森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與水文生態(tài)功能

1、1研究目的與意義在我國自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展條件下，水資源不足已經(jīng)引起了社會各界的普遍關(guān)注。北方常年嚴(yán)重缺水，南方也存在季節(jié)性缺水或水質(zhì)性缺水。長江中下游地區(qū)山地丘陵面積大，歷史上長期受人為強(qiáng)度干擾，水土流失造成的土地退化和洪澇災(zāi)害嚴(yán)重制約了地方經(jīng)濟(jì)、社會的穩(wěn)定和諧發(fā)展。水資源緊缺矛盾比較突出，水質(zhì)日趨惡化，河道水質(zhì)污染嚴(yán)重，湖泊水質(zhì)惡化與湖泊富營養(yǎng)化。 長三角城市群環(huán)境、資源與經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展之間的矛盾日益凸顯，水體污染和飲用水安全等問題越來越成為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的制約因素。本研究將運(yùn)用該理論，探討安徽省大別山區(qū)森林資源變遷與水資源關(guān)系，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和新農(nóng)村建設(shè)的決策提供理論與實(shí)踐依據(jù)，為長

2、三角城市群與山區(qū)鄉(xiāng)村一體化協(xié)調(diào)發(fā)展的理論模式從水資源角度提供核心支撐內(nèi)容。2存在問題與展望森林的水文功能日益成為最重要的森林生態(tài)功能。實(shí)現(xiàn)森林植被與水資源的綜合管理，促進(jìn)森林植被恢復(fù)與水資源安全的平衡，是未來現(xiàn)代林業(yè)或多功能林業(yè)的重要任務(wù)。由于目前對森林植被影響水資源形成過程的認(rèn)識還非常有限，尤其是在森林對水資源影響的區(qū)域特點(diǎn)方面還有很大不足，成為制約國民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。急需開展以森林植被調(diào)控水資源形成過程為主要內(nèi)容的基礎(chǔ)性創(chuàng)新研究。分布式水文模型是探索和認(rèn)識復(fù)雜水文循環(huán)過程與機(jī)理的有效手段，也是解決當(dāng)前水文領(lǐng)域面臨的重要問題的有效工具，已經(jīng)在氣候變化、LUCC、缺資料地區(qū)、生態(tài)

3、水文學(xué)、水資源管理等領(lǐng)域的研究中發(fā)揮了重要作用。隨著研究工作的不斷深入和認(rèn)識的逐步提高，也將推動分布式水文模擬理論和技術(shù)的發(fā)展。本實(shí)驗(yàn)針對長三角蘇南丘陵區(qū)的杉木、麻櫟、毛竹林的樹干液流定點(diǎn)觀測，試驗(yàn)采用熱擴(kuò)散樹干液流儀和熱平衡樹干液流儀，同時(shí)結(jié)合小氣象站的EM50數(shù)據(jù)采集器同步測定各環(huán)境因子，分別進(jìn)行了杉木、麻櫟、毛竹的蒸騰耗水日變化特征、樹干液流速率與環(huán)境因子和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的耦合關(guān)系研究，另外，通過自主研發(fā)的蒸滲儀，測定了各個(gè)林分的土壤蒸發(fā)、喬灌草的蒸散發(fā)。目的是通過研究杉木、麻櫟、毛竹的樹干液流速率變化情況，確定華東長三角區(qū)典型植被的蒸騰耗水變化特征，及其與各影響因子的關(guān)系，通過研究蒸發(fā)散

4、的情況，確定土壤蒸發(fā)與林分蒸發(fā)散的過程特征及其與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，最終總該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)的耗水規(guī)律。研究區(qū)位于南京市近郊國營東善橋林場銅山分場（31°3531°39N，118°50118°52E），距南京市20km，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫15.1°C，無霜期229d，年日照2199.5h，區(qū)內(nèi)氣候溫和濕潤，四季分明，雨熱資源比較豐富，生長季長，年平均降水量1100mm，時(shí)間分布上多存在兩個(gè)多雨期：一是春夏之交的梅雨，二是夏季的臺風(fēng)雨，為全國雨期最長的地區(qū)之一，十分有利于農(nóng)作物和林木的生長。地形以丘陵為主，海拔在38m388m，森林類型以

