森林生态系统结构与水文生态功能

1、1研究目的与意义在我国自然环境和经济快速发展条件下，水资源不足已经引起了社会各界的普遍关注。北方常年严重缺水，南方也存在季节性缺水或水质性缺水。长江中下游地区山地丘陵面积大，历史上长期受人为强度干扰，水土流失造成的土地退化和洪涝灾害严重制约了地方经济、社会的稳定和谐发展。水资源紧缺矛盾比较突出，水质日趋恶化，河道水质污染严重，湖泊水质恶化与湖泊富营养化。 长三角城市群环境、资源与经济、社会发展之间的矛盾日益凸显，水体污染和饮用水安全等问题越来越成为经济社会发展的制约因素。本研究将运用该理论，探讨安徽省大别山区森林资源变迁与水资源关系，为区域经济社会发展和新农村建设的决策提供理论与实践依据，为长

2、三角城市群与山区乡村一体化协调发展的理论模式从水资源角度提供核心支撑内容。2存在问题与展望森林的水文功能日益成为最重要的森林生态功能。实现森林植被与水资源的综合管理，促进森林植被恢复与水资源安全的平衡，是未来现代林业或多功能林业的重要任务。由于目前对森林植被影响水资源形成过程的认识还非常有限，尤其是在森林对水资源影响的区域特点方面还有很大不足，成为制约国民经济和现代林业发展的“瓶颈”。急需开展以森林植被调控水资源形成过程为主要内容的基础性创新研究。分布式水文模型是探索和认识复杂水文循环过程与机理的有效手段，也是解决当前水文领域面临的重要问题的有效工具，已经在气候变化、LUCC、缺资料地区、生态

3、水文学、水资源管理等领域的研究中发挥了重要作用。随着研究工作的不断深入和认识的逐步提高，也将推动分布式水文模拟理论和技术的发展。本实验针对长三角苏南丘陵区的杉木、麻栎、毛竹林的树干液流定点观测，试验采用热扩散树干液流仪和热平衡树干液流仪，同时结合小气象站的EM50数据采集器同步测定各环境因子，分别进行了杉木、麻栎、毛竹的蒸腾耗水日变化特征、树干液流速率与环境因子和生态系统结构的耦合关系研究，另外，通过自主研发的蒸渗仪，测定了各个林分的土壤蒸发、乔灌草的蒸散发。目的是通过研究杉木、麻栎、毛竹的树干液流速率变化情况，确定华东长三角区典型植被的蒸腾耗水变化特征，及其与各影响因子的关系，通过研究蒸发散

4、的情况，确定土壤蒸发与林分蒸发散的过程特征及其与生态系统结构的关系，最终总该地区的生态系统的耗水规律。研究区位于南京市近郊国营东善桥林场铜山分场（31353139N，1185011852E），距南京市20km，属北亚热带季风气候区，年均温15.1C，无霜期229d，年日照2199.5h，区内气候温和湿润，四季分明，雨热资源比较丰富，生长季长，年平均降水量1100mm，时间分布上多存在两个多雨期：一是春夏之交的梅雨，二是夏季的台风雨，为全国雨期最长的地区之一，十分有利于农作物和林木的生长。地形以丘陵为主，海拔在38m388m，森林类型以杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾

5、松(Pinus massoniana)、麻栎(Quercus aeutissima)、毛竹(Phyllostachys edulis)为主。此次主要研究杉木林、麻栎林和毛竹林的蒸腾耗水。3森林降水过程3.1林冠层水分传输众所周知，森林具有拦截地表径流、涵养水源、保持水土，调节河川径流量的功能。水分又提供了林木生长的保障，滋育了森林的形成，两者的共同作用，给人类造就了赖以生存的生态环境。森林与水对人类的重要性，使我们迫切的需要开展对森林与水关系的研究。从森林影响垂直降雨的角度看，对于降落到林中的雨滴，林冠层是第一承接面，对降水过程起着重要的分配作用。雨水首先落在树木的叶、枝、干等树体的表面，由于

6、表面张力和重力的均衡被吸附着，或者积蓄在枝、叶的分叉处被从而被树体保留下来。随着降雨的继续，树体的雨水保留量不断增加，当达到一定数量时，其中一部分由于表面张重力失去均衡，自然地或受风的吹动从树上滴落到地上形成林冠滴下雨量；而另一部分从叶转移到枝，从枝转移到干，顺树干流到地面形成树干径流量。另外降落到林中的雨水会有一部分不和树体发生接触，直接穿过林冠间隙降落到林地表面，这部分雨水是林冠通过雨量，林冠滴下雨量和林冠通过雨量共同构成了林内穿透雨量。森林对降雨的再分配（林冠截留、穿透雨、树干径流）是生态系统中重要的水文过程之一，影响着土壤植物大气连续体中不同尺度和圈层间的水分和养分循环的速度和方向，可

