全 文 ：基于景观尺度过程模型的长白山地表径流量
时空变化特征的模拟*
张 娜1* * 于贵瑞2 于振良3 赵士洞2
( 1 中国科学院研究生院地球科学学院, 北京 100039; 2 中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101;
3 国家自然科学基金委员会, 北京 100085)
摘要 运用已建立的景观尺度生态系统生产力过程模型 EPPML 对长白山自然保护区地表径流量的季
节动态和空间分布特征进行了模拟, 对其与环境因子间的相互关系进行了分析. 模拟结果表明, 长白山自
然保护区地表径流量的季节进程表现出明显的三峰型, 6 月和 9 月出现低谷, 8 月达最大( 2. 58 mm!d- 1) ,
与土壤含水量的季节变化趋势十分相似. 1995 年地表径流量的模拟值平均为 0. 203 m!年- 1, 空间分布随
海拔升高呈现明显增加的趋势, 最高为高山流砾滩( 0. 619 m!年- 1 ) , 最低为阔叶红松林( 0. 081 m!年- 1) .
年地表径流量与叶面积指数( LAI )呈极显著负相关指数关系( R 2= 0. 857) .年地表径流量与气温和总辐射
呈负相关关系( R 2 分别为 0. 965 和 0. 836) ,与降水量、相对湿度和风速呈正相关关系( R 2 均大于 0. 950) ,
还与土壤特性密切相关.
关键词 地表径流量 季节动态 空间分布 环境条件 叶面积指数 长白山自然保护区
文章编号 1001- 9332( 2003) 05- 0653- 06 中图分类号 Q948 文献标识码 A
Simulation of temporalspatial variation characteristics of surface runoff in Changbai Mountain based on pro
cess model for landscape scale. ZHANG Na1, YU Guirui2, YU Zhenliang3, ZHAO Shidong2 ( 1College of Ear th
Science, Graduate School of Chinese A cademy of Sciences, Beij ing 100039, China; 2 I nstitute of Geographic
Sciences and Natural Resour ces Research, Chinese A cademy of Sciences , Beij ing 100101, China; 3National
Natural Science Foundation of China, Beij ing 100085, China ) . Chin . J . A ppl . Ecol . , 2003, 14( 5) : 653~
658.
The seasonal dynamics and spatial distr ibution characteristics of surface runoff in Changbai Mountain simulated
by t he process model ( EPPML ) , and the r elationships between surface runoff and env ironmental conditions w ere
analy zed. T he results showed that the seasonal v ar iation of surface runoff in Changbai Mountain presented obvi
ous threepeak pattern, i. e. , the low est values in June and September, peak values in August ( 2. 58 mm!d- 1) ,
similar to that of soil water content. T otal trend of sur face runoff fo r differ ent vegetations in the grow ing season
was in order of grass and shrub > coniferous forest > broadleaved forest > mixed broadleaved and Korean
pine forest, highly correlated to LA I. Annual surface runoff in 1995 was estimated to be 0. 203 m!yr . - 1 , mostly
ranging from 0. 0 to 0. 246!m!yr . - 1 , accounting for 69. 3% . The trend of spatially increasing annual surface
runoff along w ith increasing altitude was obvious. The max imum annual surface runoff appeared in alpine g rass
( 0. 619 m!yr . - 1 ) , minimum in mixed broadleaved and Korean pine ( Pinus koraiensis ) forest ( 0. 081 m!
yr . - 1) , ot hers being alpine tundra, Betula ermanii forest, meadow, shrub, mix ed spruce ( Picea asp erata )
and fir ( Abies nephrolep is ) forest, Changbai larch ( L ar ix olgensis ) forest and broadleaved for est. Vegetation
and environmental conditions controlled the main trend o f the spatial distr ibut ion of annual surface runoff in
Changbai Mountain. There was very strong negativ e exponential corr elativity betw een annual surface runoff and
LAI ( R 2= 0. 857) . The more LAI, the more literfall, the more pr ecipitat ion intercepted by litter, thus, the
less surface runoff. Annual surface runoff w as highly negat ively corr elated wit h air temperatur e and total solar ra
diation ( R 2 being 0. 965 and 0. 836 respectively ) , however, it w as highly positively co rrelated w ith pr ecipita
tion, relat ive humidity and w ind speed ( R2 being more than 0. 950) . And annual sur face runoff w as also str ong
ly correlated to soil characteristics.
