基于水碳权衡的岷江上游森林景观恢复课件

基于水碳权衡的岷江上游森林景观恢复课件1一．研究背景二．森林水源涵养机制三．森林景观恢复四．主要结论一．研究背景2岷江是长江水量贡献最大的支流（8.9%)，对维护成都平原乃至长江流域水资源、长江经济带生态屏障发挥着重要的作用；岷江流域复杂高山峡谷地貌和高山植被垂直带谱，以及气候变暖和森林采伐、森林恢复等多种复合因子变化对森林水源涵养功能的影响研究在中国乃至全球均具有特殊性、典型性；Sichuan

ChongqingShannxiYunnanXizhang(Tibet)Qinghai

GuanshuGuizhouMingjiangWatershedEEEE#E## E#E###E#E

#岷江是长江水量贡献最大的支流（8.9%)，对维护成都平原乃至3岷江上游天然植被破坏/退化严重岷江流域森林覆盖率从38(1949)下降16％(1985)、27

(1998)、44.9(2014),天然林面积减少/结构与功能退化/景观破碎化严重1955年 2000年岷江上游天然植被破坏/退化严重岷江流域森林覆盖率从38(1470605040302010019501960 1970198019902000年采伐量

(×104m3)年份

years中幼龄针叶林

MYC老龄针叶林

OC针阔混交林

MCD落叶阔叶林 DB灌丛草甸农田裸岩冰雪400042003600400037004000米亚罗植被图采伐导致森林景观破碎化杂谷脑流域7019501960 1970198019902000年采伐5海拔3000-4000米y=0.0205x+3.636R2=0.388422.533.544.555.561959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007年均温Theannualaveragetemperature(

℃)时间

Time/a平均气温

Theaverage

temperature线性(平均气温

Theaverage

temperature)

5年移动平均

The5years-movingaverage海拔2000-3000米y=0.0117x+9.3381R2=

0.1817109.598.587.51110.51959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007年均温Theannualaveragetemperature(℃)时间

Time/a平均气温

Theaverage

temperature线性(平均气温

The

averagetemperature)

5年移动平均

The5

years-moving

average海拔1000-2000米y=0.0142x+14.107R2=

0.201212.51313.51414.51515.5161959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007年均温Theannual

averagetemperature(℃)时间

Time/a平均气温

The

average

temperature线性

(平均气温

The

average

temperature)

5年移动平均

The

5

years-moving

average温度海拔1000-2000米y=1.2589x+996.98R2=

0.02127008009001000110012001300140015001959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007降水量Rainfall(mm)时间Time/a降水量

TheRainfall线性(降水量TheRainfall)5年移动平均

The

5

years-moving

average海拔2000-3000米y=1.0347x+726.89R2=

0.05575005506006507007508008509001959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007降水量Rainfall(mm)时间

Time/a降水量

The

Rainfall线性(降水量

The

Rainfall)5年移动平均

The

5

years-moving

average海拔3000-4000米y=-2.072x+974.54R2=

0.08967008009001000110012001959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007降水量Rainfall(mm)时间

Time/a降水量

The

Rainfall线性

(降水量

The

Rainfall)5年移动平均

The

5

years-moving

average降水量岷江上游气候变化-干暖化趋势海拔3000-4000米y=0.0205x+3.636气候变化加剧水资源减水和水生态安全危机河川径流时程分配格局改变：雨洪径流增加，枯水期延长岷江上游流入成都平原的水资源总量从120亿万m3下降到年平均水流量90亿m3，成为水生态安全的重大危机地表与地下径流的比从7:3上升为8:2年最小枯水量从147亿m3下降到119亿m3洪枯流量比达90以上森林植被水源涵养功能下降、植被恢复和气候变化共同影响流域水文、水资源和经济社会可持续发展。气候变化加剧水资源减水和水生态安全危机河川径流时程分配格局改7国际上普遍采用配对小集水区研究森林与径流的关系，视森林为黑箱(Andrèassian,

2004),

定式结论：森林采伐增加流域产水量国内多采用对比流域研究森林覆被率与径流变化的关系，缺乏深入水文过程及机制的认识，长江上游呈相反的结论并存在争议(马雪华,1987;

程根伟,1991)国际上普遍采用配对小集水区研究森林与径流的关系，视森林为黑箱8全球变化生态水文学冰川融化雪积雪融变化大气CO2增加降水格局变化全球气温增加气候变化响应与适应人类活动LULUCF全球变化生态水文学冰川融化大气CO2增加降水格局变化全球9基于水碳权衡的岷江上游森林景观恢复课件10一．研究背景二．森林水源涵养机制三．森林景观恢复四．主要结论一．研究背景11应用稳定同位素技术辨识典型森林植被类型水文循环过程、路径及迁移转化变化规律亚高山暗针叶林:

岷江冷杉:

30-60cm

土壤水；大叶金顶杜鹃:0-40cm

土壤水；冷箭竹:

枯落物层和

0-5cm

土壤水

亚高山灌丛:川滇高山栎和丝毛柳:

吸收腐殖质层和0-30cm

土壤水

高山草甸:驴蹄草:

0-5cm

土壤水,狼毒:

25-45cm土壤水；

InterflowGroundwater徐

庆，安树青，刘世荣等.