7、以减少林内地表蒸发，改善土壤结构，减少地表侵蚀，调节河川径流和林内小气候。目前，国内外已有大量的文献报道了森林对降雨再分配的影响，Crockford、Richardson等学者对降水再分配的影响因子雨量、雨强、蒸发率、风速、林冠结构以及林分密度等多种因子进行了研究，国内学者针对这一过程也开展了广泛的研究，赵鸿雁、常学向、王晓燕等对、山杨林、青海云杉、刺槐等多种树种进行了研究，但地区主要集中在北方干旱缺水地区、南方多雨区以及森林密集地区，对长江中下游苏南丘陵区城郊典型森林的研究并不多。苏南丘陵区地处长三角地区，是我国经济最发达的地区之一，该区人口众多，而水资源消耗大，因此充分的发挥城市水源涵养林

8、的作用，高效利用、合理分配和不断协调有限的水资源就显得尤为重要。通过对南京市东善桥林场铜山分场的四种主要树种杉木、毛竹、麻栎以及马尾松进行研究，旨在揭示城市水源涵养林林冠降水分配机制，同时为本地区水源涵养林树种的选择以及管理提供理论依据。研究区降水特征研究区2012年4月至2013年3月累计降雨量849mm，略低于研究区年平均降雨，原因是研究期间6月、7月降雨低于同期降雨较多，6月降雨量只有39.9mm低于国家基准站的降水历史均值166.2mm，各月份降雨量及降雨次数分布见表3-1，其中8月份降雨量最大占全年的17.53%，研究区冬季降雨较多，12月、2月降雨比重占据全年的12.59%、12.

9、23%。根据该地区单场降雨特征，将降雨类型划分为8个雨量级：1级（0-1mm）、2级（1-2mm）、3级（2-3mm）、4级（3-5mm）、5级（5-10mm）、6级（10-20mm）、7级（20-30mm）、8级（30mm），从降雨强度的分级可以看出（见图3-1），低降雨强度的降雨次数多，雨量少，而高强度的降雨次数少，雨量相对较多。3.2地被物层枯落物层是土壤与大气进行能量和物质交换的重要界面，不仅参与森林生态系统的物质和养分循环，而且由于其独特的结构和水文特性在水土保持、水源涵养等方面发挥重要作用。枯落物层的特殊结构能够改变水分传输途径和对降水进行分配，影响生态系统的水文过程。枯落物层在蓄

10、留降雨方面有着很重要的作用，特别是对降水量与雨强小的毛毛雨的截留作用更为突出。就一次降水过程而言，当林内降雨小于3.7mm时，枯落物层可以完全截留降水，但随着降雨量的增加，尽管截留量也不断增加，其下部开始出现渗水，随着降雨过程的继续，其截留量增加的速度逐渐减缓，直到达到最大截留量，然后开始下降随着降雨量的增大，枯落物层截留量在波动中呈增加态势，但截留率在波动中呈不断减小趋势，截留量与降雨量的变化趋势基本趋向一致。曲线波动说明，还有其它因子影响使枯落物层截留没有表现出完全与降水规律同步的变化趋势，特别是测定中出现了截留量大于降水量的情况，多余的水分来自前一次截留的降水在第二次降水截留使枯落物层持

11、水达到饱和状态后，在重力作用下向下入渗，同时还将促使前一次贮存没有及时下渗的部分水分一并下渗，结果出现第二次测定的截留水大于降水的情况，截留率成负值。枯枝落叶层水分传输过程可以划分为以下三个阶段:降水截留阶段、非饱和下渗阶段和饱和下渗阶段。3.2.1降水截留阶段从降水发生至枯落物层有水分渗出前的整个过程为枯落物层降水截留阶段。在降水截留阶段进入林内的穿透水完全被截留，大部分林冠穿透水被枯落物层的表面张力吸附，枯落物孔隙中以重力水形式截留的降雨很少，此阶段水分输入为林冠穿透水。3.2.2非饱和下渗阶段当枯落物层开始有水分渗出产生时，即开始进入非饱和下渗阶段。此阶段的特点为枯落物表面吸附能力己达到

12、最大，持续的林冠穿透水被枯落物孔隙以重力水的形式截留，并且随着枯落物孔隙不断截留林冠穿透水，会有部分降水将被排出，此时枯落物层开始有水分渗出，但枯落物层却没有达到最大持水量，尚处于非饱和持水阶段，枯落物层的下渗水量仍小于降雨量，在此阶段结束时，全部枯落物孔隙将被林冠穿透水饱和。3.2.3饱和下渗阶段随着降水过程继续，林冠穿透水不断补充枯落物，使枯落物层出现水分渗出速率大于林冠穿透水输入强度的情况，说明枯落物层已达到充分饱和状态。此阶段下渗水量除了由即时降雨提供外还有前期截留的降雨，因此造成枯落物的下渗强度大于降雨强度。3.3林枯落物层截持作用和水分传输过程枯枝落叶层截留过程是一个有限的增加过程

