基于河流生态系统保护理论的大流域森林变化对径流情势的累积影响研究

Flow regimes including five hydrological components (magnitude, duration, timing, frequency, and variability or change rate of flows) play a critical role in determining the structures and functions of aquatic ecosystems. In a large forested watershed, large-scale forest change may cause cumulative and delayed changes of flow regimes in a significant way. Traditional paired-watershed experiment or hydrological modeling has limitations in assessing the cumulative effects of long-term forest changes on flow regimes on a large watershed scale. This study proposed to apply an innovative methodology by combining time series analysis and HYLUC model to assess the cumulative effects of long-term forest changes on flow regimes in a typical forested watershed in the upstream of Poyang Lake. The response of flow regimes to different levels of forest changes will also be predicted under future climate scenarios. This study will provide a useful example to conduct a large watershed scale study on the cumulative effects of forest changes on flow regimes. It can support watershed-scale or regional management of forest and water resources, flood control and aquatic ecosystem protection in a sustainable way.

从河流生态系统保护的角度看，由流量、频率、出现时间、历时及变异率组成的径流情势对水生生态系统的结构和功能起着关键的作用。在大流域尺度，大规模的森林变化可能引起径流情势发生显著改变。这种改变通常具有累积性和滞后性的特点。传统的配对流域实验和单纯的水文模拟方法，在定量大流域长期森林变化对径流情势的累积影响方面具有局限性。本研究拟以鄱阳湖上游某典型森林流域为例，采用将一系列时间序列统计分析法和HYLUC半分布式水文模型有效结合的新技术手段，定性和定量评价长期森林变化对径流情势各要素的累积影响及其响应的滞后时间。并在此基础上，进一步模拟预测未来气候变化情景下，径流情势对不同森林变化水平的响应。本研究将有助于推动以单个大流域为对象开展森林变化对水文的累积影响研究，同时能够为流域或区域森林资源及水资源管理、洪水调控、水生生态系统保护提供决策依据，有利于流域或区域森林及水资源的可持续利用。

梅江流域地处鄱阳湖赣江上游，是鄱阳湖重要的水源涵养区。梅江流域生态水文过程变化势必对鄱阳湖产生重要影响。1950年-2006年间梅江流域先后经历了大规模森林采伐到大面积植树造林，森林覆盖由24%左右增加到71.0%。本研究以梅江流域为例，采用修正双累积曲线和水文模拟相结合的方法定量研究该流域森林变化对径流情势的影响。首先采用双累积曲线法定量历史时期森林变化和气候变化对年径流、非汛期以及汛期径流的影响。结果表明，森林变化和气候变化对径流起抵消作用。1988年-2006年间，气候变化使得非汛期径流减少218.6mm，汛期径流增加329.7mm，年径流增加55.5mm；森林变化则使得非汛期径流增加46.3mm，汛期径流减少69.1mm，年径流减少11.4mm。其次，利用SWAT模型对梅江流域生态水文过程进行模拟。根据流域特点设定4种森林变化情景和20种气候变化情景，预测不同森林变化和气候变化情景下流域日径流响应并定量计算不同情景下径流情势要素（流量、出现时间、历时、频率和变异率）的变化。主要结论如下包括：（1）梅江流域森林变化的水文响应具有明显的空间差异性，非汛期河岸带林地增加使河道地表水大幅度的减少。非河岸带森林覆盖面积的增加能够明显降低高位流流量及变异率，减少高位流历时，而河岸带森林变化对高位流各情势要素影响不大。非河岸带森林覆盖面积每增加10%，流域低位流流量增加7%-8%，低位流历时减少0.5-1天左右，低位流流量变异率降低2%-3%，河岸带林地的增加与非河岸带所带来的水文效果相反。（2）气候变化对高位流和地位流的影响基本符合预期。降雨量增加使高位流流量和高位流历时增加，降雨量平均每增加5%，高位流流量增加8%左右；温度变化对高位流的影响与降雨相反。降雨量平均每增加5%，低位流流量增加20%-30%左右，温度平均每增加0.5℃，低位流流量减少4%-8%左右。上述研究结论对于鄱阳湖流域水资源和森林资源的适应性管理以及流域水生生态系统和湿地生态系统的保护具有重大意义。