（自然地理学专业论文）济南市南部山区三川流域景观变化及水文生态效应研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 济南市南部山区三川流域景观变化及水文生态效应研究 摘要 济南以“泉城”著称，以“四大泉群”为主要代表的7 2 名泉形成了济南市悠久的 泉文化。南部山区是济南市泉域地下水的补给区，其独特的地质结构为济南市泉群的形 成和地下水的循环提供了得天独厚的自然条件，在补充泉域地下水、提高全市生态质量 和确保市区饮水安全等方面具有不可替代的作用。但是，由于不合理的景观格局造成的 城市内部各要素之间的不协调，削弱了研究区景观的生态、经济和社会功能。研究景观 变化以及由此引发的水文生态效应，具有重大的理论与实践意义。本文以景观生态学为 理论基础，借助r s 和g i s 技术，以济南市南部山区三川流域为例，对该区1 9 9 5 、2 0 0 0 、 2 0 0 4 年的景观现状及其变化进行研究，并在此基础上分析由景观变化对该区水文生态效 应的影响，从而提出相应的建议措施，从最大程度上保护和恢复研究区的生态功能。论 文的研究内容如下： ( 1 ) 针对研究区的具体情况，在g i s 软件的支持下，提取各景观要素并建立各景 观类型的空间数据库，生成研究区三个时期的景观生态类型图。 ( 2 ) 运用不同时期的景观图，利用a r c v i e w3 3 的空间分析功能和景观空间格局分 析软件f r a g s b 打s ，计算各时期景观指数，分析景观格局特征及变化规律。得到如下 结论： 研究区景观类型除荒草地步 集中连片分布外，自然景观均破碎化比较严重，分离 度大，连通性差，是以小斑块为主的景观格局。有林地虽然遍布整个研究区，但和草地、 灌丛等景观类型以小斑块的形式相闻分布，斑块破碎，作为重要的水源涵养地区，有林 地的覆盖率不高。同时，研究区景观斑块生境简单，几何形状较规则，人为干扰相对较 大。这种状况不利于保持景观整体结构的稳定性和生态功能的发挥。此外，各景观要素 随海拔、坡向、坡度的不同也有较大的差异。 研究区景观变化过程主要表现为耕地、疏林地持续减少：园林地、水域持续增加； 其余景观类型略有波动，有林地、草地表现为先减少后增加，总体减少的趋势；而灌木 林地、居民地，工矿建筑用地及未利用土地则表现为先增加后减少，总体增加的趋势。 政府干预及人类生态意识的增减，是该区景观变化的主要原因。 ( 3 ) 在g i s 支持下，对三川流域三年的不同景观结构的水文生态效应进行了初步 分析，主要结论如下：不同景观要素的林冠截留量、枯枝落叶层厚度、土壤蓄水能力及 山东师范大学硕士学位论文 土壤入渗率等存在差异，导致不同景观要素对水分的再分配和运移能力相差较大。三川 流域三年不同的森林景观结构，致使该流域产生了不同的水文调节能力，1 9 9 5 年该流域 的水文调节能力较强，而2 0 0 4 年的水文调节能力相对较弱。研究结果表明，有林地的 面积比例，尤其是阔叶林的面积比例在该流域三年的水文效应差异中起着重要作用。而 在森林总面积相同的情况下，大斑块面积的森林更有利于水源涵养。所以，在研究区进 行小面积的造林，其水文调节功能并不理想，而大范围实施效果会更明显。 ( 4 ) 景观空间格局的不合理是研究区水文生态效应降低的重要影响因素，为了维 护当地的水源涵养能力，更好的保护和恢复其生态功能，可以针对该区的区域特征，通 过封山育林，合理的选择树种、林种以及先进的技术措施合理的调整景观格局和自然景 观之间的生态联通程度，使景观格局得到优化，从而在源头上增强该区的水文生态。 i l 关键词：景观生态学水文生态效应景观结构空间分布三川流域 中图分类号：q 1 4 9 山东师范大学硕士学位论文 s t u i i yo nl a n d s c 印ec h a n g ea i l de c o - h y d r o l o 百c a le 虢c t si ns a n c h u a n b a s i no fs o u t l l e m o u n t a i nr e g i o ni nj i n a n a b 胁c t j 缸mi s a i l sf b r “s p r i n gc i 妒，a n dt h e7 2f i m o u ss p r i n g sr e p 咒s e n t e dm a i n l yb y ”f o i 】r m 旬o rs p 血g s ”f o m 也eo l d - l i es p r i n gc m t l l r e t h es o u 也e mm o m l 乜j nr c g i o ns u p p l e m e t s g r o u n 西v a t e rt o 也es p r i n g so fj 讯髓c i 坝a n di t s1 】i l i q u eg e 0 1 0 昏c 缸勋n 蛐l r eo 行打s p r e d o m i l l a mn a t u r a lc o n m 廿o n sf b rf b m 怕gs p r i n g sa n dm ec i r c l d 娟o no ft h eg r o u n d w a t e ro f j i 