e a s et h e nd e c r e a s e f o rt h ew h o l e p e a t l a n d , c a r e xs c h m i d t i ii sd o m i n a n ts p e c i e s ( 2 ) 1 1 l es i n g l e rt h ed o m i n a n ts p e c i e s t h ef o r mo f t h eh u m m o c kg r o wc o n s i s t e n t , w i t h t h en u m b e ro ft h eh u m m o c ki n c r e a s e , s u r f a e 宅r o u g h n e s sc o f f i c i e n tb e c o m e ss m a l l a n dt h e h i g h e rt h es p e c i e sr i c h n e s s ，l a n d f o r mp 陀s e i 】i 忸h e t e r o g e n e i t y , a n dt h ef e w e rh u m m o c k s , t h e b i g g e rt h es u r f a e ：er o u g h n e s s ( 3 ) t h el a n d f o r ma n dw a t e rl e v e lo ft h ep e a t l a n da r ei n f l u e n c e db yr a i n f a l la n d e v o r p o r a t i o n , a n dt h el a n d f o r mi sc o n t r o l l i n gt h ef o r mo fw a t e rl e v e l ，a n dw a t e rl e v e la l s o r e s t r i c tt h ec h a n g eo f t h el a n d f o r m 。 ( 4 ) i nj u l y , a u g u s ta n ds e p t e m b e r , r a i n f u l lf i r s ti n c r e a s ea n d 出e i ld e c r e a s e e v a p o r a t i o n f i r s td e c r e a s et h e ni n c r e a s e i nj u l y , t h er a i n f a l li sc o n t i n u o u s ，i na u g u s t , i sh i 曲i n t e n s i t yb u t n o tc o n t i n u o u s i ns e p t e m b e r , i ti sl i t t l e i nac e r t a i ne x t e n t , f o l l o w i n gt h ei n c r e a s eo ft h e r a i n f a l l ，t h ew a t e rl e v e ld e c r e s e s i nt h es a n l ep o s i t i o n , t h ew a t e rl e v e li sh i g h e s ti na u g u s t , t h e w a t e rl e v e li ns e p t e m b e ri st h el o w e s t b u ta sar e s u l to ft h ed i f f e r e n c eo fp e a t l a n da n dt h e d i s t r i b u t i o no f p l a n tc o m m u n i t i e s ，t h e r ei sn oo r d e r l i n e s so f t h ee h a n g e n e s so f e v e r yp o i n ti