全 文 ：第 26 卷第 7期
2006 年 7月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 26, No. 7
Jul. , 2006
流域径流泥沙对多尺度植被变化响应研究进展
张志强1 , 王盛萍1 , 孙 阁2 , 谢宝元1
( 11 北京林业大学水土保持学院,教育部水土保持与荒漠化防治重点实验室,北京 100083;
21 Southern Global Change Program, USDA Forest Service, Raleigh, NC 27606, USA)
基金项目:国家重大基础研究发展规划资助项目(2002CB111502)
收稿日期: 2005-12-12;修订日期: 2006-04-20
作者简介:张志强( 1967~ ) ,男,内蒙古人,博士,副教授,主要从事森林生态水文、侵蚀控制与流域管理的研究与教学. E-mail : zhqzhang@bjfu. edu.
cn
Foundation item: The project was supported by China Key Basic Research Program ( 973 Program) ( 2002CB111502)
Received date: 2005-12-12; Accepted date: 2006-04-20
Biography: ZHANG Zh-i Qiang, Ph. D. , Associate professor, mainly engaged in ecohydrology and watershed management. E-mail: zhqzhang@ bjfu. edu. cn
摘要:植被变化与流域水文过程构成一个反馈调节系统,是目前生态水文学研究的重点对象。由于植被自身的生长发育以及受
自然因素和人为干扰的作用,植被变化具有多尺度性; 由于受流域水文环境的异质性和水文通量的变化性的影响, 流域水文过
程也同样具有多尺度性。因此,只有通过对不同尺度生态水文过程分析,才能揭示流域径流泥沙对植被变化的响应机理。从不
同时空尺度回顾了植被生长、植被演替、植被分布格局变化、造林以及森林经营措施等对流域径流泥沙影响的主要研究成果; 概
括了目前研究采用的 3种主要方法, 即植被变化对坡面水流动力学影响的实验室模拟、坡面尺度和流域尺度野外对比观测实验
以及水文生态模型模拟方法;分析了植被变化与径流泥沙响应研究要考虑的尺度问题,从小区尺度上推至流域尺度或区域尺度
时应考虑不同的生物物理控制过程。研究认为,要确切理解植被与径流泥沙在不同时空尺度的相互作用,必须以等级生态系统
的观点为基础,有效结合生态水文与景观生态的理论, 从地质-生态-水文构成的反馈调节入手, 系统地理解植被变化与径流泥
沙等水分养分之间的联系及反馈机制,建立尺度转换的基础。同时,作为有效的研究工具, 今后水文模型的发展应更加注重耦
合植被生理生态过程以及景观生态过程,从流域径流泥沙对多尺度植被变化水文响应的过程与机制入手, 为植被恢复与重建、
改善流域水资源状况和流域生态环境奠定基础。
关键词:植被变化; 径流泥沙; 尺度; 水文模型
文章编号: 1000-0933(2006) 07-2356-09 中图分类号: Q94812 文献标识码: A
Runoff and sediment yield response to vegetation change at multiple scales: A review
ZHANG Zh-i Qiang
1
, WANG Sheng-Ping
1
, SUN Ge
2
, XIE Bao-Yuan
1 ( 11K ey Lab. Soil and Water Conservation and Desertif ication
Combating, Ministry of Education, Beijing Forestry University , Beijing 100083, China ; 21 Southern Global Change Program, USDA Forest Service, Raleigh ,
Raleigh , NC 27606, USA ) . Acta Ecologica Sinica, 2006, 26(7) : 2356~ 2364.