呦c i t y t h er e 百0 np l a y s 趾i 印1 a c e a ：b l er o l ei ns u p p l 锄e d t i n gl 髓dg r 0 瑚“r a t e rt ot h e s p d n g sa n di l p r o v i n gt h ee n v i r o 姗e n t a ：iq l l a l i t yo f 也ew h o l ec i t y 趾dp r o t e a d n g1 h es e c u r 时 o fd r i n l 【i n g _ w a t e ri n 也e b a n b mb e c 叭s eo ft h en o - c o o r d j 幽o f 岫匝1 a n d s c a p e e l 渤ta n db a dl 眦d s c 印ep a c 衄n ng r e 砌ya g 掣a v a l i e s 也ef i l c t i o no f t h eu r b 姐l a n d s c 印e t h e 他a r c ho fl 矾d s c a p ec h a n g ea n de c o i h y d m l o g i c a le 任b 吐h 船也es i g n i 丘c a n t 也e o r y 锄d t h ep r a c d c em e a n i n 粤h l 也i sp 印e r ，b 髂e do nm ep 血c i p l eo f t h el a n d s c a p ee c o l o g y ，u s i n g 也e r e m o t es e 芏l s e ，g i sa n df r a g s r i 觚sal a n d s c a p es 佃蛐l r ea n a l ”i sp r o g 姗呱t a k i i l g 蛐a nb 嬲i no f 血蛆船蛆e x 踟l p l e ，t h e 蛐r 咖d i e dt h ee 航c tt oe c o _ h y d m l o g i c a i c a i l s e db yt h ec b 【a n g eo fl a n d s c a p ep a t t e m ，a n dp r o p o s e dt h ec o r r e s p o n d i n gs u g g e s t i o nt 0 p r o t e c t 锄dr e s t o r et 1 1 ee c o l o g i c a lf 删o n o f t h i sa r e 乱t h ec o 砌l l s i o n sa r e 髂f o l l o w s ： ( 1 ) h la 1 b nt 0 如c o n c r e t cc o 碱t i o n so fs 锄c h l mb i 1 1 龇s 砌yp i c k e du p l 姐d s c a p ed e m e n t s 拙db 酆e dt h es p 撕a ld a 士a - b a s eo fs a c 妇lb 鹊i i l ，也e nm a k e d 也e e c o l o 西c a l1 锄d s c a p e 聊em 印si l l d i 毓td a t e su n d e r 出eg i ss o f h v a r e ( 2 ) a c c o r d i l l gt ot l l et l l l e ee c o l o g i c a ll 趾d s c a p em a p s 证1 9 9 5 、2 0 0 0a n d2 0 0 4 ，a c c o u n t e d i el 托d s c 印ei n d e xa i l da n a l y z e d 也es t r u c t u r ec h a r a c t e ro ft h e1 a n d s c a p ea n do r d e r l i n e s so f i e m ，b y1 l s m gt h es p 撕a la t 】_ a l y 五n g 触c t i o no fa r c v i e w3 3 越df r a g s s o b t a i l l e dt h e f o l l o w i n gr e s l l l t s ： ha d d 始o nt 0 也eb a r r c l lj ns u c c e s s j o n ，n l e 丑a t l l 】商1 a 1 1 d s c 印e 妨p c sj ns a n c h u a nb a s i n w e r e r i o u s l yh g m e n t a l ，m a i l l l ye x i s t e di i l 如诅up a 汕s i z e 趾dl o wc o l e c t e 血e s s a l m o u 曲也ef o r e s 廿孤ds p r e a da l lo v e rs 蛆c h u 越b 觞i i l ，i ts p r e a d 鹊t h es m a l lp a 自c h e s 谢t