n t h ep e a t l a n d ( 5 ) t h e c h a n g e e x t e n t o f t h e w a t e r l e v e l a n d t h e f a l l 堍e x t e n t t h e i m b e d d e d w a t e r l e v e l i st h eb i g g e s ti np h r a g m i t e ss u s t r a l i s - - c a r e xs c h m i d t i ic o m m w m t y , mr e a s o ni sl i k e l yt ob e i t sn e a rt ot h er i v e r , a n dh a v eg u t t e r si nt h ep e a t l a n dw h i c hi sn e a rt h er i v e r , w h i c hm a k e st h e w a t e re n t e rt h er i v e re a s i l y , a n ds om a k et h ec h a n g ee 】( t e n tb i g g e r a st h es u r f a c ea l t i t u d e i n c r e a s e s ，t h ew a t e rl e v e la n dt h ei m b e d d e dw a t e rl e v e ld e c r e a s e ，a n di sl o w e s ci nb e t u l a o v i l i f o l i a - - c a r e xs c h m i d t i i 印h a g n u mp a l u s 新ec o m m u x f i 吼, w h i c hm a yb ef i r s t l yc a u s e db y t h ed i s t r i b u t i o no ft h eh m n m o c k so fs p h a g n u mp a l u s t r e ，w h i c hi sp o w e r f u li nh o l d i n gw a t e r , n a n dt h i sh a sc u s h i o nf i m c t i o n0 1 3t h ec h a n g eo fw a t e rl e v e l ；o nt h eo t h e rh a n d , i tm a yb e c a u s e db yi t sp o s i t i o nn e a tt h eh i l l ，t h er u n o f ff r o mt h eh i l lm a ys u p p l yt h ed i s t r i c t , s ot h a t t h ec h a n g ee x t e n to fw a t e rl e v e la tac e r t a i ne x t e n tm i n i s h e s t h ei m b e d d e dw a t e rl e v e li s a f f e c t e db yl a n d f o r m , v e g e t a t i o na n dw a t e rl e v e l ，a n db e , c a b g ot h e r ei sn oo r d e r l i n e s so ft h e c h a n g eo f e v e r yp o 砬i nt h ep e a t l a n d , t h e r ei sn oo r d e r l i n e s so f t h ec h a n g eo f t h ei m m b e d d e d w a t e l l e v e li nt h ep e a t l a n d b u tt h er a i s i n ge x t e n to f t h ei m b