森林生态系统的水源涵养功能及其计量方法

为全面认识与正确评价森林生态系统的水源涵养功能,本文探讨了其概念、表现形式及其计量方法,认为：1）森林的水源涵养功能是一个动态、综合的概念,随着人们对森林水文作用认识的不断深入,其内涵不断丰富扩大,因此森林的水源涵养功能概念存在狭义和广义之分;2）森林的水源涵养功能（广义）有多种表现形式,包括拦蓄降水、调节径流、影响降雨和净化水质等,不过其具体表现形式与研究对象、研究目的以及研究尺度有关;3）目前森林拦蓄降水功能的计量方法主要有土壤蓄水能力法、水量平衡法、年径流量法和多因子回归法等8种,不过这些方法都存在一定的局限性,实际应用中需要综合考虑。     

中国生态系统水源涵养空间特征及其影响因素

水源涵养是陆地生态系统重要生态服务功能之一,包含着大气、水分、植被和土壤等自然过程,其变化将直接影响区域气候水文、植被和土壤等状况,是区域生态系统状况的重要指示器。我国水资源贫乏,降水时空分布不均,在区域尺度上评估全国生态系统水源涵养功能空间特征及其影响因素,对科学认识和合理保护我国生态系统水源涵养,和制定生态环境保护决策具有十分重要的意义。以全国生态系统水源涵养功能为研究对象,通过收集和分析相关数据,对各类典型生态系统水源涵养数据进行归类与统计,在区域尺度上评估中国生态系统水源涵养功能,并分析气候与人类活动对其影响。结果表明:(1)中国水源涵养总体上呈现东南高西北低、由东到西逐渐递减特征。2010年全国生态系统水源涵养总量为12224.33亿m~3。(2)森林是我国生态系统水源涵养的主体,其水源涵养量最高,占全国水源涵养总量的60.80%。其中,常绿针叶林生态系统水源涵养量最多,而常绿阔叶林水源涵养能力最高。按流域统计,相对于其他一级流域,长江流域生态系统的水源涵养量最高。(3)中国生态系统水源涵养受气候和人类活动的影响,与降水、温度、蒸散、坡度、COD密度和长江生态工程呈现显著的正相关,而与GDP密度和农村人口密度呈现明显的负相关。     

嫩江上游流域生态系统水量平衡的研究

以2级流域为研究单元,在流域结构特征调查分析的基础上,通过不同生态系统和不同森林类型对降水再分配的观测,从林分、生态系统和流域不同尺度和水平上定量分析了森林类型、生态系统、流域的水量平衡。结果表明,落叶松人工林的林冠截留率最大,表现出比天然白桦林、天然黑桦和天然阔叶混交林具有较强的蓄水和拦截功能,蒸散是森林生态系统水分输出的主要形式,天然阔叶混交林和人工针对林径流量相对较小,蒸散也是农田和草地水分输出的主要形式,它们的蒸散值分别占降雨量的91．06％、81．02％,草地蒸散值大于森林,具有较小的径流,表现出很强的蓄水保水作用,而农田蒸散值小于森林,径流量最大,总裁总蒸散占降水的80．84％,径流占23．26％。     

基于元胞自动机的森林水源涵养量模型新方法——概念与理论框架

模型方法是定量评价森林水源涵养的重要途径。根据元胞自动机的基本理论,结合森林水源涵养效应的多尺度特征,提出了一个新的基于元胞自动机的森林水源涵养量计算模型。该模型将森林"水文响应单元"网格化作为元胞空间的基本单元,邻域定义为摩尔(Moore)型,元胞"水库"水量状态变化范围定义在一个连续的实数空间上。将元胞单元对不同降雨事件的响应分为不产生径流和产生径流两种情况,通过对蒸散发、邻域元胞间水量传输、深层渗漏等制定转换规则,模拟森林在不同尺度上的水源涵养动态特征。这种新模型方法将为森林水源涵养由小尺度(水文响应单元)向流域、景观尺度上推提供有效的定量研究途径,从而进一步推动森林水源涵养功能研究的深入。     