h f 部s l a | 1 d ，b m s hl 锄d 趾ds oo n p nt h es a m et i r n e ，b e c a u s eo ft h ea m 丘c i a lo b s 乜c “o nt h e s h a p eo f t h el a n d s c a p ep a t c h e sr e g l l 王越1 1 1 i sk i i l do fc o n d i t i o ni sd i s a d v a n t a g e o u st om a i n t 8 i n h t 山东师范大学硕士学位论文 t l ：i es t a b i l 衄o f w h o l el a n d s c 印ec o n g 咖c t i o na n dd i s p l a y i i l go f t l l ce c o l o 西c a le 腩c t s a n d l e s p a t i a ld i s t d 眦o n so fm e s el a n d s c a p ee l e m e n ：t sa r e 甜触db ym ea l 由：u d 岛a s p e c t 锄ds l o p e m o r e o r k s s t h ec h a i l g ec h a r a c t e r i s t i co f1 a n ( 1 s c a p ee l e m e n t sw e r ef 砌8 da 1 1 ds p a r s e w o o d s c o i m m l a l l yd e c r e a s e d ，g a r d e np l o ta n dw a t e ra r e ac o m i n l l a l l yi n c r e 鹤e d ，a l h e rl a n d s c a p e e l e m t sl i k ef o r e s t l a n d 铲踮s l 觚d ，b m s l l1 a i l de t c n l l 纰t e ds l i 创y t h em a i nr e a s o no f 1 a n d s c 印ec h 跹g ei n 吐l i s a r e ai st h e 咖e 蚯o no f1 h eg o v 蛐e n ta n de c o l o 西c a l c o 璐c i a u s n e s so f m eh u m a n ( 3 ) u n d e r 也es i l p p 砥o fg i s ，趾a l y z et b r e ey e a r se c o - h y d r 0 1 0 9 i 咖e 位c 乜i ns a n c h l 姗 b a s i nc a l l s e db yd i f r c r e i l tl a n d s c a p s 劬l c t i l r e ，m a i nc o n d l l s i o na sf o l l o w s ： d i 确_ 髓c eo fc r o 、；l ，nm 啪删o n ，f m s tn o o r 主n g 廿1 i c k n 盟s ，也es o i lw a t e rh o l d i i l g c a p a c i 母a n dt l l es o i le n t e ri n 矗l 蛐g r a t ee t c c a u dt 1 1 ed i 丘b r e n c eo f w a 由e r 扛趾s f 醯m o d es o a st o p r o d u c ed i f i 打e n th y d r o l o g ya d j 嘲f h n 舐o n ，a n dm a k em e mh a v ed i 丘确1 t c c o - h y d r o l o 百c a lp m c e s s t h eh y d r o l o g ya d j u s t i i 培如1 曲o ni 1 11 9 9 5i ss 呐n g e rt h 趾t l l i si n 2 0 0 4 n e 矗n d i n g s 砒i c 曲甜t h a t ，也ea r e ap r o 州i o no ff o r c s t l 姐dp l a y 趾洒p o r t a n tp a r ti n e c o 母d r o l d 西c a le 彘魄h o w e v w i t h 也es 锄ef b r e g tt o t a la r e a ，t h eb i g 蠡) r e s tl 丑i l d s c 印e p 锄c hh 嬲s 扛0 n g e re c o h ) 怕l o g ye 丘b c t st h a n 也o s co fs m a l l e rf b r e s tl 姐d s c a p ep a t c h e s t h e r e f o r e ，w b 髓p l 趼t i n g 缸e e si nt h ea r i d 盈o n e ，i ti sb e t t e rt 0e n v e l 叩i na 】a r