Key words Surface runoff, Seasonal dynamics, Spatial distribution, Env ironmental conditions, Leaf area index ,
Changbai Mountain Natur al Reser ve.
* 中国科学院∀ 百人计划#生态系统管理的基础生态学过程研究项目
( CX10GC0001)和国家自然科学基金资助项目( 39970613) .
* * 通讯联系人.
2002- 01- 07收稿, 2003- 01- 17接受.
1 引 言
地表径流是影响区域水循环和水平衡的重要因
素,历来得到研究者的重视,成为水循环和水平衡研
应 用 生 态 学 报 2003 年 5 月 第 14 卷 第 5 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, May 2003, 14( 5)∃653~ 658
究的必需内容. 然而,长白山地区以往对地表径流量
的研究仅仅局限于一种或两种主要生态系统, 而且
所测样地十分有限,难以反映整个景观各个时期各
类生态系统地表径流量的总体状况.本研究拟从时
间上和空间上突破野外实测的局限,弥补其缺陷, 在
综合应用以往科研成果与数据的基础上, 建立一个
以地理信息系统( GIS)和遥感图像作支持的景观尺
度生态系统生产力过程模型 ( EPPML, Ecosystem
Product iv ity Process M odel at Landscape Scale) ,首次
模拟了长白山自然保护区各类生态系统地表径流量
的季节动态和空间分布, 并对模拟结果进行了初步
验证, 对它们与环境因子和植被因子间的相互关系
进行了分析.
2 研究地区与研究方法
21 研究区概况
长白山自然保护区成立于 1960 年, 位于吉林省的东南
部,自然地理位置为 127%42&55∋~ 128%16&48∋ E, 41%41&49∋~
42%25&18∋N,包括长白山天池北、西、西南三面原始森林的心
脏地区. 它是原始面貌保存较好的、以整个自然环境和森林
生态系统为保护对象的综合性自然保护区. 1981 年调整后
的总面积为 190 582 hm2 [ 13] .
长白山自然保护区内森林茂密 ,树种繁多,生物资源丰
富,地带性植被是温带湿润针阔混交林. 随着海拔下降, 雨量
减少, 气温升高,形成明显的植被和各种自然景观的垂直分
布带,从下到上大致可分为: 低山针阔混交林带( 500~ 1100
m) (以阔叶红松( Pinus koraiensis)林为主)、山地暗针叶林带
( 1100~ 1800 m) (包括红松云杉( Picea asp erata)、冷杉( Abies
nephr olep is)林亚带和岳桦 ( Betula ermanii )、云冷杉林亚
带)、亚高山岳桦矮曲林带 ( 1800~ 2100 m )、高山苔原带
( 2 100m 以上) (包括常绿矮石楠灌丛亚带和流砾滩亚带) .
此外, 尚有夹杂在各带范围内、处于从属地位的隐域性森林
植被,例如在沼泽地上生长着非地带性的长白落叶松( L ar ix
olgensis)林; 在红松受到破坏的地方生长着次生的山杨( Pop
ulus davidiana)和白桦 ( Betula p latyphylla)林; 在林间沟谷
分布有草地.长白山 4 个垂直带谱以耐寒的针叶林和阔叶红
松混交林占优势[ 13] . 图 1 显示了各类植被的分布状况.
22 研究方法
221 地表径流量的模拟方法 以遥感图像( TM )作为数据
源, 获取了影响地表径流量的重要变量 ( ( ( 叶面积指数
( LA I) ;用 C 语言编写了描述系统碳循环和水循环的计算机
过程模型( EPPML ) ; 并用 GIS 手段进行空间数据的处理、分
析和显示. 模型以 d 为时间尺度, 在每个网格中运行并做累
加,最后输出包括地表径流量在内的碳循环和水循环变量的
月平均值和年总量值. 关于 EPPML 模型的详细介绍见文
献[ 16] .由于长白山林区气候湿润, 土壤具有良好的团粒结
构 , 疏松多孔, 土壤的透水和蓄水性能较强; 且土层较薄, 地
图 1 长白山自然保护区植被图
Fig. 1 Vegetat ion map in Changbai Mountain Natural Reserve.