Abstract: One of the key research areas in modern ecohydrology is studying the feedbacks beween vegetation dynamics in
structure, distribution, and succession and hydrologic processes at multiple spatial and temporal scales. Coupling vegetation
dynamics at multiple scales is essential to explore themechanisms of water and sediment yield response to vegetation changes such
as vegetation reestablishment, development, succession, distribution, and management practices. We reviewed literature on
advances in studying the processes and mechanisms of the vegetation influence on runoff and sediment production in relations to
vegetation growth, vegetation succession, vegetation patterns and distribution, as well as afforestation and deforestation. Our
review suggests that empirical experimental ecohydrological research methods include laboratory approach that employs hillslope
hydrodynamic theories, field hillsclope experiments, and watershed experiments. Watershed-scale simulation models are also well
used in ecohydrological research. This study suggests that up- scaling the results of hydrological studies at small scales must take
into account the interactions and feedbacks of geology- vegetation- hydrological processes in a hierarchical system. Understanding
the feedbacks and dominant controlling mechanisms among vegetat ion, hydrology, erosion, and nutrient dynamics is the key to
scaling research results at multiple scales Integration of landscape ecophysiological processes and hydrological processes in spatially
distributed, physically- based hydrological modeling is the key to understanding the vegetation- hydrology-soil erosion and sediment
yield processes.
Key words: vegetation dynamics; runoff and sediment production; scale
植被变化与流域水文循环及水文过程构成一个相互作用和相互影响的反馈调节系统,其在生物地球化学