5、杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana)、麻櫟(Quercus aeutissima)、毛竹(Phyllostachys edulis)為主。此次主要研究杉木林、麻櫟林和毛竹林的蒸騰耗水。3森林降水過程3.1林冠層水分傳輸眾所周知，森林具有攔截地表徑流、涵養(yǎng)水源、保持水土，調(diào)節(jié)河川徑流量的功能。水分又提供了林木生長的保障，滋育了森林的形成，兩者的共同作用，給人類造就了賴以生存的生態(tài)環(huán)境。森林與水對人類的重要性，使我們迫切的需要開展對森林與水關(guān)系的研究。從森林影響垂直降雨的角度看，對于降落到林中的雨滴，林冠層是第一承接面，對降水過程起著重

6、要的分配作用。雨水首先落在樹木的葉、枝、干等樹體的表面，由于表面張力和重力的均衡被吸附著，或者積蓄在枝、葉的分叉處被從而被樹體保留下來。隨著降雨的繼續(xù)，樹體的雨水保留量不斷增加，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，其中一部分由于表面張重力失去均衡，自然地或受風(fēng)的吹動從樹上滴落到地上形成林冠滴下雨量；而另一部分從葉轉(zhuǎn)移到枝，從枝轉(zhuǎn)移到干，順樹干流到地面形成樹干徑流量。另外降落到林中的雨水會有一部分不和樹體發(fā)生接觸，直接穿過林冠間隙降落到林地表面，這部分雨水是林冠通過雨量，林冠滴下雨量和林冠通過雨量共同構(gòu)成了林內(nèi)穿透雨量。森林對降雨的再分配（林冠截留、穿透雨、樹干徑流）是生態(tài)系統(tǒng)中重要的水文過程之一，影響著土壤植物

7、大氣連續(xù)體中不同尺度和圈層間的水分和養(yǎng)分循環(huán)的速度和方向，可以減少林內(nèi)地表蒸發(fā)，改善土壤結(jié)構(gòu)，減少地表侵蝕，調(diào)節(jié)河川徑流和林內(nèi)小氣候。目前，國內(nèi)外已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道了森林對降雨再分配的影響，Crockford、Richardson等學(xué)者對降水再分配的影響因子雨量、雨強(qiáng)、蒸發(fā)率、風(fēng)速、林冠結(jié)構(gòu)以及林分密度等多種因子進(jìn)行了研究，國內(nèi)學(xué)者針對這一過程也開展了廣泛的研究，趙鴻雁、常學(xué)向、王曉燕等對、山楊林、青海云杉、刺槐等多種樹種進(jìn)行了研究，但地區(qū)主要集中在北方干旱缺水地區(qū)、南方多雨區(qū)以及森林密集地區(qū)，對長江中下游蘇南丘陵區(qū)城郊典型森林的研究并不多。蘇南丘陵區(qū)地處長三角地區(qū)，是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一

8、，該區(qū)人口眾多，而水資源消耗大，因此充分的發(fā)揮城市水源涵養(yǎng)林的作用，高效利用、合理分配和不斷協(xié)調(diào)有限的水資源就顯得尤為重要。通過對南京市東善橋林場銅山分場的四種主要樹種杉木、毛竹、麻櫟以及馬尾松進(jìn)行研究，旨在揭示城市水源涵養(yǎng)林林冠降水分配機(jī)制，同時(shí)為本地區(qū)水源涵養(yǎng)林樹種的選擇以及管理提供理論依據(jù)。研究區(qū)降水特征研究區(qū)2012年4月至2013年3月累計(jì)降雨量849mm，略低于研究區(qū)年平均降雨，原因是研究期間6月、7月降雨低于同期降雨較多，6月降雨量只有39.9mm低于國家基準(zhǔn)站的降水歷史均值166.2mm，各月份降雨量及降雨次數(shù)分布見表3-1，其中8月份降雨量最大占全年的17.53%，研究區(qū)冬季