北部湾防城河流域水源涵养格局及其对降雨的响应特征

评估南亚热带季风气候影响下流域水源涵养量的时空格局及其对降雨的响应特征,可为揭示不同时间尺度流域降水变化下水源涵养演变规律提供科学依据。本研究以北部湾防城河流域为研究对象,基于水量平衡原理,应用SWAT模型探究水源涵养量的时空格局及其对降水的响应特征。结果表明：防城河流域水源涵养量为1637.4 mm·a^-1,占年均降水量的50.7%。不同子流域的水源涵养变化量的差异明显,其中,森林植被覆盖度高、坡度较陡的子流域水源涵养量大,而其他土地利用类型(如田地、草地)、坡度较缓、人类活动强度大的子流域水源涵养量较低。在月尺度上,水源涵养量和水源涵养变化量均与流域降水呈现相似的变化特征。水源涵养变化量对次降水量的响应呈现两种类型：短期降雨(降雨持续时长≤2 d)与水源涵养变化量呈线性变化,中长期降雨(2 d<降雨持续时长≤10 d)与水源涵养变化量呈非线性曲线变化,且主要受到蒸散发等过程的影响。高频次短持续时间的降水事件相对于长持续时间的降水事件更有利于增加生态系统水源涵养。     

东江流域森林水源涵养功能空间格局评价

东江流域森林水源涵养功能对于保障流域可持续发展具有重要作用。应用In VEST模型,结合东江流域土地覆盖分类数据、气候数据、土壤数据评估了东江流域森林水源涵养功能的空间分布。结果表明:东江流域森林生态系统水源涵养总量为47.29×10~8m~3,水源涵养功能最高为572.6 mm,平均水源涵养功能为204.15 mm。东江流域森林水源涵养功能在空间上呈现出不同的分布特征,流域内森林水源涵养功能随海拔升高呈现先上升后降低的趋势,在海拔900—1200 m范围,水源涵养功能平均值达到最大值270 mm;流域内森林水源涵养功能随坡度升高呈增加趋势,在坡度大于50°的区域,森林水源涵养功能平均值增加到327.2 mm,高于流域平均水平60%。流域水源涵养功能呈现中游下游上游的空间格局,流域上、中、下游地区的水源涵养总量占流域的比例分别为11%、72%、17%。     

森林生态系统水源涵养服务功能解析

森林水源涵养功能作为森林生态系统服务的一个重要方面,在国内的研究已有数十年的历史。多数研究中将森林水源涵养功能狭义地等同于森林对降雨的拦蓄能力或对径流的调节能力,而忽略了其对各水文过程的整体性作用以及对气象和土壤因子的综合性影响。此外,在不同研究区域中,对于森林水源涵养功能的理解和研究方法往往一概而论,并未考虑研究区域的自然条件特性和社会经济特征,这使得研究结果的区域针对性不足,限制了对其进一步的应用推广。针对上述问题,在全面分析森林水源涵养的含义和特征之后,定义了不同区域的水源涵养功能内涵和主导服务,并给出了不同区域森林水源涵养功能的适宜计算方法,以期为不同区域森林水源涵养功能的全面提升和水源涵养林生态修复工程提供科学依据。     

天山中部云杉天然林水源涵养功能定量评估——以乌鲁木齐河流域为例

为定量分析天山中部流域尺度云杉天然林水源涵养功能,以乌鲁木齐河流域为研究区,使用In VEST模型,研究云杉林及其它主要地类水源涵养量的大小,并对云杉林在不同分布面积、不同地形因子条件下的水源涵养量变化进行定量分析。结果表明:(1)In VEST模型可较好的确定研究区流域尺度水源涵养量。基于In VEST模型的模拟,乌鲁木齐河流域云杉林区水源涵养总量为4.93×10~6m~3,占研究区水源涵养总量(2.41×10~7m~3)的20.46%,林区平均水源涵养深度为54.25 mm;(2)云杉林区水源涵养量的大小在海拔、坡度、坡向上的变化与云杉林空间分布格局一致,每公顷水源涵养量随海拔升高先增大后降低、随坡度增大而降低;阴坡水源涵养能力最强;(3)研究区各地类中以林地水源涵养量最大(水源涵养量544.78 m~3/hm~2),随着云杉林覆盖率的不断增加,水源涵养总量、平均水源涵养深度及单位面积涵养量均呈增加趋势;(4)研究区水源涵养量的贡献率与森林面积密切相关,云杉林面积每增加1%,研究区与云杉林区水源涵养总量分别增加0.437×10~6m~3、0.522×10~6m~3;加强对研究区云杉林的保护与抚育管理,才能使森林发挥持续稳定的水源涵养生态服务功能。     