2005，林业科学徐振,

安树青等.

2007,

资源科学CuiJ,SQAn,etal..JournalofHydrology,20082、森林植被水源涵养机制定量阐明生态系统中优势植物吸收水模式和利用方式，枯枝落叶层和土壤层调蓄过程L-3

岷江冷杉051015202530树干径流量(mm)0-2-4-6-8-10-12-14-16-18-20树干径流δ18O(‰)1

3 51115171819212332353839404546

47天数(Day)树干径流量 树干径流δ18O05101520258-108-118-138-158-248-308-319-1日期

Date降水量和穿透水量

Precipitationandthroughfallamount/

mmδ18O/

‰降水量

precipitation

amount树干茎流量

Stemflow

amount枯枝落叶

Litter

w

ater

δ18O 树干茎流

Stemflow

δ18O地表径流对降水响应依降水量而变化：

降水>15

mm时第2天δ18O差值显著影响；降水10-15

mm时第3天δ18O差值明显变小；降水<10

mm时5

d天内δ18O差值减小不显著。应用稳定同位素技术辨识典型森林植被类型水文循环过程、路径及12森林水文调蓄功能层：森林冠层结构、林下冠层层和土壤层(枯枝落叶、苔藓层和非毛管孔隙度)，其中土壤层占主导作用。2、森林植被水源涵养机制原始林苔藓层和枯落物层的降水截持功能（35.02mm）为人工云杉林(15.85mm)的2.21倍，能够有效减少暴雨引起的地表径流。S0NS10NS70P50P40P30P20P10P最大持水量（t/ha）10P20P40P30P50P70P10NS40NS30NS180NS1140120100806040200林分类型350300250200150100500林分类型最大持水量

（t/ha）刘世荣等.

2001,

自然资源学报ZhangYD,etal.2008,

JAWRA森林水文调蓄功能层：森林冠层结构、林下冠层层和土壤层(枯枝13岷江冷杉是节水、调水和蓄水的最佳树种；岷江冷杉原始林比不同演替演替阶段的次生林和人工林具有更强的水源涵养功能树种冠层蒸腾量：云杉>红桦>冷杉(mm/day)最大林冠层蒸腾量：

3.17

>

2.08

>

1.69原始林产水量增加75.51%次生林产水量增加36.46%刘世荣等.

2001,

自然资源学报ZhangYD,etal.2008,

JAWRA2、森林植被水源涵养机制岷江冷杉是节水、调水和蓄水的最佳树种；岷江冷杉原始林比不同14Liuetal.,2009,Journalof

Hydrology同位素水分溯源揭示了森林植被类型的产流强度:森林<高山草甸；削减洪峰:森林>高山草甸；冰川融雪水是岷江枯水季主要补给来源，气候变暖加剧冰川消融和降雪减少，减水了河流的基流补给，可能威胁岷江水资源的安全。2、森林植被水源涵养机制Liuetal.,2009,Journalof15同位素示踪发现：高山草甸低蒸发、低蒸腾、高渗透；亚高山森林为低蒸发、高蒸腾和高渗透；首次发现高山草甸与亚高山森林构成了完整的自然水文循环景观系统。低海拔亚高山森林蒸腾水分形成高山草甸的雾水，雾水和雨水进入高山草甸入渗土壤转移补给亚高山森林的土壤水分，构成植被－土壤－浅层地下水－河道－快速下泄水分循环体系；季风水汽补充2、森林植被水源涵养机制Liuetal.,

2009同位素示踪发现：高山草甸低蒸发、低蒸腾、高渗透；亚高山森林为1602 4 6 8距离

采

伐

时间

（

年）

Thenumberofyearsafterharvesting

(year)10径

流

系

数变化率

（%）Variationrateofrunoff

cofiecient(%)-100-50050100150200aaabbbcccc草本阶段灌

丛

阶

段a

配对径流场数据；b

配对集水区数据；c

插值数据原始冷杉林采伐后产水量动态变化6005004003002001000原始林

草地

灌丛

阔叶林

针阔混

人工林

年耗水量(mm)草本阶段（1-3年）：产水增加灌丛初期（4-6年）：不原始林持平灌丛阶段（7-15年）：低于原始林阔叶林阶段（15-40年）：进一步降低针阔混阶段（40-100年）：产水量开始长期缓慢回升老龄冷杉林（100年后）：重新达到最佳水源涵养功能人工云杉林耗水量最高0100200300400500600700原始林草地灌丛阔叶林

针阔混交林老龄林年产水量(mm)