g es c o p e t h a n s p l i ti n t os o m es m a l lp a t i h e s ( 4 ) s i n c ei r r 嘶o n a ll a n d s c a p ep a 啦锄i s 吐1 em a 斑f a 咖ro fr e d u c t i o n6 fe c o - l l y d r o l o g i c a l d r e c t i no r d e rt 0s 磷= t a i l le c 舢h y d l o g ye 饪b c t s ，p i d t e c t 趾dr e s t o r ei t se 0 0 1 0 9 y 劬血d n ，r i g h t m 髓s u r e sa i l i l i n ga t 伦哺t o r i a lc h a r a c t e r i s t i c ss h 0 1 1 1 db et a k e n u n d e r1 l l ep r e c o n d i 垃o no f e n h a n c i i l gv e g e 僦o nc o v e r a g e ，也c 瑚i nm e a s u r e i s q 州瑚i z i n gl a n d s c a p ep a t t e ma i l d i i n p r o v i n gc o 地e c t i v i t ) ，b e t w e e nn a t l l m ll a 工1 d s c 印e s 。皿e n 出ee - h y d r o l o g i 浏e 疵c t 稍l i n c r e a s eg r a d u a l l y k e y w o r d s ：l a n d s c 印ee c o l o 盯；e c o h y d r o l o g i c a le 舵c t ；l a n d s c a p es 仃l l 曲l r e ；s p a t i a l d i s 缸b l 蝣o n ；s a 工l c h u a i lb 嬲i 芏l ；胁 c l cn u m b e r ：q 1 4 9 独创声明 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，论文中小包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没有其他需要 特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作 的同志埘本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的浣明并表示谢意。 学位论文作者签名 筏书 导师签字 学位论文版权使用授权书 芝乏 1 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堂 查l 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 或扫描等复制于段保存、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 礁锘 签字n 期：2 0 0 年斗月】廿f _ _ l 导师签字： 芝 己 签宁同期：2 0 0 1 年年月2 d h 山东师范大学硕士学位论文 1 综述 1 1 景观生态学综述 1 1 1 景观、景观生态学、森林景观生态学 景观( l a i l d s c a p e ) 的定义有多种表达，在生态学中景观的定义可概括为狭义和广义 两种。狭义景观是指在几十千米至几百千米范围内，由不同类型生态系统所组成的、具 有重复性格局的异质性地理单元，b 弘人们通常所指的宏观景观；广义景观概念则包括出 现在从微观到宏观不同尺度上的，具有异质性或斑块性的空间单元，它强调空间异质性， 体现了生态学系统中多尺度和等级结构的特征，有助于多学科、多途径研究。因此，这 一概念越来越广泛的被生态学家所关注和采用口4 】。 景观生态学( l a n d s c a p ee c o l o g y ) 最早是由德国生物地理学家c d1 - r o u 在本世纪 3 0 年代提出的。景观生态学以地理学和生态学为基础，以景观为研究对象，通过能量流、 物质流及信息流在景观结构中的转换和传输，研究景观生态系统的空间结构和功能、景 观动态变化及其相互作用机理、景观的优化结构、美化格局、合理利用和保护口 】。景 观生态学最大的特点在于它强调异质性，重视尺度性，具有高度的综合性p d 0 】。强调空 间格局、生态学过程与尺度之间的相互作用是景观生态学研究的核心【1 卜1 2 1 。其研究内容 集中在三仓方面：景观格局、景观功能和景观动态眇阍景观格局又被称为景观结构， 即生态系统的类型、数目以及空间分布与配置等；景观功能又称景观过程，即景观结构 与生态学过程的相互作用，或景观结构单元之间的相互作用；景现动态主要指景观空间 结构与功能随时间的变化。景观的结构、功能和动态三者之间是相互依赖、相互作用的， 结构是功能的基础，功能是结构的体现，功能的改变最终将从结构的变化中反映出来， 动态是结构和功能的动态变化。 