下水位较高,水分亏缺往往发生在表层, 其深层部分常年接
近于田间持水量, 缺水量不大, 易于为降雨所满足. 因此, 长
白山林地的产流方式一般为蓄满产流. 土壤一旦达到田间持
水量, 就开始形成产流面积.在产流面积上继续降雨,若降雨
强度不超过稳渗强度, 则土壤以壤中流和地下径流形式流
出; 若降雨强度超过稳渗强度,则形成地表径流[ 2, 3] .
EPPML 对这些过程作了简化处理, 只考虑地表径流, 不
考虑壤中流和地下径流. 假设当土壤含水量大于田间持水量
时产生地表径流, 否则不产生地表径流,即
RF =
SW - SWS ( S W > SWS)
0. 5( S W - SWC ) ( SWC < SW < SWS ) (1)
0. 0 ( S W < SWC)
式( 1)中, RF 为地表径流量 ( m) , SW 为土壤含水量( m ) ,
SWS 为土壤饱和持水量( m) , SWC 为土壤田间持水量( m) .
2 2 2 土壤田间持水量和土壤饱和持水量的确定 一般将
654 应 用 生 态 学 报 14卷
田间持水量作为重力水与有效水的分界点, 即有效水的上
限[ 9] .根据延晓冬等[ 14]在 CHANGFOR 林窗模型中的田间
持水量参数值,推导出长白山土壤田间持水量与海拔高度的
关系式为:田间持水量= - 0. 05) 海拔+ 325,进而推算各类
植被土壤整个土层的田间持水量.
EPPML 中所需要的参数是 10cm 土层的田间持水量.
已知落叶松 ( L ar ix gmelinii)、水曲柳( Frax inus mandshur i
ca)混交林下 0~ 10 cm 土层的田间持水量为 0. 0551 m [ 10] ,
而其它植被下 10 cm 土层的田间持水量无实测数据, 故本研
究假设落叶松混交林整个土层与 10 cm 土层田间持水量之
间的比例关系也适用于其它类型的植被, 由此推算其它植被
下 10 cm 土层的田间持水量(表 1) .由暗棕色森林土 0~ 15
cm 土层的田间持水量实测数据[ 13]得到 0~ 10 cm 土层的田
间持水量为 0. 0623 m(土壤容重为 0. 91 g!cm- 3) ,用此数据
对上述推算方法进行检验, 发现与阔叶红松林和阔叶林下的
山地暗棕色森林土 10 cm 土层的田间持水量推算结果(分别
为 0. 0601和 0. 0587)比较相符. 土壤饱和持水量根据 BEPS
模型[ 6]中的关系式确定:
表 1 长白山自然保护区各类植被土壤的田间持水量( m)
Table 1 Soil field water capaci ty for different vegetation types in Changbai Mountain Natural Reserve
植被类型
Vegetation
type
土壤类型
Soil type
海拔
Elevat ion
( m)
田间持水量
(整个土层)
Field water
capacity ( all
soil layers)
田间持水量
Field w ater
capacity
( 0~ 10cm soil layer)
高山流砾滩草类 山地原始苔原土 2270 0. 212 0. 0461
Alpine grass Mountain original tundra soil
高山苔原 山地泥炭化苔原土 2106 0. 220 0. 0478
Alpine tundra Mountain peaty tundra soil
岳桦林 山地生草森林土 1725 0. 239 0. 0520
Betula er mani i f orest Mountain tussock forest soil
云冷杉林 山地棕色针叶林土 1410 0. 254 0. 0554
Sprucef ir f orest Mountain brow n coniferous forest soil
阔叶红松林 山地暗棕色森林土 978 0. 276 0. 0601
Mixed broad leaved and Korean pine forest Mountain dark brown forest soil
阔叶林 山地暗棕色森林土 1113 0. 269 0. 0587
Broadleaved forest Mountain dark brown forest soil
长白落叶松林 山地棕色针叶林土 1441 0. 253 0. 551
Changbai larch forest Mountain brow n coniferous forest soil
草甸 山地生草森林土或草甸土 1690 0. 240 0. 0524
M eadow Mountain tussock forest soil or meadow soil
灌丛 山地生草棕色针叶林土 1474 0. 251 0. 0547
Shrub Mountain tussock brown coniferous forest soil
土壤饱和持水量= 土壤田间持水量) 2. 0 / 1. 1
223 土壤含水量的确定 1)土壤含水量初始值的确定. 本
研究土壤含水量的初始值取上年 12 月份的值. 由于对不同
类型的植被 ,其土壤含水量的季节变化趋势十分近似, 故在
某类植被无 12 月份实测数据的情况下, 可用其它类型植被
某月份的土壤含水量与 12 月份的土壤含水量之间的关系来
间接地获取该类植被 12 月份的土壤含水量(表 2) . 高山流砾
滩和高山苔原的 12 月份土壤含水量根据亚高山岳桦林 9 月
份与 12 月份土壤含水量的比例关系确定; 其它类型植被的
12 月份土壤含水量则根据阔叶红松林 9 月份与 12 月份土壤
含水量的比例关系确定. 2)土壤含水量的确定首先确定土壤
含水量的变化∗ SW :
∗ SW = P1- P 2 ( 2)
式( 2)中, ∗ SW 为根系层土壤含水量的日变化( m!d- 1 ) ; P1
为土壤水分的输入量( m!d- 1) ; P2 为土壤水分的输出量( m!