100年

以上2010-2020未来50年2、森林植被水源涵养机制02 4 6 810径流系数变化率（%）-100-5170.80.70.60.50.40.30.9

2000200020002000200120012001200120022002200220032003200320032004200420042004200520052005200520062006200620062007200720072007200820082008200920092009200920102010MODIS/

NDVI原始冷杉林40-60年生云杉林粗糙度—静态指标

植被覆盖率—半静态—植被数量变化

植被指数和叶面积指数

—数量、结构、功能动态变化

—时间、空间分布特征变化

传统

水文学采用遥感归一化植被指数(NDVI)和叶面积指数(LAI)表征植被时空动态变化并建立与水文过程时间序列的对应耦合关系，揭示了森林植被生态与水文过程的动态耦合机制20001500100050003000250019881989199019911992199319941995199619971998199920002001200220032004

Flow

m3/sStreamflowBflow

Pass3森林植被的动态变化2、森林植被水源涵养机制-生态水文耦合Year流域水文过程的动态变化Sunetal.,2008,

20120.80.92000MODIS/NDVI原始冷杉林184.85.05.65.45.25.86.019821984198619881990199219941996199820002002YearsTI-NDVIc4.54.64.7

4.84.95.0AGDDA (×10

3)TI-NDVI

Linearannual

AGDDLinear

TI-NDVIc

130012001100

1000900800700600500400300200100019821984198619881990199219941996199820002002Yearsmm

annual

AGDDRunoffPrecipitationET基于亚高山森林NDVI长时间系列分析检测出水文响应的敏感变化，揭示了气候变化对森林影响引起流域水文变化的机制，气候变暖诱发蒸散增强引起径流量变化贡献约43改变了传统水文学定式认识，采用森林覆盖率(<20

)无法检测出流域径流量的明显变化Sunetal.,2012;Cuietal.,2012,

HESS2、森林植被水源涵养机制-量化气候变暖4.85.05.65.86.01982YearsTI-NDV19提出等效采伐/恢复面积的水文效应指数(ECA)、降水-径流累积双曲线方法(DMC)和时间序列分析方法，定量区分森林采伐与气候变化对径流长期渐变影响及其突变点，发现了水文突变点滞后干扰10年，突破了传统小流域配对集水区方法的局限性1970197219741976197819801982198419861988199019921994199615105%

0-5-10-15YearQaf%

95%CIQac%森林采伐/恢复的双累积效应累计采伐率(15.5％)2、森林水源涵养机制-辨析气候变暖不采伐森林采伐(ΔQaf)和气候变化(ΔQac)对年径流变化的累计贡献百分率采伐对径流贡献量为38

mm

yr−1，而气候变化对径流贡献量为-27mm

yr−1，采伐对径流影响20

年后基本上恢复；采伐和植被恢复对径流影响存在着相互抵消关系。Zhangetal.,

2012提出等效采伐/恢复面积的水文效应指数(ECA)、降水-径流累20一．研究背景二．森林水源涵养机制三．森林景观恢复四．主要结论一．研究背景21WaSSI-C

生态系统服务模型WaSSI(WaterSupplyStressIndexModel

)模型是美国林务局EFETC(EasternForestEnvironmentalThreat

Assessment

Center)开发的月尺度生态系统水碳耦合模型；水分供需计算模型(WaSSI)+

水碳经验模型；为基本单模型以水文响应单元(HRU)元，模拟径流（RUNOFF）、总生态系统生产力（GEP）、生态系统呼吸消耗量（Re）和蒸散（ET）等水、碳循环过程。模型的模拟单元（HUC）(Sun,etal.,

2010)3、基于水碳权衡的森林景观恢复WaSSI-C生态系统服务模型为基本单模型以水文响应单元(22WaSSI-C

模型框架改进模块：亚高山雪积-雪融模块，从集总式改为分布式刘宁等，2012，孙鹏森等，20163、基于水碳权衡的森林景观恢复WaSSI-C模型框架改进模块：亚高山雪积-雪融模块，从集233、基于水碳权衡的森林景观恢复基于水碳平衡模型WaSSI-C模型模拟，发现岷江上游不同森林植被类型水碳之间存在权衡;

岷江流域属是能量限制性，其碳汇潜力(119

gC

m-2

y-1;

0.4gC/

mm

H2O)岷江流域水量平衡空间分布岷江流域碳平衡空间分布WaSSI-C模型框架中流域产流量和净生态系统生产力显著负相关，固碳：森林>草甸；产水：草甸>森林孙鹏森等2016；刘宁等201314921151861312212014871016221915317植被类型

