（环境科学专业论文）密云水库油松水源保护林降水再分配特征研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ei n v e s t i g a t i o nd a t ao nt h ec l i m a t ec h a r a c t e r i s t i c sa n dw a t e r c o n s e r v a t i v ef o r e s tr e s o u r c e so fb e i j i n gm i y u nr e s e r v o i rc a t c h m e n ta e r a ，t h ea p p r o a c h o fw a t e rb a l a n c eb a s e do nc a n o p ya n dl i t t e rw a sa d o p t e dt od i v i d et h eh y d r o l o g i c a l c o u r s eo ft h ew a t e rp r o t e c t i o nf o r e s ti n t or a i n f a l li n t e r c e p t i o n ，s t e m f l o w , t h r o u g h f a l l ， w a t e ra b s o r p t i o nf o rl i t t e ra n dg r o u n dr u n o 伍，a n dd e a lw i t ha s y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i r s td i s t r i b u t i o no fp r e c i p i t a t i o na n dt h er e d i s t r i b u t i o no fn e t r a i n f a l l b a s e do nr a i n f a l 】d a t ao fm i y u nr e s e r v o i rc a t c h m e n ta e r af r o m19 9 9t o2 0 0 6 ，t h e c h a r a c t e r so fr a i n f a l lw e r ea n a l y s e d i ts h o w e dt h a tt h ea n n u a lr a i n f a l li sv a r i o u s ( t h e a n n u a la v e r a g er a i n f a l li s6 6 0m m ) ，a n dt h ep r e c i p i t a t i o ni nw e ty e a r si s5 8t i m e st h a t o fd r yy e a r s t h ed i s t r i b u t i o no fp r e c i p i t a t i o nd u r i n gt h ey e a ri su n e v e n ，a n d8 0t o8 5 p e r c e n to ft h ea n n u a lp r e c i p i t a t i o nc o n c e n t r a t e di nt h ef o o ds e a s o n ( j u n et os e p t e m b e r ) 1 0 年积温小于l7 0 0 ；超过l9 0 0 1 1 1 的 亚高山草甸地区属于冷温半湿润类型。 3 1 1 5 水文 密云水库的净蓄量与流域内的径流量呈正相关。水库上游流域河网密度为0 3 k m k m 2 以上。1 9 1 8 1 9 8 5 年，多年平均径流量1 4 5 亿r n 3 。潮河、白河属季节性河 流，地下水补给量不大，汛期降雨所形成的地表径流是潮河、白河的主要补给形 式，全年径流量的7 0 集中的汛期的7 - 9 三个月。水库流域的水文条件有如下特点： ( 1 ) 年丰枯变化悬殊、频繁。偏枯水年及枯水年约占4 1 ，偏丰水年及丰水 年占3 5 ，平水年占2 4 。 ( 2 ) 丰水年与枯水年交替发生，且变化较大。最大年径流量5 6 1 亿m 3 ( 1 9 3 9 ) ， 最小年径流量2 8 3 亿n 1 3 ( 1 9 4 1 ) ，相差近2 0 倍。 ( 3 ) 丰水年、枯水年连续出现。6 8 年间，丰水年连续出现6 次，一般不超过 2 年，枯水年连续发生过9 次。 ( 4 ) 北京市境内局部地区的暴雨频率与水库来水水文频率极不相应，据分析， 1 9 9 1 年6 月个别暴雨中心出现的暴雨频率可在3 5 0 年一遇以上，而密云水库1 9 9 1 年6 月最大入库洪峰流量仅为36 1 0 m 3 s ，其水文频率不足1 0 年一遇( 吴长文， 1 9 9 4 ) 。 ( 5 ) 流域内土壤侵蚀严重，但从水库来水量的沙量来看却很低。