d- 1) .
P1= P + smelt - U - L ( 3)
式( 3)中, P 为降水量 ( m!d- 1 ) ; smelt 为雪融解量( m! d- 1 ) ;
U 为下层植物截留量( m!d- 1 ) ; L 为凋落物层截留量 ( m!
d- 1) .
下层植物对土壤水分也起一定的调节作用. 经过冠层和
表 2 长白山自然保护区各类植被表层土壤含水量( 10cm左右)
Table 2 Surface soil water content for di fferent vegetation types in
Changbai Mountain Natural Reserve ( about 10cm)
植被类型
Vegetation type
A B C D
高山流砾滩草类 1. 390 [ 8] 0~ 13 28. 53 [19] 6. 84
Alpine tundra
高山苔原 0. 673 [ 8] 0~ 10 50. 3 [15] 12. 06
Alpine tundra
岳桦林 1. 395 [ 8] 0~ 10 58. 2 [15] 13. 95 [15]
Betula ermanii forest
岳桦云冷杉林 Mixed Bet ula er manii 1. 310 [ 8] 0~ 10 24. 0 [15] 13. 20
and sprucefir forest
红松云冷杉林 Mixed Korean pine 1. 020 [ 8] 0~ 10 34. 05 [15] 18. 73
and sprucefir forest
阔叶红松林Mixed broadleaved 0. 769 [ 8] 0~ 10 53. 0 [15] 29. 16 [15]
and Korean pine forest
阔叶林Broadleaved forest 0. 910 [13] 0~ 9 50. 37 [5] 27. 71
长白落叶松林 Changbai larch forest 0. 987 [10] 3~ 23 31. 20 [19] 17. 17
草甸Meadow 0. 673 [ 8] 4~ 9 55. 3 [18] 30. 43
灌丛Shrub 0. 673 [ 8] 0~ 10 50. 3 [15] 12. 06
A: 土壤干容重Dry vo lume weight o f soil ( g!cm - 3) , B: 土壤采样深度 Sampling
depth of so il ( cm) , C: 9月份土壤含水量 Soil water content in Sept ember ( % ) ,
D: 12月份土壤含水量 Soil water content in December ( % ) .
下层植物的雨水又受到凋落物的进一步拦蓄. 由于林内的蒸
发受到限制,实际上凋落物层的截留量并不多,一般只有 1~
3 mm,但从长时间来看, 凋落物层的截留量也是可观的. 在
整个生长季内可占降雨量的 9% ,这部分水分逐渐被蒸发到
空气中[ 2] . EPPML 假设下层植物截留量和凋落物层截留量
6555 期 张 娜等:基于景观尺度过程模型的长白山地表径流量时空变化特征的模拟
的总和为同期降水量的 9% ,即
U+ L = 0. 09) P ( 4)
P2= sevap + cevap + tr ans + r unof f ( 5)
式( 5)中, sev ap 为土壤蒸发量( m!d- 1) ; cevap 为冠层蒸发量
( m!d- 1) ; trans 为冠层蒸腾量( m!d- 1 ) ; r unof f 为地表径流
量( m!d- 1) .