e d d e dw a t e rl e v e li st h eb i g g e s ti n p h r a g m i t e ss u s t r a l i s c 砌s c h m i d t i ic o m m u m t y , a st h es u r f a c eh e i g h ti n c r e a s e s , t h er a i s i n g e x t e n td e c r e a s e s ，b u ti n c r e a s e si nb e t u l ao v i l i f o l i a - - c a r e xs c h r a i d t i i - - s p h a g n u mp 口l 瑚n c o m m u n i t y k e yw o r d s ：p e a t l a n d , h y d r o l o g i c a ld y n a m i c ，l a n d f o r m ，p l a n tc o m m u n i t y , s u r f a c er o u g h n e s s s p a c i o u sc o u p l i n g n i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：刘至遗 日期： 鲨! ：羔! ! 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：抛 日 期：五盥：匕b 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名：邋 e t 期：之竺2 。篁12q 电话： 邮编： 1 引言 泥炭地，系指有泥炭自然赋存的地段。泥炭沼泽是指具有现代泥炭积累过程的泥炭 地，泥炭积累过程的本质是有机物质生产量超过分解量。 水文特征是控制泥炭地生态系统特性的最直接的环境因子。它控制着泥炭地的营养 输入和地球化学组成，从而有助于有机质的积累i i - 2 】，溶质输送是控制大型泥炭地中地 球化学和生态功能的基础过程p - q 地下水位及其波动对植被的分布是非常重要的f f , - 6 l ， 由地下水位波动引起的土壤水分的变化能引起群落的自生演替【_ 卜删，植物群落的迸一步 演替，植物生长的速度，以及泥炭层各地段上分解的强度和泥炭地地貌的形成，主要取 决于泥炭地内部的水文状况的变化。一些研究表明泥炭沼泽地局部水文条件造就了泥炭 沼泽地微地貌地形景观0 1 - 1 z ! ，甚至控制着泥炭地的碳循环过程，并对全球温室气体的 增加有消减作用f 2 圳 嘲，同时对地方气候变干趋势有一定的缓冲作用 1 2 1 ，【1 6 1 。 泥炭地水位的动态变化是泥炭地水文过程最直接的外在表现，可以表征泥炭地水分 的运移和传输过程，包括水流的输入输出；溶质的运移方向，泥炭地的净化、蓄水和调 节径流功能等。因此，对于泥炭地水位动态变化的研究是研究泥炭地生态的基础。 尽管关于泥炭地水文学的记载在中国古代就有，但是科学的泥炭地水文学研究却远 落后于西方国家，我国的泥炭地水文学研究是在借鉴国外研究已经比较成熟的基础上才 逐渐发展起来的。 1 1泥炭地水文学研究进展 1 1 1国外泥炭地水文学研究进展 在俄国，科学的沼泽水文学研究起始于1 9 世纪7 0 年代，在1 8 7 3 年到1 8 9 8 年之间， 西部考察队对白俄罗斯波列附依沼泽的气象、地形、水文和植被进行了大量的研究工作 1 7 j 。 在泥炭地水文研究早期，内容基本局限于水文现象的定性描述。