流域年平均流量和枯水径流对森林恢复的响应—以鄱阳湖九剧水流域为例

The relationship between forest and water is a heated topic in ecohydrology. The knowledge of forest and water relationship were gained from studies conducted in small watersheds (﹤100 km2), with less attention to watersheds greater than 100 km2, especially in subtropical China. During the past decades, forest coverage of Jiangxi Province has been significantly increased by implementing several large-scale reforestation and protection programs. However, how large-scale reforestation programs impact on regional hydrological processes needs to be recognized. Jiujushui watershed located in the upper reach of the Poyang Lake basin with area of 261.4 km2. It has experienced drastic forest changes during the past decades. The long-term dramatic forest change, along with long-term climatic and hydrological data (1951-2010) provide us a unique opportunity to study the impacts of large-scale reforestation on streamflow. An integrated methodology, which combines graphical methods (modified double mass curve and flow duration curve), time series analysis, WASSI model, remote sensing technology, and field experiments, will be conducted in this study. Research objectives are: (1) to quantify the effects of forest recovery on streamflow; and (2) to assess the impacts of reforestation on low flow regimes and baseflow. These findings are of great implications for designing watershed management strategies and assessing effects of reforestation on ecohydrology at watershed scale.

流域森林与水的关系是生态水文领域研究的热点问题，但目前的研究结果大部分来自小流域（小于100km2）试验，针对大中型流域（大于100km2）的研究较为缺乏，尤其在中国的亚热带区域。近几十年来江西省通过一系列的林业生态工程，森林覆盖率显著升高，然而这一大规模的森林植被恢复过程对当地生态水文过程的影响，现在还知之甚少。本项目选择鄱阳湖上游的九剧水流域（261.4 km2），该流域的森林植被在历史上发生了剧烈的变化，而且拥有长时间序列的水文和气象数据（1951－2010），为开展本研究提供了良好的条件。本项目采用水文图像（MDMC和FDC）、时间序列分析、水文模型（WASSI）、遥感同时结合野外实验相结合的方法，定量评估森林恢复对平均径流的影响以及低流量情势和基流对森林恢复的响应，为科学评价森林恢复对鄱阳湖流域生态水文的影响提供基础数据，同时对制订科学的流域综合管理策略也有重要的理论和现实意义。

过去的几十年，在中国许多区域果树种植往往被认为是一种森林恢复的方式，因为它增加了森林覆盖率，同时获得了短期的经济效益。然而，在流域尺度上，大规模果树种植对水资源的影响却很少得到科学的评估。在本研究中，选取九剧水流域（261.4km2）为研究对象，将研究期（1961-2016）分为参考期、森林恢复期和果树种植期，采用野外实验和室内分析相结合的方法。研究了季节性径流动态、主要径流成分（包括基流、地表径流和总径流）和径流情势对森林恢复和果树种植的响应特征。研究结果显示：（1）森林恢复减少了雨季径流，增加了旱季径流；相反，果树种植增加了雨季径流，而对旱季径流并没有产生显著影响。关于年内径流分布特征，相较于基准期，森林恢复显著降低了年内径流量的不均匀系数（Cv），完全调节系数（Cr），集中度（Cn）和相对变化幅度（Cmax）。而与基准期相比，果树种植期Cv，Cr，Cn，Cd，R和Cmax，没有发生显著变化。（2）与对照相比，森林恢复使高流量平均值降了8.78%，缩短了高流量持续时间2.2d。相比之下，果树种植使高流量的平均值提高了27.43%。森林恢复使低流量大小提高了46.38%，缩短了低流量持续时间8.8天，而果树种植对低流量情势组分没有显著影响。（3）森林恢复和果树种植对总径流量无显著影响。然而，森林恢复显著增加了15%的基流（p=0.03），而果树种植则无显著影响。相比之下，果树种植显著增加了地表径流（p=0.048），而森林恢复则没有增加地表径流的效应。（4）在森林恢复期，森林恢复对地表径流、基流和总径流量的相对贡献率分别为23.9%、67.3%和50.9%，而对气候变化的相对贡献率分别为76.1%、32.7%和49.1%，森林恢复对基流的影响更大。果树种植分别占总径流、基流和地表径流变化的54.4%、48.8%和57.3%，而气候变化分别占果树种植期的45.6%、51.3%和42.7%。我们的结论是，森林恢复对高流量、低流量和基流有积极影响，而令人惊讶的是，果树种植对高流量和地表径流有负面影响，这表明大面积的果树种植可能成为我们研究区域某些负面水文效应的主要驱动因素。