平均含沙量 潮河3 3 k g m 3 ，白河2 9 5 k g m 3 ，共计年平均输沙量2 7 0 万m 3 ，这是因为水库上游 北京交通大学硕十学位论文 为土石山区，表面土壤层薄，侵蚀物质多为大颗粒卵、砾石，以推移质形式运动， 并在沟道、河道和小型水库内淤积。 ( 6 ) 由于汛期降水多以暴雨为主，水量集中，流速大，入库泥沙量主要集中 在汛期6 - 9 月份，截至1 9 8 0 年密云水库淤积量已达44 0 0 万m 3 。 3 1 1 6 植被 根据密云水库上游潮白河流域生态现状调查及保护对策的研究，1 9 8 7 年应 用陆地卫星遥感技术对密云水库控制流域内的调查得出：流域有以下1 6 种植被类 型：1 ) 以油松、侧柏为主的针叶林。油松在海拔2 0 0 15 0 0 m 的阴坡均有分布。侧 柏主要分布在石灰岩山地的阳坡。在本区内，由于天然油松、侧柏和落叶松数量 很少，大部分是近年飞机播种的，树体较矮小；2 ) 以杨、桦为主的落叶阔叶林。 主要分布在海拔l2 0 0 18 0 0 m 的阴坡；3 ) 以蒙古栎为主的落叶阔叶林。主要分布 在海拔l2 0 0 16 0 0 m 的阳坡；4 ) 以蒙古栎、油松为主多分布在海拔l0 0 0 14 0 0 m 的阴坡。但除蒙古栎和油松外还有一部分混交林；5 ) 栎、桦、椴、枫、榆、白蜡 等的杂木林。主要分布在16 0 0 m 以下的湿润沟谷内；6 ) 山顶草甸。主要分布在 海拔14 0 0 m 以上的中山山顶；7 ) 以绣线菊、虎榛子为主灌丛。多分布在海拔5 0 0 1 0 0 0 m 的阴坡；8 ) 蒙古栎、辽东栎及萌生丛的绣线菊、胡枝子，主要分布在海拔 8 0 0 m 以上，由蒙古栎和北鹅耳枥组成的灌丛和萌生丛，多分布在海拔5 0 0 m 以上 的森林附近的阴坡。海拔8 0 0 m 以下以三亚绣球和蚂蚱腿子灌丛为主；9 ) 以荆条、 酸枣为主灌丛。多分布在海拔4 0 0 m 以下的低山、丘陵地带；1 0 ) 以荆条、白羊草 为主的灌草丛。也分布在海拔4 0 0 m 以下的低山、丘陵地带。这种植被类型是一类 对此处植被反复破坏后演替而成，覆盖度极低；1 1 ) 以油松、落叶松为主的人工 林。油松多分布在海拔2 0 0 15 0 0 m 的阴坡，落叶松多分布在海拔l4 0 0 m 以上的阴 坡；1 2 ) 以山杏或板栗( 低山、丘陵地带) 为主经济林。以山杏为主的经济林多 分布在海拔2 0 0 - 10 0 0 m 以上地带。以板栗为主的经济林多分布在海拔5 0 0 6 0 0 m 以下的地区；1 3 ) 干、鲜果和农作用的耕地均在海拔2 0 0 m 以下；1 4 ) 山地森林草 原。主要分布在流域区的北部坝缘；1 5 ) 裸地。这部分为弃耕地；1 6 ) 含虎榛子、 铁杆蒿、大针茅、克氏针茅等的灌木草原，主要分布在人类反复破坏后的弃耕地 区，由于气候干燥、植被难以恢复，主要生长野瑞香( 阴坡) 、酸枣( 阴坡) 等。 密云水库北京集水区水源保护林林地总面积( 不包括经济林) 为2 3 5 2 6 3h r n 2 ， 按树种统计如下：柞树面积最大为8 5 2 0 3h m 2 ，占总面积的3 6 2 ，油松林次之，面 积为4 2 5 8 9 h m 2 ，占1 8 1 ，刺槐林居第5 位，面积为1 4 3 5 1h m 2 ，占6 1 。各树 种面积及所占比例如表( 3 2 ) 所示。 研究区概况与研究方法 表3 2 密云水库北京集水区水源保护林树种面积及比例 t a b l e3 2t h ep e r c e n t a g eo ft h ew a t e rc o n s e r v a t i o nf o r e s ti nt h er e s e r v o i rw a t e r s h e d ，b e i j i n g 注：数据引自余新晓等( 2 0 0 1 ) 水库上游流域北京市境内，植被分布以森林为主，可分为人工林和天然次生 林。人工林主要分布在浅山丘陵和低山地带，在中山人为活动多的地方也有分布， 人工林的主要树种有油松、侧柏、刺槐和落叶松，还有部分经济林( 主要以苹果 和板栗为主) ；天然次生林主要分布在中山和低山人为干扰少的地方，树种以山杨、 蒙古栎和椴树为主的阔叶混交杂木林为主。 3 1 1 7 社会经济状况 3 1 1 7 1 人口状况 密云水库流域内共有人口近8 1 万，其中北京地域共有人口约2 3 万，具体分 布状况及社会经济情况见表( 3 3 ) ，平均人口密度为7 3 人k i n 2 。 根据统计资料，在北京市境内的白河流域人口平均密度为6 8 人k m 2 ，潮河流 域人口平均密度为1 4 7 人胁2 ，为白河流域人口密度的2 1 6 倍，这说明潮河流域 是水库上游人们活动相对比较活跃的区域之一。 密云水库周边地区指水库周围1 6 0 m 高程左右环状地带面积2 1 7 k m 2 ，涉及7 个乡( 镇) 的5 0 个村队，人i l l4 3 1 7 0 人，人1 2 1 密度达到2 4 5m u l l 2 。这部分人主 要是建库移民经几十年的增长形成的。水库建成后，多年来一直在低水位运行。 周边人民主要靠种库区的“押宝田”维持生计。