循环中扮演着重要角色。一方面, 植被存在、生长、更新、演替以及分布格局变化对土壤特性、微地形产生影
响,从而影响径流泥沙产生,另一方面,径流泥沙产生可以改变土壤特性及微地理环境,进而反作用于植被生
长、更新、演替及植被分布,引起植被变化。
植被变化不仅源于自然因素,同时也源于人为干扰,表现为多尺度性,因此, 植被变化引起的水文响应机
理研究必须从多尺度入手,从微观到宏观、从短时间尺度到长时间尺度探讨植被变化影响径流泥沙形成的主
要控制过程与机理。有关植被与径流泥沙水文响应的研究起步较早。早在 1877年至 1895年德国土壤学家
Wollny 设置第一个土壤侵蚀小区试验观测植被和地面覆盖物对防止降雨侵蚀和土壤结构恶化的影响[ 1] ; 1909
年美国设置第一个对比实验流域探讨森林覆被变化对流域产水量的影响 [2~ 5]。随着全球环境变化及超强度
的资源采掘,植被覆被日益减少,水土流失严重,径流泥沙对植被变化的水文响应研究日益引起广泛关注。发
展至今,有关植被与径流泥沙的相关研究已较为深入、全面。Imeson[ 6]曾对植被与径流泥沙的相关研究进行
系统分类,认为第 1类研究主要揭示微尺度生物过程对可蚀性等土壤特性的影响,如土壤团聚性、土壤入渗性
等[ 7] ;第 2类研究主要集中探讨植被及枯落物对地表的保护作用,探讨植被如何减缓径流流速、减少雨滴击溅
等[ 8] ;第 3类研究主要探讨干旱半干旱地区空间非连续的植被分布格局与径流、泥沙源汇区的相关关系 [9~ 11] 。
尺度问题可分为过程尺度、观测尺度和模拟尺度[ 12, 13]。前述 3类植被与径流泥沙相关关系的研究往往局
限于某一过程尺度: 前两类多从微观时空尺度入手,通过人工降雨或天然降雨实验, 根据小区或坡面观测结果
探讨植被类型、植被覆盖或植被结构变化影响径流泥沙产生的机理及相关关系,得到的多为经验性公式[ 14] ,
第3类则往往从较大空间尺度(如景观尺度、流域尺度以及区域尺度等)和较长时间尺度入手, 这类研究起步
较晚。植被变化影响流域径流泥沙水文响应既可源于宏观尺度森林经营措施, 也可源于火烧、病虫害以及人
为干扰引起的较大时空尺度植被分布格局变化,植被演替引起的群落结构变化,以及单株植株生长引起的微
尺度生理生态或树体结构变化等。虽然不同尺度具有不同的主要控制过程,但多尺度来源的植被变化同时影
响流域径流泥沙水文响应。由于野外非受控条件下不同尺度往往可以得到不一致的观测结果,因此必须采用
模拟模型对多尺度植被变化影响径流泥沙水文响应的过程进行有效耦合, 从而将异质性整合于其中。通过有
效耦合每一过程尺度上植被与径流泥沙的相关关系可深入揭示流域径流泥沙对植被变化的响应机理。
本文拟从上述多尺度植被变化与径流泥沙相关关系、现有研究方法和手段以及相关研究的尺度问题等方
面一一予以探讨,旨在从过程与机制上深入认识流域径流泥沙对多尺度植被变化的响应机理, 为今后植被与
径流泥沙相关研究提供一定参考依据, 并为植被重建, 有效遏止水土流失, 改善流域的水资源状况等提供理论
依据。
1 植被变化对径流泥沙水文响应的影响
111 植被生长对径流泥沙的影响
植被生长是自然因素引起的植被变化。植被生长对径流泥沙的影响关键在于改变了降雨侵蚀动能。植
被生长引起植物高度增加、根系伸长、叶面积增加、覆盖度增大, 植被结构发生变化, 植被对降雨的阻截再分配
作用因此发生变化, 改变了降雨对地表的侵蚀击溅力。
目前关于植被生长影响径流泥沙的研究多集中于探讨植被结构变化特征对降雨分配的影响, 以及植被对
地表的保护作用。张清春 [15]在总结植被与水土流失关系时曾将上述植被参数, 即植被覆盖度、叶面积指数、
植被高度和有效根系密度等归结为影响水土流失的主要因素。王晗生等 [ 16] 对植被结构防止土壤侵蚀的机理
23577期 张志强 等: 流域径流泥沙对多尺度植被变化响应研究进展
研究曾作了较为详尽的评述。从植被覆盖度来看,各研究者由于研究条件不尽一致,结论稍有差异。如:黄土
区林草植被保持水土的临界盖度被认为 40% ~ 60%, 而Lang 和Mccaffrey 在澳大利亚的实验资料则表明要使