第 i 天的土壤含水量 SWi 用第 i - 1 天的土壤含水量
SW i- 1和含水量的变化∗ SW 来表示:
SW i= SW i- 1+ ∗ SW ( 6)
若 SW i> SWC, 则 SW i= SWC
3 结果与分析
31 地表径流量的时间变化特征
长白山各类植被地表径流量的模拟值平均为
0. 568 mm!d- 1,在 0. 0~ 2. 03 mm!d- 1之间变化,大
多变化于 0. 0~ 0. 675 mm!d- 1 ( 69. 63% ) . 如图 2b,
各类植被地表径流量的季节变化趋势十分一致, 6
月和 9月出现低谷值,使得全年表现为三峰型,与土
壤含水量的季节变化趋势十分相似(图 2a) ,相关系
数可达 0. 882. 3月积雪开始融化,土壤水分迅速增
加,但由于气温较低, 植物还未生长或刚开始长叶,
蒸腾和蒸发消耗都很小, 多余的水分往往通过径流
排出土壤,径流量在 4 月出现第一个峰值. 4~ 6月
植物生长速率较大, 蒸腾和蒸发增强, 但降水量还很
小,正值全年旱季, 土壤含水量降低很快, 土壤中可
用于径流的水分逐渐减少. 6 月之后随着降水量的
迅速增加, 径流量减小的趋势也迅速扭转. 8月正值
长白山的雨季, 尽管降水量不及 7月高,但由于植物
蒸腾和土壤蒸发均较 7月弱,土壤水分除满足植物
的生长需要之外,仍然有许多富余,径流量出现最大
峰值. 9月之后植物生长速率迅速下降, 蒸腾和蒸发
也随之减弱,但 7、8 月植物的旺盛生长已消耗了大
量的水分, 这对 9月的土壤水分产生了很强的时滞
效应, 使得 9月的土壤水分含量很低, 加之一年一度
形成的凋落物覆盖地表, 截留了一部分降水, 从而减
小了径流的可能.对所有植被来说, 9月均是自 4月
展叶以来地表径流量最低的时期. 进入 10 月, 绝大
多数植物已经或即将停止生长,土壤水分的消耗很
小,因此,相对于 9月形成了一个小径流峰. 冬季降
雪不融化, 不能成为土壤水分的一部分,而土壤水分
仍然有少量以蒸散形式损耗, 因此, 11月之后土壤
水分含量逐渐降低, 径流无法进行, 12 月至次年 2
月所有植被的地表径流量均为零.
各类植被 8月地表径流量的模拟值平均为 2. 58
图 2 长白山各类植被土壤含水量( a)和地表径流量( b)的季节变化
Fig. 2 S easonal dynamics of soil w ater content ( a) and surface runof f ( b)
for dif ferent vegetation types in Changbai Mountain Natural Rserve.
mm!d- 1, 在 0. 0~ 6. 97 mm!d- 1之间变化, 大多变
化于 0. 0~ 3. 87 mm!d- 1( 87. 50% ) . 由各月地表径
流量的空间分布图可见, 8月地表径流量不仅最大,
而且随海拔升高而增大的趋势最明显,其次为 7月.
高山流砾滩地处海拔最高,各月地表径流量多为最
大, 7月可达 6. 29 mm!d- 1, 8月为5. 12 mm!d- 1.阔
叶红松林所处的海拔最低,地表径流量也最低, 8月
为 1. 43 mm!d- 1, 比同期高山流砾滩低 3. 69 mm!
d- 1,与复层异龄混交林下特殊的土壤特性和枯枝落
叶层直接密切相关; 而后者又与 LAI直接相关, LAI
增大,凋落物增多,枯枝落叶层截留的降水也较多,
相应地,径流损失就少. 在生长季,阔叶林和阔叶红
松林的 LAI 最大, 平均约为 7. 513 和 5. 862 m2!
m- 2,地表径流量最小(均不到 0. 8 mm!d- 1) ; 而高
山流砾滩草类的LAI最小(仅 0. 403 m2!m- 2) , 地表
径流量最大(达 3. 34 mm!d- 1) . LAI 与地表径流量
的这种关系已为一些研究所证实[ 1, 12] .