9、降雨較多，12月、2月降雨比重占據(jù)全年的12.59%、12.23%。根據(jù)該地區(qū)單場降雨特征，將降雨類型劃分為8個(gè)雨量級：1級（0-1mm）、2級（1-2mm）、3級（2-3mm）、4級（3-5mm）、5級（5-10mm）、6級（10-20mm）、7級（20-30mm）、8級（>30mm），從降雨強(qiáng)度的分級可以看出（見圖3-1），低降雨強(qiáng)度的降雨次數(shù)多，雨量少，而高強(qiáng)度的降雨次數(shù)少，雨量相對較多。3.2地被物層枯落物層是土壤與大氣進(jìn)行能量和物質(zhì)交換的重要界面，不僅參與森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)，而且由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和水文特性在水土保持、水源涵養(yǎng)等方面發(fā)揮重要作用?？萋湮飳拥奶厥饨Y(jié)構(gòu)能夠改

10、變水分傳輸途徑和對降水進(jìn)行分配，影響生態(tài)系統(tǒng)的水文過程。枯落物層在蓄留降雨方面有著很重要的作用，特別是對降水量與雨強(qiáng)小的毛毛雨的截留作用更為突出。就一次降水過程而言，當(dāng)林內(nèi)降雨小于3.7mm時(shí)，枯落物層可以完全截留降水，但隨著降雨量的增加，盡管截留量也不斷增加，其下部開始出現(xiàn)滲水，隨著降雨過程的繼續(xù)，其截留量增加的速度逐漸減緩，直到達(dá)到最大截留量，然后開始下降隨著降雨量的增大，枯落物層截留量在波動中呈增加態(tài)勢，但截留率在波動中呈不斷減小趨勢，截留量與降雨量的變化趨勢基本趨向一致。曲線波動說明，還有其它因子影響使枯落物層截留沒有表現(xiàn)出完全與降水規(guī)律同步的變化趨勢，特別是測定中出現(xiàn)了截留量大于降水

11、量的情況，多余的水分來自前一次截留的降水在第二次降水截留使枯落物層持水達(dá)到飽和狀態(tài)后，在重力作用下向下入滲，同時(shí)還將促使前一次貯存沒有及時(shí)下滲的部分水分一并下滲，結(jié)果出現(xiàn)第二次測定的截留水大于降水的情況，截留率成負(fù)值?？葜β淙~層水分傳輸過程可以劃分為以下三個(gè)階段:降水截留階段、非飽和下滲階段和飽和下滲階段。3.2.1降水截留階段從降水發(fā)生至枯落物層有水分滲出前的整個(gè)過程為枯落物層降水截留階段。在降水截留階段進(jìn)入林內(nèi)的穿透水完全被截留，大部分林冠穿透水被枯落物層的表面張力吸附，枯落物孔隙中以重力水形式截留的降雨很少，此階段水分輸入為林冠穿透水。3.2.2非飽和下滲階段當(dāng)枯落物層開始有水分滲出產(chǎn)生

12、時(shí)，即開始進(jìn)入非飽和下滲階段。此階段的特點(diǎn)為枯落物表面吸附能力己達(dá)到最大，持續(xù)的林冠穿透水被枯落物孔隙以重力水的形式截留，并且隨著枯落物孔隙不斷截留林冠穿透水，會有部分降水將被排出，此時(shí)枯落物層開始有水分滲出，但枯落物層卻沒有達(dá)到最大持水量，尚處于非飽和持水階段，枯落物層的下滲水量仍小于降雨量，在此階段結(jié)束時(shí)，全部枯落物孔隙將被林冠穿透水飽和。3.2.3飽和下滲階段隨著降水過程繼續(xù)，林冠穿透水不斷補(bǔ)充枯落物，使枯落物層出現(xiàn)水分滲出速率大于林冠穿透水輸入強(qiáng)度的情況，說明枯落物層已達(dá)到充分飽和狀態(tài)。此階段下滲水量除了由即時(shí)降雨提供外還有前期截留的降雨，因此造成枯落物的下滲強(qiáng)度大于降雨強(qiáng)度。3.3林

