非稳态条件下西南亚高山流域森林恢复的水文响应定量

Forest-water relationship has long been an important subject in forest hydrology. There are two great challenges in quantifying the hydrological response to forest change. One challenge is how to separate the effects of climate variability, forest change, and other human activities on hydrology. The other challenge is how to deal with nonstationary hydrological data and nonstationary climate-water or vegetation-water relationships when evaluating the effect of forest change on hydrology. This research will use a forested watershed located in the subalpine forests of Southwest China as an example 1) to quantify the historical effects of climate variability, forest restoration, and other factors using a new methodology combing modified double mass curve and multivariate time series analysis; and 2) to evaluate and predict hydrological response to multiple forest restoration plans in the nonstationary state at both stand and watershed levels by a combined use of adaptive sliding window,SWAT model and field measurements.This study will provide a more accurate estimation of hydrological function recovery including water conservation and flood regulation,and eventually support the strategy designs of adaptive forest resources management in a nonstationary world.

森林变化与水的关系一直是森林水文学领域的焦点问题。目前在森林变化的水文响应定量方面有两个重要难点：一是如何快速定量区分流域尺度气候、森林植被和人类活动等多种因素对水文的影响；二是如何解决定量森林变化的水文响应时水文序列以及气候-水文和植被-水文响应关系的非稳态性问题。针对上述难点，本研究拟以长江上游重要水源涵养区西南亚高山森林区域岷江杂古脑流域为例，采用修正双累积曲线与多元时间序列分析方法结合的新方法体系，快速定量该流域历史时期气候变异、森林恢复及其他因素对径流的影响。引入适应性滑动窗口检验法，实现非稳态条件下基于分布式水文模型的生态水文过程模拟。最终结合林地实测和流域水文过程模拟，定量模拟和预测流域不同森林恢复模式下的多尺度水文响应。本研究将有助于准确评估流域森林恢复阶段水源涵养和洪水调控等相关生态服务功能的变化，为林业部门制定非稳态条件下森林资源适应性经营与管理规划提供科学依据。

森林变化与水的关系一直是森林水文学领域的焦点问题。本研究以位于西南亚高山森林地区的杂谷脑流域为例，通过融合多源遥感、森林资源清查、野外样地实测等数据构建基于环境因子的林地-流域水源涵养功能尺度转换模型，实现流域尺度水源涵养功能的快速评价和预测；采用修正双累积曲线法（MDMC）、Page-Hinkley Test概念漂移检测算法和ARIMA Intervention突变点检测法进行植被-水文响应关系非稳态性检验，并基于非稳态性检验的分段结果构建能够反映非稳态流域水文特征的分布式模型，并基于多个森林变化情景，模拟预测不同地形及气候梯度带下森林变化的水文响应量。结果表明：（1）林地尺度上，不同植被类型地被物蓄积量和最大持水量存在显著差异；天然林地被物有效拦蓄量约为人工林的1.24倍；5种天然林中，天然针叶林的地被物持水性能最强，高郁闭度人工林地被物最大持水量和有效拦蓄量显著高于其他人工林；天然林土壤层最大持水量和吸持贮水量明显高于人工林，而滞留贮水量无显著性差异。（2）基于流域环境因子建立的森林水源涵养尺度上推模型中，地被物层蓄积量、自然含水率、最大持水率、有效拦蓄量以及0-30cm土壤层最大持水量、吸持贮水量和滞留贮水量预测模型R2均在0.84（P<0.05）以上，所有模型验证点平均相对误差均在10%左右，模型精度较高。（3）森林采伐导致杂谷脑流域年径流和湿季径流均增加，但旱季径流的响应趋势则与转换后的植被类型有关。（4）森林采伐的径流响应程度因地形及气候梯度而异：林地转换旱地时年及季节径流的变化在各海拔梯度带、坡度梯度带、坡向梯度带及降水梯度带内均存在显著差异，而林地转换为草地和灌木时仅对季节径流的影响存在显著的坡度和降水效应。（5）森林恢复的径流响应程度受部分地形因素和气候影响：草地和灌木转换为林地时，年及季节径流对森林变化的响应随海拔变化无显著差异；季节径流的响应随坡度变化存在显著差异；年及湿季径流响应随坡向及降水变化差异显著。本研究将有助于准确评估流域森林恢复阶段水源涵养和洪水调控等相关生态服务功能的变化，为林业部门制定非稳态条件下森林资源适应性经营与管理规划提供科学依据。