各类植被 8月地表径流量的大小顺序依次为高
656 应 用 生 态 学 报 14卷
山流砾滩草类、高山苔原、岳桦林、草甸、长白落叶松
林、云冷杉林、灌丛、阔叶林和阔叶红松林.整个生长
季地表径流量的大小关系及变化趋势与 8月几无差
异,总趋势是, 草灌> 针叶林> 阔叶林> 阔叶红松
林.
32 年地表径流量的空间变化特征
长白山年地表径流量的模拟值在 0. 0~ 0. 739
m!年- 1之间变化, 平均为 0. 203 m!年- 1, 最多分布
的范围为 0. 0~ 0. 246 m!年- 1( 69. 3% ) . 由图 3可
见,随海拔的升高,年地表径流量呈现明显增加的趋
势,与植被的垂直地带性分布规律相似.高海拔高山
流砾滩的年地表径流量最高 ( 0. 619 m!年- 1) , 在
0. 469~ 0. 708 m!年- 1之间变化;低海拔的阔叶红松
林最低( 0. 081 m!年- 1) ,在 0. 038~ 0. 464 m!年- 1
图 3 长白山自然保护区年地表径流量的空间分布图
Fig. 3 Spatial distribut ion of annual surface runof f in Changbai Mountain
Natural Reserve.
之间变化, 比高山流砾滩低 0. 538 m!年- 1. 各类植
被年地表径流量的大小顺序依次为高山流砾滩草
类、高山苔原、岳桦林、草甸、灌丛、云冷杉林、长白落
叶松林、阔叶林和阔叶红松林.
年地表径流量与气象因子的关系十分密切, 其
相关性与年蒸腾量恰好相反[ 17] , 与气温和总辐射呈
显著负相关关系, R 2 分别可达 0. 965和0. 836; 与年
降水量、年平均相对湿度和年平均风速呈极显著正
相关关系, R 2均大于0. 950.
年地表径流量除与所处地带的气象条件有关
外,还与土壤特性分不开. 与其它植被相比, 阔叶红
松林内温度较高,阔叶凋落物易于分解,土壤腐殖质
含量较高, 团粒结构多, 土质疏松, 容重低, 孔隙度
大,通气性能好.这种良好的土壤结构可增加土壤涵
养水分的能力, 表现在保水性能和渗水性能较强,而
地表径流较弱上[ 10] . 另外,阔叶红松林的 LAI大,枯
枝落叶蓄积量最高(平均为 1. 468 kg!m- 2) , 枯枝落
叶层的蓄水作用可缓冲雨水对地表的侵蚀. 回归分
析表明,年地表径流量与年平均 LAI 呈极显著负相
关指数关系( R 2= 0. 857) .
云冷杉林的土壤湿度较大,容易引起地表径流.
但是由于其垂直郁闭的冠层、林下更新幼树、地面着
生繁茂的苔藓和地衣以及生长稀疏的下木和草本层
截留了很大一部分雨水, 而且枯枝落叶层有一定的
蓄水能力, 加之长白山地区降雨强度不大,所以地表
径流并不严重[ 4] . 尤其是岳桦云冷杉林,具有发达的
苔藓层,藓类覆盖于地表可避免雨水激烈击打地面,
减少了地表径流[ 7] .与之相反,高山流砾滩的植被稀
疏,裸地较多, LAI和枯枝落叶蓄积量最低, 因此,草
本植物对降水的截留率和枯枝落叶的蓄水能力都最
低.而且该处山坡陡峭, 土层浅薄(仅 10 cm ) , 富含
石块,有机质来源少, 加之永冻层的存在, 保水性和
渗透性很弱,地表径流量很大.
王维华等[ 11]对小兴安岭林区森林水文效应的
分析结果表明, 兴安落叶松林地在整个生长季内的
总地表径流量为 202. 9 mm, 占同期降雨量的
30. 5%.依此比例推算,若小兴安岭林区的降雨量同
长白山林区,则兴安落叶松林地在生长季的总地表
径流量可达 358. 3 mm,比模拟的长白落叶松林地生
长季的总地表径流量高出 167. 1 mm. 1962~ 1965
年小兴安岭林区原始红松林地的年地表径流量平均
为 92. 7 mm ,占年降水量的 12. 9% .依此比例推算,
若小兴安岭林区的降雨量同长白山林区, 则原始红
松林地的年地表径流量可达 134. 0 mm,比模拟的长
6575 期 张 娜等:基于景观尺度过程模型的长白山地表径流量时空变化特征的模拟
白山阔叶红松林地的年地表径流量高出 53. 0 mm.