Class农田

（CL）落叶阔叶林

（DBF)常绿针叶林

（EBF）针阔混交林

（MF）灌木林

（SL）灌草混合（SMT)高山草甸（AM）水体

（WB）裸岩

（R）永久积雪（SG）±10

KM3、基于水碳权衡的森林景观恢复基于水碳平衡模型WaSSI-C24(a)(b)3、基于水碳权衡的森林景观恢复丌同森林植被覆盖率不土壤含水量的关系(a)(b)3、基于水碳权衡的森林景观恢复丌同森林植被覆盖率253、基于水碳权衡的森林景观恢复丌同植被类型主导流域的NEP不Runoff的关系3、基于水碳权衡的森林景观恢复丌同植被类型主导流域的NEP不261、产流（Q)：草甸主导的流域(z=-3.0,

p<0.01)和混交林主导的流域(z=-2.8,

p<

0.01)显著度高于针叶林主导的流域(z=-2.5,

p<

0.05),

三类主导植被类型的流域模拟结果基本一致,

且总体模拟结果基本符合杂谷脑水文站实测水文数据。2、净生态系统生产力(NEP)：趋势变化方向恰好与流域径流量的变化趋势相反,

总体呈现上升趋势,其中针叶林(z=

1.2,

p>0.1)和混交林主导(z=

1.3,

p>

0.1)的植被类型上升趋势不显著,

而草甸主导的类型上升显著(z=2.09,

p<

0.05)3、基于水碳权衡的森林景观恢复1、产流（Q)：草甸主导的流域(z=-3.0,p<0.027植被产水量：原始老龄林>

针阔混交林

>

次生桦木林

>人工云杉林植被固碳能力：桦木冷杉林

>人工云杉林 >次生桦木林冷杉为节水、调水和蓄水最佳功能树种，具有较高的WUE以岷江冷杉林为亚高山针叶林具有相高固碳量和产水量，是亚高山水源涵养林恢复的最佳类型3、基于水碳权衡的森林景观恢复植被产水量：原始老龄林>针阔混交林>次生桦木林>328岷江流域森林景观恢复开发前原始林为主大规模开发草甸、灌丛、阔叶幼林的不断增加和原始林的不断减少全面恢复目前次生阔叶林为主

针阔混为主岷江森林景观恢复对策：促进向老龄冷杉林正向演替，确保未来产水缓慢恢复阔叶

林林

下栽

栽针

冷保

杉阔开人

辟工

林云

窗杉

栽林

冷杉岷江流域森林景观恢复开发前原始林为主大规模开发全面恢复目前29森林景观恢复景观恢复不仅是森林覆盖的恢复，而且是森林覆盖数量、质量和功能的恢复，在较大的景观空间内能够提高森林的物质产品、服务功能和生态过程景观恢复的生态完整性（生物多样性、生态功能、物质产品生产和生态服务）并不仅指组成、结构和功能，而且还包括动态变化和适应进化Forestlandscaperestoration…focusesonrestoringforestfunctionality:thatis,thegoods,servicesandecological

processesthatforestscanprovideatthebroaderlandscapelevelas

opposedtosolelypromotingincreasedtreecoverataparticular

location.森林景观恢复展望森林景观恢复景观恢复不仅是森林覆盖的恢复，而且是森林覆盖数量30基于水碳权衡的森林景观恢复多功能经营规划系统自主开发了FLMPS森林景观经营规划系统，并与水碳耦合模型WASSI-C模型融合，构建森林景观优化决策支持系统。1030507090110130150170190140016001200140010002地位级12001b地位级8003地位级4地位级10008001a地位级1地位级6005地位级6002地位级4005a地位级4003地位级20020000205080110140170200230冷杉生长过程

云杉生长过程模拟森林生长、采伐和更新森林经营规划落实到小班软件注册权：森林经营规划软件V1.0（登记号2009SR033815）;

虚拟林相及规划方案落实软件V1.0（登记号2009SR056650）技术关键：把线性规划、天然林经营、均匀度理论、虚拟现实技术等有机结合起来，应用于退化水源涵养林空间经营规划。FSMPS森林空间规划软件框架能具否体落空实间到能森林空间规划实施方案否否数字地形数据矢量化林相图水系、植被图约束条件分配到小班LP-Solve林分生长过程规划目标FSMPS作业（采更育）规程森林空间规划方案空间分配原则基于水碳权衡的森林景观恢复多功能经营规划系统自主开发了FLM31提出了岷江上游亚高山水源涵养林空间优化布局与多功能空间经营方案。水源涵养林规划期末200年后林相图水源涵养林规划期末云杉转换为冷杉林区域

水源涵养林规划期末

云杉与冷杉年龄分布图

保护原始云冷杉林，天然更新或人工促进天然更新，人工林结构改造优化森林-高山灌丛-草地的景观配置，以及树种空间布局。岷江上游生态水文研究图集,

中国地图出版社,

2008,

北京．基于水碳权衡的森林景观恢复多功能经营规划系统提出了岷江上游亚高山水源涵养林空间优化布局与多功能空间经营32岷江上游流域不同作用层的水源涵养量与贡献率措施前 措施后（人工更新、封育）水源涵养量贡献率

（107m3）贡献率（%）水源涵养量（107m3）（%）林冠截留量5.712.765.712.63枯枝落叶持水量9.654.668.623.98土壤层蓄水量191.6092.58202.4093.39总水源涵养量206.96100.00216.72100.00岷江上游流域不同植被类型单位面积水源涵养量植被类型单位面积水源涵养量(t/hm2)面积比率（