13、枯落物層截持作用和水分傳輸過程枯枝落葉層截留過程是一個(gè)有限的增加過程，其上限為最大截持量;枯枝落葉層的蓄積量、含水量及結(jié)構(gòu)特征和降雨特性是影響截留過程的主要因素。銅山大多數(shù)降雨過程不能使枯枝落葉層達(dá)到飽和，所以森林枯枝落葉層經(jīng)常具有截留降雨和調(diào)蓄降雨作用?？萋湮锼謧鬏斠话阋?jīng)過截留降雨、吸水飽和(非飽和下滲)、下滲(飽和下滲)階段。以一次持續(xù)降水超過24小時(shí)的降水截留過程為例說明，降水開始的6小時(shí)，降雨量為10mm，該時(shí)段內(nèi)降雨被全部截留;6小時(shí)后，截留進(jìn)入滲透階段，該時(shí)段出現(xiàn)的滲透水隨降水量的增加而呈直線遞增，截留量逐漸減小，但累積截留曲線仍緩慢上升。此時(shí)段歷時(shí)較長，長達(dá)22小時(shí)以上。當(dāng)達(dá)

14、到飽和階段時(shí)，該時(shí)段降水量和滲透量趨于一致，截留作用消失，但累積截留量達(dá)最大值。枯落物層作為森林生態(tài)系統(tǒng)中獨(dú)特的層次，是由植物枝、葉、花、果、樹皮等凋落物組成，一般枯落物層積累多，層次厚，分解快，分解較徹底，則具有孔隙多、小的特點(diǎn)?？萋湮锏姆e累與分解取決于林分組成、密度、林況與環(huán)境條件（溫度、濕度、通氣條件）?？葜β淙~層不僅是森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)流動的重要組成部分，而且還是林地土壤表面的一個(gè)重要覆蓋面和保護(hù)膜?？萋湮飳映四芟裆止趯右粯有盍艚邓€具有改良其下層土壤物理性能、增加土壤的孔隙度、抑制林地土壤水分蒸發(fā)、促進(jìn)土壤水分入滲的重要作用；此外，由于林地枯落物的存在，較少了地表的裸露程度

15、，增加了地表的粗糙率，在防止土壤濺蝕和阻延地表徑流方面也起著重要的作用?；诳萋湮飳釉谏稚鷳B(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源和防止土壤侵蝕過程中發(fā)揮的重要作用，其防蝕作用的量化已成為森林生態(tài)功能研究中的重要環(huán)節(jié)，本文注重從持水性能與阻流性能這兩個(gè)環(huán)節(jié)對研究區(qū)主要森林類型枯落物層進(jìn)行研究分析。3.3.1 各林分枯落物儲量枯落物層吸水作用的大小，取決于其自身的厚度和性質(zhì)，枯落物的分解程度和組成種類直接影響著森林的持水能力。本研究對麻櫟林、毛竹林、杉木林和馬尾松林四種不同森林類型的林下枯落物進(jìn)行調(diào)查，其未分解層、半分解及分解層的厚度和質(zhì)量，調(diào)查結(jié)果見表3.3.1。從中可以看出，研究區(qū)各林分枯落物厚度在11mm至42m

16、m之間，現(xiàn)儲量在3.2518.04 t·hm-2間。不同林分類型的枯落物蓄積情況有一定的差別，以厚度和總儲量來看麻櫟林最好，其次為毛竹林，再次為杉木林，馬尾松林最差。 表3.3.1 不同林分類型各層枯落物儲量Tab.2.2.1 The experimental plot litters storage in various layers in different forests林分類型枯落物儲量情況總厚度（mm）總儲量（t·hm-2）未分解層半分解與分解層儲量（t·hm-2）比例（%）儲量（t·hm-2）比例（%）麻櫟4218.0410.2356.717