土壤流失与土壤侵蚀相平衡,植被覆盖应在 50%~ 75% [ 16]。植被高度的变化也显著影响土壤侵蚀:当植被覆
盖度不变而植被高度变化时由于冠滴下雨雨滴直径及动能变化,溅蚀量发生变化。蔡强国等人的实验资料表
明当植被高度为 3~ 4m 时植被已无消除雨滴动能的功能[ 17] 。
探讨植被生长对径流泥沙的影响需要分析植被生长的不同阶段以及植被生长的季节动态变化。当暴雨
降水对土壤含水量及地表径流量有显著影响时,植被生长的季节动态变化对水文响应有重要影响[ 18,19]。为了
更准确地进行放牧场径流预测, Pierson [20]等试图采用改进后的 SPUR2000模型进行模拟,虽然模型低估了小流
域的土壤侵蚀量,但模型有效联系了植被动态变化,模型中经营管理措施对土壤侵蚀模块影响较大。然而,目
前较为系统地探讨不同生长阶段及植被季节动态变化下产流产沙规律的研究仍然较少[ 21] 。将植被生长变化
的动态信息与产流产沙过程相结合有助于显著改善现有的水文及土壤侵蚀模型 [ 9] ,从生态水文的角度揭示径
流泥沙响应于植被变化的内在机理。此外,由于植被生长可增加林冠截留、土壤入渗, 以及蒸腾耗水, 水量平
衡发生改变,无论在干旱区或湿润区,都将改变径流泥沙的产生。从水量平衡角度探讨分析植被变化引起径
流泥沙水文响应对于区域或流域等宏观尺度研究具有重要意义。
植被生长过程中枯枝落叶及土壤的改变也显著影响径流泥沙水文过程。随着植被生长枯枝落叶不断聚
集,不仅有效减弱了雨滴分散土壤颗粒的动力,防止土壤侵蚀发生,同时枯枝落叶聚集增大了地表糙率, 增强
了其自身蓄水能力, 有效分散、吸收径流,显著降低水流挟沙能力,减少径流汇集及泥沙搬运。虽然具有同一
覆盖度,不同植被由于枯落物特性不同,土壤侵蚀不同, 以丛生禾草为主的混合草地较草坪草地土壤侵蚀较
少[ 21~ 23] 。植被通过改变土壤特性而改变径流、土壤侵蚀发生, 实质上减少了超渗产流的几率[ 14,17] , 这在以超
渗产流为主的干旱半干旱地区尤为明显。
112 植被演替对径流泥沙响应的影响
植被演替实质为较大时空尺度的植被变化。植被演替引起群落结构发生改变, 从而改变了降雨对地表的
侵蚀能力。在无人为干扰下, 植被正向演替形成顶级群落,植物群落结构复杂化,生物生产力提高,群落系统
功能完善,降雨侵蚀动能经不同冠层及地表枯落物覆被层逐级递减, 从而减少径流泥沙, 发挥较强的水文生态
功能。刘伦辉等 [ 24]研究表明滇中山地各植被群落的水土保持功能大致与群落进展演替阶段相吻合, 即: 常绿
阔叶林> 常绿针叶林> 次生荒草坡> 旱作地与光秃地。然而,往往由于人类活动的干扰,如垦荒、木材砍伐、
薪炭林开采以及过度放牧等, 植被演替逆向发展, 使群落结构单一,植被稀疏,降雨侵蚀动能不能被有效耗散。
地中海干旱半干旱地区的生态系统在人为干预和土地弃耕等交替活动的驱动下,植被群落经过不同阶段的退
化、更新,最终形成镶嵌式的空间结构[ 25] ,从源、汇区理论来看, 这种空间分布格局控制影响着径流泥沙等生
态水文过程。植被演替引起群落结构发生变化,并进而改变了枯落物层及土壤层的有机质含量,改变了土壤
入渗特性,使得径流泥沙水文过程发生变化。
113 植被分布格局对流域径流泥沙水文响应的影响
植被分布格局变化多源于放牧、弃耕等人为干扰。植被分布格局对径流泥沙水文响应的影响研究起步较
晚。植被空间分布格局影响径流过程的连续性,径流、泥沙、污染物等汇集受植被空间分布格局影响, 理解植
被空间分布格局对于生态系统健康及山坡水文学的研究具有重要意义[ 26~ 28]。从单个小区尺度或坡面尺度
看,地表径流量及径流深在坡面上的分布对于研究侵蚀过程至关重要,当上推至流域尺度时,地形、土壤及植
被分布则较为重要[ 29]。植被分布格局对径流泥沙影响的实质在于植被斑块的镶嵌式分布导致水流分散,水
流挟沙能力逐渐降低。在以超渗产流为主的干旱半干旱地区,裸地土壤往往由于土壤结皮的存在而降低入渗
率,产生地表径流;而植被覆盖的土壤则因改善的土壤特性,入渗率增大,成为降水吸收区,从而导致径流泥沙
源汇区的产生。
关于植被分布影响径流泥沙的研究多局限于干旱半干旱地区,且多结合景观生态学理论进行探讨。较多