）措施前措施后（人工更新、封育）灌木820.74820.7417.85阔叶林1331.691331.6931.37天然针叶林2164.382164.3826.73人工针叶林2124.342363.7924.04平均1610.291670.15-经过抚育更新+封育经营后，森林植被水源涵养量提高到1670.15t/hm2，提高了约3.72

。其中，人工针叶林水源涵养量约提高了11.27。不同恢复措施对岷江上游森林植被水源涵养的影响岷江上游流域不同作用层的水源涵养量与贡献率水源涵养量贡献率33经济效益：水源涵养经济价值可达318亿元，增加56亿元。森林景观恢复的水源涵养效益生态效益：森林水源涵养能力由21.88亿吨提升至26.52亿吨，相对提升4.64亿吨，提升比例21.18%。相当于26个大型水库库容（以1亿立方米库容计）相当于近5个大型水库库容（以1亿立方米库容计）21.8823.1623.8525.5526.5225.0030.00亿吨20.0015.0010.005.000.00现状 5年后

10年后

20年后

30年后森林水源涵养总量经济效益：水源涵养经济价值可达318亿元，增加56亿元。森林34杂谷脑洪枯比：6.0（1966年）→11.5（1982年）→7.1（2006）;紫坪铺洪枯比：7.7（1966年）→10.3（1983年）→5.8（1999-2006）→4.95（2016年)。时间森林覆被率194938%198833%199738%201240%201743%岷江流域森林覆被率岷江上游枯水期流量和洪枯比50年变化趋势（森林涵养水源、消洪补枯调节能力持续提升）杂谷脑洪枯比：6.0（1966年）→11.5（1982年）→35岷江流域经历植被恢复和气候变暖的叠加期，其中植被快速恢复对产水下降的贡献为40%，气候干暖化贡献占60%岷江冷杉是水文功能最佳树种，原始冷杉林水源涵养功能最高优先保护原始林，倡导天然更新或人工辅助天然更新，实施人工林的近自然化改造提升水源涵养功能加强山地景观系统的整体保护，优化流域中森林、灌丛、草地景观配置，以及农牧业用地和城乡土地空间格局主要结论岷江流域经历植被恢复和气候变暖的叠加期，其中植被快速恢复对36基于水碳权衡的岷江上游森林景观恢复课件37基于水碳权衡的岷江上游森林景观恢复课件38一．研究背景二．森林水源涵养机制三．森林景观恢复四．主要结论一．研究背景39岷江是长江水量贡献最大的支流（8.9%)，对维护成都平原乃至长江流域水资源、长江经济带生态屏障发挥着重要的作用；岷江流域复杂高山峡谷地貌和高山植被垂直带谱，以及气候变暖和森林采伐、森林恢复等多种复合因子变化对森林水源涵养功能的影响研究在中国乃至全球均具有特殊性、典型性；Sichuan

ChongqingShannxiYunnanXizhang(Tibet)Qinghai

GuanshuGuizhouMingjiangWatershedEEEE#E## E#E###E#E

#岷江是长江水量贡献最大的支流（8.9%)，对维护成都平原乃至40岷江上游天然植被破坏/退化严重岷江流域森林覆盖率从38(1949)下降16％(1985)、27

(1998)、44.9(2014),天然林面积减少/结构与功能退化/景观破碎化严重1955年 2000年岷江上游天然植被破坏/退化严重岷江流域森林覆盖率从38(14170605040302010019501960 1970198019902000年采伐量

(×104m3)年份

years中幼龄针叶林

MYC老龄针叶林

OC针阔混交林

MCD落叶阔叶林 DB灌丛草甸农田裸岩冰雪400042003600400037004000米亚罗植被图采伐导致森林景观破碎化杂谷脑流域7019501960 1970198019902000年采伐42海拔3000-4000米y=0.0205x+3.636R2=0.388422.533.544.555.561959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007年均温Theannualaveragetemperature(

℃)时间

Time/a平均气温

Theaverage

temperature线性(平均气温

Theaverage

temperature)

5年移动平均

The5years-movingaverage海拔2000-3000米y=0.0117x+9.3381R2=

0.1817109.598.587.51110.51959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007年均温Theannualaveragetemperature(℃)时间

Time/a平均气温

Theaverage

temperature线性(平均气温

The

averagetemperature)

5年移动平均

The5

years-moving

average海拔1000-2000米y=0.0142x+14.107R2=

0.201212.51313.51414.51515.5161959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007年均温Theannual

averagetemperature(℃)时间

Time/a平均气温

The

average

temperature线性

(平均气温

The

average

temperature)

5年移动平均

The

5

years-moving

average温度海拔1000-2000米y=1.2589x+996.98R2=

0.02127008009001000110012001300140015001959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007降水量Rainfall(mm)时间Time/a降水量