森林景观是陆地景观的重要组成部分，是景观生态学的重要研究领域。森林景观生 态学研究的对象和内容是以森林生态系统为主体所构成的森林景观，也包括在森林景观 整体格局和功能中发挥重要作用的其他类型的景观【2 】。森林景观生态学的研究将地理学 研究空间相互作用的水平方向与生态学研究功能相互作用的垂直方向结合起来，利用景 观生态学的原理与方法来解决种群生态学和森林群落生态学研究乃至生态系统研究中 无法解决的一些问题( 如森林景观变化所带来的生态效应，森林景观的稳定性及其机制， 森林景观格局成因及其与干扰强度的关系等等) ，阐明景观尺度上的生态过程与格局， 并且将景观生态过程与群落生态过程相联系，对森林实施生态保护、恢复、建设、管理 山东师范大学硕士学位论文 以及可持续发展具有重大的现实意义圆。 1 1 。2 森林景观生态学的研究进展 1 1 2 1 国外研究进展 国外关于森林景观的研究很多，涉及到森林景观结构分析、干扰对森林景观变化的 影响、森林景观格局变化的生态效应、森林景观的空间格局与生物多样性保护、森林景 观破碎化过程和破碎景观的分析评价、景观尺度的森林动态过程模拟和决策模型等诸多 方面嗍。 f o 咖及其同事对美国新泽西州濒海平原松栎林景观组成与结构的分析，较为系 统和全面地分析了这一地区森林景观的特点。并对景观管理与规划得出了一些有益的结 论，在森林景观生态学研究中具有开创性的意义【3 0 】。【3 1 1 。n o s s 在全面分析天然林与经营 森林景观特征差异的基础上，阐述了保证森林生态系统可持续性的森林景观条件，这些 条件都是反映森林景观结构的指标p q 。s o l 雠g 认为滥伐森林的后果是增加了景观的破 碎化、边缘栖息地的数量、林分年龄的多样性以及产生了线性边界，并有利于适宜开放 地的物种进入森林内核，从而极大地改变了原森林景观的功能。m i l l 盯等的研究结果 也表明科罗拉多中北部的罗斯福国家森林的森林斑块的分维数与道路密度之间呈显著 的负相关口5 】。另外。林区道路还改变林区的地表径流，加剧土壤侵蚀，改变物种格局【3 2 】。 景观格局与景观功能之间的相互关系，一直是景观生态学研究的核心。森林景观格局与 功能相互关系的研究涉及到许多研究热点，如森林景观格局动态变化对生产力【2 s 】【3 7 】、水 文口邪”4 】等方面产生的生态效应研究。森林景观生态过程模拟也始终吸引着大批的研究 人员。近来，e n m i 锄dt s u y o s h i 应用v l i ，( v i r c i l a l a l 时m o d e l i n gl a n g u a g e ) 又发 展了森林景观虚拟系统( f o r c s tl a n d s c 印ev i s t 场1 i 翻t i o ns y s t c i m ) ，使森林资源可视化， 为森林景观的规划与管理提供了更好的技术手段圆。 可以看出国外的森林景观研究具有以下特点：重视森林景观格局对区域环境、土地 生产力、生物多样性的影响研究，研究结果可直接为景观规划与管理服务；在研究基础 上，大量的种群、群落或生态系统实验研究成果为深入研究景观尺度上的各种生态问题 奠定了基础；在研究技术和方法上，多运用遥感和地理信息系统等技术，注重模型化研 究方法的应用，并发展了一些著名的通用模型和专用模型；在研究深度上，能将景观格 局研究与生态过程紧密联系，使景双生态学综合整体思想和方法的优势得到充分发挥 伫6 1 。 2 山东师范大学硕士学位论文 1 1 2 2 国内研究进展 我国的景观生态学研究起步较晚，但对森林景观也开展了一些卓有成就的研究，并 且逐步从对群落生态和生态系统的研究转向对森林景观异质性及其动态的研究【2 】。在森 林景观时空格局变化研究【1 】【2 ”、火干扰对森林景观格局的影响【1 8 j 圆等方面取得了一定 的进展。此外，还有一些学者在森林景观多样性、森林景观破碎化、森林景观质量评价、 森林边际效应以及优势种群的年龄结构与森林斑块动态、群落空间结构与梯度分析、种 群空闯分布格局等方面作了大量工作【1 7 1 圈。以上研究成果在一定程度上代表了我国森 林景观的研究水平和成绩，为我国的森林景观保护、管理、恢复和建设提供了理论依据 和科学途径，促进了我国森林景观生态学的发展。 虽然我国在森林景观生态研究方面已取得不少的研究成果，但与国外的研究相比， 在深度和广度上存在较大的差距。尤其是对于江河上游森林景观变化与流域生态过程之 间的关系的研究成果很少，关于森林景观格局及其变化与流域水文效应之间的关系，缺 乏有力的定量化研究成果，现有的小尺度植被水文效应研究成果常常被简单地推广到流 域尺度上，很难使上游高地景观管理在流域规划和管理中得到普遍接受。关于森林景观 空间结构及其与水文生态过程关系的研究更为少见，有的是关于局地尺度的森林水文观 测试验，有的是对于对流域空间结构，水文、气象要素空间分布与水资源供应状况的一 般性分析，还有一些学者通过建立森林流域的分布式水文模型来模拟水文过程，但大多 数水文模型基本单元的划分往往受研究者主观意识的影响，没有对空间异质性的内在规 律进行探讨口6 】。 