17、.8143.29毛竹2512.578.4567.224.1232.78杉木319.395.6159.743.7840.26馬尾松113.252.1465.831.1134.173.3.2 各林分枯落物層的持水性能（1）枯落物持水過程為了研究林下枯落物層的持水動態(tài)過程，對各林分枯落物分層采集進(jìn)行浸水試驗(yàn)，測定時(shí)段為0.5h、1、1.5h、2h、4h、6h、8h、10h、12h和24h。圖3.3.2描述了不同森林類型枯落物層持水速度與持水率隨浸泡時(shí)間變化的過程。單位面積下各林分枯落物層在浸入水中02h其持水速度最快，26h之間較快，6小時(shí)之后逐漸趨于平緩。這是因?yàn)殡S著浸泡時(shí)間的延長，枯落物逐步達(dá)到

18、持水的飽和狀態(tài)。相比未分解層的持水速率，半分解層與分解層的持水速率略低。各林分枯落物層24h平均持水速度存在著差異，以未分解層來看，毛竹林最好，其次為麻櫟林，再次為杉木林，馬尾松林最差；以半分解與分解層來看，麻櫟林最好，其次為毛竹林，再次為杉木林，馬尾松林最差。 圖3.3.2 不同森林類型典型林分枯落物層持水速度（率）測定（2）枯落物層持水能力枯落物層的持水能力是反映枯落物層水文作用的重要指標(biāo)，表征森林枯落物層的持水能力的指標(biāo)主要為最大持水率、最大攔蓄率和和有效攔蓄率，其計(jì)算方法如下： ，式中：R0、Rhmax、Rsmax分別為枯落物自然含水率、最大持水率與最大攔蓄率（%）；G0、Gd、G24

19、分別為枯落物自然狀態(tài)下質(zhì)量、枯落物風(fēng)干質(zhì)量及浸水24小時(shí)后質(zhì)量（g）；Wsv為枯落物有效攔蓄量（t·hm-2）；M為枯落物蓄積量（t·hm-2）；0.85為有效攔蓄系數(shù)。由于枯落物層蓄積量及持水率的差異，各林分持水能力的實(shí)測值有著明顯差異，以最大持水量來看，麻櫟林最好，其次為毛竹林，再次為杉木林，馬尾松林最差；以有效攔蓄量來看，毛竹林最好，其次為麻櫟林，再次為杉木林，馬尾松林最差。3.3.3 各林分枯落物層阻流性能不同森林類型林下枯落物層通過地表徑流的滯緩、攔蓄、過濾從而在森林水文調(diào)配過程中發(fā)揮出重要作用，尤其是枯落物層在防止地表徑流沖刷作用成為近年來森林水文及水土保持學(xué)科

20、密切關(guān)注和重點(diǎn)研究的方向。森林及其地被物對地表徑流的影響作用在很大程度上可用經(jīng)典曼寧公式中的n值來表示，林地對坡面徑流的阻延作用主要反映在坡面粗糙度系數(shù)的變化上，因?yàn)榇植诙认禂?shù)的大小能決定坡面流速的大小以及坡面匯流時(shí)間。因此，測定和定量分析不同林分類型枯落物的糙率系數(shù)值，對于深刻揭示研究區(qū)林分類型防蝕機(jī)理有著重要意義。我國學(xué)者張洪江最早采用的水槽沖刷實(shí)驗(yàn)方法，在室內(nèi)進(jìn)行枯落物對槽面徑流速度的影響試驗(yàn)，并通過曼寧公式和謝才公式整理推導(dǎo)得出了室內(nèi)測定枯落物糙率系數(shù)的計(jì)算公式，后續(xù)學(xué)者大都沿用了他測定方法，并取得了較好的研究成果。本文沿用張洪江的枯落物水槽沖刷試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對研究區(qū)不同林分類型枯落物層的