八十年代中期后，由于水库功能转变 和水位不断上涨，周边地区人均耕地仅o 0 3 l l l i l 2 ，其中1 3 个村队1 2 8 0 0 人不足 o o l h m 2 ，甚至有5 个村队的4 0 2 6 人不足o 0 0 6 h m 2 ，水源地的保护必然要在定 程度上制约该区域的二、三产业发展。从而导致大批劳动力无地可种，无工可做。 1 9 9 1 年剩余劳动力占劳动力总数的4 0 ，出现了严重的土地超载现象，随着人口 的自然增多，剩余劳力不断加。据专家论证，在充分发挥区域土地资源潜力的前 提下，到2 0 0 2 年，该区域的土地承载力仅为当时人口的4 0 ，其中农业承载力仅 为3 0 。如果没有行之有效的疏导政策和解决途径，必然导致对各种有限资源的 过渡开采，这对密云水库水源保护是极为不利的。 1 3 北京交通人学硕士学位论文 3 1 1 7 2 工农业发展状况 据1 9 9 5 年统计资料，北京市密云水库上游地区工农业发展概况见表( 3 3 ) 。 从表中可以看出：北京密云水库上游地区工农业总产值为2 5 3 5 6 8 8 万元，其中： 工业总产值为2 2 3 6 2 8 万元，占流域内工业产值的7 4 ；农业产值为2 9 9 4 0 7 万元。 从劳动力使用情况来看，从事人口为6 1 4 3 5 人，工业人口为1 5 1 3 5 人，建筑业6 2 6 0 人，从事农业的人口是工业的4 1 倍，说明该地区是以农业为主导产业的经济结构， 工业尚不发达。 表3 3 北京密云水库流域社会经济状况统计表( 1 9 9 5 年统计资料) t a b l e3 3t h es o c i a l e c o n o m i cs t a n l so fm i y u nr e s e r v o i rw a t e r s h e di nb e f i i n g 县别 耕地面积乡镇数人口( 万人) 自然增长率( 县 人口密度 三奎些兰堕! 互垄! ( h m 2 ) 平均) ( a j k m 2 ) 农业产值工业产值 注：数据引自密云、怀柔和延庆三县1 9 9 5 年年鉴统计资料。 根据1 9 9 0 统计资料，本地区共有大小乡镇企业1 5 3 家，职工数为1 5 1 3 5 人， 主要是从事机械、食品加工业、采矿业、修理业等，其设备水平较低，技术簿弱 远未形成规模化生产。在农业总产值中，种植业为1 0 0 8 0 7 万无，林业为2 0 3 3 万 元，牧业为1 0 1 6 0 7 万元，副业为1 2 0 1 3 万元，渔业为6 9 0 2 万元。从中可以看出： 牧业产值最高，其次为种植业，这充分说明该区域的农业经济是以牧业、种植业、 林业为主导的山区经济类型。 3 1 2 试验区概况 3 1 2 1 地理位置 试验区位于密云水库以东约5k m ，地理位置n 4 0 0 3 07 ，e l l 7 0 1 07 。面积为 2 4 7 5 6h m 2 ，在密云县北庄镇北庄村境内。 3 1 2 2 地形地貌 属华北平原北部燕山山脉前脸的小型山环地区，即低山、浅山和丘陵区。试 验区海拔高度在2 2 8 4 m 6 3 8 9 m 之间，区内奇峰耸立、山峦起伏，西部及北部边缘 较高，有五峰山等陡峰屹立；而东部和南部则为坡度较为平缓的浅山和丘陵区。 1 4 研究区概况与研究方法 整个区域由一条状似牛角的牛角峪沟系组成。 3 1 2 3 地质土壤 试验区母岩多为太古代密云群的花岗片麻岩及少量花岗岩，此类岩石属酸性 岩类，极易物理风化，形成松散的砂质堆积物，多形成粗骨性土。山前阶地有少 量次生黄土堆积物，沟谷多为洪积冲积物，一般形成较深厚的砂壤质土壤。气候 条件中的降水量和温度对试验区的土壤形成有着显著的影响，并通过对植被类型 及其生长状况的影响而间接影响土壤的有机质积累水平和特性。本区大区属半湿 润大陆性季风气候，由于清水河横穿过境，小区属偏湿润的半干润土壤水分状况。 夏季湿度较大，个别土壤剖面出现绣纹绣斑。但由于降水量不大，且多以暴雨形 式集中在夏季，加之地形坡度大，植被稀疏，造成土壤淋溶作用不强，生物气候 因素对母质的改造作用不太深刻。此外，近代的尘暴黄土作用，亦使土壤的p h 值 偏高。 3 1 2 4 气候 属暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均温度l o 5 ，平均最低气温一1 8 ， 平均最高气温3 8 ( 2 ，无霜期1 7 6 天，日照总时数2 8 0 0 小时。套种麦粮可一年两熟。 平均降水量6 6 9 m m ，主要集中在6 8 月份，雨热同期。 3 1 2 5 植被 共有维管束植物8 9 科2 7 5 属4 2 0 种( 包括种下分类单位) ，如表( 3 4 ) 所示。 其中栽培植物6 8 种，分属于3 2 科6 0 属；野生植物3 5 2 种，包括乔木2 0 种、灌 木3 1 种、藤本6 种和草本2 9 5 种，草本植物占绝对优势。