TheRainfall线性(降水量TheRainfall)5年移动平均

The

5

years-moving

average海拔2000-3000米y=1.0347x+726.89R2=

0.05575005506006507007508008509001959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007降水量Rainfall(mm)时间

Time/a降水量

The

Rainfall线性(降水量

The

Rainfall)5年移动平均

The

5

years-moving

average海拔3000-4000米y=-2.072x+974.54R2=

0.08967008009001000110012001959196119631965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007降水量Rainfall(mm)时间

Time/a降水量

The

Rainfall线性

(降水量

The

Rainfall)5年移动平均

The

5

years-moving

average降水量岷江上游气候变化-干暖化趋势海拔3000-4000米y=0.0205x+3.6343气候变化加剧水资源减水和水生态安全危机河川径流时程分配格局改变：雨洪径流增加，枯水期延长岷江上游流入成都平原的水资源总量从120亿万m3下降到年平均水流量90亿m3，成为水生态安全的重大危机地表与地下径流的比从7:3上升为8:2年最小枯水量从147亿m3下降到119亿m3洪枯流量比达90以上森林植被水源涵养功能下降、植被恢复和气候变化共同影响流域水文、水资源和经济社会可持续发展。气候变化加剧水资源减水和水生态安全危机河川径流时程分配格局改44国际上普遍采用配对小集水区研究森林与径流的关系，视森林为黑箱(Andrèassian,

2004),

定式结论：森林采伐增加流域产水量国内多采用对比流域研究森林覆被率与径流变化的关系，缺乏深入水文过程及机制的认识，长江上游呈相反的结论并存在争议(马雪华,1987;

程根伟,1991)国际上普遍采用配对小集水区研究森林与径流的关系，视森林为黑箱45全球变化生态水文学冰川融化雪积雪融变化大气CO2增加降水格局变化全球气温增加气候变化响应与适应人类活动LULUCF全球变化生态水文学冰川融化大气CO2增加降水格局变化全球46基于水碳权衡的岷江上游森林景观恢复课件47一．研究背景二．森林水源涵养机制三．森林景观恢复四．主要结论一．研究背景48应用稳定同位素技术辨识典型森林植被类型水文循环过程、路径及迁移转化变化规律亚高山暗针叶林:

岷江冷杉:

30-60cm

土壤水；大叶金顶杜鹃:0-40cm

土壤水；冷箭竹:

枯落物层和

0-5cm

土壤水

亚高山灌丛:川滇高山栎和丝毛柳:

吸收腐殖质层和0-30cm

土壤水

高山草甸:驴蹄草:

0-5cm

土壤水,狼毒:

25-45cm土壤水；

InterflowGroundwater徐

庆，安树青，刘世荣等.

2005，林业科学徐振,

安树青等.

2007,

资源科学CuiJ,SQAn,etal..JournalofHydrology,20082、森林植被水源涵养机制定量阐明生态系统中优势植物吸收水模式和利用方式，枯枝落叶层和土壤层调蓄过程L-3

岷江冷杉051015202530树干径流量(mm)0-2-4-6-8-10-12-14-16-18-20树干径流δ18O(‰)1

3 51115171819212332353839404546

47天数(Day)树干径流量 树干径流δ18O05101520258-108-118-138-158-248-308-319-1日期

Date降水量和穿透水量

Precipitationandthroughfallamount/

mmδ18O/

‰降水量

precipitation

amount树干茎流量

Stemflow

amount枯枝落叶

Litter

w

ater

δ18O 树干茎流

Stemflow

δ18O地表径流对降水响应依降水量而变化：

降水>15

mm时第2天δ18O差值显著影响；降水10-15

mm时第3天δ18O差值明显变小；降水<10

mm时5

d天内δ18O差值减小不显著。应用稳定同位素技术辨识典型森林植被类型水文循环过程、路径及49森林水文调蓄功能层：森林冠层结构、林下冠层层和土壤层(枯枝落叶、苔藓层和非毛管孔隙度)，其中土壤层占主导作用。2、森林植被水源涵养机制原始林苔藓层和枯落物层的降水截持功能（35.02mm）为人工云杉林(15.85mm)的2.21倍，能够有效减少暴雨引起的地表径流。S0NS10NS70P50P40P30P20P10P最大持水量（t/ha）10P20P40P30P50P70P10NS40NS30NS180NS1140120100806040200林分类型350300250200150100500林分类型最大持水量

（t/ha）刘世荣等.

2001,

自然资源学报ZhangYD,etal.2008,

JAWRA森林水文调蓄功能层：森林冠层结构、林下冠层层和土壤层(枯枝50岷江冷杉是节水、调水和蓄水的最佳树种；岷江冷杉原始林比不同演替演替阶段的次生林和人工林具有更强的水源涵养功能树种冠层蒸腾量：云杉>红桦>冷杉(mm/day)最大林冠层蒸腾量：

3.17

>

2.08

>

1.69原始林产水量增加75.51%次生林产水量增加36.46%刘世荣等.