21、糙率系數(shù)進(jìn)行了測定，不同干重條件下各林分枯落物的糙率系數(shù)。圖3.3.3 不同干重條件下各林分枯落物糙率系數(shù)n值活地被物層在時(shí)空尺度上的動態(tài)變化要比林冠層劇烈和復(fù)雜得多, 使得對水分在活地被物層上的傳輸與水量轉(zhuǎn)換難于準(zhǔn)確測定。直到目前為止國內(nèi)外還沒有一種理想的直接測定活地被物層水分傳輸?shù)姆椒? 現(xiàn)有的研究大部分是通過間接方法。但間接測定法只適用于下層植被密度不大的地方, 所測結(jié)果一般偏大。森林死地被物層具有較大的水分截持能力, 從而影響到穿透降雨對土壤水分的補(bǔ)充和植物水分的供應(yīng)森林死地被物層的持水能力與其種類、干重、濕度、分解程度、累積狀況以及前期水分狀況、降雨等氣象條件密切相關(guān)。3.4枯落物層

22、水文功能及水分傳輸機(jī)制枯落物層作為土壤與大氣進(jìn)行物質(zhì)能量交換的重要界面，通過吸持降水、阻塞水分傳輸通道，參與土壤、植物、大氣系統(tǒng)的水分循環(huán)，增加了水分分配在時(shí)間和空間上的變異性。森林枯落物層持水量動態(tài)變化在森林水文循環(huán)中的意義在于其對林冠下大氣和土壤之間水分和能量傳輸?shù)挠绊懀c森林流域產(chǎn)流機(jī)制密切相關(guān)，并受組成、林分類型、林齡、枯枝落葉分解狀況、累積狀況、前期水分狀況、降雨特點(diǎn)(降水大小、強(qiáng)度高低、歷時(shí)長短)的影響。水分在枯落物層的傳輸機(jī)制類似于林冠截留過程，其截留量與枯落物層的種類、儲水能力有關(guān)，與林地單位面積枯落物層蓄積成正比。但枯落物層水分傳輸機(jī)理由于枯落物層厚度、分解特性、組成結(jié)構(gòu)、前

23、期含水量的時(shí)空變異及其模糊的邊界層等特性，使其與水分在林冠層的傳輸機(jī)理又有很大的區(qū)別。在天然降雨的情況下，降雨強(qiáng)度隨時(shí)間變化很大，雨量不穩(wěn)定，而經(jīng)過的穿透入滲作用后下滲速率較穩(wěn)定。從土壤侵蝕的角度考慮，在單位時(shí)間降雨量相同的情況下，降雨強(qiáng)度變化時(shí)產(chǎn)生的土壤侵蝕量大于降雨強(qiáng)度恒定情況下的土壤侵蝕量，原因是降雨強(qiáng)度不恒定時(shí)會出現(xiàn)瞬時(shí)雨滴動能大于平均雨滴動能的現(xiàn)象，因此會對土壤的打擊強(qiáng)度增加，造成土壤侵蝕量增加。因此可以說枯落物具有穩(wěn)定下滲速率的作用，進(jìn)而起到防止土壤侵蝕的作用?？萋湮飳酉聺B速率較穩(wěn)定的原因是枯落物層的結(jié)構(gòu)相對比較均一，因此在不同降雨強(qiáng)度條件下吸附降水及消減降雨動能和水分在孔隙中滲透特性都具有相似性，數(shù)值較穩(wěn)定。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，森林與水的關(guān)系是水文研究的中心議題之一，在自然調(diào)節(jié)江河流量、增加土壤蓄水和減少地表徑流、防止土壤侵蝕等方面發(fā)揮著重要的生態(tài)水文功能。森林枯落物處于林分植物層與土壤層之間，成分由覆蓋在林地土壤表面上的林地植物落下的枝葉、枝條、芽鱗、花、果實(shí)、樹皮等凋落物及動植物等有機(jī)體分解而成。森林枯枝落葉層