按植物的利用价值来分， 有用材树种2 0 种、药用植物2 2 3 种、纤维植物5 6 种、油脂植物6 4 种、鞣料植物 3 2 种、芳香植物7 种、淀粉植物2 1 种、野菜植物2 3 种、野果植物1 7 种和有毒植 物4 1 种，植物资源较为丰富，有必要开发利用。 表3 4 北庄维管束植物统计表 t a b l e3 4t h ev e g e t a t i o ns p e c i e so ft h ee x p e r i m e n t a la r e a 注：数据引自刘世海等( 2 0 0 1 ) 1 5 北京交通大学硕士学位论文 就植物区系的特征来看，示范区天然植被为偏重于旱生的次生类型，面积为 7 8 4 3h m 2 ，占示范区面积的1 3 1 ，共有7 个类型，其中森林植被类型两个，灌 木植被类型5 个。区内大部分植被属人工植被，面积5 2 2 0 5h m 2 ，占示范区总面积 的7 2 9 ，共6 个类型。 ( 1 ) 天然植被 天然植被中以荆条群系为主，主要分布于海拔11 0 6 5 0m 的阳坡，但阴坡上也 有分布。灌木层盖度0 6 5 ，伴生灌木有酸枣、薄皮木、蚂蚱腿子、多花胡枝子等； 草本层盖度0 6 5 ，以丛生隐子草、细叶苔草、旱生卷柏、中华卷柏占优势；居次要 地位的有三桠绣线菊群系、蚂蚱腿子群系、平榛群系、胡枝子群系、山杨群系和 小叶白蜡群系等。根据实际调查所确定的植被分类系统，从动态的角度看，可以 说各植物群落类型都是本区次生演替过程中的不同阶段类型，体现了示范区植被 的进展演替序列。 ( 2 ) 人工植被 示范区大部分植被为人工植被，共分6 个类型，为刺槐林、油松林、侧柏林、 杨树林、经济林( 板栗、苹果、山楂、核桃、山杏等) 和很小面积的农作物( 玉 米、谷子、高粱、菜地等) 。 3 1 2 6 土地利用及森林资源状况 ( 1 ) 土地利用 示范区总面积6 0 0 4 8h m 2 ，其中林业用地5 8 2 6 7h m 2 ，占总面积的9 7 0 ；非林 业用地1 7 8 1 h m 2 ，仅占总面积的3 o 。可以看出，示范区主要规划为林业用地， 这是由其作为密云水库上游水源涵养林的性质决定的。在林业用地中，有林地面 积为3 81 15 h m 2 ，占林业用地面积的6 5 4 ；未成林造林地面积为l18 5 9 h m 2 ，占 2 0 4 ；疏林地和灌木林地( 3 5 0 陡坡上的天然灌丛) 所占面积较小，只有4 3 ： 无林地面积为5 8 1 2 h m 2 ，占1 0 0 ( 其中包括裸岩除地4 3 ) ，如表( 3 5 ) 所示。 可见经林业工作者3 0 余年的努力，以使示范区林地初具规模，需要造林的宜林荒 山面积已很少。南、北示范区比较而言，南示范区有林地面积已占其林业用地总 面积的9 1 4 ，宜林荒山只占4 8 ( 其中包括除地1 2 ) ；而北示范区有林地仅 占其林业用地总面积的2 8 1 ，未成林造林地却占到4 6 o ，宜林荒山占1 7 4 ( 其 中包括除地8 6 ) 。所以，示范区造林、补植和幼林抚育任务主要在北示范区，而 南示范区以对现有林的经营和改造工作为主。 1 6 研究区概况与研究方法 注：数据引自刘世海等( 2 0 0 1 ) ( 2 ) 森林资源情况 示范区有林地面积3 8 1 1 5h r n 2 ，森林覆被率6 6 8 6 。各林种按面积从大到小 的顺序排列为薪炭林、经济林、防护林和特用林，区内无确切意义上的用材林。 薪炭林面积2 0 1 7 6h m z ，占有林地总面积的5 2 9 ，总生物量1 4 6 3 吨，树种为刺 槐，其不仅给当地群众提供了充足的薪材，还成为山顶、阳坡等较差立地条件上 的主要水土保持植被，发挥着极大的水源涵养和固持水土作用；经济林面积1 1 4 3 1 h m 2 ，占有林地总面积的3 0 o ，其总产量没有统计，主要树种包括核桃、板栗、 苹果、梨、柿和山楂，对带动山区人民脱贫致富有巨大的作用；防护林面积6 3 1 9 h m z ，占有林地总面积的1 6 6 ，总蓄积量2 5 6 4 1m 3 ，主要树种为油松、侧柏和杨 树等，目的是水源涵养和水土保持；1 8 9h m 2 的特用林是为研究林地的水源涵养作 用而设置的；区内无用材林。南、北示范区的情况比较来看，南区各林种面积都 大大超过北区。南区已形成山顶、阳坡和阴坡条件较差的立地以刺槐薪炭林为主， 阳坡较好立地以板栗经济林为主，间或有油松和侧柏的防护林，沟底以苹果、山 楂、杨树等树种为主的林种景观配置结构。 3 1 2 7 社会经济状况 3 1 2 7 1 劳动力状况 试验区范围共有北庄和苇子峪两个村，总人口3 8 1 7 ，劳动力2 2 4 2 人，实有劳 动力2 0 5 0 人。区内劳动力主要从事工业、农要牧渔业、种植业和林业，其中从事 农林牧渔业和林业劳动力共为7 3 6 人，占总数的3 5 9 ，如表( 3 6 ) 所示。林业 劳动力大部分来自于临时雇佣的民工。 1 7 北京交通大学硕士学位论文 注：数据引自刘世海等( 2 0 0 1 ) 3 1 2 7 2 经济状况 近年来，试验区周围工业发展较快，工业收入已成为两村的主要收入来源。 以1 9 9 5 年为例，北庄村经济收入9 5 8 2 万元，其中工业占9 3 6 ，而林业收入仅占 1 5 。