在2 0 世纪4 0 年代 开始形成几个比较稳定的方向：是沼泽水文地理学的研究，代表人物有b b 库补利亚 诺夫、h 且波格丹诺夫斯卡娅盖涅夫、b 且洛帕亭、e a 罗曼诺夫等人；二是泥炭和泥 滩层水分特性的研究，代表人物有j i c 耶夫斯塔菲也夫、a m 伊威契科、h 且波格丹 诺夫斯卡娅盖涅夫、k e 伊万诺夫和b b 罗曼诺夫；三是沼泽潜水砬及其运动研究，代 表人物有a a 波鲁达斯特夫、a 皿魁巴赫、h 且波格丹诺夫斯卡娅盖涅夫、k e 伊万 诺夫、e a 罗曼诺夫：四为沼泽体水量平衡要素的研究，k e 伊万诺夫注重径流，b b 罗曼诺夫注重蒸发的计算 1 7 1 0 在专题著作中，k e 伊万诺夫的沼泽水文学具有重要的意义，在他的著作中， 在沼泽景观研究的基础上总结了自然沼泽体水文状况和泥炭层水分特性方面的试验和 理论的开创性成果，他指出了一些普遍性规律，如沼泽水文过程与沼泽体地面的形态和 结构以及它和沼泽小景观的联系规律，而且他还根据泥炭层中水位是否变化以及泥炭的 含水量的多少把泥炭层分为活动层和惰性层，这对后来的泥炭地水文学研究产生了深远 的影响。 在国外，泥炭地水文学的发展历史大致经历了基础数据的长期监测从而定性描述研 究，由于长期排水而改变的水文功能研究。泥炭层分层的水力属性研究，泥炭地水量平 衡要素研究，以及模型在水量平衡和水位动态变化预测上的应用这几个阶段。 在爱沙尼亚，湿地面积占2 5 ( 沼泽为2 2 ，洪积平原为1 8 ，滨海草甸( 1 ) 。 在1 9 1 0 年首先在t o o m a 矿养沼泽中建立水文站，水文研究开始在爱沙尼亚进行。在1 9 5 0 年在爱沙尼亚中心的t o o m a 泥炭沼泽中建立沼泽观测站标志着该国观测和研究沼泽水 文的一个新的阶段开始。在2 0 世纪5 0 年代，最重要的是获取广泛的数据；在6 0 年代， 研究因排水而改变的水文功能：在7 0 年代，进行藓丘形成的研究；在8 0 年代，对监测 高位沼泽水量平衡长期变化的监测网进行调整；在9 0 年代，对泥炭地水文系统整体研 究 1 t l 。 许多关于水文的研究已经在泥炭地中完成f 1 9 - 2 8 1 ，其中大量的研究集中在泥炭层水力 属性的测定以及达西定律在泥炭地中应用的探讨，尤其是在俄国的k e 伊万诺夫提出泥 炭地分层之后，这方面的研究逐渐增多。 i n g r a ml ”l 提出所有的地下水位波动主要发生在泥炭地的活动层，而且他还指出活 动层和惰性层的水力传导度的典型值分别为1 lc ms 1 和l 1 0 4c ms 1 ，活动层泥炭相 对较高的水力传导度使在活动层中可能产生快速的壤中流f 5 - 6 1 。经过实验研究和泥炭地 水文模拟，已经证明由于泥炭和下部的矿物质土壤之间的水力传导度的差异而泥炭地垂 直水流通常被忽略。许多以前的研究都假设泥炭地中的垂直水流是不重要的 2 9 。3 2 1 ，而且 传统上还认为由于下层矿质土壤的低渗透性，泥炭地系统与局部和区域的地下水水流系 统没有水力联系o - 6 1 ，但是，目前越来越多的研究已经证明双向水流以每年一次的频率 在泥炭地中发生【1 蚍1 】【3 3 1 。 从达西定律在泥炭地中应用开始，就引起了不同的争论，很多人认为达西定律不适 用于泥炭地。但是j w a i n e 等人t 3 4 1 经过实验研究证明，尽管达西定律在开始阶段不适用， 但是在实验阶段的后期，发现流量q 与水力传导度k 星线性相关，这表明达西定律是 适用于泥炭地系统。同时，水力传导度k 的测量方法如水位恢复法、抽水实验法和注水 实验法等在泥炭地中广泛应用，其中渗压计水位恢复法的应用最为普遍 2 0 l ，【3 6 1 。 在9 0 年代之后，大多数的泥炭地水文学研究主要集中在泥炭地水量平衡以及水位 动态变化的水文模型的探讨应用上在模型应用初期，并没有一种适用于泥炭地系统的 统一的模型1 3 6 - 3 s l ，随着模型应用的探讨和实践，逐渐形成了以m o d f l o w 模型为代表 的泥炭地水文模型，用m o d f l o w 来模拟泥炭地中的水量平衡以及水位的动态变化 1 4 1 , 3 , 9 1 。 1 1 2 国内泥炭地水文学研究进展 在我国，受俄国泥炭沼泽水文研究的影响，科学的沼泽水文学研究从建国以后开始。 2 2 0 世纪6 0 年代，东北师范大学泥炭沼泽所和中国科学院东北地理研究所率先开始研究 泥炭沼泽水文。马学慧等人【帅】研究了若尔盖沼泽的水分特征。中国科学院东北地理研 究所j 对七虎林河中、下游沼泽低湿她区的水文特征进行分析，当对。他们把沼泽和 沼泽化地段称为沼泽低湿地，并且着重介绍了该区水文网状况、径流状况、土壤水分、 水化学分析以及水分状况的形成。 