汉江上游金水河流域森林植被对水环境的影响

以汉江上游金水河流域为研究区域,分析了流域森林植被对水环境的影响。利用年降水量、林冠截留率和不同森林类型面积的数据,计算了金水河流域森林生态系统的水源涵养量,分析了流域森林植被对水量的影响;采用监测的方法,分别对金水河流域阔叶林森林生态系统的大气降水、枯落物层、土壤层和出口河水的水质进行了比较分析,探讨流域森林植被对水质的影响。结果表明,(1)金水河流域森林生态系统的水源年涵养总量为466.79×106m3,(2)流域阔叶林森林生态系统能够调节pH值,缓解大气降水的酸性环境;降低了大气降水中TDS、CODMn、HCO3、SO4、Cl、NO3、NH4-N、NO3-N、PO4-P、TDP、As、Ba、Cr、Na、Pb、Fe、K、Mn、V和Zn的含量,净化了水质。(3)根据各贮水层的水质分析,推断了河水中各物质的不同来源。研究为南水北调中线工程水源地的管理和建设提供了参考。     

秦岭水源涵养功能时空变化及其影响因素

秦岭是中国重要的南北分界线,也是中国重要的水源涵养功能区,探究秦岭地区水源涵养功能的时空变化,对于实现该区自然资源的合理利用与可持续发展具有重要现实意义。本文利用In VEST模型产水模块,分析了秦岭地区2000—2015年产水功能和水源涵养功能的时空变化,并采用逐步回归分析法对水源涵养功能的影响因素进行定量化分析。结果表明:秦岭多年平均产水量和水源涵养量分别为156.96×108和61.51×108m3,各市域的水源涵养能力依次为商洛安康汉中西安宝鸡渭南; 2000—2015年水源涵养功能时空变化显著,空间上呈现南高北低的分布特征,水源涵养量以每年0.26 mm逐年增加,产水量和水源涵养量与年降水量的空间分布基本一致,与实际蒸散发分布相反; 2000—2015年的土地利用变化以未变化类型为主,土地利用变化导致水源涵养能力变化-65.2～14.4 mm,其中林地和草地的水源涵养能力分别呈不同程度的增加和下降;子流域尺度上与水源涵养功能相关性强的主要因子为干燥指数、降水和土壤饱和导水率,对产水功能影响较大的因子有干燥指数、降水和实际蒸散发。     

北京密云水库流域水源保护林区径流空间尺度效应的研究

通过10a的森林水文定位观测,对比研究了北京密云水库流域水源保护林和对照荒坡地径流在坡面尺度（约0.9hm^2）和小流域尺度（约2.7hm^2）上的空间尺度效应。结果表明,荒坡地和水源保护林地的径流系数在坡面和试验流域尺度上与降雨量呈显著的对数相关关系;在坡面尺度和小流域尺度,荒坡地径流系数都显著地大于水源保护林地;而且随着降雨量级的增大,荒地与水源保护林地的径流系数之差在小流域尺度比坡面尺度更大;随着研究尺度从坡面到小流域的扩展,茺地径流系数显著增大,而水源保护林地的径流系数变化微小。这一尺度效应说明水源保护林对水文过程具有较大的调蓄能力,表现为较强的水源函养作用。     