从以上两例可见, 长白山林区同一类林地的地表径
流量显著低于小兴安岭林区,说明在不同地区,因其
气候、生物和土壤之间相互制约影响所造成的水循
环的差异很显著,即使是组成相似的林分也是如此.
4 结 论
41 通过模型手段和 3S技术模拟中大尺度上生态
系统的地表径流量是可行的.运用 3S 技术可将小尺
度上的植物生理生态研究结果向中尺度进行拓展和
转换.如从遥感图像中获取影响地表径流量的重要
变量 ( ( ( LAI; 用计算机过程模型模拟水循环过程;
用 GIS手段对空间数据进行处理、分析和显示.
42 地表径流量的季节进程表现出明显的三峰型,
6月和 9月出现低谷, 8 月达最大( 2. 58 mm!d- 1) ,
与土壤含水量的季节变化趋势十分相似. 各类植被
生长季地表径流量的总趋势是: 草灌> 针叶林> 阔
叶林> 阔叶红松林, 与 LAI密切相关.
43 年地表径流量的模拟值平均为 0. 203 m !
年- 1,随海拔升高呈现明显增加的趋势.与年蒸腾量
相反, 年地表径流量最高为高山流砾滩草类( 0. 619
m!年- 1) ,最低为阔叶红松林地( 0. 081 m!年- 1) .
44 年地表径流量与 LAI呈极显著负相关指数关
系( R 2= 0. 857) , LAI 增大, 凋落物增多, 枯枝落叶
层截留的降水也较多, 相应地, 径流损失就少. 年地
表径流量与气温和总辐射呈负相关关系, 与降水量、
相对湿度和风速呈正相关关系,还与土壤特性密切
相关.
致谢 中国科学院沈阳应用生态研究所的布仁仓提供了长
白山自然保护区的植被图、地形图和土壤图, 中国科学院遥
感应用研究所的张增祥研究员和刘明亮博士提供了长白山
地区不同时期的 TM 遥感图像. 在此特表感谢!
参考文献
1 Anderson HW, H oover MD, Reinhart KG. 1976. Forest s and w a
t er: effect s of forest management on floods, sedimentat ion and w a
t er supply. USDA For. S erv. Gen. T ech. Rep. PSW18, 115.
2 Cai T J( 蔡体久) , L iu Q( 刘 强 ) , Wang L (王 录) , e t al .
1996. S tudy on soil water balance of artif icial Larix gmel inii t rees.
J Nor theast For Univ ( 东北林业大学学报 ) , 24( 1) : 62 ( in Chi
nese)
3 Chen XW (陈祥伟) , Wang QC (王庆成) , Liu Q (刘 强 ) .
1994. Primary study on hydrological ef fect of artif icial Pin us ko
r ai ensi s t rees. J Nor theast For Univ (东北林业大学学报) , 22( 1) :
24~ 30( in Chinese)
4 Han J J(韩景军) , Luo JC(罗菊春) , Xiao WF(肖文发) , et al .
2000. Ef fects of cont rol method on sprucef ir f orest litt er decompo
sit ion and soil moisture content in north Changbai Mountain. For
Res(林业科学研究) , 13( 1) : 31~ 38( in Chinese)
5 Li YW(李玉文) , Li JQ (李俊清 ) , Cai YX(柴一新 ) , et al .
1995. Chemical ecology in nit rogen cycling process in forest commu
nity ( + ) : nit rogen nutrient mechanisms in forest succession and
climax stability. Acta Ecol Sin ( 生态学报 ) , 15 ( supp. B) : 34 ( in
Chinese)
6 Liu J, Chen JM , Cihlar J, et al . 1997. A processbased boreal e
cosystem product ivity simulator using remote sensing inputs. Re
mote S ensing E nv iron , 62: 162
7 L iu YC(刘永春) . 1985. Permanent study on condit ions of forest
soil w ater and organic matter in Lingzhi forest region of T ibet. J
N ortheast For Univ (东北林业大学学报) , 13( 1) : 37~ 46( in Ch i
nese)