之后，关于泥炭水文的研究较少，至8 0 年代初期，郎惠卿等人编写了中国沼泽 一书，其中把沼泽的水文特征作为沼泽的首要特征来介绍，她认为沼泽水是地表水和地 下水的过渡类型，它具有一系列特殊的水文过程。张则有f 4 2 】论述了沼泽水源补给类型 共分为大气降水、地表水、地下水以及混合水补给四种类型：同时在泥炭沼泽水分运动 研究率，他单纯的考虑活动层的水分运动，蘑把惰性层的水分运动不予考虑；同时还把 达西定律应用在泥炭的渗流运动中，并测定泥炭层的渗透系数。 1 9 8 6 年建立三江平原沼泽湿地生态实验站，标志着在国内系统的研究沼泽湿地的开 始。但是由于起步较晚，关于水文的研究还不是很系统，而且主要集中于水文方面的各 个要素的研究上，陈刚起等人m i 通过对三江平原沼泽蒸发进行研究，发现沼泽的蒸发大 于水面蒸发的l 2 倍。之后，王升忠【l l 】研究了泥炭地微地貌形成的水动力机制，指出 水动力条件是微地貌发育的最根本的原因。 总的来说，国内的泥炭地水文学研究与国夕 相比，还处于初级阶段，恧且研究并不 系统，发展相对缓慢。 1 2 选题依据及研究意义 泥炭地水位的动态变化是泥炭地水文过程最直接的外在表现，可以表征泥炭地水分 的运移和传输过程，包括水流的输入输出；溶质的运移方向，泥炭地的净化、蓄水和调 节径流功能等。因此，对于泥炭地水位动态变化的研究是研究泥炭地生态的基础。 在泥炭地中，在长对间序列状况下，水文控专8 着地貌形态的发育以及植被的演替。 而且水位及其波动对植被的分布是非常重要的d 叫。植物群落的进一步演替，植物生长 的速度，泥炭层各地段上分解的强度和泥炭地微地貌的形成，主要取决于泥炭地内部的 水文状况的变化。水文状况的变化引起植物生长条件的变化，与此相联系，植物群落结 构以及植物体生长和分解的速度也发生变化。从而泥炭的堆积速度一泥炭地生长的速度 也发生变化，从而导致了泥炭地地表形态的变化，而这些情况也影响着泥炭地水文状况。 我国的泥炭地水文学研究始于建国后二十世纪五十年代，起点比较低，远远落后于 国外德国、加拿大等国家，发展相对较慢。而且我国关于泥炭地水文学的研究主要集中 在水文地理方面的研究，如泥炭地得水文径流特征，水源补给状况等，而关于地形、植 被和水文的综合性研究较少，且定性研究居多，定量研究较少。 本文通过相对高程测量，植物样方调查，降水和蒸发过程观测、泥炭地地表高度和 水位观测等野外实铡方法，于2 0 0 6 年雨量集中季节研究了金j i | 泥炭缝鲍表倾斜度和地 表糙度，植物群落分布，蒸发量和降雨量的动态变化，泥炭地中地表高度和水位的动态 变化，以此为基础，分析了水位动态及其变幅对于地貌形态和植物群落分布的制约作用， 初步总结了水文动态与地形一植被复合体的空间耦合关系，从而对泥炭地地形的发育和 植物群落的演替预测起到定的作用，同时也为在泥炭地受到破坏后地形植被的恢复奠 定基础，为以后更深入的研究打下基础。 1 3技术路线 根据研究内容，本文的研究技术路线如下( 图1 - 1 ) ： 图1 - 1 技术路线图 4 2 研究区概况 金川泥炭地位于吉林省辉南县金川镇西1k m 左右，地理坐标为4 2 。2 0 5 6 ”n ， 1 2 6 。2 2 7 5 1 ”e ( 图2 1 ) 。当地称西大甸子，年平均气温3 3 左右，年均降水量1 0 5 3 9 m i d ，且多集中于7 、8 月份，无霜期仅1 3 4 天左右，气候冷湿。该泥炭地发育在龙岗 山脉中段的山间谷地，周围为海拔一般在8 0 0 1 0 0 0 m 的低山区。谷地由东北向西南逐 渐展宽，以东为熔岩台地低山区，西部逐渐向低山丘陵区过渡。从周围出露的地层来看， 基底为太古界鞍山群，系一套经中深区域变质和强烈混合岩化的变质岩系。新生界地层 不连续地覆盖于鞍山群之上。第三纪以来区内火山活动较强烈，金川泥炭地即是由第四 纪火口湖演化而来。谷地地势平坦开阔，东高西低，平均坡度o 6 5 。左右。金龙顶子( 9 9 1 m ) 火山锥为泥炭地附近最高的山峰。在金川镇北部有条小河流经泥炭地，当地称之为 北大河，谷地地下水比较丰富，地表径流汇入后河，最终注入辉发河。 