2001,

自然资源学报ZhangYD,etal.2008,

JAWRA2、森林植被水源涵养机制岷江冷杉是节水、调水和蓄水的最佳树种；岷江冷杉原始林比不同51Liuetal.,2009,Journalof

Hydrology同位素水分溯源揭示了森林植被类型的产流强度:森林<高山草甸；削减洪峰:森林>高山草甸；冰川融雪水是岷江枯水季主要补给来源，气候变暖加剧冰川消融和降雪减少，减水了河流的基流补给，可能威胁岷江水资源的安全。2、森林植被水源涵养机制Liuetal.,2009,Journalof52同位素示踪发现：高山草甸低蒸发、低蒸腾、高渗透；亚高山森林为低蒸发、高蒸腾和高渗透；首次发现高山草甸与亚高山森林构成了完整的自然水文循环景观系统。低海拔亚高山森林蒸腾水分形成高山草甸的雾水，雾水和雨水进入高山草甸入渗土壤转移补给亚高山森林的土壤水分，构成植被－土壤－浅层地下水－河道－快速下泄水分循环体系；季风水汽补充2、森林植被水源涵养机制Liuetal.,

2009同位素示踪发现：高山草甸低蒸发、低蒸腾、高渗透；亚高山森林为5302 4 6 8距离

采

伐

时间

（

年）

Thenumberofyearsafterharvesting

(year)10径

流

系

数变化率

（%）Variationrateofrunoff

cofiecient(%)-100-50050100150200aaabbbcccc草本阶段灌

丛

阶

段a

配对径流场数据；b

配对集水区数据；c

插值数据原始冷杉林采伐后产水量动态变化6005004003002001000原始林

草地

灌丛

阔叶林

针阔混

人工林

年耗水量(mm)草本阶段（1-3年）：产水增加灌丛初期（4-6年）：不原始林持平灌丛阶段（7-15年）：低于原始林阔叶林阶段（15-40年）：进一步降低针阔混阶段（40-100年）：产水量开始长期缓慢回升老龄冷杉林（100年后）：重新达到最佳水源涵养功能人工云杉林耗水量最高0100200300400500600700原始林草地灌丛阔叶林

针阔混交林老龄林年产水量(mm)

100年

以上2010-2020未来50年2、森林植被水源涵养机制02 4 6 810径流系数变化率（%）-100-5540.80.70.60.50.40.30.9

2000200020002000200120012001200120022002200220032003200320032004200420042004200520052005200520062006200620062007200720072007200820082008200920092009200920102010MODIS/

NDVI原始冷杉林40-60年生云杉林粗糙度—静态指标

植被覆盖率—半静态—植被数量变化

植被指数和叶面积指数

—数量、结构、功能动态变化

—时间、空间分布特征变化

传统

水文学采用遥感归一化植被指数(NDVI)和叶面积指数(LAI)表征植被时空动态变化并建立与水文过程时间序列的对应耦合关系，揭示了森林植被生态与水文过程的动态耦合机制20001500100050003000250019881989199019911992199319941995199619971998199920002001200220032004

Flow

m3/sStreamflowBflow

Pass3森林植被的动态变化2、森林植被水源涵养机制-生态水文耦合Year流域水文过程的动态变化Sunetal.,2008,

20120.80.92000MODIS/NDVI原始冷杉林554.85.05.65.45.25.86.019821984198619881990199219941996199820002002YearsTI-NDVIc4.54.64.7

4.84.95.0AGDDA (×10

3)TI-NDVI

Linearannual

AGDDLinear

TI-NDVIc

130012001100

1000900800700600500400300200100019821984198619881990199219941996199820002002Yearsmm

annual

AGDDRunoffPrecipitationET基于亚高山森林NDVI长时间系列分析检测出水文响应的敏感变化，揭示了气候变化对森林影响引起流域水文变化的机制，气候变暖诱发蒸散增强引起径流量变化贡献约43改变了传统水文学定式认识，采用森林覆盖率(<20

)无法检测出流域径流量的明显变化Sunetal.,2012;Cuietal.,2012,

HESS2、森林植被水源涵养机制-量化气候变暖4.85.05.65.86.01982YearsTI-NDV56提出等效采伐/恢复面积的水文效应指数(ECA)、降水-径流累积双曲线方法(DMC)和时间序列分析方法，定量区分森林采伐与气候变化对径流长期渐变影响及其突变点，发现了水文突变点滞后干扰10年，突破了传统小流域配对集水区方法的局限性1970197219741976197819801982198419861988199019921994199615105%