在林业收入中，经济林果品收入占了绝大部分，试验区内两村主要的经济 林树种有核桃、板栗、苹果、梨、柿、山楂等，其中产量居第一位的苹果，其次 为梨，然后是板栗和山楂，其他果品产量较少。其中板栗是该区的名、特、优产 品。 3 2 研究方法 3 2 1 试验地选择 在调查收集当地的气象、土壤及水文资料的基础上，在密云水库库区库东试 验区的北试验区选择具有代表性的油松水源林进行研究。在油松人工林内，依据 地形、地势等因素选择一个面积为2 0 x 2 0 m 2 的试验样地，并做样地调查。 3 2 2 野外调查与室内实验 在上述样地内测定油松林的林木生物量及其持水性能、降雨量、林内穿透雨 量、树干茎流量、林冠截留量、枯落物持水性和土壤物理性质等反映森林水文效 应的降水再分配指标，从静态和动态两个角度研究森林对降雨的再分配过程。测 定方法如下： 3 2 2 1 林外降雨量p 利用设在试验区的雨量观测场获得降雨资料，在观测场内布设自计雨量计， 1 8 研究区概况与研究方法 记录降雨过程、雨量和降雨时间。降雨强度可由降雨量和降雨时间求得。 3 2 2 2 林内透雨量t 在北庄镇南山上布设油松林观测小区，小区面积为2 0 x 2 0 m 2 ，郁闭度约为0 8 。 在试验标准地内分别按林木胸高直径分级( 每隔5 c m 为一径级) ，选样9 棵树形和树 冠中等的标准树，在树冠的下方以三角形状布设3 个直径为2 0 c m 的塑料容器( 如图 3 1 ) 收集穿透雨。测量每次降雨的穿透雨量，于每次雨后称重，根据容器承水面 积换算成i n l l l 单位。 图3 1 林内透雨量观测设备 f i g 3 1e q u i p m e n t sf o rf a l l t h r o u g ho b s e r v a t i o n 3 2 2 3 树干茎流量s 采用收集槽法。在选好的标准树树干上将粗糙不平的树皮修平，用直径为 2 5 c m 的聚乙烯塑料管剖开后沿树干呈螺旋形状固定在树干上( 至少保证塑料管沿 树干环绕2 周以上) ，塑料管下端用容器收集。每次降雨后人工测量容器内承接到 的雨水重量( g ) ，按雨水密度为l c m 3 换算成体积( m 1 ) ，再根据树冠投影面积换 算成林内树干茎流水深( n u n ) 。用式( 3 1 ) 计算树干径流： c = 击喜等m ， ， 式中：c - 树干茎流量( r a m ) ； 卜单位面积上树木株数； c 。某一径级的树干茎流量( m 1 ) ； k 。某一径级树冠平均投影面积( c m 2 ) ； n 各径级数； m 。某一径级的树木株数。 3 2 2 4 t , 冠截留量( i ) 的计算 森林对降水的调节作用的首要层次表现为林冠对降水的截留过程。降水进入 1 9 北京交通大学硕士学位论文 森林后进行了一连串的再分配过程，形成林内透雨( t ) 、树干茎流( s ) 、林冠 截流量( i ) 。 到达林冠的降雨，被林管截留而形成了对降雨的第一次分配。林冠截留不能 由仪器或装置测定，只能根据上述各项测定值计算。根据水量平衡原理，计算公 式为： i = p t s ( 3 2 ) 式( 3 2 ) 中，i 代表林冠截留量，p 、t 、s 分别代表相应时空区间的林外降雨 量、穿透降雨量和树干茎流量。 3 2 2 5 枯落物截留量( k ) 的测定 分别在所选的9 棵标树下方放置1 个雨量筒，取原状枯落物置于雨量筒上， 每次降雨后，测定透过水量。把对照雨量筒测得的大气降水量与透过水量比较， 计算枯落物层的截留量和截留率。 3 2 2 6 枯落物持水性测定 3 2 2 6 1 林下枯落物的采集 在样地内分坡面上部、中部、下部各取面积为2 0 x 2 0 c m 2 的枯落物样方1 个。 采集枯落物时，将未分层和半分解层分别收集装袋。未分解枯落物系指基本上保 持其原有形状及质地的枯枝落叶；半分解层枯落物系指未完全腐烂、肉眼观察能 分辨出其枝叶大体形状的枯枝落叶。现场记录各层厚度，并将枯落物在实验室内 烘干、称重，以用于测定枯落物储量及单位面积的干重( 取3 个样方的平均值) 。 3 2 2 6 2 枯落物持水量及其吸水速率的测定 ( 1 ) 枯落物吸水过程 将在样地内收集的枯落物烘干后，称取不同重量( 2 0 9 、4 0 9 ) 的油松烘干枯 落物，每一重量做4 个平行样，将枯落物样方装入网孔直径约3 m m 的自制塑料网 兜并浸水，观测其在2 4 h 内不同时间段的持水量并作记录，测定时段为：1 5 m i n 、 3 0 m i n 、l h 、2 h 、4 h 、1 5 h 、2 4 h 。在每一次时段测定时，每一个样品重复测5 次， 每次间隔i m i n 。每次从浸泡容器中取出称重所得的枯落物湿重与其烘干重差值， 即为枯落物浸泡不同时间的持水量，该差值与浸水时间的比值即为枯落物的吸水 速率测定值。再将所测的水量( g ) 按所取小样方的面积换算成m m 。 ( 2 ) 枯落物最大持水量 测定时间为2 4 h 时，所测的持水量即为枯落物的最大持水量。 