图2 - 1 金川泥炭地位置示意图 金川泥炭地发育在第四纪火山口内，火山口位于谷地之中，地势较低，地表海拔 6 1 3 6 1 6m ，呈椭圆形，东西长1 4 4 0m ，南北近1 1 6 0m ，面积约为1 1k m 2 。泥炭厚度 一般3 6m ，局部最厚处约9m 。泥炭地内有季节性积水，尤其是在降水集中的7 、8 月 份，积水达1 0c m 左右。没有积水时，由于泥炭具有良好的持水性，泥炭土的土壤含水 5 量通常较高。冬季，泥炭地表层形成冻层。泥炭地垂直剖面上，金川泥炭地的东部和西 部也有所不同，在东部，可以分为三层，上层为苔草泥炭，中间为芦苇一苔草泥炭，下 部是亚粘土为主的沉积物，局部有很薄的泥炭藓苔草泥炭。在西部，上层为芦苇一苔 草泥炭，中间为苔草一禾草泥炭，下层为亚粘土为主的沉积物。不同垂直剖面物质组成 的变化反映出金川泥炭地的发育过程。大约6 0 0 0 多年前开始沼泽化，植被演替历经芦 苇一苔草到苔草一禾草，大约近2 0 0 0 年来才演替为苔草。现演替阶段，优势植物群落 为臌囊苔草群落和油桦一臌囊苔草群落，占总面积的6 5 1 5 ，油桦- 臌囊苔草群落占总 面积的2 0 7 4 。 金川泥炭地内人为干扰较为严重。泥炭地东部以及北大河南部的泥炭地已开垦为水 田，未开垦区域也经常受到放牧和植物刈割等人为活动的干扰，而且，为了保护泥炭地， 在北大河北部的泥炭地周围筑起了高约5 0 c m 的堰，从而使地表水不能直接排入到北大 河。同时，由于在泥炭地东部开采泥炭形成了一个水塘，因此改变了水流格局。 6 3 研究方法 3 1野外调查 从2 0 0 5 年5 月至7 月多次到金川泥炭地进行实地考察，并根据植物群落外貌的变 化选择从山前到河流的实验区域，样点的选取是结合地形和植物群落外貌变化来进行。 3 2 样点的布置 在实地考察的基础上，根据群落外貌变化选择从山前到河流的一系列样点( 图3 1 ) ， 在各样点设置p v c 管，然后用g p s 进行样点定位，把各点的坐标在影像图上标出。 图3 - 1 样点位置示意图 3 3 实验设计与方法 在7 - 9 月份，选择每个月的中下旬进行连续的蒸发量、降雨量和泥炭地水位的观测， 并在7 月、8 月和9 月份分别测量地形剖面相对高程，并且7 月和8 月份进行植物样方 的调查根据蒸发量、降雨量、泥炭地水位以及地表相对高程的变化，分析泥炭地水位 和地表高度随蒸发量和降雨量的变化规律，初步分析了水文动态与地形一植被复合体的 空间耦合关系及其耦合机制。 3 。3 。l 蒸发量和降雨量 泥炭地的蒸发量和降雨量应用距泥炭地约lk m 外的金川镇龙湾实验站里设置的标 准蒸发皿和雨量桶来测量，蒸发量和降雨量的测量时间为每天早上8 点，频率为每天一 7 次，有时每天观测两次，分别在8 点和1 6 点进行。 3 3 2 地表相对高度测量 根据样点分布区域设置一条地形割箍线( 图3 - 1 ) ，剖面线长度为7 0 0i n , 该剖面线 b 图3 - 2 地表高度相对高程测量示意图 3 3 3 植物群落物种多样性分析 分别以两个样点为起始点，应用连通器采用2 5m 间隔进行地表相对高度测量连通器是由两根 1 5m 长的玻璃管和3 0m 的橡皮管相连组成的， 其中注入一定的水。 测量地表相对高程时( 图3 - 2 ) ，如以a 点为 基准点，设b 点的相对高程为x ，且a 点与b 点阍距为2 5m 用连通器测量时，分别记录a 、 b 两点玻璃管中的水位高度h l 、b 2 ，则b 点的相 对高程x h l h 2 ，分别计算各点与基准点之 问的相对高程。 沿地形剖面，根据植物群落外貌以及相对高程的变化，在7 , 9 和8 月份下旬选择不同 的植物样方进行植物分布调查。根据植物群落外貌，共分为三个大区：油桦一臌囊苔草 透、臌囊苔草区、芦苇臌囊苔草区，有灌木的植物样方为2r e x 2m ，草本植物样方为lm x1m ，调查时仅对生长高度超出地表的植物进行调查，分别统计各区样方内物种的种 类、盖度、高度、密度，进行物种多样性分析。 物种多样性测定的指标很多h 4 4 1 ，既可以用株数和盖度为计算指标。也可用重要值 为计算指标。本实验采用重要值作为计算指标，此法用于草本群落较为方便和适用1 。 生态优势度是衡量种群在群落中作用大小的重要指标。