2358 生 态 学 报 26卷
研究直接分析植被斑块与径流泥沙相关关系。Ludwig 等[ 30] 比较分析了各种斑块特征对径流、泥沙、及养分的
截获能力, 结果表明带状斑块较点状斑块径流截持率增加约 8% ,且由于土壤养分的截持, 植物生产力提高近
10%。此外,植被斑块大小、斑块面积、斑块数等也常应用于此类研究。然而,上述指标仅能给出植被空间分
布的相关信息, 缺乏与地质-生态过程的联系。植被变化对径流泥沙的影响同时还与地质过程相关。目前很
少研究采用可直接联系土地退化过程的指标定量化分析植被空间分布。为了将植被分布格局与地质-生态过
程有效耦合, Prinsen等[ 6]曾确立了一系列相关指标定量化描述植被的空间分布状况, 如:空隙度( Lacunarity) ,
裸地斑块破碎度( bare area fragmentat ion, D) , 植被斑块上坡坡长( upslope side length, U) ,以及裸地斑块连通度
( Connectivity)。该序列指标不仅数量化了裸地或植被斑块即径流泥沙源汇区的分布范围,同时数量化了源汇
区之间的连接性,建立了格局与过程的联系。
植被分布格局的变化不仅影响流域径流泥沙源汇区的产生, 同时还影响流域出口的洪峰流量。有关研
究[ 31]认为, 在调节河川径流量时森林植被在流域的空间分布格局具有重要作用, 当森林植被分布于流域上部
时调节径流的作用最大, 而分布于流域下部时容易形成较大洪峰流量,不利于发挥森林植被对径流的调节作
用。当然, 即便森林分布格局较有利于调节洪峰流量, 河岸的植被分布对于土壤侵蚀防治具有重要作用。这
在土层深厚的黄土高原地区尤为重要。通常,即便流域完全覆盖有植被, 河岸坍塌和沟道侵蚀仍是侵蚀产沙
的来源之一,显著影响着不同径流泥沙观测的尺度转换。
目前, 很少研究将植被空间分布与地质-水文过程直接联系起来 [6] , 耦合大尺度植被斑块时空变化与生态
水文过程将有助于理解植被斑块及微地形对径流泥沙的影响[ 32] ,今后干旱半干旱地区植被与径流泥沙水文
关系的研究应注重探讨植被分布格局对水文过程所起的影响作用[ 33, 34]
114 造林、采伐等森林经营措施对流域径流泥沙水文响应的影响
造林、采伐等对产流产沙的影响研究早已为水文学家和生态学家所关注。自 1909年第一个对比实验流
域设置以后,世界各国相继开展了一系列的实验流域观测 [2, 35] ,随着对森林生态系统认识的提高,至 20世纪
60年代研究已达繁盛时期,研究内容由水量、水文循环变化扩展至养分循环等, 物理过程、生物过程及化学过
程同时体现于其中。森林经营活动本身也属于干扰行为,该类影响研究从宏观尺度上联系了植被变化与径流
泥沙的关系,因此有必要在此对其专门讨论。
造林采伐的影响研究多根据单个实验流域或对比实验流域观测结果探讨[ 36~ 38]。Hibbert 于 1967年曾根
据世界各地 39个实验流域的观测资料总结回顾了植被变化对流域产水量的影响研究。1982年, Bosch[ 36] 另外
增加了 55个实验流域资料对Hibbert的评论进行了肯定及补充,总体认为:森林植被覆被减少,流域产水量增
加,反之亦然。对于针叶树和桉树,当植被覆被变化 10%时,流域产水量变化 40 mm,对于落叶阔叶树产水量
变化 25 mm, 而对于灌草则变化 10 mm。然而, Bosch进一步指出当植被覆被变化少于 20%时, 很难通过观测
方法检测流域产水量变化。McMinn等[ 3]曾就此讨论认为,既然零处理时影响效应为零,逻辑上植被变化较小
时应有一定的径流响应, 只是其响应的尺度小于观测尺度, 即流域水平。各国研究者对此有不同的认识 [4, 37] 。
Stdenick
[ 5]认为,这主要与研究地点、树种类型、原有的植被覆盖以及观测误差有关。
国内关于森林植被变化与径流泥沙关系的研究起步较晚[ 39, 40] 。1978年刘昌明 [40]对比分析了黄土高原林
区与非林区径流量, 指出林区径流系数较非林区径流系数减少 30%~ 50% ;黄明斌 [42]比较了森林流域与非森
林流域的径流变化, 发现森林流域汛期( 6~ 9月份)总径流量较非森林流域减少711~ 819mm, 并指出森林植被