研究区概况与研究方法 3 2 2 6 3 枯落物截持降雨能力的测定 应用小型( 针具式) 人工降雨机，在试验区1 0 年一遇的雨强下( i = 1 2 0 m r n h ， 历时t = 5 0 m i n ) ，测定枯落物层的截持降雨量。 ( 1 ) 实际雨强 将人工降雨机雨强调至i = 1 2 0 m m h ，将d = 2 0 c r n 雨量器置于人工降雨机正下方 三个不同位置，一定时间内量取三个不同雨强，然后求其平均值，即为该条件下 的实际雨强； ( 2 ) 透过雨强 称取不同重量( 2 5 9 、5 0 9 ) 的油松烘干枯落物铺放在d = 2 0 c m 的土壤筛内，将 土壤筛置于降雨机正下方，土壤筛下接容器( 同直径小桶) ，打开人工降雨机，同 时开始计时，每次降雨时间控制为5 0 r a i n ，然后取出容器测量，即可测定出铺有枯 落物的透过雨强。 3 2 2 7 地表径流量的测定 小区地表径流由设在观n 4 , 屋的多孔分流水箱，并配以容器收集地表径流， 每次降水后测定收集量( m 1 ) ，并根据小区面积换算成n l l n 单位。 3 2 3 内业数据整理及分析 在野外实验和室内试验相结合的基础上采用e x c e l 、s p s s 等计算机软件，应 用数理统计、多元统计等方法对数据进行处理，并进行单因素方差分析和回归分 析，应用水文学知识，对油松人工林的水文过程进行分析，找出水文规律，同时 对油松林的降水再分配及再分配个要素的特征进行分析。 2 1 北京交通大学硕士学位论文 4 油松水源保护林降水特征分析 4 1 标准地基本情况 北试验区面积2 4 7 5 6h m 2 ，在北庄村境内，地处密云水库库东，距密云水库约 5 k m 。其中原始林很少，只在大岭子村有原始油松( 只以淞t a b u l a e f o 删括) 林1 2 4 k m 2 ， 占试验区总面积的0 5 ：以杨( p o p u l u s ) 、桦( b e t u a l a ) 、栎( q u e r c u s ) 等树种 组成的天然次生林面积为9 8 k m 2 ，占试验区总面积的3 9 ；大部分植被为人工植 被，共分为6 个类型，即刺槐( r o b i n i ap s e u d o a c a c i a ) 林、油松( p i n u st a b u l a e f o r m i s ) 林、侧柏( p l a t y c l a d u so r i e n t a l i s ) 林、杨树( p o p u l u s ) 林、经济林( 板栗( c a s t a n e a m o l l i s s i m a ) 林和苹果( m a l u s p u m i l a ) 林) ，面积为5 6 9 k m 2 ，占试验区总面积的 2 3 。天然植被中以荆条( v i t e xn e g u n d o ，：h e t e r o p h y l l a ) 群系为主，主要分布于 海拔l1 0 6 5 0 m 的阳坡，面积为9 7 6 k m 2 ，占试验区总面积的3 9 4 。该地的土壤 类型主要为砂壤质土壤。 标准地的坡向为n ，坡度多在2 0 2 0 之间。土层厚度多在2 5 5 0c n l 之间，有的 标准地厚度大于5 0c m ，有的较薄，只有1 5c l t i 。 灌木种类有荆条、胡枝子、酸枣、绣线菊等。但荆条较多，平均高多在8 0 1 0 0 c l l l 之间，较高的可达1 3 0c l n ，低矮的高度只有2 5t i l l ，相差较大。且盖度多在0 5 0 9 之间，盖度较大，最大的高达0 9 ，较小的只有0 2 ，差异较大。 枯落物层较厚，多在8 1 2t i n 之间，因不断有当地村民采集，所以多保持在此 厚度。且分解部分较少，在1 - 1 5 c m 之间，半分解多在2 5 4t i n 之间，未分解的多 在4 6c m 之间。 林木初植时的迹象仍依稀可见，水平阶整地，株距多为1 5m x 2m ，有的较密， 后未经间伐、修枝等抚育管理，林分生长情况不良。根据采访与实地调查测定， 标准地内油松林的年龄多在2 5 3 5a 之间，多为7 0 年代左右营造的林分。郁闭度 较大，约为0 8 。标准地基本情况见表( 4 1 ) 。 表4 1样地基本情况调查表 t a b l e4 1t h eb a s i cs i t u a t i o no f p 伽u st a b u l e a e f o r m i sf o r e s tp l o t 密度郁闭坡向坡度坡位坡型胸径树高灌高密度( 株枯落物厚未分解层半分解层分解层 ( 株h 一)度( )( c m )( m )( c m )确( c m )( c m ) ( c m )( c m ) 1 1 2 50 8 1n 2 0 2 中部凸1 2 5 9 6 48 086 15 2 油松水源保护林降水特征分析 4 2 密云水库集水区水源保护林大气降水特征分析 大气降水是陆地上水分的主要来源，其特征不仅决定了自然界物种和植被的 形成与分布，同时对人类社会的生产和生活产生重要影响。