0-5-10-15YearQaf%

95%CIQac%森林采伐/恢复的双累积效应累计采伐率(15.5％)2、森林水源涵养机制-辨析气候变暖不采伐森林采伐(ΔQaf)和气候变化(ΔQac)对年径流变化的累计贡献百分率采伐对径流贡献量为38

mm

yr−1，而气候变化对径流贡献量为-27mm

yr−1，采伐对径流影响20

年后基本上恢复；采伐和植被恢复对径流影响存在着相互抵消关系。Zhangetal.,

2012提出等效采伐/恢复面积的水文效应指数(ECA)、降水-径流累57一．研究背景二．森林水源涵养机制三．森林景观恢复四．主要结论一．研究背景58WaSSI-C

生态系统服务模型WaSSI(WaterSupplyStressIndexModel

)模型是美国林务局EFETC(EasternForestEnvironmentalThreat

Assessment

Center)开发的月尺度生态系统水碳耦合模型；水分供需计算模型(WaSSI)+

水碳经验模型；为基本单模型以水文响应单元(HRU)元，模拟径流（RUNOFF）、总生态系统生产力（GEP）、生态系统呼吸消耗量（Re）和蒸散（ET）等水、碳循环过程。模型的模拟单元（HUC）(Sun,etal.,

2010)3、基于水碳权衡的森林景观恢复WaSSI-C生态系统服务模型为基本单模型以水文响应单元(59WaSSI-C

模型框架改进模块：亚高山雪积-雪融模块，从集总式改为分布式刘宁等，2012，孙鹏森等，20163、基于水碳权衡的森林景观恢复WaSSI-C模型框架改进模块：亚高山雪积-雪融模块，从集603、基于水碳权衡的森林景观恢复基于水碳平衡模型WaSSI-C模型模拟，发现岷江上游不同森林植被类型水碳之间存在权衡;

岷江流域属是能量限制性，其碳汇潜力(119

gC

m-2

y-1;

0.4gC/

mm

H2O)岷江流域水量平衡空间分布岷江流域碳平衡空间分布WaSSI-C模型框架中流域产流量和净生态系统生产力显著负相关，固碳：森林>草甸；产水：草甸>森林孙鹏森等2016；刘宁等201314921151861312212014871016221915317植被类型

Class农田

（CL）落叶阔叶林

（DBF)常绿针叶林

（EBF）针阔混交林

（MF）灌木林

（SL）灌草混合（SMT)高山草甸（AM）水体

（WB）裸岩

（R）永久积雪（SG）±10

KM3、基于水碳权衡的森林景观恢复基于水碳平衡模型WaSSI-C61(a)(b)3、基于水碳权衡的森林景观恢复丌同森林植被覆盖率不土壤含水量的关系(a)(b)3、基于水碳权衡的森林景观恢复丌同森林植被覆盖率623、基于水碳权衡的森林景观恢复丌同植被类型主导流域的NEP不Runoff的关系3、基于水碳权衡的森林景观恢复丌同植被类型主导流域的NEP不631、产流（Q)：草甸主导的流域(z=-3.0,

p<0.01)和混交林主导的流域(z=-2.8,

p<

0.01)显著度高于针叶林主导的流域(z=-2.5,

p<

0.05),

三类主导植被类型的流域模拟结果基本一致,

且总体模拟结果基本符合杂谷脑水文站实测水文数据。2、净生态系统生产力(NEP)：趋势变化方向恰好与流域径流量的变化趋势相反,

总体呈现上升趋势,其中针叶林(z=

1.2,

p>0.1)和混交林主导(z=

1.3,

p>

0.1)的植被类型上升趋势不显著,

而草甸主导的类型上升显著(z=2.09,

p<

0.05)3、基于水碳权衡的森林景观恢复1、产流（Q)：草甸主导的流域(z=-3.0,p<0.064植被产水量：原始老龄林>

针阔混交林

>

次生桦木林

>人工云杉林植被固碳能力：桦木冷杉林

>人工云杉林 >次生桦木林冷杉为节水、调水和蓄水最佳功能树种，具有较高的WUE以岷江冷杉林为亚高山针叶林具有相高固碳量和产水量，是亚高山水源涵养林恢复的最佳类型3、基于水碳权衡的森林景观恢复植被产水量：原始老龄林>针阔混交林>次生桦木林>365岷江流域森林景观恢复开发前原始林为主大规模开发草甸、灌丛、阔叶幼林的不断增加和原始林的不断减少全面恢复目前次生阔叶林为主

针阔混为主岷江森林景观恢复对策：促进向老龄冷杉林正向演替，确保未来产水缓慢恢复阔叶

林林

下栽

栽针

冷保

杉阔开人

辟工

林云

窗杉

栽林

冷杉岷江流域森林景观恢复开发前原始林为主大规模开发全面恢复目前66森林景观恢复景观恢复不仅是森林覆盖的恢复，而且是森林覆盖数量、质量和功能的恢复，在较大的景观空间内能够提高森林的物质产品、服务功能和生态过程景观恢复的生态完整性（生物多样性、生态功能、物质产品生产和生态服务）并不仅指组成、结构和功能，而且还包括动态变化和适应进化Forestlandscaperestoration…focusesonrestoringforestfunctionality:thatis,thegood