对枯水期径流的调节作用非常有限;王红闪[ 43]根据森林流域与荒坡草地流域的对比观测,发现 1956~ 2000年
40a来森林流域累积径流减少 37%。孙阁 [44] 等认为森林植被恢复, 同原来的荒地,坡耕地相比, 树木蒸腾增
大,总耗水量加大,因此会降低河流总流量,尤其是基流。采用陆地蒸发散模型对整个中国境内森林恢复对可
能河流产水量减少进行了定量分析。研究发现森林完全恢复可降低流域产水量高达 20% ~ 40%, 以北方干
旱地区相对影响最大。但是, 该研究同时指出森林植被这种效果需要几年(南方)或几十年(北方)才能表现出
来, 这与 Jackson[ 45]等人的研究结果一致。由于各种条件的限制, 国内多数经验性研究并未严格按照对比实
23597期 张志强 等: 流域径流泥沙对多尺度植被变化响应研究进展
验流域的方法, 且缺乏长期的观测序列,研究结果严谨性较差。
造林、采伐等森林经营措施对流域产沙的影响长期以来也一直是流域管理中的主要问题之一。森林经营
措施改变原有水量平衡, 地下水发生变化。在不断上升的地下水位及空隙压力作用下,或是在腐烂的植被根
系作用下,土壤团聚体内聚力减小, 边坡稳定性下降, 滑坡坍塌可能性增大, 增加了侵蚀产沙的几率和来
源[ 46]。此外,由于植被变化引起流域产流变化,流域产沙也随之变化。Lewis等 [ 47]观测研究表明: 由于径流量
增加,流域产沙增加。Sidle等 [ 48]认为产沙量增加不仅与增加的径流量相关,而且随着渠道与坡面之间亚地表
径流连接度增加,流域产沙量增加。
2 植被变化影响径流泥沙水文响应研究手段与方法
211 实验室模拟方法
植被变化影响径流泥沙水文响应具有不同的过程尺度。当过程尺度与观测尺度一致时研究结果较为准
确,因此,不同的过程尺度研究应对应有不同的研究方法。对于微尺度的信息, 如植被变化对截留率的影响、
对枯落物水文作用的影响,以及对土壤可蚀性的影响等可采用室内实验模拟的方法,通过控制干扰因素以获
得相关信息。室内实验室模拟方法虽然研究周期较段,干扰因素较少,但是难以代表野外的实际情形,室内得
到的模拟结果往往理想化,很难用于解释野外复杂条件的情形, 仍具有较多不确定性 [ 49]。
212 野外观测实验方法
坡面尺度或流域尺度的相关信息可采用野外观测实验方法。早期关于植被变化对流域水文影响的认识
多采用/对比流域0或/单一流域0通过野外观测实验获得。相比较而言, /对比流域0的实验设置要求土壤、地
质等条件比较一致, 且对比实验流域方法能够较好地剔除气候因素的影响 [50, 51] , 因此可直接将径流变化解释
为植被变化的影响; 而/单一实验流域0虽然土壤、地质等在观测前后两期并未发生变化, 但不能保证流域在前
后两期具有相似的气候条件, 因此,根据单个实验流域观测数据分析时必须剔除不同气候因素的影响才可确
定植被变化对流域径流的影响。
进行野外观测实验时通常结合采用水文测验方法、同位素水文学方法以及动力水文学方法,并有效结合
坡面尺度与流域尺度,以流域尺度研究验证坡面尺度研究,从深层次认识植被变化影响径流泥沙的过程与机
制[ 52]。然而,野外观测实验方法研究结果虽然可代表野外复杂条件的情形,但其耗时较长,以森林经营措施
对径流泥沙的影响研究为例, 森林植被的更新及恢复往往需要十几年甚至几十年, 且资金投入及人工投入较
大,因此, 野外实验观测的方法具有一定局限性。
213 水文模型模拟方法
水文模型的应用发展是森林水文学研究的必然结果。由最初的黑箱模型发展到集总式模型, 并最终发展
为分布式水文模型。目前虽然已存在有大量适于各尺度的基于物理过程的连续性的水力-土壤侵蚀模型,如,
WEPP模型[ 53] , EUROSEM模型[ 54] , TOPMODEL[ 55] , RHESSys[ 56] , SHE[ 57,58] , 等, 但模型中对植被的表征或耦合过
于简单,并未模拟由于生物及非生物因素引起的植被动态变化对径流泥沙水文过程的影响[ 20] ,且模型很少考
虑植被与水文过程的反馈作用 [ 59]。RHESSys模型以分布式的基于物理过程的方法模拟了流域水量平衡和植