长白山阔叶红松林降雨截留量的估算

林冠截留降雨过程是森林流域水分循环的重要组成部分,以往的研究多为1次或多次降雨量与截留量的关系,很少考虑雨强和树木特征.文中利用林冠截留降雨半经验半理论模型,以雨强和叶面积指数为模型输入,林冠湿润程度为参数,结合Penman-Monteith公式,有效地模拟了长白山阔叶红松林次降雨的截留过程和2004年5～9月的林冠截留总量.结果表明,研究期间的林冠截留总量为39.96 mm,占降雨总量的10.2%,与实测资料吻合.根据模拟结果,探讨了不同时间尺度上截留量与降雨量之间的关系,随着时间尺度的增大,截留量与降雨量的相关关系趋于明显.     

基于水源涵养的流域适宜森林覆盖率研究

适宜森林覆盖率的研究是流域防护林空间布局的基础研究,对流域内防护林林种和林分结构调整有着重要的指导意义。以对土壤饱和蓄水量的贡献大小为依据,人力可控和可测为原则进行流域有林地水源涵养功能评价指标筛选。采用群组AHP法剔除因子间相关性较大的指标,筛选出了地形-土壤因子、林分因子、干扰强度因子共计12个指标;用层次分析法(AHP)计算各指标对土壤饱和蓄水量的权重,以此权重计算各有林地小班水源涵养的等级值以及每个等级对应的面积。以流域历年(40a)最大日降雨量147.2 mm计算流域适宜森林覆盖率。结果表明:林分因子 (0.637)>干扰强度因子(0.258)>地形-土壤因子(0.105),即影响平通河流域有林地水源涵养功能最大的因子是林分因子,其次是干扰度因子;流域基于水源涵养的适宜森林覆盖率为57.09%,变幅为43%-73%。     

中国东部森林样带典型森林水源涵养功能

通过对我国东部森林样带四个森林生态系统定位研究站（长白山站、北京站、会同站和鼎湖山站）的九种森林类型水源涵养监测数据的分析,研究了水热梯度下不同森林生态系统水源涵养功能。结果表明：在生长季的5-10月份,各森林类型的水源涵养特性表现出较大差异。林冠截留率的大小依次为：阔叶红松林＞杉木林＞常绿阔叶林＞针阔混交林＞季风常绿阔叶林＞落叶阔叶混交林＞马尾松林＞落叶松林＞油松林,最高的长白山站阔叶红松林的截留率是最低的北京站油松林的2.2倍。森林降雨截留量与林外降雨量呈显著的正相关,林冠截留率与降雨量呈显著负相关。枯落物最大持水深（5-10月份）以北京站落叶阔叶林最大,为6.0mm;鼎湖山站的季风常绿阔叶林最小,为1.0mm。0-60cm土层蓄水量最大的是会同站的人工杉木林,为247mm;最小的是北京站的落叶松林,仅为45.5mm;林分总持水量依次为：杉木林＞阔叶红松林＞常绿阔叶林＞针阔混交林＞季风常绿阔叶林＞落叶阔叶混交林＞马尾松林＞落叶松林＞油松林。各林分总持水量主要集中在土壤层,占总比例的90%以上。     

广东省2004-2016年植被冠层降雨截留模拟及时空变化特征

评价植被冠层降雨截留能力,是生态系统水循环的重要研究内容。以广东省中小流域为例,结合地面监测站点的降雨量数据和MODIS叶面积指数遥感数据,利用植被冠层降雨截留模型,定量模拟和分析了广东省流域尺度2004-2016年的地表植被冠层降雨截留能力及其时空变化特征。结果表明：（1）2004-2012年广东省年均植被冠层降雨截留率持续下降,2016年略有上升,并且随着时间的推移,流域之间的植被冠层降雨截留率差异越来越小。（2）广东省植被冠层降雨截留能力呈现山区东西两翼高,山区中部以及沿海地区低的显著空间差异格局,这种空间格局与植被覆盖LAI主要呈现由珠三角向外围递增的圈层空间格局特征密切相关,而与由南向北逐渐递减的降雨空间格局特征相关性不大。（3）森林覆盖对流域植被冠层降雨截留能力有着一定的影响,其中流域内阔叶林占森林面积的比例对这种影响的程度起着最为关键的作用。     