降雨特征是影响森林 对大气降水输入利用的主要因素之一，基于大气降水输入的林冠降雨分配、流域 水量平衡及水循环过程都会有所不同( k a m r a ne t a t ，2 0 0 3 ；m a t i ne t a l ，2 0 0 0 ；o z l e r , 1 9 9 9 ；w i n o g r a de t a l ，1 9 9 8 ) 。密云水库库区四季分明，干、雨季差异明显，加之 处于内陆，其降雨特征和变化趋势对于研究该地区的森林水文有重要意义。本地 区已有相关研究报道，对丰富的水资源以及长期气候变化趋势等进行分析研究( 李 青春等) ，同时李青春等还对降雨的年变化特征及变化趋势进行了研究( 李青春，张 朝林等) 。本研究通过对密云地区1 9 9 9 2 0 0 6 年的自记降雨资料的分析，总结了本 地区近年来的降雨特征和变化趋势，为下一步的研究提供基础。 4 2 1 密云水库集水区降雨特征概况 北京密云水库集水区内平均年降水量6 6 0 m m ，年降水变幅大，最多为1 4 0 6 m m ( 1 9 5 9 ) ，最小为2 4 2 m r n ( 1 8 6 9 ) ，丰水年的降水量是枯水年的5 8 倍。年降水量 平均距平为1 0 0 4 1 6 0 7 m m ，相对变率为2 0 2 5 ( 见表4 2 ) 。 表4 2 流域降水变率 t a b l e4 2t h ev a r i a b l er a t i oo f p r e c i p i t a t i o ni nt h ee x l x r i m e n t a lw a t e r s h e d _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ 1 11 i i - - - _ _ _ - _ _ _ - - _ _ _ - _ - _ - - _ _ - _ _ _ _ - - - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ 一 测站 年半( r a m 均降) 水且盂挚平黧变率 年代年数 ( m m ) ( ) 降水年内分配极不均匀，全年降水量8 0 8 5 集中在汛期( 6 9 月) ，并多以暴 雨形式出现，参见表( 4 3 ) 。降雨历时短，强度大，夏季雨量往往集中在几场降雨 之中，有时一次降水量甚至可占全年降水量的6 0 7 0 。 表4 3 北京降水量年内分配统计表 ! 璺! ! ! 堡：! 塾! 璺i ! ! 蔓! 竺垒2 呈p 1 2 p 巫垡z2 1 已堡! 1 2 i ! 呈垒2 望i 21 1 呈堡! 堑i 旦墨 时段la6 - - 9 m 其中3 0最人3最人l d dd 占全年总降水量的百分比( ) 1 0 08 5 - - 9 34 0 - - 7 01 4 - - 3 0 1 0 - - 2 0 北京交通大学硕士学位论文 4 2 2 不同年份间降雨量的差异比较分析 根据对密云水库北京集水区1 9 6 1 2 0 0 2 年逐年平均降雨量资料的统计分析表 明，2 0 世纪5 0 年代为相对多雨期，平均降水量为7 1 9 8 m m ，6 0 年代平均降水量 为5 5 7 m m ，7 0 年代平均降水量为5 8 9 5 m m ，8 0 年代为少雨时段，平均降水量为 5 4 8 3 m m ，9 0 年代平均降水量为6 0 1 8 m m 。进入9 0 年代，初期降水量偏多，年平 均降水量为正常或偏多。9 0 年代后期的1 9 9 7 2 0 0 2 年7 年降水量偏少( 除1 9 9 8 年) ， 7 年平均降水量仅为4 0 0 m m ，不到5 0 年代平均降水量的一半，是北京集水区近百 年来最干旱少雨的时段。分析北京观象台年平均降水量的变化曲线可看出( 见图 2 1 ) ：1 9 9 7 2 0 0 2 年密云水库北京集水区年降水量的减少趋势时分明显，是减少幅 度最大的时段。这可能是造成目前北京水资源紧缺的主要原因。 图4 11 9 6 1 2 0 0 2 年密云水库北京集水区年平均降水量变化曲线 f i g 4 1v a r i e t yc u r v eo fa v e r a g ea n n u a lp r e c i p i t a t i o ni nb e i j i n gm i y u n r e s e r v o i rc a t c h m e n ta e r a f r o m1 9 6 1t o2 0 0 2 通过1 9 9 9 年至2 0 0 6 年在北庄林业站的气象观测降雨资料( 见图4 2 ) 表明， 该地进几年雨水比较丰富，年平均降雨量达4 0 0 8 m m ，自2 0 0 4 年以后，年降雨量 均在4 0 0 m m 以上，最大的达到7 8 1 3 m m 。密云水库库区大气降水变率较大，降水 不稳定且分配不均匀。 