它可以用不同的方法来计量，本 文用重要值和频度来表达忡1 。 重要值i v ( i m p o r t a n c ev a l u e ) ： i g = ( 相对盖度+ 相对密度+ 相对高度+ 相对频度) 4( 1 ) 物种丰富度指数( r i c h n e s si n d e x ) ： 胃= s ( 2 ) 式中s 为每个样地内的物种数。 物种多样性指数( s p e c i e sd i v e r s i t yi n d e x ) 采用s h a n n o n - - w i e n e r h 7 1 指数计算： 日= 一只l l i n ( 3 ) 式中p i = i k ，k 其中，”为第i 个种的重要值，p 为种i 所在样地的各物种的重要 值之和。 生态优势度c ( e c o l o g i c a ld o m i n a n c e ) 为： c = ( 彤n 0 2 j i l 选用s i m p s o n l “州生态优势度指标计算公式 s ( 4 ) 式中， 为第i 个种的重要值，矿为种i 所在样地的各物种的重要值之和。 3 3 4 地表糙度计算 根据植物群落分布的不同，在不同的植物群落中选择三个2m 2m 样方，进行地 表糙度系数指标的测量。 国内多运用链条法进行糙度系数的计算，吴发起等人侧用链条法与小干尺法作比 较，证明了链条法测得的数据离散程度小，较对称，稳定性高，并且链条法测量的效率 高，且容易消除人为因素影响。 链条法选用链条长度l 。= 1 0 0c m ，测量时沿径流方向贴地面放置，其顺坡长度l ：随 地形起伏增大而减小，计算出链条长度的减小值l 。一k ，即可计算出糙度指标c 。 c = ( l l 一功嘲x 1 0 0 ( 5 ) 式中，c 值越大，表示糙度系数越大。 3 3 5 泥炭地水位和地表高度 在p v c 管上打四排平行的间隔l oc m 的孔径为5 衄的小孔，然后把p v c 管插入 到泥炭底层，用水位传感器测量泥炭地水位同时，用卷尺测量p v c 管口到地面的距 离。通常观测时间为每天早上8 点，频率为每天一次，有时每天观测两次，分别在8 点 和1 6 点进行 9 4 结果与分析 4 1泥炭地地形一植被特征及其空间镶嵌结构 4 1 1 泥炭地地形特征 从河流到山前选取一个剖面，长约7 0 0 弛每相隔2 5m 选取做一个样点，共2 9 个样点。 以剖面上距离河流最近的样点为基准点，该基准点的高度为基准高度，则该泥炭地样带 剖面相对高度示意图如下( 图4 1 ) 。 e d v 醛 恒 靛 罂 7 0 0 6 5 06 0 0 5 5 05 0 0 4 5 04 0 0 3 5 0 3 0 02 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 05 0o 离河流距离( m ) 图4 - l泥炭地样带地形剖面示意图 在金川泥炭地中，根据地形剖面中的2 9 个样点，来计算泥炭地地形的坡度。 s = li - i i - h ：l k ( i j = 1 2 3 2 9 且i 滁 匿罂n唧匝翁趔静雄卜_ii*最齄单辞星鼙剞品蜷割颦导匝燃叫草g棼雄七b鼙哟妖奄搽鬈妒+。匝甜翠*筘留聪孵墨皿 =双a黑皿h吸，皿高皿群最求cv工0二p)匝鲁荨妪淞瓮卿冒褒鬻g皿i叹a霹叮n皿，皿上z正h秣车蒹求0、(ov，0 6 i 匝 c v o v v 口v o 一 。 4 2 2 2 泥炭地水位日际变化 在泥炭地中，各点水位的变化直接受蒸发量和降雨量的影响，选择泥炭地中的一点 a ( 图2 - ) ，观测a 点的水位日际变化。 7 月2 9 日7 点j 3 0 f i7 , q 3 1 日8 月1 日8 月2 日8 月3 日8 月4 日 b 月5 日 日期 图4 - l oa 点七月份水位日际变化图 图4 - ha 点八月份水位日际变化图 根据图4 1 0 和图4 - 1 1 可以看出，随着蒸发量的增加，水位持续下降；随着降雨量 的增加，在一定程度内水位持续上升。在7 月3 1 日到8 月2 臼内，产生连续性降雨， 水位持续上升，但是在8 月2 日的强降雨后，即使在8 月3 日产生的降雨量超过了蒸发 量，泥炭地水位反而下降。