How afforestation affects the water cycle in drylands: A process‐based comparative analysis

The world's largest afforestation programs implemented by China made a great contribution to the global “greening up.” These programs have received worldwide attention due to its contribution toward achieving the United Nations Sustainable Development Goals. However, emerging studies have suggested that these campaigns, when not properly implemented, resulted in unintended ecological and water security concerns at the regional scale. While mounting evidence shows that afforestation causes substantial reduction in water yield at the watershed scale, process‐based studies on how forest plantations alter the partitioning of rainwater and affect water balance components in natural vegetation are still lacking at the plot scale. This lack of science‐based data prevents a comprehensive understanding of forest‐related ecosystem services such as soil conservation and water supply under climate change. The present study represents the first “Paired Plot” study of the water balance of afforestation on the Loess Plateau. We investigate the effects of forest structure and environmental factors on the full water cycle in a typical multilayer plantation forest composed of black locust, one of the most popular tree species for plantations worldwide. We measure the ecohydrological components of a black locust versus natural grassland on adjacent sites. The startling finding of this study is that, contrary to the general belief, the understory—instead of the overstory—was the main water consumer in this plantation. Moreover, there is a strict physiological regulation of forest transpiration. In contrast to grassland, annual seepage under the forest was minor in years with an average rainfall. We conclude that global long‐term greening efforts in drylands require careful ecohydrologic evaluation so that green and blue water trade‐offs are properly addressed. This is especially important for reforestation‐based watershed land management, that aims at carbon sequestration in mitigating climate change while maintaining regional water security, to be effective on a large scale.     

祁连山青海云杉林冠生态水文效应及其影响因素

以位于祁连山中段大野口关滩森林站的青海云杉林为研究对象,利用2008年观测期间(6月12日至10月8日)34场降雨的大气降雨量、穿透雨量和树干茎流量观测资料,对青海云杉林的降雨再分配特征及其影响因素进行综合分析。结果表明:青海云杉林的总穿透雨量、截留量和干流量分别为212.6、64.5 mm和3.4 mm,分别占大气降雨量的75.8%、23.0%和1.2%;穿透雨在林内具有较大的空间变异性,其变异程度随降雨量的增大而减小,叶面积指数和冠层郁闭度在一定程度上也影响穿透雨的空间分布,且降雨量越小其影响效果越明显;青海云杉林的总干流量为3.4 mm,平均干流率为0.58%,雨前林冠的湿润程度对树干流的产生有很大影响,导致当降雨量为5.6 mm时就开始产生树干茎流;青海云杉林冠截留率的大小主要取决于降雨量,且随着降雨量的增大先减小并逐渐趋于稳定,林冠截留量总体上随冠层郁闭度和叶面积指数的增大而增大,但当观测点位于树冠边缘或多个树冠重叠处时出现负截留现象。所以,就特定林分而言,冠层结构特征对于其林冠生态水文效应起着重要的作用。     

海南岛热带山地雨林短期水量平衡及主要养分的地球化学循环研究

本文采用集水区技术和定位研究方法,利用１９８９年５月至１９９３年４月４ａ的观测资料,对海南岛尖峰岭热带山地雨林天然更新林的水量平衡及主要养分的地球化学循环规律进行了分析。     

小流域水源涵养林优化配置

通过对嫩江上游二道桥小流域内不同林分类型林冠截留、枯落物持水以及土壤蓄水的观测与调查,采用层次分析法探讨了小流域水源涵养林的配置.结果表明：该流域水源涵养林最优植被类型结构为天然白桦林24.86%、天然黑桦林16.30%、天然阔叶混交林44.49%、落叶松人工林10.88%、草地3.47%;经过层次分析优化后,流域水源涵养能力显著增加,其中以土壤层有效贮水量和最大贮水量增加幅度最大,分别比现状提高了33.05%和27.78%.层次分析优化结果可以作为试验小流域水源涵养林最优空间配置结构.