因此，我国森林景观的研究一方面应加强与相关生态学研究的结合，为景观生态学 研究提供基础；另一方面要重视新技术和新方法在森林景观生态研究中的应用，以提高 研究技术和方法的水平；还要加强对典型地区跨尺度的综合研究，为森林资源可持续经 营、天然林保护、流域生态安全建设和流域管理服务。 虽然我国森林景观生态学研究由于起步较晚，从总体来看和国际水平还存在明显差 距，但我们同时可以认识到，对该学科的研究不论从理论还是应用上，在我国都将有广 阔的发展前景。 1 2 森林水文过程与水文功能研究进展 在森林与生态环境相互作用的过程中，水文过程是最为重要的方面之一，森林与水 的关系一直是水文学和生态学研究的重点领域。森林植被影响水文过程，改变降雨分配， 山东师范大学硕士学位论文 影响土壤水分运动，改变汇流条件，从而形成森林的涵养水源、保持水土等水文功能。 森林对于增加降水、降水的再分配、径流量、蒸教发作用以及河流水质都有非常重要的 作用，由于本文的研究范围及研究资料所限，仅分析森林对降水的再分配作用。 1 ，2 。1 林冠截留 林冠截留量是森林水文效应中最重要的要素之一。林冠截留作为对输入森林生态系 统水分调节的起点，历来是森林水文作用的研究热点，主要研究成果包括林冠截留率的 实验观测数据及林冠截留模型。 影响林冠截留量大小的主要因素有林冠截留能力( i n ：t e r c c 面0 ns 啪g ec a p a c 时) 、 树种、林冠结构、林龄、林分郁闭度、降水强度、降水历时、风速等，对于这些因素与 林冠截留量之间的关系，大多数学者用回归方程来描述。在一定降雨量范围内，截留量 随降雨量和降雨强度的增加而减小，随郁闭度的增加而增大。林冠截留率与降水季节和 气温带也有一定关系，一般而言旱季大于雨季。对于树种、林龄相同、密度不同的林分， 截留率则与林冠形态有密切关系。密林向上的分枝佼茎流眈例增大，而疏林较庞大的林 冠使截留量增大。 林冠截留模型包括经验模型和半经验半理论模型。r 删驻模型和g a s h 解析模型是 较为完善和应用广泛的两个林冠截留模型，均适用于相对密闭林分的林冠截留模拟。 v a l e n t ce ta 1 对这两个模型进行了修正，并较好地模拟了稀疏林冠的降雨截留过程， w h e l 孤与a 1 1 d e r n 将林冠截留的空间变化参数整合到一个简单的r l i c c e r 模型中，并对 坡面尺度上挪威云杉人工林穿透降雨和林冠截留损失空间格局进行了较好的模拟。 1 2 2 枯落物截留 枯枝落叶层是森林调节水分分配、吸收、转化降水的第二个作用层，它把过多的水 分吸收、储存起来，减少地表径流发生，当吸水达到饱和时水分在自身重力的作用下缓 缓下渗补给森林土壤。其水文效应表现在两个方面：一是能够阻止降水直接冲击地面土 壤，改变水滴的动能，使降水通过枯落物与土壤接触的界面渗入土壤内；二是枯落物本 身就是一种持水体，能够吸收自然重量的l 一5 倍。三是能有效地阻断壤毛管孔隙，抑 制土壤水分蒸发，提高土壤的含水率，起到蓄水、保水的作用。 森林桔落叶层吸水持水的能力受枯落物组成、林分类型、林龄、分解状况、积累状 况、水分状况、降雨特点等的影响。我国大部分的研究结果表明，枯枝落时吸持水量可 达自身干重的2 4 值，各种森林枯落物的最大持水率平均为3 0 9 5 4 。美国学者对不同 4 山东师范大学硕士学位论文 林龄的辐射松林的枯落物层进行了测定，结果表明随着林龄的增加，枯枝落叶物增多， 对降永豹拦蓄量也相应提高。 1 2 3 森林土壤的滞蓄作用 降落到森林的雨水经过树冠、下层植被及枯枝落叶层截留后，余下的水分又受到林 地土壤的滞蓄作用，它是森林对降水作用最重要的一个层次。森林土壤水分入渗和水分 贮存对森林流域径流形成机制具有十分重要的意义。土壤的入渗率与土壤的物理性质有 极大的关系。一般而言，林地土壤具有较大的孔隙度，特别是非毛管孔隙度大，因此森 林土壤具有比其他土地利用类型较高的入渗率，良好的森林土壤稳定入渗率高达 1 3 3 皿n ，m i n 以上。在日本山形县对柳杉林地、采伐迹地、以及林内林步道韵下渗速度 所做的实验表明，用5 0 0 衄的淹水量，下渗所需时间分别为2 4 秒、3 分2 6 秒、1 0 分 1 6 秒，充分说明林地的下渗速度最快。我国的研究成果表明，林地土壤入渗率可以达到 草地的2 4 倍，其土壤的保水能力也比灌木、草地和裸地高。国内外大多数的研究结 论认为，林地的土壤包气带土层较无林地疏松，空隙度相对较高，降雨容易渗入土壤， 促使地表径流转化成壤中流或地下径流，减弱地表径流，滞后了径流时间，从而起到增 加枯季径流量，削减洪峰的作用。 a 森林系统水分循环过程 b 无林系统水分循环过程 图l l 森林系统与无林系统水分循环流程示意图【2 6 】 综上所述，有林地与无林地相比，由于林冠层、枯枝落叶层和森林土壤层的存在， 使降水的运动形式发生改变，使永的循环过程更加复杂( 图1 一1 ) ，从而使降水在蒸发、 径流和地下水之间进行再分配，增加区域的保水能力和对水土流失的绝对控制能力，影 ， 山东师范大学硕士学位论文 响极端水文事件( 洪水和干旱) 的发生，使水质发生改变，带来各种水文生态效应。 1 3 研究的目的和意义 1 3 1 选题意义 ( 1 ) 三川流域具有重要的生态功能 首先，地下水在济南市国民经济发展和居民生活中起着举足轻重的作用，以“四大 泉群”为主要代表的7 2 名泉形成了济南悠久的泉文化。