被生长,把植物的水文功能与植被的生长发育结合起来,但模型仅以林冠层代表植被,对于针叶林来说这足以
说明问题,但大多数情况下林冠层和下木层之间存在有长期的动态平衡 ¹ ,模型对植被的耦合过于简单, 且模
型中联系植被生长与水文作用的植被指数仅包涵叶面积指数LAI和根深 [60]。SHE模型采用概念较为简单的
规则格网离散空间, 且模型适宜的尺度范围较大, 从 30m2到 500km2 ,但模型相似于 RHESSys模型, 仍然仅采
用单层林冠层代表植被,且模型为商业性软件,应用具有一定局限性。DHVM 模型对植被的描述有了进一步
改进, 除林冠层外增加了对下木层的偶合,模型类似于 SHE模型,也采用规则格网离散空间,但这类模型的缺
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¹ Watson F G R. Large scale, long term, physically based modelling of the effects of land cover change on forest water yield. Ph D dissertat ion, University of
Melbourne, Australia, 1999, 9, 433 pp
点在于不适于自然界中存在的异质性多尺度现象。目前虽然广泛存在有两类模型a :完全分布式模型( Fully
distributedmodels, 如 SHE 模型、DHVI 模型) 和分布式函数模型 ( Distributed function models, 如 TOPMODEL、
RHESSys模型、新安江模型等) ,但是 FDMs( Fully distributed models)模型较为复杂, 模型实现具有较多不确定
性,而 DFMs( Distributed function models)模型则较为简单化,分布式函数的物理意义较不明确。因此,现有水文
模型有必要加强对植被与径流泥沙反馈系统的耦合,同时进一步改进模型空间离散方法。
a.Watson F G R. Large scale, long term, physically based modelling of the effects of land cover change on forest water yield. Ph D dissertation, University of
Melbourne, Australia, 1999, 9, 433 pp
3 植被变化与径流泥沙研究的尺度问题
尺度上推并非在较大面积上运行小尺度模型,通常从小区尺度上推至流域尺度或区域尺度时存在有不同
的生物控制过程,且各尺度间具有连续性,因此尺度转换仍是该领域研究的主要问题。径流泥沙研究进行尺
度上推需要系统地理解植被与径流泥沙等水分养分之间的联系及反馈机制。不仅土壤前期含水量、地表状况
等影响土壤侵蚀,而且随着时间的转变,地表植被在人为干扰或自身演替作用下不断发生变化,这使得很难确
立土壤侵蚀与气候、植被变化的相关关系,有必要以动态系统的观点考虑时空交互影响的生态系统 [29]。随着
近代生态学的发展, 逐渐提出了等级系统的概念[ 61, 62]。由于大尺度出现有新的特征和限制条件,不可能根据
小尺度观测研究解释大尺度现象, 因此需要以等级系统的观点来联系不同尺度的观测研究[ 32] 。Kirkby 等[ 29]
曾采用MEDALUS模型, 以等级系统的理论详尽阐述了植被生长-土壤有机质-径流泥沙这一动态反馈系统在
尺度上推过程中的重要性。
土壤侵蚀观测具有尺度依赖性,由于植被斑块的对径流泥沙的阻截、吸收, 导致产流区连接中断, 很难将
小区、坡面的观测结果上推至流域尺度。因此,干旱半干旱地区要进行尺度上推,还需要正确理解径流的非连
续性以及地表的异质性[ 63,64]。Cammeraat[ 11]采用等级系统的方法研究了植被与径流泥沙水文过程之间的动态
联系, 结果表明:除了以等级系统理论为基础外, 进行尺度上推时还需要考虑坡面尺度植被的非随机分布现
象。当降雨强度大于植被吸水能力或裸地入渗率时,裸地地表径流开始汇集、连接,因此, 植被斑块的空间分