2 4 油松水源保护林降水特征分析 1 0 0 0 童8 0 0 v - 适：0 0 3 蓬2 0 0 0 拶妒梦梦 年份 图4 2 密云县1 9 9 9 2 0 0 6 年年降雨总量 f i g 4 2a n n u a lp r e c i p i t a t i o ni nm i y u nf r o m19 9 9t o2 0 0 6 4 2 3 不同月份间降雨差异比较分析 将试验区2 0 0 4 2 0 0 6 年5 1 0 月各月份降水总量做图，由图4 3 可推知，密云水 库集水区2 0 0 4 年至2 0 0 6 年间年平均降水量为5 7 8 7 4 m m ，5 月至1 0 月间各月的平 均降水量依次为2 2 3 0 m m 、9 4 4 2 m m 、1 6 6 1 8 m m 、2 2 8 4 9 m m 、5 2 5 5 m m 、1 4 8 0 m m ， 各占年平均降水总量的3 8 5 、1 6 3 2 、2 8 7 1 、3 9 4 8 、9 0 8 、2 5 6 。这些 数据说明密云水库集水区降雨主要集中于5 1 0 月份，尤其以7 8 月份居多。 1 0 9 枣8 正7 6 5 2 0 0 4 - 2 0 0 6 年间 05 01 0 01 5 02 0 0 2 5 0 月平均降雨量( m m ) 图4 3 试验区2 0 0 4 2 0 0 6 年各月份平均降雨量 f i g 4 3t h em o n t h l ya v e r a g er a i n f a l li ne x p e r i m e n t a la r e af r o m2 0 0 4t o2 0 0 6 4 2 4 日降雨分布特征 根据2 0 0 4 2 0 0 6 年5 1 0 月问的观测，分析日降雨量频度分布，如图( 4 4 ) 。 北京交通入学硕士学位论文 结果表明：研究区大气平均年降水量为5 7 8 7 4 r a m ，有6 1 次降雨过程。在总降雨 日数中，1 1 5 0 m m 的占8 ，5 1 2 0 0 i n n l 的占5 6 ，2 0 1 5 0 0 m m 的占2 6 ， 5 0 1 1 0 0 m m 占8 ， 1 0 0m m 的只占2 。由观测结果可以看出，本研究区大气 降水变率较大，降水不稳定且分配不均匀。 盆 、_ 一 型 舔 l l 一， 1 1 、5 05 1 、2 0 02 0 1 4 5 0 05 0 1 4 1 0 0 1 0 0 曰降雨量( 咖) 图4 4 日降雨量频度分布 f i 9 4 4d i s t r i b u t i o no ff r e q u e n c yo fd a i l yr a i n f a l l 4 2 5 研究期间大气降水分布特征 研究期间共有1 6 场降雨，降雨总量3 9 4 5 5 m m 。2 0 0 7 年7 月9 月间共有8 场 降水，总降水量1 8 1 5 5 m m ，其中7 月下旬一场雨单次降雨量最大，达6 7 7 m m ，8 月6 场降水总量7 4 6 n u n ，占总降水量的6 0 6 7 ；2 0 0 0 年7 月8 月间共测得8 场 降水，总降水量2 1 3 0 0 r m n ，8 月份降水较多，为1 3 6 0 0 m m ，占总降水量的6 3 8 5 。 总的来看，2 0 0 7 年及2 0 0 0 年总的降水量偏少，特别是2 0 0 7 年全年的降水量也不 足多年平均降水量的一半。观测时段内各月降水量分配如表( 4 4 ) 所示。 表4 4研究期间大气降水分配 降水时间 降水量t r a m ) 比牢( )降水时间 降水量( r a m )比率( ) 2 0 0 7 7 3 0 6 7 7 03 7 2 92 0 0 0 7 45 0 2 02 3 5 7 2 0 0 7 ，8 13 8 8 52 1 4 02 0 0 0 7 2 73 o o1 4 l 2 0 0 7 8 4 2 2 2 0 12 2 32 0 0 0 8 22 6 o o 1 2 2 1 2 0 0 7 8 713 5 07 4 42 0 0 0 8 1 05 1 7 02 4 2 7 2 0 0 7 8 1 81 1 3 06 2 22 0 0 0 8 1 58 1 03 8 0 2 0 0 7 8 2 2 4 6 02 5 32 0 0 0 8 2 05 0 2 02 3 5 7 2 0 0 7 8 2 5l9 7 0lo 8 52 0 0 0 9 42 1 2 09 9 5 2 0 0 7 9 83 7 02 0 42 0 0 0 9 2 02 6 0 1 2 2 总计 1 8 1 5 51 0 0 总计 2 1 3 0 01 0 0 ，。，。，。l 印 们 卸 加 。 油松水源保护林降水特征分析 小结 密云水库流域属温带大陆季风气候，降雨分布不均匀，全流域内多年平均降 水量为4 8 8 9 m m 流域内6 8 月降水约3 0 0 4 0 0m l n ，占全年降水量的6 5 7 5 ，多 雨年与少雨年之比约2 4 ：1 ，丰水年的降水量是枯水年的5 8 倍。年降水量平均距 平为1 0 0 4 1 6 0 71 t 1 1 t i ，相对变率为2 0 一2 5 。降水年内分配极不均匀，全年降水 量8 0 8 5 集中在汛期( 6 9 月) ，并多以