南部山区是济南市泉域地下水 的补给区，其独特的地质结构为济南市泉群的形成和地下水的循环提供了得天独厚的自 然条件，全面提高南部山区地下水补给区水源涵养能力，增加地下水的入渗量是满足泉 群喷涌，延续济南市泉水文化，促进国民经济高速发展的重要保障。 其次，位于研究区的“卧虎山水库”、。锦绣川水库”是济南市地表饮用水源的重要 组成部分，两大水库担负着城市南部居民的生活用水，供水量约占济南市全部用水量的 1 0 ，而锦绣、锦阳、锦云三川是这两大水库的主要补给来源。 此外，相对市区及近郊区来说，三川流域相对海拔较高，山体绿化状况较好，动植 物物种丰富、集中，其中尤以红叶谷、药乡、柳埠等区域为集中地。保护区域的动植物 多样性不仅对动植物本身具有重要意义，也是该区域保持生态系统稳定的重要基础。 ( 2 ) 三川流域重要的生态功能正面临威胁 随着人类活动对研究区干扰强度的不断增大，使得山区景观被分割得支离破碎，生 态环境遭到较大的破坏，从而削弱了该区的生态功能。主要表现为： 本区山高坡陡，沟壑纵横，土壤疏松，重力作用使其地表稳定性较差，再加上 人为活动的影响，陡坡开荒及毁绿事件使地表植被覆盖率减少，地表稳定性降低，加剧 了水土流失。 研究区在自然和人为因素的共同作用下，荒山秃岭所占面积加大，林木覆盖率 降低，未能形成稳定的生态系统。该区林地质量低，大多是近二三十年来人工种植的次 生林，其中树木的种类单一，年龄和高矮几乎一样，十分密集。而且在绿化过程中，过 于强调乔木的种植，对林下植被缺乏重视，没有注意植被的多层次结构、多物种类型对 维持多种动植物生存和生态系统功能的作用。由于密集的树木遮挡了阳光并且缺少其它 植物的种源，因而不利于灌木和草本植物的自然繁衍，从而造成了生物多样性水平低、 易受灾、水源涵养能力降低等闯题。生态系统的自我循环能力降低，加剧了系统的脆弱 性。 6 山东师范大学硕士学位论文 由于水土流失和人类活动的影响，水污染状况加剧，水质呈下降趋势，严重影 响济南市民的身心健康。 ( 3 ) 以景观的角度研究该区水文效应的必要性 从景观生态学角度出发，该区所面临的生态问题，大多是由于不合理的景观格局造 成的。各景观要素之闯的不协调，削弱了景观的生态、经济和社会功能。在流域尺度上， 水分的运动与景观空间格局具有密切关系，格局的改变可以对水分在空间上的重新分配 起到调节作用，合理的景观格局将会有利于水分的循环，从而改善区域环境；不合理的 景观格局会导致水循环失调，造成环境的恶化。因此，本文选择在流域尺度上研究景观 格局对水文生态效应的影响，可以为三川流域的水资源开发和流域景观规划提供重要的 科学依据。 1 3 2 主要研究内容 通过影像解译，绘制景观要素分布图，并在此基础上分析景观格局对三川流域水文 生态效应的影响。 第一部分：国内外景观生态研究动态及水文生态效应研究进展，以及本文的研究目 的和主要研究内容。 第二部分：研究区的概况，包括空间范围以及自然和社会经济概况。 第三部分：研究思路和主要的技术路线，包括遥感数据的处理、景观分类系统的建 立、遥感影响解译和景观数据库的建立、景观动态变化分析的技术路线和景观指数的合 理选择。 第四部分：景观要素的空间变化及动态研究。绘制景观要素分布图，并选择合适的 景观指数对其景观要素类型结构特征及各景观要素的空间关系特征进行系统研究。同时 基于研究区的数字高程模型( d e m ) ，分析研究区地形特征，并与景观要素分布图进行 叠加分析，对各景观要素在海拔、坡向和坡度的分异规律进行分析。 第五部分：以1 9 9 6 年、2 0 0 1 年和2 0 0 3 年的土地利用现状图为基础，结合当年的森林 资源调查资料、水文及气象观测数据以及不同森林类型的水文特征研究数据，分别对其 进行不同景观结构和景观质量的水文生态效应研究。 第六部分：本论文的主要结论以及优化研究区景观格局，提高研究区水文生态效应 的建议与措施。 第七部分：结语。 7 山东师范大学硕士学位论文 1 3 3 目标拟定和技术路线 根据上述提到的研究区的生态功能和匿箍的问题，确定本文研究的目标：在景观尺 度上分析研究区的生态水文效应，在g i s 的支持下，得出不同情况下水源涵养量的空间 分布。并在此基础上，寻找出最优水文效应的景观要素空间分布，为从最大程度上保护 和恢复研究区的生态水文效应提供科学依据。根据景观生态学理论设计了如下技术路线 ( 图1 2 ) ： 图l 一2 论文技术路线示意图 2 研究区概况 济南市南部山区范围和边界的确定主要是以市人大批准的“地下水补给区”的划定 范围为依据，西起马山断裂、东至东梧断裂，南部以长城岭地表分水岭为界，北以石炭 二叠系火成岩为边界。本文的研究范围三川流域，是指南部山区的东南部岩溶发育较差 的碳酸岩和风化裂隙较为发育的变质岩混合区，也就是隶属于历城区之内的锦绣、锦阳、 锦云三川的流域范围，且根据研究需要，特将卧虎山水库包括在研究区范围之中( 图2 一1 ) 。地理坐标：经度1 1 6 。5 6 ，4 l ”1 1 7 。1 8 4 5 凭，纬度3 6 0 2 0 5 5 ”3 6 0 4 2 1 5 啊，总面 积4 1 5 4 4 k m 2 。在行政区划上，分布有高而乡、柳埠镇、西营镇以及仲宫镇和锦绣川乡 8 山东师范大学硕士学位论文 的南部部分区域。 