13、，其上限为最大截持量;枯枝落叶层的蓄积量、含水量及结构特征和降雨特性是影响截留过程的主要因素。铜山大多数降雨过程不能使枯枝落叶层达到饱和，所以森林枯枝落叶层经常具有截留降雨和调蓄降雨作用。枯落物水分传输一般要经过截留降雨、吸水饱和(非饱和下渗)、下渗(饱和下渗)阶段。以一次持续降水超过24小时的降水截留过程为例说明，降水开始的6小时，降雨量为10mm，该时段内降雨被全部截留;6小时后，截留进入渗透阶段，该时段出现的渗透水随降水量的增加而呈直线递增，截留量逐渐减小，但累积截留曲线仍缓慢上升。此时段历时较长，长达22小时以上。当达到饱和阶段时，该时段降水量和渗透量趋于一致，截留作用消失，但累积截留

14、量达最大值。枯落物层作为森林生态系统中独特的层次，是由植物枝、叶、花、果、树皮等凋落物组成，一般枯落物层积累多，层次厚，分解快，分解较彻底，则具有孔隙多、小的特点。枯落物的积累与分解取决于林分组成、密度、林况与环境条件（温度、湿度、通气条件）。枯枝落叶层不仅是森林生态系统的物质循环流动的重要组成部分，而且还是林地土壤表面的一个重要覆盖面和保护膜。枯落物层除了能像森林冠层一样蓄留降水，还具有改良其下层土壤物理性能、增加土壤的孔隙度、抑制林地土壤水分蒸发、促进土壤水分入渗的重要作用；此外，由于林地枯落物的存在，较少了地表的裸露程度，增加了地表的粗糙率，在防止土壤溅蚀和阻延地表径流方面也起着重要的作

15、用。基于枯落物层在森林生态系统涵养水源和防止土壤侵蚀过程中发挥的重要作用，其防蚀作用的量化已成为森林生态功能研究中的重要环节，本文注重从持水性能与阻流性能这两个环节对研究区主要森林类型枯落物层进行研究分析。3.3.1 各林分枯落物储量枯落物层吸水作用的大小，取决于其自身的厚度和性质，枯落物的分解程度和组成种类直接影响着森林的持水能力。本研究对麻栎林、毛竹林、杉木林和马尾松林四种不同森林类型的林下枯落物进行调查，其未分解层、半分解及分解层的厚度和质量，调查结果见表3.3.1。从中可以看出，研究区各林分枯落物厚度在11mm至42mm之间，现储量在3.2518.04 thm-2间。不同林分类型的枯落

16、物蓄积情况有一定的差别，以厚度和总储量来看麻栎林最好，其次为毛竹林，再次为杉木林，马尾松林最差。 表3.3.1 不同林分类型各层枯落物储量Tab.2.2.1 The experimental plot litters storage in various layers in different forests林分类型枯落物储量情况总厚度（mm）总储量（thm-2）未分解层半分解与分解层储量（thm-2）比例（%）储量（thm-2）比例（%）麻栎4218.0410.2356.717.8143.29毛竹2512.578.4567.224.1232.78杉木319.395.6159.743.7840

17、.26马尾松113.252.1465.831.1134.173.3.2 各林分枯落物层的持水性能（1）枯落物持水过程为了研究林下枯落物层的持水动态过程，对各林分枯落物分层采集进行浸水试验，测定时段为0.5h、1、1.5h、2h、4h、6h、8h、10h、12h和24h。图3.3.2描述了不同森林类型枯落物层持水速度与持水率随浸泡时间变化的过程。单位面积下各林分枯落物层在浸入水中02h其持水速度最快，26h之间较快，6小时之后逐渐趋于平缓。这是因为随着浸泡时间的延长，枯落物逐步达到持水的饱和状态。相比未分解层的持水速率，半分解层与分解层的持水速率略低。各林分枯落物层24h平均持水速度存在着差异，

18、以未分解层来看，毛竹林最好，其次为麻栎林，再次为杉木林，马尾松林最差；以半分解与分解层来看，麻栎林最好，其次为毛竹林，再次为杉木林，马尾松林最差。 图3.3.2 不同森林类型典型林分枯落物层持水速度（率）测定（2）枯落物层持水能力枯落物层的持水能力是反映枯落物层水文作用的重要指标，表征森林枯落物层的持水能力的指标主要为最大持水率、最大拦蓄率和和有效拦蓄率，其计算方法如下： ，式中：R0、Rhmax、Rsmax分别为枯落物自然含水率、最大持水率与最大拦蓄率（%）；G0、Gd、G24分别为枯落物自然状态下质量、枯落物风干质量及浸水24小时后质量（g）；Wsv为枯落物有效拦蓄量（thm-2）；M为枯