同样在8 月2 7 日高强度降雨后，即使在8 月2 8 日产生的降 两量超过了蒸发量，泥炭地水位依然是下降的，而并没有随着降雨量的增加面增加。这 说明，在一定降雨强度内，水位上升，而降雨量超过某一程度后，即使有降雨产生，水 位也不会上升 4 2 2 3 泥炭地水位季节变化 泥炭地地表主要对水位形态起控制作用，但是水位的变化主要受蒸发量和降雨量变 化的制约。随着蒸发量和降雨量的变化，泥炭地水位相应发生变化。 优仍位们俄僧僻僻懈僻 笱 ：窖 竹 5 o e e 图4 - 1 2 ( a ) 、( b ) 、( c ) 三个图分别表示7 、8 、9 三个月的平均水位等水位线图 在7 、8 、9 三个月中，降雨量先增加后减少，蒸发量是先减少后增加对比图4 一1 2 中的( a ) 、( b ) 、( c ) 三个图，等水位线的形态在山前相差较大，尤其是7 月份的与8 、9 月份的相比。其余的等水位线形态相差不大，但是在9 月份的等水位线在近河岸处较7 、 8 月份的密度大。整体上说，相同的地点，8 月份水位值最大，9 月份水位值最小，7 月 份水位值居中，但其相应值与8 月份相差不大 4 。2 2 ，4 泥炭地地形日际变化 7 月2 9 1 = 17 月3 0 日7 月3 1 日8 月1 日8 f 2 日8 月3 日8 月4 b8 月5 日 日期 图4 - 1 3a 点七月份地表高度日际变化图 2 1 5 5 e o 5 5 忧饥饿m 伽憎僧懈傅 笛 1 2 5 o e 8 月2 6 日s , e j 2 7 日8 月2 8 日s , q 2 9 日8 点j 3 0 日8 e j 3 1 日9 , q 1 日9 月2 日 日期 图4 - 1 4a 点八月份地表高度日际变化图 在图4 - 1 3 中，一般情况下，泥炭地地表高度变化很小，而在8 月2 日高强度降雨 后一天地表商度才有相对较大的幅度上升。而在图4 - 1 4 中，地表高度在高强度降雨的 当天上升幅度较大，然后维持在一定的高度内，变化很小。 在泥炭地中，由于各点的积累的泥炭的性质不同，并且地表植被不同，所以，泥炭 地各点的变化状况也不相同，并且没有明显的规律。 4 2 2 5 泥炭地地形季节变化 由降雨量和蒸发量的变化引起泥炭地水位发生相应的变化。同时水位变化而引起泥 炭的含水量发生相应的变化，则地表相对高度在一定程度内随泥炭地水位变化而变化。 图4 - 1 5 ( a ) 、c o ) 、( c ) 三个图分别表示7 、8 、9 三个月的平均地形高程等高线图 5 踞 5 仍 s | ! 饥 例 m 仂 加o e 在7 、8 、9 三个月中，降雨量先增加后减少，蒸发量则是先减少后增加。对比图4 - 1 5 中的( a ) 、( b ) 和( c ) - - 个图，由于等值线间隔为5c m ，在山前地形高差较小，则地形稍有 变化，等值线变化就比较明显，而且等高线的形态也不一致。从1 9 0c m 的等高线到河 流处的等高线形态大致相同，密度也基本一致。但是在相同的位置，8 月份的相对高程 较7 月份和9 月份该点的相对高程较高。7 月份的地形等高线和9 月份的地形等高线相 比，在相同的位置，在山前和靠近河流处，7 月份的相对高程较9 月份低，但是在中部 区域，7 月份较9 月份较高。 4 2 2 6泥炭地水位和地形的空间变化机制 在8 月份，由于日均降雨量大，并且日均蒸发量小，因此各点的水位值较其它两个 月的水位值高。在9 月份，由于没有降雨，并且蒸发量较大，并且持续时间较长，使整 个泥炭地水位降低，故9 月份的水位值较低。 w e b b e r 认为泥炭地地表高度变化的主要原因是泥炭中水分的获取或损失造成的1 5 3 1 , 【，】，并且k l l l c z y 豇s k i 也讨论了泥炭沼泽中由于高强度水量输入的变化i ”l , i “j o h nc a l m e n d i n g e r 通过实验认为地表高度变化的最主要原因可能是水量的不同产生的压力不 同嘲。， 随着降雨量和蒸发量的变化，地表高程发生相应的变化在8 月份降雨量最大，泥 炭地地形高度最高，而在7 月份和9 月份由于其它影响因素的作用更大，则呈现出变化