a 南部山区在济南市的位置b 三川流域在济南南部山区的位置 图2 一l 研究区范围示意图 2 1 自然条件 2 1 1 气候 研究区气候类型为暖温带大陆性季风气候，主要气候特点是春季气温回升快，多西 南风且风力较大；夏季炎热多雨，最热月平均气温2 8 4 ；秋季天气晴爽，气温迅速下 降；冬季寒冷干燥，多东北风，最冷月平均气温一4 2 。功能区主导风向为东北西南向， 常年平均风速2 7 m ，s ，光照、热量较为充足。由于其位于泰山余脉背风坡与平原交晃处， 多年平均降水量7 1 0 玎皿，是形成降水的相对高值区，全年降水均值大于市区均值。降 水年际变化大，旱灾较为频繁，降水年内分配不均，季节变化突出。由于受地形影响， 小气候有一定的区域差异。同时也有旱、涝、风雹等灾害性天气，尤以春旱最为严重， 春旱发生频率较高。 2 1 2 水文 研究区地表水属黄河水系，主要有卧虎山和锦绣川两大地表水库。锦绣、锦阳、锦 云三川乃两岸山岭裂隙水源出露而形成径流，所以河道能保持水流不断。三川径流汇集 到卧虎山水库后，经人为调控补给玉符河，后经过市区汇入黄河。 9 山东师范大学硕士学位论文 2 1 3 地质 研究区是以古生代地层为主体的北倾单斜构造，发育有多条规模较大的地层断裂， 其中的东梧断裂、马山断裂为不透水断层，二者构成了济南市泉域的东西边界。区内由 南向北地层由老变新，并且呈较为明显的带状分布，最南部为太古界花岗岩、片麻岩， 向北依次为寒武系和奥陶系石灰岩、页岩以及第四系沉积的下伏石灰岩。寒武系和奥陶 系可溶性石灰岩在漫长的地质年代中经过长期溶蚀和多次构造运动，岩溶裂隙发育，形 成了大量的地下裂隙、溶洞、溶沟和暗河，造就了济南市泉域南部汇集、中部补充、市 区排泄的地下水运动方式。 2 1 4 地貌 研究区地处鲁中山地j 匕缘单斜山地丘陵区，地貌类型以低山丘陵为主，地势南商北 低，中山、低山、丘陵、山间台地和山前平原呈阶梯状分布。海拔高度在1 1 2 9 7 0 1 之 间，其中2 6 0 m 5 1 0 m 的山体面积占总面积的6 0 左右。山体多为东南西北走向，山 脊分水岭将研究区分为3 个流域：锦阳川流域、锦云川流域、锦绣川流域。 2 1 5 土壤 根据成土母质及土壤特性，研究区内的土壤可分为棕壤与褐土两个土类。棕壤的面 积较小。有棕壤性土和棕壤两个亚类，主要分布于研究区的南部边缘的砂石山区。褐土 类分布面积较广，分为褐土性土、褐土、淋溶褐土、潮褐土四个亚类，主要沿锦绣、锦 阳两川河道两侧分布。土壤总体较为贫瘠，除普通褐土和潮褐土土质较好外，棕壤性士 和褐土性土土层浅薄，质地较租，结构松散，砾石较多，结构性差，是极易产生水土流 失的两种土壤类型。 2 1 6 生物 本研究区植被类型有温带针叶林、温带落叶阔叶林、灌草丛、草地和果园等。针叶 林为主要的林地类型，主要由松林和侧柏组成，松林多为纯林，树种有赤松( a 心淞 如珊咖m ) 、油松( 胁螂胁6 砌7 白脚豇) 、黑松( 确堋6 e 彬) 三种，以赤松为多； 侧柏( 只，c 口d 西d r 据珂蛔船) 多为侧柏纯林，国营林场有小面积的侧柏与刺槐( r d 6 加i 口 芦p 砌4 c 们妇) 、侧柏与黄栌( c d h 砌瓣酣缸) 等混交林。阔叶林面积较少，以刺槐 居多，另外还有杨树( p 卿如撂# 移 和麻栎( q 瞳e 愆凇删f i 嚣f 搬) 、栓皮栎( 9 燃 p 新舶f 凰) 等，也多为纯林。灌木主要为荆条( 阳础雄曙“n 咖v 靠k r e n 叩砂加) 、酸枣 l o 山东师范大学硕士学位论文 ( z f 卿 淞倒“6 口v 砒妒协d 跚) 、黄栌( c 0 删，l 淞嬲妇) 和胡枝子( 啊，b 出z 口6 i 如咿) 等。草本植物主要以白羊草( b d 砌0 d c 矗 缸c j z 韶m 姗1 ) 、黄背草( z 钯肼e 如州铆咖口) 为 主。果树有苹果、梨、桃、杏、柿子、核桃、板栗、山楂等品种。 2 2 社会经济概况 研究区由于地处山区，长期以来一直以第一产业为主导产业，其中种植业具有相当 重要的地位。上世纪9 0 年代，随着城镇化进程的加快以及南部山区的开发，二、三产 业在国民经济中的地位不断提高，采石、水泥、机械和粮油加工等行业逐渐成为主导产 业，但普遍存在乡镇企业规模小、工艺简单、技术落后、成本高、经济利润低和三废排 放量大等问题。随着公路、电力、机井等基础设施的不断完善，旅游业正成为山区的新 兴主导产业。 3 数据处理与研究方法 3 1 数据源与数据处理 3 1 1 数据来源 获取的数据包括遥感数据、专题数据、统计数据以及野外调查数据等。以遥感数据 为主要信息源，经过预处理后结合一些非遥感数据进行分析研究。 3 1 1 1 图像数据 本论文的遥感数据包括1 9 9 5 年、2 0 0 0 年l 强d s 砒1 m 数据及2 0 0 4 年e t m 遥感数据， 分辨率为3 0 m 。遥感数据的获取时间分别为：1 9 9 5 年6 月，2 0 0 0 年6 和2 0 0 4 年5 月。 此外还使用了研究区1 ：5 0 0 0 0 地形图；1 ：1 0 0 0 0 0 行政区划图；1 9 9 6 年、2 0 0 1 年 和2 0 0 3 年1 ：l o o o o o 济南市土地利用现状图；1 9 8 9 年1 ：5 0 0 0 0 济南市土壤类型图。 3