祁连山区典型坡面植被斑块间水文连通性及水分传输过程研究

In arid mountains, there exists a complex relationship between vegetation patches and hydrological processes, and the hillslope hydrological connectivity and water transfer are the key processes for the runoff formation. Under the dual influences of climate change and human intervention, changes in mountainous vegetation patterns will inevitably lead to complex hydrological respons among patches. However, the systematic quantitative study of water transfer processes among vegetation patches is still lacking, and is also one of bottlenecks for the accurate modeling of watershed eco-hydrological process. Therefore, the project will be conducted to investigate the hydrological connectivity and water transfer processes among vegetation patches on one typical hillslope of Qilian Mountains. Based on the field observations, stable isotope technology and controlled simulation experiments, this project intends to quantify the hydrological connectivity among vegetation patches on typical hillslope, reveal the influence mechanism of vegetation patterns on the water transfer processes, and determine the key factors and parameters which influenced the hillslope water transfer and then simulate the rainfall-runoff transfer processes. These findings will enhance our current knowledge of the interaction relationships between vegetation patches and hydrological processes in arid mountains, providing key parameters and data support for the watershed eco-hydrological process simulation and forecasting.

干旱区山地植被斑块格局与水文过程之间存在着复杂的相互作用关系，坡面水文连通性与水分传输过程是山区径流形成的重要环节。在气候变化和人类活动的双重影响下，山地植被格局变化必然引起斑块间复杂的水文响应，但目前植被斑块间水分传输过程仍缺乏系统的量化研究，是实现流域生态水文过程精确模拟的瓶颈之一。本项目拟在祁连山区选择典型坡面为基本研究单元，针对植被斑块间水文连通性及水分传输过程，通过定位观测、同位素技术、模拟控制实验等方法，量化典型坡面植被斑块间的水文连通性；揭示植被斑块对坡面水分传输的影响机理；确定影响坡面水分传输的关键因子和参数，模拟坡面水分传输过程。研究成果将提升对干旱区山地植被斑块格局与水文过程相互作用关系的认识，为流域尺度生态水文过程模拟和预测提供关键参数和数据支撑。

干旱区山地是内陆河流域的水源地，由于山地地形复杂、景观格局破碎，各系统间物质能量交换频繁、作用强烈，植被斑块与水文过程间存在着复杂的相互作用关系。已有研究成果和水文学知识难以对高海拔坡面水文过程及内在规律进行准确刻画。为此，本项目基于水文学理论和野外观测方法，在祁连山中段地区典型流域坡面，建立林冠截留固定观测样地，并设置水量平衡场、分层土壤水热观测等试验，分析高海拔林地水分的垂向再分配过程及建模关键参数等；在林内建立坡面水文观测平台，开展不同坡位间降水-产流关系以及坡面尺度水文连通性研究；基于分层土壤水力传导度野外试验，林下地被物的水文特征控制模拟，确定青海云杉林浅层土壤水分再分配过程的关键水文参数。.主要结论及科学意义：（1）青海云杉林冠截留对于降水的垂向再分配影响显著，平均截留率约35.2%，在次降雨量大于30 mm时，树干茎流占降雨量约13.6%。基于大量实测数据的林冠截留模型参数化方案，使得在事件尺度上，Návar等三种基于物理机制的模型都取得了较好的模拟效果（NSE > 0.8），为干旱区林地垂向水分传输过程建模提供了参数化方案和模型选择建议。（2）高海拔林地坡面在连续降雨且降雨强度足够大条件下会有产流事件发生，但产流过程与降雨事件发生时间的一致性关系不显著，即干旱区林地产流发生存在一定的随机性；坡面径流过程线分析发现，径流峰现时间相对最大降雨发生时间有3-7 h滞后，形态表现为单峰和陡涨陡落，说明林地径流来水组成单一，主要为地表径流；降雨强度与产流关系分析发现，在前期土壤湿润的条件下，降雨强度达到4.0 mm h-1以上时，林地坡面地表径流的发生概率约为35-38%，但受限于强降雨事件记录数量，该结论可能存在一定的不确定性。（3）林下地被物作为降水在地面再分配的重要环节，苔枯层能最大限度的提高水分的拦截能力，其最大持水量和最大持水率分别为5.42 kg m-2和890%。在苔藓层覆盖下，地被物脱湿曲线为幂函数，脱湿时长约4.8-5.6 h，研究发现采样方式对地被物持水量的估算差异显著，实践中应根据实验目的选择合适的采样方法。.项目已积累了3年的高海拔林地气象、水文、土壤等数据资料。目前已公开发表学术论文7篇，授权实用新型专利3项，指导本科毕业论文6名。