布对于地表径流汇集具有决定作用。Cammeraa[ 26]认为 3个主要水文响应尺度, 即: 小区尺度、坡面尺度、流域
尺度均具有不同的水文响应临界值,并进一步指出:小尺度只有当植被对径流的缓冲(即阻截、吸收)作用达一
定程度时地表径流才能发生连接, 使径流产区不断扩大,产生地表径流。这种观点部分类似于蓄满产流中变
动源区的概念。Bergkamp[32]针对 5级不同尺度研究了植被与径流泥沙的相关关系,结果表明坡面尺度的径流
并不具连通性, 坡面产流与流域径流响应不具备相关性,不能直接建立坡面入渗与流域产流的相关关系,流域
径流通常主要来自于接近沟道的产流区,只有当降水强度较大时流域径流来自于整个汇水区, 且主要为超渗
产流。正确理解径流非连续性对于正确理解产流机制并有效进行尺度转化具有重要意义。
4 结语
植被变化来源于不同因素,体现于不同尺度, 各尺度植被变化引起水文响应具有不同的主要控制过程(如
图1所示)。以往虽然开展了大量以径流小区为单元关于植被变化对径流泥沙的相关研究, 但较为系统地对
多尺度植被变化与流域径流泥沙协同变化的研究仍然较少,多以集中探讨某一过程尺度植被与水文的相关关
系为主。对于微尺度,研究者往往对比分析不同植被状况如: 不同树龄、不同树种、不同覆盖所产生的径流泥
沙差异,而较明确地对植被自身各生长阶段引起径流泥沙响应的研究则仍然较少。对于宏观尺度,植被变化
多集中于造林、采伐等森林经营措施的影响研究, 并已形成较为独立的研究领域,具备较为成熟的观测研究方
法。宏观尺度上的植被变化同时还对应有植被分布格局的变化, 然而,有关植被分布格局的变化与流域径流
泥沙的相关研究仍然较少。要确切理解生态系统中各组分于不同时空的相互作用, 需要以动态的等级系统的
观点加以研究。
植被生长或植被演替由于植被生理结构变化,生长耗水不同,从而径流泥沙响应不同,因此这类研究多着
眼于生物过程, 以生理生态学的观点加以探讨;而植被分布格局对水文过程的影响研究则应融合景观生态的
23617期 张志强 等: 流域径流泥沙对多尺度植被变化响应研究进展
概念,将景观分布格局与水文过程有机联合起来。Bahre[ 65] 的研究表明:野外调查由于涵盖的面积较小, 因此
运用于大尺度具有一定限制; 而历史图片的比较也仅仅能提供植被变化的定性信息,定量化的信息较少。GIS
的发展及遥感技术的普遍应用为此类研究提供了较好的平台。然而,若要更准确地分析探讨植被变化影响径
流泥沙的水文响应, 仍需借助于分布式的物理模型。经验性的回归模型虽然较为快捷,但由于各尺度间存在
有径流的非连续性, 不能准确获得植被变化引起径流泥沙响应的物理机制。这就需要水文模型同时融合水文
与景观生态的概念。有研究曾提出分布式水文模型建立过程中单元划分应以景观生态学为基础的重要
性[ 60]。此外,植被生长变化与径流泥沙相互作用形成反馈系统。以往的水文模型通常仅简略地考虑植被冠
层叶面积指数、根深等,并未全面地反映植被生长对水文环境的影响,如长时间尺度上植被生长影响土壤有机
质并进而影响产流产沙, 因此,水文模型的发展也应加强对植被生态信息的耦合。
图 1 多尺度植被变化影响水文响应的主要控制过程
Fig. 1 Dominant hydrological response processes to vegetat ion change at multiple spatia-l temporal scales
作为逐步的发展和完善, 水文模型由集总式发展为分布式,将自然界存在的异质性问题进行模型整合。
尽管将物理方程引入水文模型从机理上解释了水文循环过程,但模型仍有待于进一步完善。不同尺度植被变
化影响径流泥沙的主要控制过程不同,不仅涉及景观生态过程,同时涵盖了生理生态过程, 因此,今后的植被
) 水文关系研究有必要将生态、水文与景观有机融合, 以景观生态的原理为基础,并将植被的生理生长模型更
为深入地融合进分布式水文模型, 以进一步改善模型预测效能,深刻揭示植被变化与径流泥沙水文响应的内
在机理。
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