8 Pei TP(裴铁王番) , Sun JZ(孙纪政) , Lu FY(卢凤勇 ) , et al .
1981. M athemat ic model on coeff icient of w ater permeability of for
est soil. In: Forest Ecosystem Stat ion in Changbai Mountain (长白
山森林生态系统定位站) ed. Forest Ecosystem Research , . Bei
jing: China Forest ry Press. 189( in Chinese)
9 Wang MB(王孟本) , Chai BF(柴宝峰) , L iHJ(李洪建) , et al .
1999. Soil w ater holding capacity and soil available w ater in planta
t ions in the loess region. S ci Si lv ae S in(林业科学) , 35( 2) : 7~ 14
( in Chinese)
10 Wang QC(王庆成) , Wang CL(王春丽) , Zhang GZ(张国珍 ) .
1994. Analysis of physical and chemical characteristics for Larix
gmelinii trees and mixed Fraxinus mandsh urica and Larix
gmelinii t rees. J N ortheast For Univ ( 东北林业大学学报 ) , 22
( 6) : 24~ 29( in Chinese)
11 Wang WH(王维华) , Zhang SL(张胜利) . 1985. Analysis of for
est hydrological ef fects in Xiaoxinganling forest region. J Nor theast
For Univ (东北林业大学学报) , 13( 2) : 42~ 47( in Chin ese)
12 Waring RH , Running SW . 1998. Forest Ecosystems Analysis at
Mult iple Scales .New York: Academic Press.
13 Xing SP(邢劭朋) . 1988. Forest s of Jilin. Changchun: J ilin S cience
and T echnology Press. 350~ 351( in Chinese)
14 Yan XD(延晓冬) , Zhao SD( 赵士洞 ) . 1995. CHANGFOR a
computer model for forest grow th and succession in Changbai
Mounat in. A cta Ecol S in (生态学报 ) , 15( supp. B ) : 11~ 21( in
Chinese)
15 Zhang FS(张凤山) . 1985. Primary study on soil m oisture of main
ecosystems in Changbai Mountain. In: Forest Ecosystem Stat ion in
Changbai Mountain (长白山森林生态系统定位站) ed. Forest E
cosystem Research − . Beijing: China Forest ry Press. 231~ 234( in
Chinese)
16 Zhang N(张 娜) , Yu GR(于贵瑞) , Zhao SD(赵士洞) , et al .
2003. Ecosystem product ivity process model for landscape based on
remote sensing an d surface data. Chin J A ppl Ecol (应用生态学
报) , 14( 5) : 643~ 652( in Chin ese)
17 Zhang N(张 娜) , Yu ZL(于振良) , Zhao SD(赵士洞) . 2001.
S im ulation of spat ial distribut ion of vegetat ion t ranspirat ion in
Changbai Mountain. Resour Sci (资源科学) , 23 ( 6 ) : 91~ 96 ( in
Chinese)
18 Zhang RZ(张荣祖) , Chen P(陈 鹏 ) . 1981. Ecological dist ribu
t ion of earthworm in forest ecosystems of Changbai Mountain. In:
Forest Ecosystem Stat ion in Changbai Mountain (长白山森林生态
系统定位站) ed. Forest Ecosystem Research ,. Beijing: China
Forestry Press. 135~ 136( in Chinese)
19 Zheng HY(郑洪元) , Zhang DS(张德生) , Zheng LD(郑莲娣) .
1984. Study on basic biological and chemical characterist ics of soil
in northern slope of Changbai Mountain Natural Reserve. In: Forest
E cosystem Stat ion in Changbai Mountain (长白山森林生态系统定
位站 ) ed. Forest Ecosystem Research .. Beijing: China Forest ry
Press. 134( in C hin ese)
作者简介 张 娜, 女, 1973 年生, 博士, 讲师, 现主要从
事景观生态学、生产力、碳循环、水循环和定量遥感的教学和
研究工作,已发表论文 9 篇. Email: zhangna@ gscas. ac. cn
658 应 用 生 态 学 报 14卷