19、落物蓄积量（thm-2）；0.85为有效拦蓄系数。由于枯落物层蓄积量及持水率的差异，各林分持水能力的实测值有着明显差异，以最大持水量来看，麻栎林最好，其次为毛竹林，再次为杉木林，马尾松林最差；以有效拦蓄量来看，毛竹林最好，其次为麻栎林，再次为杉木林，马尾松林最差。3.3.3 各林分枯落物层阻流性能不同森林类型林下枯落物层通过地表径流的滞缓、拦蓄、过滤从而在森林水文调配过程中发挥出重要作用，尤其是枯落物层在防止地表径流冲刷作用成为近年来森林水文及水土保持学科密切关注和重点研究的方向。森林及其地被物对地表径流的影响作用在很大程度上可用经典曼宁公式中的n值来表示，林地对坡面径流的阻延作用主要反映在坡

20、面粗糙度系数的变化上，因为粗糙度系数的大小能决定坡面流速的大小以及坡面汇流时间。因此，测定和定量分析不同林分类型枯落物的糙率系数值，对于深刻揭示研究区林分类型防蚀机理有着重要意义。我国学者张洪江最早采用的水槽冲刷实验方法，在室内进行枯落物对槽面径流速度的影响试验，并通过曼宁公式和谢才公式整理推导得出了室内测定枯落物糙率系数的计算公式，后续学者大都沿用了他测定方法，并取得了较好的研究成果。本文沿用张洪江的枯落物水槽冲刷试验设计，对研究区不同林分类型枯落物层的糙率系数进行了测定，不同干重条件下各林分枯落物的糙率系数。图3.3.3 不同干重条件下各林分枯落物糙率系数n值活地被物层在时空尺度上的动态变

21、化要比林冠层剧烈和复杂得多, 使得对水分在活地被物层上的传输与水量转换难于准确测定。直到目前为止国内外还没有一种理想的直接测定活地被物层水分传输的方法, 现有的研究大部分是通过间接方法。但间接测定法只适用于下层植被密度不大的地方, 所测结果一般偏大。森林死地被物层具有较大的水分截持能力, 从而影响到穿透降雨对土壤水分的补充和植物水分的供应森林死地被物层的持水能力与其种类、干重、湿度、分解程度、累积状况以及前期水分状况、降雨等气象条件密切相关。3.4枯落物层水文功能及水分传输机制枯落物层作为土壤与大气进行物质能量交换的重要界面，通过吸持降水、阻塞水分传输通道，参与土壤、植物、大气系统的水分循环，

22、增加了水分分配在时间和空间上的变异性。森林枯落物层持水量动态变化在森林水文循环中的意义在于其对林冠下大气和土壤之间水分和能量传输的影响，与森林流域产流机制密切相关，并受组成、林分类型、林龄、枯枝落叶分解状况、累积状况、前期水分状况、降雨特点(降水大小、强度高低、历时长短)的影响。水分在枯落物层的传输机制类似于林冠截留过程，其截留量与枯落物层的种类、储水能力有关，与林地单位面积枯落物层蓄积成正比。但枯落物层水分传输机理由于枯落物层厚度、分解特性、组成结构、前期含水量的时空变异及其模糊的边界层等特性，使其与水分在林冠层的传输机理又有很大的区别。在天然降雨的情况下，降雨强度随时间变化很大，雨量不稳定

23、，而经过的穿透入渗作用后下渗速率较稳定。从土壤侵蚀的角度考虑，在单位时间降雨量相同的情况下，降雨强度变化时产生的土壤侵蚀量大于降雨强度恒定情况下的土壤侵蚀量，原因是降雨强度不恒定时会出现瞬时雨滴动能大于平均雨滴动能的现象，因此会对土壤的打击强度增加，造成土壤侵蚀量增加。因此可以说枯落物具有稳定下渗速率的作用，进而起到防止土壤侵蚀的作用。枯落物层下渗速率较稳定的原因是枯落物层的结构相对比较均一，因此在不同降雨强度条件下吸附降水及消减降雨动能和水分在孔隙中渗透特性都具有相似性，数值较稳定。森林是陆地生态系统的主体，森林与水的关系是水文研究的中心议题之一，在自然调节江河流量、增加土壤蓄水和减少地表径流、防止土壤侵蚀等方面发挥着重要的生态水文功能。森林枯落物处于林分植物层与土壤层之间，成分由覆盖在林地土壤表面上的林地植物落下的枝叶、枝条、芽鳞、花、果实、树皮等凋落物及动植物等有机体分解而成。森林枯枝落叶层是森林调节水分